資源簡介

(共37張PPT)
選 擇 性 必 修 一
學
化
J
S
第二單元 化學能與電能的轉化
2 化學電源
根據原電池的反應原理，人們設計和生產出了形形色色的化學電源，包括一次電池、二次電池和燃料電池等。它們在生產、生活和國防等諸多領域得到了廣泛的應用。
一、化學電源的分類
一次電池
在化學電源中，常見的是一次電池。一次電池中發(fā)生氧化還原反應的物質大部分被消耗后就不能再使用。使用最廣泛的一次電池是干電池，如普通鋅錳干電池、堿性鋅錳電池等。
包括：普通鋅錳干電池、堿性鋅錳干電池、銀鋅紐扣電池等
1. 普通鋅錳干電池是最早進入市場的實用電池，其構造如圖1-10所示。
學以致用
負極：Zn－2e－ + 2NH4+ = [Zn(NH3)2]2+ + 2H＋
正極：MnO2 + H+ + e － =MnOOH
總反應為：
Zn+2MnO2+2NH4Cl==Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOH
負極
正極
電解質
普通鋅錳干電池制作簡單、價格便宜，但存在放電時間短、放電后電壓下降較快等缺點。
氯化銨溶液顯酸性，會跟鋅皮發(fā)生反應，使用一段時間后電池會鼓脹，漏液。后來把氯化銨換成了堿性的物質，制成了堿性鋅錳干電池。
堿性鋅錳電池比普通鋅錳干電池性能優(yōu)越，它的比能量［電池單位質量或單位體積所輸出電能的多少，單位為（W·h）/kg或（W·h）/L］大，能提供較大電流并連續(xù)放電。目前，在我國堿性鋅錳電池正在逐漸代替普通鋅錳干電池。
堿性鋅錳電池的構造如圖1-11所示，其電池總反應式為：2MnO2 ＋ Zn ＋ 2H2O=2MnOOH＋ Zn(OH)2
氫氧化氧錳
請指出該電池的正、負極，并寫出該電池的電極反應式。
負極
正極
電解質
負極：Zn－2e－ + 2OH － = Zn(OH)2
正極：MnO2 + H2O + e － =MnOOH + OH －
優(yōu)點：克服了普通鋅錳干電池的缺點，比能量大，能提供較大電流并持續(xù)放電
2. 一種銀鋅紐扣電池（構造示意圖見1-12）的電極分別為 Ag2O和Zn，電解質溶液為KOH溶液，發(fā)生氧化還原反應后生成Ag和ZnO，請寫出該電池的
電極反應式和電池總反應式。
總反應式為：Zn +Ag2O + H2O == 2Ag + Zn(OH)2
負極：Zn－2e－+ 2OH－==Zn(OH)2
正極：Ag2O + H2O +2e－==2Ag + 2OH－
負極
正極
電解質
優(yōu)點：電池比能量大，電壓穩(wěn)定，存儲時間長，適宜小電流持續(xù)放電
二次電池
二次電池又稱為充電電池或蓄電池，放電后可以再充電使活性物質獲得再生，因此二次電池可以多次重復使用。
包括：鉛蓄電池、鎳鉻電池、鋰電池、鋰離子電池等
鉛蓄電池是最常見的二次電池。由于鉛蓄電池的性能優(yōu)良、價格低廉、安全可靠，可多次充放電，所以在生產和生活中使用廣泛，如汽車等機動車輛多數使用這種蓄電池。
鉛蓄電池的缺點是比能量低，廢棄后
會污染環(huán)境等。
鉛蓄電池由兩組平行的柵狀鉛合金極板交替排列作為主架，正極板上覆蓋PbO2，負極板上覆蓋Pb，電解質是硫酸。
鉛蓄電池的放電反應是原電池反應，其電極反應式和電池總反應式為：
鉛蓄電池的充電反應是上述反應的逆過程：
鉛蓄電池的充、放電原理可以用下列化學方程式表示：
由鉛蓄電池的電池反應可以看出，隨著放電反應的進行，硫酸的濃度不斷下降，密度不斷減小，人們常常根據硫酸密度的大小來判斷鉛蓄電池是否需要充電。
在電能轉化為化學能的裝置中，人們常將發(fā)生氧化反應的電極叫做陽極，發(fā)生還原反應的電極叫做陰極。
隨著信息技術的發(fā)展，為了適應移動通信、便攜式電腦和各種電子產品等的廣泛使用，科研工作者不斷研制出小型化、高比能量、工作壽命長、不需要特殊維護的二次電池。目前已開發(fā)出鎳鎘電池、鎳氫電池、銀鋅電池、鋰電池和
鋰離子電池等新型二次電池。
2019年三位鋰離子電池科學家獲諾貝爾化學獎
與其他化學電池一樣，鋰離子電池也是由正極、負極和電解質溶液三部分組成的。正極材料多采用磷酸鐵鋰（LiFePO 4，也稱磷酸亞鐵鋰）或鈷酸鋰（LiCoO 2）等，一般是具有可供鋰離子嵌入或脫嵌（即可逆嵌脫）結構的化合物。負極材料大多數是碳素材料，如人工石墨、碳纖維、天然石墨等。研究表明，將納米氧化鈦和納米氧化硅添加在傳統的石墨、納米碳管里面，可以極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數。
拓展視野
鋰離子電池的構成及工作原理
電解質溶液是鋰離子的載體，是將鋰鹽溶解在一定的非水、非質子性的有機溶劑中制成的，其作用是在電池內部正、負極之間形成良好的離子移動通道。
在放電過程中，鋰離子從負極脫出，嵌入到正極。在充電過程中，鋰離子從正極材料晶格間脫離出來，嵌入到負極材料里。在充放電過程中，鋰離子在正、負極間不斷地進行可逆嵌脫。
以鈷酸鋰-石墨鋰電池為例，放電時的電極反應式可表示如下：
燃料電池
燃料電池是利用燃料和氧化劑之間發(fā)生的氧化還原反應，將化學能直接轉化為電能的化學電池。燃料電池的氧化劑和還原劑不是儲藏在電池內部，而是在工作時不斷從外部輸入，同時將電極反應產物不斷排出電池，因此燃料電池能連續(xù)不斷地提供電能。
燃料電池種類很多。氫氧燃料電池是以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑的燃料電池，其工作原理如圖1-16所示。氫氣、氧氣分別在多孔金屬電極上發(fā)生氧化、還原反應，其反應可表示如下：
假如將目前地球上通過化石燃料燃燒產生的能量均改為通過氫氧燃料電池獲得，那么可能會出現哪些新的問題？請針對其中的某一問題，提出解決方案。
選擇決策
除氫氣外，甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作為燃料電池的燃料。燃料電池的能量轉換效率遠高于普通燃料燃燒的能量轉換效率，應用燃料電池的發(fā)電站，具有能量轉換效率高、廢棄物排放少、運行噪音小等優(yōu)點。因此，燃料電池具有廣闊的發(fā)展前景。
①氧化劑與還原劑在工作時不斷補充；
②反應產物不斷排出；
③能量轉化率高(超過80%)，普通的只有30%，有利于節(jié)約能源。
缺點：體積較大、附屬設備較多
優(yōu)點：能量轉換率高、清潔、對環(huán)境好
1.燃料電池與前幾種電池的差別：
2. 燃料電池的規(guī)律：
①燃料做負極，助燃劑氧氣為正極
②電極材料一般不參加化學反應，只起傳導電子的作用。
實驗準備：
學生電源、U形管、鐵架臺、橡膠塞兩個、石墨棒兩支、玻璃導管兩支、石英鐘、鱷魚夾、導線若干、6 mol·L－1稀硫酸。
基礎實驗
制作簡單的氫氧燃料電池
實驗步驟：
（1）將石墨棒和玻璃導管插入橡膠塞中，注意調節(jié)石墨棒和玻璃導管伸入U形管內的長度。
（2）將橡膠塞塞入U形管管口，檢查裝置氣密性，標記橡膠塞底部到達的位置。
（3）取出橡膠塞，往U形管中注入適量6 mol·L－1稀硫酸，以接近橡膠塞底部剛才所標記的位置為宜。
（4）塞緊橡膠塞，接通學生電源，注意觀察實驗現象，當一端玻璃導管內的液柱接近溢出時，切斷學生電源。
（5）取出石英鐘內的干電池，將導線與
石英鐘的正、負極相連，觀察石英鐘指針
（圖1-18）。
結合實驗現象，請思考以下問題：
（1）連接石英鐘時，如何判斷該氫氧燃料電池的正、負極？請說明理由。
（2）什么現象可以證明處于不同電極的氫氣和氧氣發(fā)生了反應？
火力發(fā)電是我國電力的主要來源。我國發(fā)電供熱用煤占全國煤炭生產總量的50%左右，發(fā)電效率約40%。同時，全國大約90%的二氧化硫和80%的二氧化碳的排放量也是由煤燃燒產生的。20世紀末，各國熱門研究的整體煤氣化聯合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術（煤氣化是把固體的煤變成可燃燒的氣體燃料的技術），可以使總發(fā)電效率達到50%~60%。
批判性思維
目前，我國正在開展整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池（IG-MCFC）發(fā)電系統的開發(fā)研究，將燃料電池發(fā)電技術與整體煤氣化聯合循環(huán)發(fā)電技術相結合，該技術是21世紀潔凈煤發(fā)電技術的一個重要方向。請查閱有關資料和數據，從能量轉化、資源的合理利用、環(huán)境保護等角度評價該技術發(fā)展能否在解決能源問題中發(fā)揮作用。
鉛蓄電池的兩極分別為Pb、PbO2，電解質溶液為H2SO4溶液，電池放電時的反應為Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列對電池放電時的分析正確的是(　　)
A．Pb為正極被氧化
B．電子從PbO2流向外電路
C．SO42-向PbO2處移動
D．電解質溶液pH不斷增大
D
課堂訓練
看
觀
謝
謝

展開更多......

收起↑