資源簡介

(共64張PPT)
基礎課時5　化學電源
專題1　化學反應與能量變化
第二單元　化學能與電能的轉化
學習任務 1．通過對常見化學電源的分析，建立對原電池放電過程系統認識的思維模型，提高對原電池本質的認識，培養證據推理與模型認知的化學核心素養。
2．通過增強科技意識，不斷研發新型電池，滿足人類社會發展的需求，積極回收利用廢舊電池，減少其對環境的污染，培養科學態度與社會責任的化學核心素養。
必備知識　自主預習儲備
一、化學電源概述　一次電池
1．化學電源的分類及特點
(1)化學電源的分類。
①一次電池：也叫作______，常見的一次電池有普通鋅錳干電池、堿性鋅錳電池、紐扣式銀鋅電池等。
②二次電池：又稱為________或蓄電池，________是最常見的二次電池。目前已開發出鎳鎘電池、鎳氫電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰離子電池等新型二次電池。
③燃料電池：氫氧燃料電池
干電池
充電電池
鉛蓄電池
(2)各類電池的特點。
①一次電池：電池中發生氧化還原反應的物質大部分被消耗后就不能再使用，放電后不可再充電。
②二次電池：又稱充電電池或蓄電池，放電后可以再充電，可多次重復使用。
③燃料電池：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不斷地提供電能。
【特別提醒】　判斷電池優劣的主要標準
①比能量：電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少，單位是(W·h)·kg-1或(W·h)·L-1。
②比功率：單位質量或單位體積所能輸出功率的大小，單位是W·kg-1或W·L-1。
③電池可儲存時間的長短。
2．一次電池
(1)鋅錳干電池。
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。堿性鋅錳電池比普通鋅錳干電池性能優越，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(W·h)/kg或(W·h)/L]大，能提供較大電流并連續放電。
普通鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池的比較
普通鋅錳干電池 堿性鋅錳干電池
示意圖
普通鋅錳干電池 堿性鋅錳干電池
構造 負極：____
正極：______
電解質溶液：氯化銨和氯化鋅 負極反應物：____
正極反應物：________
電解質溶液：________
鋅筒
石墨棒
鋅粉
二氧化錳
氫氧化鉀
普通鋅錳干電池 堿性鋅錳干電池
工作
原理 負極：_____________________________
正極：_____________________________
________
總反應：___________________________
__________
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
2MnO2＋2H2O＋2e－=== 2MnOOH
＋2OH－
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH
＋Zn(OH)2
(2)銀鋅紐扣電池。
①組成。
②電極反應式和電池總反應式。
負極：______________________________；
正極：_______________________________；
電池反應：_________________________________。
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2
二、二次電池
1．鉛蓄電池
(1)構造與組成。
(2)工作原理。
放電過程 充電過程
負極：_________________________
(氧化反應) 陰極：_________________________
_________________(還原反應)
正極：_________________________
________________(還原反應) 陽極：_________________________
(氧化反應)
總反應：___________________________________________ 總反應：_______________________________________
鉛蓄電池的充、放電過程：Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
===PbSO4＋2H2O
Pb＋PbO2＋2H2SO4===
2PbSO4＋2H2O
PbSO4＋2H2O－2e－===
2PbSO4＋2H2O===Pb＋
PbO2＋2H2SO4
(3)鉛蓄電池的優缺點。
①優點：可重復使用、電壓穩定、使用方便、安全可靠、價格低廉，在生產生活中應用廣泛。
②缺點：比能量低、笨重，廢棄的電池污染環境。
2．鋰離子電池
(1)構造與組成。
鋰離子電池由正極、負極和電解質溶液三部分組成，正極材料多采用磷酸鐵鋰(LiFePO4)或鈷酸鋰(LiCoO2)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。
(2)工作原理(鈷酸鋰-石墨鋰電池為例)。
電極 電極反應式
負極 __________________________
正極 __________________________________
電池反應 _________________________________
(3)反應過程。
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。
LixC6－xe－===6C＋xLi＋
Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
LixC6＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋6C
判一判　(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)二次電池的放電過程，負極質量一定減小。 (　)
(2)可充電電池的充放電過程是可逆反應。 (　)
(3)鋰電池由于Li的性質活潑所以不能用水溶液作電解質。 (　)
(4)鉛蓄電池充電時，正極接直流電源正極，發生還原反應。 (　)
(5)鋰離子電池放電時，Li＋移向正極區。 (　)
×
×
√
×
√
三、燃料電池
1．燃料電池
利用燃料和氧化劑之間發生的氧化還原反應，將化學能直接轉化為電能的化學電池。燃料電池種類很多，如氫氧燃料電池是以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑的燃料電池。
2．氫氧燃料電池
(1)氫氧燃料電池原理示意圖。
(2)氫氧燃料電池工作原理。
酸性電解質(H2SO4) 堿性電解質(KOH)
負極反應 2H2－4e－===4H＋ __________________________
正極反應 O2＋4e－＋4H＋===2H2O _________________________
總反應 _________________
(3)電池特點。
①能量轉換率高，污染小。
②工作時，燃料和氧化劑連續地由外部供給，在電極上不斷進行反應，連續不斷地提供電能。
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2H2＋O2===2H2O
【特別提醒】　(1)燃料電池的兩個電極與其他電池不同，電極材料本身不參與電極反應。
(2)酸性介質中的燃料電池(氧化劑為 O2)的正極反應式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O；
堿性介質中的燃料電池(氧化劑為 O2)的正極反應式為 O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
判一判　(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)燃料電池所有能量均轉化為電能。 (　)
(2)燃料電池中通入燃料的一極為正極。 (　)
(3)氫氧燃料電池(酸性電解質)中O2通入正極，電極反應為O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (　)
(4)燃料電池電極材料本身不參與化學反應。 (　)
×
×
√
√
關鍵能力　情境探究達成
燃料電池電極反應式的書寫
[情境素材]
燃料電池是化學對人類的一項重大貢獻，用兩根鉑絲作電極插入NaOH溶液中，再分別向兩極通入甲烷氣體和氧氣，可形成原電池——甲烷燃料電池。如圖是甲烷燃料電池原理示意圖。
[問題探究]
[問題1]　燃料電池供電時燃料會燃燒嗎？燃料電池的優點有哪些？
提示：不會。燃料電池是燃料與氧化劑分別在兩個電極上反應，將化學能直接轉化為電能，不會發生燃燒轉化為熱能。優點：燃料電池能量轉化率高，超過80%，污染小。
[問題2]　甲烷燃料電池的正負極如何判斷？
提示：通O2一端得電子為正極，通CH4一端失電子為負極。
[問題3]　寫出用NaOH作電解質溶液時兩極的電極反應式。
[問題4]　用稀H2SO4作電解質溶液時，甲烷燃料電池的正負極反應式和(3)相同嗎？應如何書寫？
提示：不相同，總反應式是甲烷燃燒的化學方程式CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正極反應式為2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，負極反應式為CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。
[歸納總結]
1．書寫燃料電池電極反應式的三步驟
2．常見的四種典型燃料電池
名稱 電解質 電極反應式和總反應式
氫氧
燃料
電池 KOH 正極：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
負極：2H2－4e－＋4OH－===4H2O
總反應：2H2＋O2===2H2O
H2SO4 正極：O2＋4e－＋4H＋===2H2O
負極：2H2－4e－===4H＋
總反應：2H2＋O2===2H2O
名稱 電解質 電極反應式和總反應式
甲烷
燃料
電池 KOH
甲醇
燃料
電池 KOH
名稱 電解質 電極反應式和總反應式
肼燃
料電
池　 KOH 正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
負極：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
總反應：N2H4＋O2===N2＋2H2O
√
2．如圖是甲醇燃料電池的結構示意圖，甲醇在催化劑作用下提供質子(H＋)和電子，電子經外電路、質子經內電路到達另一極與氧氣反應，電池總反應為2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。下列說法不正確的是(　　)
A．左電極為電池的負極，a處通入的物質是甲醇
B．正極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．負極反應式為CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋
D．該電池提供1 mol e－，消耗0.25 mol氧氣
√
[情境素材]
鉛蓄電池的工作電壓平穩、使用溫度及使用電流范圍寬、能充放電數百個循環、貯存性能好、造價較低，因而應用廣泛。
充電電池(蓄電池)
[問題探究]
[問題1]　二次電池充電放電時互為可逆過程，是可逆反應嗎？
提示：二次電池的充電反應和放電反應是兩個相反的過程，但反應條件不同，不能互稱可逆反應。
[問題2]　鉛蓄電池工作原理為Pb＋PbO2＋2H2SO4　　　 2PbSO4＋2H2O。
放電時的負極材料是什么？寫出負極電極反應式。放電時的正極材料是什么？寫出正極電極反應式。
[問題3]　在鉛蓄電池的充、放電過程中，溶液的pH分別如何變化？
提示：根據電池的總反應式：Pb＋PbO2＋2H2SO4　　　2PbSO4＋2H2O可做出判斷。放電時，消耗硫酸，pH增大；充電時生成硫酸，pH減小。
[歸納總結]
充電電池充電、放電的原理
(1)充電電池。
充電電池是既能將化學能轉化為電能(放電)，又能將電能轉化為化學能(充電)的一類特殊電池。需要注意的是充電和放電的反應不互為可逆反應。
(2)充、放電時各電極上發生的反應。
(3)充電電池電極反應式的書寫。
充電時陰極(或陽極)的電極反應式與該電池放電時負極(或正極)的電極反應剛好相反。例如，鉛蓄電池充電、放電的過程如下圖所示。
Zn
3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2
(2)放電時，正極發生________(選填“氧化”或“還原”)反應；正極的電極反應式為________________________________________。
放電時，______(選填“正”或“負”)極附近溶液的堿性增強。
還原
正
氧化


減小
增大
負極
學習效果　隨堂評估自測
2
4
3
題號
1
1．如圖是幾種常見的化學電源示意圖，有關說法不正確的是(　　)
干電池示意圖　 鉛蓄電池示意圖
氫氧燃料電池示意圖
2
4
3
題號
1
A．上述電池分別屬于一次電池、二次電池和燃料電池
B．干電池在長時間使用后，鋅筒被破壞
C．鉛蓄電池工作過程中，每通過2 mol電子，負極質量減輕207 g
D．氫氧燃料電池是一種具有應用前景的綠色電源
C　[在干電池中，Zn作負極，被氧化，B正確；氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內，且工作的最終產物是水，故氫氧燃料電池是一種具有應用前景的綠色電源，D正確；C項忽略了硫酸鉛在該極上析出，該極質量應該增加而非減小，C錯誤。]
√
2
3
題號
1
4
√
2
3
題號
1
4
C　[由電池總反應式可知，鋅為負極，電子從負極流出經外電路流向正極；外電路中每通過0.2 mol電子，參加反應的鋅理論上為0.1 mol，即質量減少6.5 g。]
2
3
題號
4
1
√
3．“除氫氣外，烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，均可作燃料電池的燃料”。已知肼燃燒時發生反應：N2H4＋O2===N2＋2H2O。以Pt為電極，以硫酸為電解質溶液組成肼燃料電池，下列關于肼燃料電池的說法中不正確是(　　)
A．肼是燃料電池的負極反應物，O2是正極反應物
B．肼燃料電池的正極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．肼燃料電池的負極反應式為N2H4 —4e—===N2＋4H＋
D．電池工作過程中H＋向正極移動，但H＋物質的量不變
2
3
題號
4
1
B　[肼燃燒時發生反應：N2H4＋O2===N2＋2H2O，該反應中肼是還原劑，氧氣是氧化劑。A.根據原電池原理，肼在負極上發生氧化反應，氧氣在正極上發生還原反應，正確；B.電解質溶液是酸性的，所以正極的電極反應式應為O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B錯誤；C.電池負極的電極反應式為N2H4－4e—===N2＋4H＋，正確；D.電池工作過程中H＋向正極移動，根據總反應可知，H＋物質的量不變，正確。]
2
4
3
題號
1
4．中國科學院應用化學研究所在甲醚(CH3OCH3)燃料電池技術方面獲得新突破。甲醚燃料電池的工作原理如圖所示：
(1)甲醚由______(填“b”或“c”)通入。
(2)該電池負極的電極反應式為______________________________
_____________。
(3)工作一段時間后，當9.2 g的甲醚完全反應時，有________mol電子轉移。
b
CH3OCH3－12e－＋3H2O===
2CO2＋12H＋
2.4
2
4
3
題號
1
[解析]　(1)燃料電池中，通入燃料的電極是負極，負極上甲醚失電子在酸性條件下產生CO2，原電池中陽離子H＋定向移動至正極，則甲醚由b通入。(2)該電池負極甲醚失電子產生二氧化碳和氫離子，電極反應式為CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋。(3)根據電極反應式：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，工作一段時間后，當9.2 g的甲醚(0.2 mol)完全反應時，有2.4 mol電子轉移。
基礎課時固基練(5)　化學電源　
√
1．下列說法中正確的是(　　)
A．堿性鋅錳電池是二次電池
B．鉛蓄電池是一次電池
C．二次電池又叫蓄電池，它放電后可以再充電使活性物質獲得再生
D．燃料電池的活性物質儲存在電池內
2
3
題號
4
1
5
6
7
C　[堿性鋅錳電池是一次電池，鉛蓄電池是二次電池；燃料電池的活性物質沒有儲存在電池內而是從外界不斷輸入電池，A、B、D錯，C正確。]
2
3
題號
4
1
5
6
7
√
2
3
題號
4
1
5
6
7
2
3
題號
4
1
5
6
7
√
2
3
題號
4
1
5
6
7
4．鉛蓄電池放電時發生的化學反應：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，其電極材料分別是PbO2和Pb，電解質為H2SO4溶液，下列說法不正確的是(　　)
A．電池工作過程中，H2SO4溶液濃度降低
B．電池工作過程中，電解質溶液中H＋向正極移動
C．每當有2 mol電子通過電路時，負極材料增重96g
D．正極發生反應為：PbO2＋4H＋＋2e－===Pb2+＋2H2O
2
3
題號
4
1
5
6
7
√
2
3
題號
4
1
5
6
7
5．近來，科學家研制了一種新型的乙醇電池(DEFC)，它用磺酸類質子作溶劑，在200 ℃左右時供電，乙醇電池比甲醇電池效率高出32倍且更加安全。電池總反應式為：C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O。下列說法錯誤的是(　　)
A．C2H5OH在電池的負極上參加反應
B．1 mol乙醇被氧化時轉移5 mol電子
C．在外電路中電子由負極沿導線流向正極
D．電池正極得電子的物質是O2
2
3
題號
4
1
5
6
7
√
B　[A.燃料電池中，負極上燃料乙醇失電子發生氧化反應，所以乙醇在電池的負極上參加反應，故A正確；B.反應中C元素化合價由－2價變為＋4價，則1 mol乙醇被氧化轉移電子的物質的量＝1 mol×2×[4－(－2)]＝12 mol，故B錯誤；C.放電時，負極上失電子、正極上得電子，所以電子從負極沿導線流向正極，故C正確；D.燃料電池中正極上氧化劑氧氣得電子發生還原反應，故D正確。]
2
3
題號
4
1
5
6
7
2
3
題號
4
1
5
6
7
√
2
3
題號
4
1
5
6
7
7．某氨氣燃料電池，如圖所示，下列說法錯誤的是(　　)
A．正極的電極反應式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O
B．電子流向：電極1→負載→電極2
C．Na＋由左向右移動
D．NH3在電極1上發生氧化反應
2
3
題號
4
1
5
6
7
√
A　[A.通入氧氣的一極為正極，電解質溶液為堿性，所以氧氣得電子生成氫氧根離子，電極方程式為O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故A錯誤；B.原電池中電子由負極經導線流向正極，根據分析可知電極1為負極，電極2為正極，所以電子的流向為電極1→負載→電極2，故B正確；C.原電池中陽離子流向正極，所以鈉離子自左向右移動，故C正確；D.據圖可知NH3在電極1上轉化為N2和H2O，失電子發生氧化反應，故D正確。]
2
3
題號
4
1
5
6
7

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