資源簡介

(共41張PPT)
第四章 化學反應與能量
第一節 原電池
第1課時 原電池
教學目標
1、教學目標
1) 通過原電池實驗，認識電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是電池構成的四個基本要素，能設計簡單的原電池。
2) 在分析鋅銅原電池的過程中，逐漸建立原電池的系統分析思路；能根據電極反應、電流方向或離子的移動方向判斷原電池的正極和負極。
3) 了解常見的化學電源，能運用原電池思維模型分析其工作原理，能運用電極反應表示其中發生的化學反應，體會變化與守恒思想。
4) 了解化學電源的發展史，能列舉常見的化學電源；能從物質變化和能量變化的角度分析新型電池的研發和利用，培養責任意識和創新精神。
2、教學重點和難點
1) 重點：原電池的工作原理；電極反應的分析與表征。
2) 難點：原電池思維模型的構建。
新課導入
普通干電池
充電干電池
鈕扣電池
筆記本電腦
專用電池
攝像機專用電池
手機電池
復習回顧
判斷：下列裝置中哪些屬于原電池？
Zn
稀H2SO4
Zn
C
稀H2SO4
C
Zn
稀H2SO4
Cu
Zn
稀H2SO4
C
Zn
CuSO4
Cu
Zn
C2H5OH
Cu
Zn Cu
CuSO4
ZnSO4
復習回顧
一、組成原電池的條件
1) 具有兩個能導電的電極 (金＋金、金＋非、非＋非)
2) 具有電解質溶液或熔融電解質
3) 電極間能形成閉合回路 (兩電極接觸或用導線連接)
4) 能自發進行的氧化還原反應 (本質條件)
Zn
CuSO4
Cu
復習回顧
二、工作原理
Cu
Zn
CuSO4
負極
Zn 2e ＝Zn2＋
氧化反應
失去電子
正極
還原反應
得到電子
失電子，沿導線傳遞，有電流產生
Cu＋2e ＝Cu2＋
外電路
內電路
電解質溶液中
陽離子移向正極
陰離子移向負極
單液電池
再探單液電池
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
預期現象
實際現象
Zn片溶解
Cu片上有Cu析出
電流表指針發生偏轉
觀察提示：
1、電流表指針偏轉情況，工作一段時間有無變化
2、電解質溶液的變化
3、電極表面的變化
… …
？
實驗一
再探單液電池
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
實際現象：
1) 電流表指針發生偏轉
2) 銅片表面有銅析出
3) 鋅片表面有銅析出
4) 隨著時間的延續，電流減小，電流不穩定
5) 鋅片表面逐漸被銅全部覆蓋
再探單液電池
思考與交流一：
1、為什么電流會逐漸減?。?br/>2、如何阻止Cu2＋在鋅片表面還原？
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
原因：鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，一段時間后，溶液中銅離子在鋅片表面直接還原，少量的銅在鋅片表面析出，即在鋅表面也構成了原電池，加速銅在鋅表面析出，使向外輸出的電流強度減弱。當鋅片表面被銅覆蓋后，不再構成原電池。
將鋅片與硫酸銅溶液隔離
再探單液電池
思考與交流：如何改進原電池裝置？
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
Zn
Cu
CuSO4
改進
思考與交流一：
3、鋅片可以插入什么溶液中？
4、怎樣能使電解質溶液連通構成原電池？
ZnSO4
A
鹽橋
鹽橋：裝有含KCl飽和溶液的瓊膠，離子可在其中自由移動
雙液—鹽橋電池
科學視野
298.15K時一些離子在水溶液中的離子遷移率U (m2·S 1·V 1)
陽離子 離子遷移率 陰離子 離子遷移率
H＋ 36.30 OH 20.52
K＋ 7.62 SO42 8.27
Ba2＋ 6.59 Cl 7.91
Na＋ 5.19 NO3 7.40
Li＋ 4.01 HCO3 4.61
1) 溶液的導電能力與離子的遷移速率有關
2) 陰陽離子的遷移速率接近可以提高導電能力
雙液—鹽橋電池
實驗二：教材P94·實驗4 1：設計鋅銅原電池
將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液用一個鹽橋連接起來，然后將鋅片和銅片用導線連接，并在中間串聯一個電流表，觀察現象。取出鹽橋，觀察電流表的指針有何變化。
Zn
Cu
CuSO4
ZnSO4
A
觀察提示：
1、電流表指針偏轉情況，工作一段時間有無變化
2、電極表面的變化
3、取出鹽橋后的變化
雙液—鹽橋電池
如圖所示連接實驗裝置
取出鹽橋
實驗操作
實
驗
現
象
電流表
電極變化
1) 電流表的指針發生偏轉；
2) 能產生持續穩定的電流
1) 鋅片逐漸溶解
2) 銅片上有紅色固體析出
電流表的指針回到零點
鋅片不再溶解，銅片上也不再有紅色固體析出
思考與交流二：鹽橋中離子移動方向和鹽橋的作用？
雙液—鹽橋電池
思考與交流二：鹽橋中離子移動方向和鹽橋的作用？
鹽橋的作用
1) 聯通兩個溶液，使整個裝置構成閉合回路；
2) 使兩個溶液保持電中性，從而使電極反應持續進行。
鹽橋變膜—離子交換膜電池
陰離子交換膜
離子交換膜電池
離子交換膜簡介
離子交換膜：一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。
雙極膜：由陽離子交換膜和陰離子交換膜復合而成。 雙極膜內層為水層，工作時H2O解離成H+和OH-，分別通過交換膜向兩側發生遷移。
小結
離子交換膜電池
雙液電池
單液電池
？
隨堂練習
練、在下列氧化還原反應中，在一定條件下不能設計成原電池的反應是( )
2FeCl2＋Cl2＝2FeCl3
B. 2H2＋O2＝2H2O
C. Pb＋PbO2＋H2SO4＝2PbSO4＋2H2O
D. Na2S2O3＋H2SO4＝Na2SO4＋S＋SO2＋H2O
D
反應實質：將一個可以自發進行的氧化還原反應分開在兩個區域進行，將兩個區域用導線連接起來，電子則定向的由發生氧化反應的負極流向發生還原反應的正極，將化學能轉化為電能。
原電池的電極反應書寫(簡單雙液電池)
總反應：Zn ＋ CuSO4＝ZnSO4 ＋ Cu
負極(氧)：
正極(還)：
Zn 2e ＝Zn2＋
Cu2＋ ＋ 2e ＝Cu
一般書寫步驟：
列物質、標得失
看環境、配守恒
兩式加、驗總式
負氧正還，列出參加反應的微粒和得失電子數
依據電解質溶液的酸堿性，選對應離子使電極反應式電荷守恒，巧用水使原子守恒
兩極反應式相加，與總反應對照驗證
隨堂練習
練、反應6NO2＋8NH3＝7N2＋12H2O設計的電池裝置如圖所示，該裝置既能有效消除氮氧化物的排放，減輕環境污染，又能充分利用化學能，下列說法不正確的是(　　)
A. 電流從右側電極經過負載后流向左側電極
B. 電極A上發生氧化反應，電極B為正極
C. 電極A的電極反應式為2NH3 6e ＝ N2 ＋ 6H＋
D. 當有2.24 L(標準狀況)NO2被處理時，轉移電子0.4 mol
第四章 化學反應與能量
第一節 原電池
第2課時 化學電源
從原電池到化學電源
化學電源：原電池原理＋生產工藝
化學電源
反
應
本
身
反
應
速
率
能
量
轉
化
率
材料選擇
濃度
催化劑
表面積
鹽橋
比能量、比功率
安全、環?！ぁぁ?br/>原電池
化學電源的類別及特點
化
學
電
源
一次電池
二次電池
燃料電池
又叫干電池，活性物質消耗到一定程度，就不能繼續使用了，如鋅錳干電池
又稱可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而反復使用的電池，如蓄電池、鋰離子電池等
一種連續地將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的化學電源，如氫氧燃料電池
一次電池 — 堿性鋅錳干電池
堿性鋅錳干電池
總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O＝Zn(OH)2＋2MnOOH
負極：
正極：
Zn 2e ＋2OH ＝Zn(OH)2
2H2O＋2e ＋2MnO2＝2OH ＋2MnOOH
一次電池 — 銀鋅電池
總反應：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
正極：
負極：
Ag2O＋H2O＋2e ＝2Ag＋2OH
Zn＋2OH 2e ＝Zn(OH)2
練、關于銀鋅電池的下列說法不正確的是( 　 )
A. Ag2O是正極，Zn是負極
B. Zn電極的電極反應式: Zn 2e +2OH ＝Zn(OH)2
C. 工作時，電池負極區溶液pH增大
D. 工作時，電流由Ag2O極經外電路流向Zn極
C
銀鋅電池
二次電池 — 鉛酸蓄電池
1、鉛酸蓄電池
1) 鉛酸蓄電池的結構
兩組柵狀極板交替排列
正極板上覆蓋有PbO2
負極板上覆蓋有金屬Pb
離子導體：稀硫酸
二次電池 — 鉛酸蓄電池
1、鉛酸蓄電池
2) 鉛酸蓄電池的工作原理
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放電
充電
放電過程 (原電池)
正極：
負極：
PbO2＋4H＋＋SO42 ＋2e ＝2PbSO4＋2H2O
Pb 2e ＋SO42 ＝PbSO4
充電過程 (電解池)
陰極：
陽極：
PbSO4＋2e ＝Pb＋SO42
2PbSO4＋2H2O 2e ＝PbO2＋4H＋＋SO42
充電：正接正、負接負
二次電池 — 鉛酸蓄電池
1、鉛酸蓄電池
1) 鉛酸蓄電池的結構
兩組柵狀極板交替排列
正極板上覆蓋有PbO2
負極板上覆蓋有金屬Pb
離子導體：稀硫酸
2) 鉛酸蓄電池的工作原理
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放電
充電
3) 鉛酸蓄電池的優、缺點
優點：電流穩定、使用方便、安全可靠、價格低廉
缺點：單位質量輸出的電能少(比能量低)，廢棄電池污染環境
二次電池 — 鋰離子電池
2、鋰離子電池 (資料卡片)
1) 鋰離子電池的優點：
質量小、體積小、儲存和輸出能量大等
2) 常見鋰離子電池的材料組成
負極材料
正極材料
電解質溶液
嵌鋰石墨(LixCy)
鈷酸鋰(LiCoO2)
六氟磷酸鋰(LiPF6)的碳酸酯溶液
二次電池 — 鋰離子電池
2、鋰離子電池 (資料卡片)
1) 鋰離子電池的優點：
質量小、體積小、儲存和輸出能量大等
2) 常見鋰離子電池的材料組成
負極材料
正極材料
電解質溶液
嵌鋰石墨(LixCy)
鈷酸鋰(LiCoO2)
六氟磷酸鋰(LiPF6)的碳酸酯溶液
3) 鋰離子電池的工作原理
放電：負極材料中的Li＋從LixCy中脫嵌進入電解質溶液中，移向正極，然后嵌入正極材料LiCoO2的層狀結構中；
充電：陽極材料中的Li＋從LiCoO2中脫嵌進入電解質溶液中，移向陰極，然后嵌入陰極材料LixCy的層狀結構中。
二次電池 — 鋰離子電池
負極材料
正極材料
電解質溶液
嵌鋰石墨(LixCy)
鈷酸鋰(LiCoO2)
六氟磷酸鋰(LiPF6)的碳酸酯溶液
4) 鋰離子電池電極反應式
放電
負極：
正極：
充電
陽極：
陰極：
LixCy xe ＝xLi＋＋Cy
Li1 xCoO2＋xLi＋＋xe ＝LiCoO2
LiCoO2 xe ＝Li1 xCoO2＋xLi＋
xLi＋＋Cy＋xe ＝LixCy
總反應： LixCy＋Li1 xCoO2 LiCoO2＋Cy
放電
充電
二次電池 — 鋰離子電池
(16·四川) 某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池，放電時電池總反應為Li1 xCoO2＋LixC6＝LiCoO2＋C6 (x<1)；
下列關于該電池的說法不正確的是(　　)
A. 放電時，Li＋在電解質中由負極向正極遷移
B. 放電時，負極的電極反應式為LixC6 xe ＝xLi＋+C6
C. 充電時，若轉移1 mol e ，石墨(C6)電極將增重7x g
D. 充電時，陽極電極反應式: LiCoO2 xe ＝Li1 xCoO2+xLi＋
C
燃料電池
1) 燃料電池構成
燃料
電極
離子導體
負極：還原劑(H2、N2H4、烴、甲醇等液體或氣體燃料)
正極：氧化劑(一般是氧氣或空氣)
電極材料不參與氧化還原反應，一般具有很強的催化活性，多采用多孔碳或多孔鎳、鉑、鈀等
電解質溶液(酸性、堿性、中性)或固體電解質或熔融鹽
2) 工作特點：氧化劑和還原劑不是儲存在電池內部，而是在工作時連續地由外部供給并在電極上進行反應，生成物不斷地被排出，因此燃料電池能連續不斷地提供電能。
3) 優點：能量利用率高、可連續使用、污染少等
燃料電池
4) 燃料電池分類 (依據：離子導體可傳導的離子不同)
燃料
氧氣
離子導體
酸性介質
可傳導H＋
堿性介質
可傳導OH
固體氧化物可傳導O2
熔融碳酸鹽
可傳導CO32
正負極判斷：燃料為負、氧氣為正
燃料電池
5) 氫氧燃料電池
負極
反應
正極
反應
總反應
電解質溶液
H2SO4溶液
KOH溶液
K2SO4溶液
2H2 4e ＝4H+
O2+4e +4H+
＝2H2O
2H2 4e ＝4H+
O2+4e +2H2O
＝4OH
2H2+4OH 4e
＝4H2O
O2+4e +2H2O
＝4OH
2H2 + O2 ＝ 2H2O
小結：
1) 負極產物：酸性、中性→H+；堿性→H2O
2) 正極產物：酸性→H2O；中性、堿性→OH
燃料電池
6) 乙醇燃料電池
離子導體
H2SO4
溶液
KOH
溶液
熔融
碳酸鹽
固體
氧化物
電極反應
總反應
負：
正：
負：
正：
負：
正：
負：
正：
C2H5OH 12e +3H2O＝2CO2↑+12H+
O2+4e +4H＋＝2H2O
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +16OH ＝2CO32 +11H2O
O2+4e +2H2O＝4OH
C2H5OH+3O2+4OH
＝2CO32 +5H2O
C2H5OH 12e +6CO32 ＝8CO2↑+3H2O
O2+4e +2CO2＝2CO32
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +6O2 ＝2CO2↑+3H2O
O2+4e ＝2O2
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
口訣：C四、H一、O減二、N變N2不計算
燃料電池
小結：有機燃料電池兩極產物
1) 正極：酸性(H2O)、堿性(OH )、固體氧化物(O2 )、熔融碳酸鹽(CO32 )
2) 負極產物：碳元素堿性：一般為CO32 ；其他CO2
H2SO4
溶液
KOH
溶液
負：
正：
負：
正：
C2H5OH 12e +3H2O＝2CO2↑+12H+
O2+4e +4H＋＝2H2O
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +16OH ＝2CO32 +11H2O
O2+4e +2H2O＝4OH
C2H5OH+3O2+4OH
＝2CO32 +5H2O
思考：正、負極區、電解質溶液中的pH變化？
口訣：正增負減
隨堂練習
練、甲烷燃料電池原理示意圖，回答下列問題：
①電池的負極是___(填a或b)電極，
該極的電極反應式為_____________________________
②電池工作一段時間后電解質溶液的pH_____(填“增大”
“減小”或“不變”)
a
CH4+10OH 8e ＝CO32 +7H2O
減小
隨堂練習
練、N2H4暴露在空氣中容易爆炸，但是
以其為燃料的燃料電池是一種理想的電
池，具有容量大、能量轉化效率高、產
物無污染等特點，其工作原理如圖所示，
下列敘述正確的是(　　)
A. 電池工作時，正極附近的pH降低
B. 當消耗1 mol O2時，有2 mol Na＋由甲槽向乙槽遷移
C. 負極反應式為4OH + N2H4 4e ＝N2↑ + 4H2O
D. 若去掉陽離子交換膜，電池也能正常工作
C
隨堂練習
(2020·國Ⅲ) 一種高性能的堿性硼化釩(VB2) 空氣電池如圖所示，其中在VB2電極發生反應: VB2＋16OH 11e ＝VO43 ＋2B(OH) 4 ＋4H2O該電池工作時，下列說法錯誤的是(　　)
B
A. 負載通過0.04 mol電子時，有0.224 L(標準狀況)O2參與反應
B. 正極區溶液的pH降低、負極區溶液的pH升高
C. 電池總反應為4VB2＋11O2＋20OH ＋6H2O＝8B(OH)4 ＋4VO43
D. 電流由復合碳電極經負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極
謝謝

展開更多......

收起↑