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(共20張PPT)
第六章 化學反應與能量
第一節(jié) 化學反應與能量變化
課時3 化學電池
課堂導入
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生活中常見的電池
根據(jù)原電池的工作原理，人們研制出很多結構和性能各異的化學電池，以滿足不同的用電需要。
生活中常見的電池類型有鋅錳干電池、鉛酸蓄電池、鋰離子電池和燃料電池等，根據(jù)其充放電次數(shù)的不同，又可以將電池分為一次電池和二次電池(充電電池)。
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一次電池
鋅錳干電池的構造如圖所示，石墨棒作為正極，鋅筒作為負極，氯化銨糊作為電解質溶液，你能根據(jù)構造描述其工作原理嗎？
一次電池：電池放電之后不能充電(內部的氧化還原反應無法逆向進行)，如鋅錳干電池。
鋅筒作為負極，發(fā)生反應為Zn - 2e- = Zn2+，石墨棒作為正極，但被還原的物質為MnO2，隨著反應進行，鋅和二氧化錳不斷被消耗，電池電壓不斷降低，最終失效，而因為反應不可逆，所以鋅錳干電池屬于一次電池。
鋅錳干電池在使用過程中，鋅筒逐漸變薄，內部的糊狀電解質會泄露腐蝕電器，可將電解質換為濕的KOH，制成堿性鋅錳電池，負極反應為Zn - 2e- +2OH- = Zn(OH)2。
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二次電池
二次電池：放電時所進行的氧化還原反應在充電時可以逆向進行，使電池恢復到放電前的狀態(tài)，從而實現(xiàn)放電與充電的循環(huán)，又稱為充電電池。
能量轉化：
化學能
電能
放電
充電
常見例子：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。
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二次電池
鉛酸蓄電池經(jīng)常被用作汽車的電瓶，其結構如右圖所示，放電時化學方程式為：
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
你能根據(jù)方程式判斷正負極材料并寫出對應的電極反應式嗎？
Pb失電子，為負極材料，PbO2得電子，為正極材料，電極方程式如下
負極：Pb + SO42- - 2e- = PbSO4；
正極：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O。
總反應：Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
二次電池的總反應屬于可逆反應嗎？
不屬于，因為反應條件不同。
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燃料電池
燃料電池：將燃料(如氫氣、甲烷、乙醇)和氧化劑(如氧氣)的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置。
燃料電池的優(yōu)點：
具有清潔、安全、高效等特點；
燃料電池的能量轉化率可以達到80%以上；
反應物不儲存在電池內部，而是由外設設備提供，供電量易于調節(jié)。
應用：在航天、軍事、交通等領域均有廣闊的應用前景。
如圖是氫氧燃料電池的工作原理圖，你能判斷出電池的正負極，寫出總反應方程式和電極反應式嗎？
電解質溶液 負極 正極
酸性(H+)
堿性(OH-)
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燃料電池
燃料電池正負極判斷相對簡單，正極需得電子，化合價降低，因此對應通入氧氣的一極，負極需失電子，化合價上升，對應通入燃料的一極。
燃料電池相當于燃料的燃燒，如氫氧燃料電池：
2H2 + O2 = 2H2O
燃料電池的電解質溶液酸堿性并不固定，因此在酸性和堿性條件雖總反應相同，電極方程式卻不相同。
電解質溶液 負極 正極
酸性(H+) 2H2 – 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
堿性(OH-) 2H2 – 4e- + 4OH- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
酸性溶液不出現(xiàn)OH-；
堿性溶液不出現(xiàn)H+。
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燃料電池
介質 電池總反應：2H2 + O2 = 2H2O 負極 2H2 - 4e- + 2O2- = 2H2O
正極 O2 + 4e- = 2O2-
負極 2H2 - 4e- = 4H+
正極 O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
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原電池電極反應式書寫常見錯誤
1.不能正確判斷原電池正負極
混淆正負極：負極上電極材料本身或電極反應物發(fā)生氧化反應，對應元素化合價升高，正極上電極反應物發(fā)生還原反應，對應元素化合價降低。
易混淆電子流向與電流方向而錯判，電子流出的方向與電流方向相反，電子流出的電極是負極。
錯誤地認為排在金屬活動性順序前面的金屬一定是負極，忽視反應本質。
2.電極反應式配平錯誤
不能根據(jù)化合價變化正確計算電子轉移的數(shù)目。
不滿足守恒定律：電極反應式和氧化還原方程式一樣，要滿足得失電子守恒、電荷守恒和質量守恒。
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原電池電極反應式書寫常見錯誤
將甲烷燃料電池設計為右圖所示裝置后發(fā)現(xiàn)OH-定向移向A電極，則兩極電極反應式應如何書寫？
3.電極產(chǎn)物書寫錯誤
忽視變價金屬被氧化的價態(tài)，如鐵片與碳棒用導線連接插入硫酸銅溶液中，錯誤書寫可能為負極：Fe - 3e- = Fe3+，實際上，鐵在硫酸銅溶液中只能被銅離子氧化為Fe2+。
對于活潑金屬電極，想當然地認為電極產(chǎn)物為金屬離子，忽視金屬離子與電解質溶液的某種成分可繼續(xù)反應，最終的氧化產(chǎn)物要根據(jù)題中信息確定。
忽略介質信息，錯判電極產(chǎn)物。
特別注意：酸性介質中不能出現(xiàn)OH-，堿性介質中不能出現(xiàn)H+。
A極為負極，通入甲烷：CH4 + 10OH- - 8e- = CO32- + 7H2O；
B極為正極，通入氧氣：2O2 + 4H2O + 8e- = 8OH-。
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汽車發(fā)展史
(1)噴氣式汽車
1680年，英國著名科學家牛頓設想了噴氣式汽車的方案，利用噴管噴射蒸汽來推動汽車，但未能制成實物。
(2)蒸汽動力汽車
1769年，法國人N·J·居紐制造了用煤氣燃燒產(chǎn)生蒸汽驅動的三輪汽車。
1829年，英國的詹姆斯發(fā)明了時速25千米的蒸汽車，該車可以作為大轎車使用。
(3)汽油汽車
1885年是汽車發(fā)明取得決定性突破的一年。
德國工程師本茨和戴姆勒、英國的巴特勒分別發(fā)明了裝有汽油發(fā)動機的汽車。
俄國的普奇洛夫和伏洛波夫兩人發(fā)明了裝有內燃機的汽車。
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(4)電力汽車
第一輛實際制造出來的電動車是由美國人安德森在1832年到1839年之間發(fā)明的。
1898年，德國人波爾舍開發(fā)了名為“Lohner-Porsche”的電動車，該車采用鉛酸蓄電池作為動力源。
(5)現(xiàn)代汽車
1885年德國工程師卡爾·本茨在曼海姆制造了第一輛裝有汽油機的三輪車。這一輛裝有內燃動力機的汽車才被認為是世界上真正的第一輛汽車，因為它是真正以汽油為動力源的第一輛汽車，而不是蒸汽機。
(6)新能源汽車
①混合動力汽車：內燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣；②純電動汽車：以蓄電池提供電能以作為動力；③燃料電池汽車：以燃料電池提供電能作為動力。
汽車發(fā)展史
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車用能源
(1)常規(guī)汽車燃料
汽油和柴油是目前汽車最常用的燃料。通過石油煉制獲得的汽油和柴油能量密度高、價格低、不易變質、便于運輸，因此非常適用于點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機。
(2)代用燃料
發(fā)動機代用燃料指使用代用燃料來替代汽油或柴油。目前國內開發(fā)使用的發(fā)動機代用燃料包括天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、生物質燃料、氫氣以及二甲醚等。
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車用能源
(3)燃料電池
燃料電池電動汽車替代內燃機動力汽車將是發(fā)展趨勢。燃料電池是一種直接將燃料的化學能轉化為電能的裝置。從理論上來講，只要連續(xù)供給燃料，燃料電池便能連續(xù)發(fā)電，能量轉化效率高，且能量高、無噪音、無污染，正在成為理想的能源利用方式。
(4)鋰電池等新型電池
①車用鋰電池是混合動力汽車及電動汽車的動力電池，具有能量密度高、容量大、無記憶性等優(yōu)點。
②石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。
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正誤判斷
1. 燃料電池利用燃料的燃燒發(fā)電。
4. 原電池中，電極材料不一定參與氧化還原反應。
2. 燃料電池可以將熱能轉化為電能。
3. 氫氧燃料電池負極反應為2H2 – 4e- = 4H+。
×
×
×
√
課堂鞏固
某同學用鋁片、銅片和西紅柿組成水果電池，下列說法不正確的是 ( )
A．該水果電池中，水果的作用是提供電解質溶液
B．該電池放電時，電子由鋁片經(jīng)電解質溶液流向銅片
C．該水果電池中，鋁片做負極發(fā)生氧化反應
D．可以通過調節(jié)電極材料、水果的種類來調節(jié)電池效果
B
課堂鞏固
國家電投氫能公司全自主研發(fā)的“氫騰”燃料電池系統(tǒng)廣泛應用于氫能大巴。某種氫燃料電池的內部結構如圖，下列說法正確的是 ( )
A. 電池工作時，電解質溶液中的H+向b極移動
B. a極發(fā)生的電極反應為H2 + 2e- + 2OH- = 2H2O
C. b極為正極，發(fā)生氧化反應
D. 當外電路有1mol電子轉移時，b極消耗5.6L O2
A
課堂小結
氫氧燃料電池 酸性溶液不出現(xiàn)OH-，堿性溶液不出現(xiàn)H+ 電解質溶液 負極 正極
酸性(H+) 2H2 – 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
堿性(OH-) 2H2 – 4e- + 4OH- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
電極書寫常見錯誤：
不能正確判斷正負極；
電極反應式配平錯誤；
電極產(chǎn)物書寫錯誤。
謝謝觀看
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