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(共25張PPT)
第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能
第一節(jié) 原電池
第2課時 化學(xué)電源
學(xué)習(xí)目標
1.通過對常見化學(xué)電源的分析，建立對原電池過程系統(tǒng)認識的思維模型，提高對原電池本質(zhì)的認識。
2.增強科技意識，不斷研發(fā)新型電池，滿足人類社會發(fā)展的需求。積極回收利用廢舊電池，減少其對環(huán)境的污染。
情境引入
一次電池
二次電池
燃料電池
燃料電池
干電池
鉛酸電池
鋰電池
知識回顧
自發(fā)的氧化還原反應(yīng)
閉合
回路
原電池
化學(xué)能
電能
離子導(dǎo)體
電極材料
電極反應(yīng)
電子導(dǎo)體
還原反應(yīng)
氧化反應(yīng)
任務(wù)一
一次電池（放電后不可充電的電池）
1.普通鋅錳干電池
【資料卡片】普通鋅錳干電池是最早進入市場的實用干電池。因其電解質(zhì)溶液用淀粉糊固定化，稱為干電池。
普通鋅錳干電池放電時發(fā)生的主要反應(yīng)為：
Zn+2NH4Cl+2MnO2 Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
請同學(xué)們結(jié)合資料和示意圖分析：電極反應(yīng)中的還原劑和氧化劑、電極材料、離子導(dǎo)體。
還原劑：
氧化劑：
負極：
正極：
離子導(dǎo)體：
鋅筒
Zn
MnO2
石墨棒
NH4Cl和ZnCl2混合物
一次電池
任務(wù)一
思考1
分析普通鋅錳干電池長期占據(jù)市場和現(xiàn)在逐漸被替代的可能原因。
干電池漏液
Zn
石墨棒
NH4Cl
MnO2
NH4Cl
ZnCl2
A
原因1：會發(fā)生自放電
原因2：電解質(zhì)氯化氨為酸性，會腐蝕電池的鋅筒且反應(yīng)有氫氣生成，易造成電池膨脹及漏液現(xiàn)象
一次電池
任務(wù)一
2.堿性鋅錳干電池
金屬外殼
離子型
導(dǎo)電隔膜
Zn粉和
KOH混合物
銅針
【資料卡片】已知該電池總反應(yīng)為：
Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2
根據(jù)示意圖和資料：
分析各部分的作用并寫出電極反應(yīng)式。
電極反應(yīng) 還原劑：Zn粉
氧化劑 ：MnO2
電極材料 負極：銅針
正極：金屬外殼
離子導(dǎo)體 KOH、離子型導(dǎo)電隔膜
負極：
Zn - 2e- + 2OH- Zn(OH)2
正極：
2MnO2 + 2e- + 2H2O 2MnO(OH) + 2OH-
一次電池
任務(wù)一
思考2
閱讀資料，找出能使堿性鋅錳干電池產(chǎn)生大電流和高電壓的設(shè)計。
【資料卡片】①堿性干電池增大了正負極間的相對面積，用高導(dǎo)電性的氫氧化鉀溶液替代了氯化銨、氯化鋅溶液，鋅也變成粉末狀，同時采用了反應(yīng)活性更高的電解二氧化錳粉；
②電流是單位時間內(nèi)通過橫截面的電量。
電極活性物質(zhì)
Zn粉、高活性電解MnO2
電極材料
增大相對面積
離子導(dǎo)體
高導(dǎo)電性
的KOH溶液
加快反應(yīng)速率
減小電池內(nèi)阻
大電流
高電壓
改進方式
改進目的
改進效果
二次電池
任務(wù)二
二次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(fù)使用的電池。
1.鉛酸蓄電池
根據(jù)鉛蓄電池放電過程的總反應(yīng)寫出電極反應(yīng)式。
【資料卡片】鉛蓄電池放電時的總反應(yīng)為：
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
PbSO4難溶于水，充電過程與上述過程相反。
負極：Pb + SO42-- 2e- PbSO4
正極：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- PbSO4 + 2H2O
優(yōu)點:電壓穩(wěn)定使用方便安全可靠價格低廉
缺點：比能量低、笨重
二次電池
任務(wù)二
思考3
鉛蓄電池的電極反應(yīng)物(Pb、PbO2)和放電后的產(chǎn)物(PbSO4)均以固體形式附著在電極材料表面，分析這樣設(shè)計的目的。
目的：使電極反應(yīng)物和產(chǎn)物富集在電極材料表面，充、放電時可以循環(huán)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)電池重復(fù)使用。
Pb
PbSO4
放電
充電
負極
PbO2
PbSO4
放電
充電
正極
知識拓展
各種新能源汽車電池
電池類型 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池
比能量/ (W·h·kg－1) 55 60～70 120
循環(huán)壽命/次 500以上 1000以上 1000以上
優(yōu)點 比能量較高、壽命長、耐過充放性好 比能量高、壽命長 比能量高、
壽命長
缺點 鎘有毒、有記憶效應(yīng)、價格較高 價格高、高溫充電性差 價高、存在一定安全性問題
比能量（比功率）：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出
電能的多少（或功率的大?。?br/>二次電池
任務(wù)二
2.鋰離子電池
2019諾貝爾化學(xué)獎得主
斯坦利·惠廷厄姆在1976年提出了第一個嵌入脫出型的正極材料TiS2，這幾乎標志著從早期的Li—MnO2一次電池到現(xiàn)代二次鋰電池的轉(zhuǎn)變。
TiS2
Li+
【資料卡片】TiS2是一種微觀上具有層狀結(jié)構(gòu)的固體材料。充、放電時，Ti元素的化合價發(fā)生變化，層狀結(jié)構(gòu)所帶電荷量發(fā)生改變，鋰離子會因此從其中脫出或嵌入。
二次電池
任務(wù)二
2.鋰離子電池
結(jié)合資料、總反應(yīng)與示意圖，分析:
1.放電時Li+遷移方向和電極反應(yīng)；
2.簡單說明其能夠反復(fù)充電的理由。
Li
固體TiS2
隔膜
含Li+的
電解質(zhì)溶液
：Li+
：e-
放電總反應(yīng)：
x Li + TiS2 LixTiS2
放電時Li+移向正極
負極：x Li – x e- x Li+
正極：TiS2 + x Li+ + x e- LixTiS2
約翰·古迪納夫發(fā)現(xiàn)了LiCoO2等一系列正極材料，減少了枝晶短路的可能，進而大幅提升鋰電池的穩(wěn)定性 。
2019年諾貝爾化學(xué)獎得主
二次電池
任務(wù)二
2.鋰離子電池
鈷酸鋰LiCoO2
2019諾貝爾化學(xué)獎得主
吉野彰將碳基材料用作負極，依舊用鈷酸鋰做正極，并采用聚乙烯或聚丙烯為隔膜，LiClO4的碳酸丙烯酯液為電解質(zhì)溶液。確立了現(xiàn)代鋰離子電池的基本框架。
二次電池
任務(wù)二
2.鋰離子電池
負極材料
正極材料
放電時的總反應(yīng)：
LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy
負極：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
正極：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
燃料電池
任務(wù)三
1.燃料電池
燃料電池是一種連續(xù)地將_____和_______的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為_____的化學(xué)電源。燃料電池的電極本身不包含_________，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。
燃料
氧化劑
電能
活性物質(zhì)
燃料電池的特點
① 燃料和氧化劑連續(xù)的由外部供給，生成物不斷地被排出，可以連續(xù)不斷地提供電能。
② 電池內(nèi)部的電極材料和離子導(dǎo)體在工作過程中不發(fā)生改變，使燃料電池可以持續(xù)工作。
燃料電池
任務(wù)三
2.氫氧燃料電池
(1)基本構(gòu)造
負極：2H2 - 4e- 4H+
正極：O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
(2)工作原理
總反應(yīng)：
燃料電池
任務(wù)三
(3)能量轉(zhuǎn)換
所有的燃燒均為放熱反應(yīng)，若能量以電的形式向外釋放，則形成燃料電池，所以燃料電池的總方程式類似燃燒的總方程式，條件不同。
理論上來說，所有的燃燒反應(yīng)均可設(shè)計成燃料電池，所以燃料電池的燃料除氫氣外，還有烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，且能量轉(zhuǎn)化率超高。其電能的轉(zhuǎn)化率超過80％，遠高于轉(zhuǎn)化率僅30％ 多的火力發(fā)電，大大提高了能源的利用率。
燃料電池
任務(wù)三
3.燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法
負極為燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。
正極為O2得電子發(fā)生還原反應(yīng)。
例：CH3OH燃料電池電極反應(yīng)式的書寫：
(1)酸性電解質(zhì)：
負極：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用H+調(diào)電荷守恒
燃料電池
任務(wù)三
配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用OH-調(diào)電荷守恒
配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用CO32-調(diào)電荷守恒
燃料電池
任務(wù)三
固體氧化物燃料電池采用固體氧化物為電解質(zhì)(ZrO2/Y2O3)。固體氧化物在高溫下具有傳遞O2-的能力，在電池中起傳遞O2-和分離燃料和氧化劑的作用。
配平小技巧：根據(jù)環(huán)境用O2-調(diào)電荷守恒
總結(jié)提升
化學(xué)電源電極反應(yīng)式的書寫
(1)根據(jù)電源總反應(yīng)式或裝置確定正、負極的反應(yīng)物；原電池的正極大多數(shù)只起導(dǎo)電作用，而化學(xué)電源的正極材料得電子參與電極反應(yīng)。
(2)根據(jù)電源總反應(yīng)式的產(chǎn)物或裝置中微粒的種類確定穩(wěn)定的產(chǎn)物，要特別注意溶液的酸堿性和離子共存問題。
(3)利用氧化還原配平方法配平電極反應(yīng)式，運用原子守恒和電荷守恒進行檢查。
鞏固練習(xí)
1．鎳 鎘電池是一種可充電的“干電池”，使用壽命長達10～15年。其總反應(yīng)為Cd＋2NiO（OH）＋2H2O ===2Ni（OH）2＋Cd（OH）2。下列說法不正確的是（　?。〢．放電時，負極發(fā)生了氧化反應(yīng)，反應(yīng)為Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2B．充電時，正極反應(yīng)為Ni（OH）2－e－＋OH－===NiO（OH）＋H2OC．電池工作時，負極區(qū)pH增大，正極區(qū)pH減小D．該電池充電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
C
放電
充電
鞏固練習(xí)
2．甲醇－空氣燃料電池（DMFC）是一種高效、輕污染的車載電池，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)敘述正確的是（　?。?br/>A．該裝置能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
B．電流由乙電極經(jīng)導(dǎo)線流向甲電極
C.負極的電極反應(yīng)式為：CH3OH＋6OH－－6e－===CO2＋5H2O
D．b口通入空氣，c口通入甲醇
B
電池類型 原理 工藝及目的
一次電池 原電池原理 加入隔膜分隔氧化劑與還原劑，減少電池自損耗。
二次電池 原電池及 電解池原理 將相關(guān)活性物質(zhì)富集在電極材料表面，實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化。
燃料電池 原電池原理 燃料和氧化劑連續(xù)由外部提供，保持電極材料和離子導(dǎo)體穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)工作。
總結(jié)提升

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