高中化学 42化学电源课件 新人教版选修4.ppt

第二节化学电源 1 了解化学电源的优点及在各方面的应用 2 认识一次电池 二次电池和燃料电池 3 了解废旧电池对环境的危害 树立环保意识 4 能熟练书写充电和放电的电极反应式 一 化学电源1 化学电源的分类化学电池是将 变成 的装置 它包括 和 电池等几大类 一次电池的活性物质 发生氧化还原反应的物质 消耗到一定程度 就不能使用了 一次电池中电解质溶液制成胶状 不流动 也叫做 二次电池又称 或 放电后可以再充电使活性物质获得再生 这类电池可以 使用 2 判断一种电池的优劣判断一种电池的优劣或是否适合某种需要 主要看这种电池 或 所能输出电能的多少 即 或者输出功率的大小 即 以及电池的 二 一次电池碱性锌锰电池组成 该电池由负极 正极 电解质 等组成 其电极反应为 负极 正极 电池总反应 特点 碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好 它的 和 均有所提高 适用于 和 三 二次电池铅蓄电池组成 铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成 正极板上覆盖有 负极板上覆盖有 电解质溶液是 溶液 电池总反应 pbo2 s pb s 2h2so4 aq 2pbso4 s 2h2o l 铅蓄电池的缺点是 低 笨重 废弃电池 四 燃料电池1 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的 能直接转换成 的化学电池 它与一般化学电池不同 一般化学电池的活性物质储存在电池 故而限制了电池的容量 而燃料电池的电极本身不包含 物质 只是一个 元件 它工作时 和 连续地由外部供给 在电极上不断地进行反应 生成物不断地被排出 于是电池就连续不断地提供电能 2 氢氧燃烧电池工作原理 1 氢氧燃料电池以 为燃料 为氧化剂 作电极 使用酸性电解质 如图所示 在 极室通入h2 它在pt电极上被催化分解为h原子 再失去电子成为h 进入电解质溶液 透过 进入正极室 在正极室通入 经过pt电极的 o2 h 在正极上放电生成 电极反应分别为 负极 正极 2 若以naoh溶液为电解质溶液负极 正极 3 若以na2so4溶液为电解质溶液负极 正极 答案 一 1 化学能 电能 一次电池 二次电池 燃料 干电池 充电电池 蓄电池 多次重复2 单位质量单位体积比能量比功率可储存时间的长短 二 锌粉二氧化锰kohzn 2oh 2e zn oh 22mno2 2h2o 2e 2mnooh 2oh zn 2h2o 2mno2 zn oh 2 2mnooh比能量可储存时间大电流连续放电三 pbo2pbh2so4比能量污染环境 四 1 化学电能内部活性催化转化燃料氧化剂2 1 氢气氧气铂负隔膜o2催化h2o2h2 4e 4h o2 4h 4e 2h2o 2 2h2 4e 4oh 4h2oo2 4e 2h2o 4oh 3 2h2 4e 4h o2 2h2o 4e 4oh 1 回收废旧电池的意义是什么 提示 废旧电池中含有汞 镉 铬 铅等大量毒性很强的重金属 随处丢弃会给土壤 水源等环境造成严重的污染 并通过食物链给人体健康造成威胁和危害 另一方面 如果能回收再利用这些废旧电池 不仅可以减少对我们生存环境的破坏 而且也是对资源的节约 2 二次电源充电 放电时两极发生的反应相同吗 提示 不相同 电源放电时 负极发生氧化反应 充电时 作阴极发生还原反应 放电时 正极发生还原反应 充电时 作阳极发生氧化反应 3 化学电源电极反应遵循最基本的规律是什么 提示 无论什么电池 电极反应规律都是负极材料失电子被氧化 正极材料得电子被还原 两极间得失电子守恒 1 定义 化学电源是能够实际应用的原电池 2 化学电池的分类 1 一次电池又称不可充电电池 干电池 2 二次电池又称充电电池 蓄电池 3 燃料电池 3 电池优劣的判断标准 1 比能量 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 符号是 w h kg w h l 2 比功率 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小 符号是w kg w l 3 电池储存时间的长短 1 碱性锌锰电池常见的化学电池是锌锰电池 构造如下图所示 普通锌锰干电池的电极反应负极 锌铜 zn 2e zn2 氧化反应 正极 石墨 2nh 2e 2nh3 h2 还原反应 总反应式 zn 2mno2 2nh4cl 2mno oh zn nh3 2cl2碱性锌锰电池的负极是zn 正极是mno2 电解质是koh 其电极反应为 负极 zn 2oh 2e zn oh 2 氧化反应 正极 石墨 2mno2 2h2o 2e 2mno oh 2oh 还原反应 总反应式 zn 2mno2 2h2o 2mno oh zn oh 2特点 比普通锌锰电池性能好 能量和储存时间均有提高 可适用于大电流和连续放电 2 纽扣式电池 银锌电池 常见的纽扣式电池为银锌电池 它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒 盒内靠正极壳一端填充由ag2o和少量石墨组成的正极活性材料 负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料 电解质溶液为浓koh 溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜 锌银电池的负极是zn 正极是ag2o 电解质是koh 其电极反应为 负极 zn 2oh 2e zno h2o正极 ag2o h2o 2e 2ag 2oh 总反应方程式 zn ag2o 2ag zno在使用过程中 电池负极区溶液ph减小 特点 此种电池能量大 电压稳定 储存时间长 适宜小电流连续放电 一粒纽扣式电池的电压达1 59伏 安装在电子表里可使用两年之久 3 锂电池锂电池用金属锂作负极 石墨作正极 电解质溶液由四氯化铝锂 lialcl4 溶解在亚硫酰氯 socl2 中组成 锂电池的主要反应为 负极 8li 8e 8li 正极 3socl2 8e so 2s 6cl 总反应式为 8li 3socl2 6licl li2so3 2s特点 锂电池是一种高能电池 具有质量轻 电压稳定 工作效率高和贮存寿命长的优点 常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池 案例精析 例1 锌锰干电池 如右图 是普遍使用的化学电池 其中含有mno2 nh4cl zncl2等糊状物 以锌筒为负极材料 石墨为正极材料 一节干电池 电动势e 1 5v 内电阻r 0 25 对外供电时效率 75 该干电池的工作原理是 zn 2mno2 2nh4 zn2 mn2o3 2nh3 h2o 1 试写出干电池放电时的正 负电极反应式 正极 负极 2 干电池用久了就会变软 其原因是 3 正极反应中 前后经历下列反应 2nh 2e 2nh3 h2 2mno2 h2 mn2o3 h2o 如果没有mno2参与 干电池将难于持续稳定工作 试说明理由 4 在供电时间为20min时 反应的mno2的质量为 g 外电阻消耗的电能是 kj 5 许多国家都规定要对废旧的锌锰干电池进行回收 从保护环境和节约材料的方面解释为什么要回收这种废旧电池 解析 1 写出负极反应 用总反应式减去负极反应即得正极反应式 2 锌筒为负极材料 放电过程中参与反应会不断减少 同时生成的水不断增多 造成干电池变软 3 正极反应中 如果没有mno2 只有反应2nh 2e 2nh3 h2 能导电的是离子和自由电子 气体分子是不能导电的 正极反应的中间产物nh3 h2附着于石墨棒上 增加了电阻 4 由r i2 i2 r r 75 r 0 25 得r 0 75 则i e r r 1 5v 0 75 0 25 1 5a 消耗的电量q it 1 5a 20 60s 1800c转移的电子 1800c 1 6 10 19 6 02 1023mol 1 1 869 10 2mol反应的m mno2 1 869 10 2mol 1 87 g mol 1 1 626g外电阻消耗的电能 w i2rt 1 5a 2 0 75 20 60s 2025j 答案 1 2nh 2mno2 2e 2nh3 mn2o3 h2ozn 2e zn2 2 电池放电过程中有水产生 锌筒变薄造成干电池变软 3 正极反应的中间产物nh3 h2附着于石墨 增加电池内阻 4 1 6262 025 5 废电池中的物质有的会导致地下水和土壤污染 威胁人类的健康 另一方面 废电池中的有色金属是宝贵的自然资源 将废旧电池回收再利用 不仅可以减少对生活环境的破坏 而且也是对资源的节约 点评 理解电池放电时的工作原理 掌握电极反应式的书写方法 其有关计算的关键是电子转移守恒 并注意化学 物理的综合运用 广泛应用的锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液 电池总反应式为 zn 2mno2 2h2o 2mno oh zn oh 2 下列说法错误的是 a 电池工作时 锌失去电子b 电池正极的电极反应式为2mno2 2h2o 2e 2mno oh 2oh c 电池工作时 电子由正极通过外电路流向负极d 外电路中每通过0 2mol电子 锌的质量理论上减少6 5g 解析 该电池中zn为负极失去电子 该反应中转移2e 通过计算每转移0 2mol电子 zn反应6 5g 电子由负极通过外导线流向正极 所以c错 答案 c 点评 原电池工作时 活泼金属为负极 失去电子 电子流动方向 负极 导线 正极 1 可充电池充电电池又称二次电池 它在放电时所进行的氧化还原反应 在充电时又逆向进行 使生成物恢复原状 如此充放电可循环进行 至一定周期后终止 2 铅蓄电池 如图所示 1 铅蓄电池放电原理的电极反应负极 pb so 2e pbso4 氧化反应 正极 pbo2 4h so 2e pbso4 2h2o 还原反应 总反应式 pb pbo2 2h2so4 2pbso4 2h2o 2 铅蓄电池充电原理的电极反应阳极 pbso4 2h2o 2e pbo2 4h so阴极 pbso4 2e pb so总反应式 2pbso4 2h2o pb pbo2 2h2so4 3 镍 镉碱性蓄电池负极 cd cd 2e 2oh cd oh 2 氧化反应 正极 nio2 nio2 2h2o 2e ni oh 2 2oh 还原反应 总反应式 cd nio2 2h2o cd oh 2 ni oh 2 4 新一代绿色电池 锂离子电池特点 高能电池 电压高 质量轻 贮存时间长等 用途 电脑 手表 心脏起搏器等 说明 电池中含有汞 镉 铬 铅等大量毒性很强的重金属 随处丢弃会给土壤 水源等造成严重的污染 并通过食物链给人类的身体健康造成威胁和危害 另一方面 电池中的有色金属是宝贵的自然资源 如果能回收再利用 不仅可以减少对我们生存环境的破坏 而且也是对资源的节约 案例精析 例2 蓄电池在放电时起原电池的作用 在充电时起电解池的作用 下面是爱迪生蓄电池分别在充电和放电时发生的反应 fe nio2 2h2ofe oh 2 ni oh 2下列有关爱迪生蓄电池的推断错误的是 a 放电时 fe是负极 nio2是正极b 蓄电池的电极可以浸入某种酸性电解质溶液中c 充电时 阴极上的电极反应为 fe oh 2 2e fe 2oh d 放电时 电解质溶液中的阴离子向正极方向移动 解析 蓄电池放电时起原电池作用 原电池的负极是较活泼的金属 a正确 放电时 fe是原电池的负极 fe失电子被氧化成fe2 离子 由于负极 fe的附近聚集较多的fe2 离子 电解质溶液中的阴离子向负极移动 d不正确 充电时蓄电池起电解池作用 充电时电源的负极应与蓄电池的负极 fe 此时作为电解池的阴极 相连接 发生还原反应 fe oh 2 2e fe 2oh c正确 该蓄电池的放电和充电时的电极反应分别是 放电 负极fe 2e 2oh fe oh 2正极 nio2 2e 2h2o l ni oh 2 2oh 充电 阴极fe oh 2 2e fe 2oh 阳极 ni oh 2 2e 2oh nio2 2h2o l 可见反应是在碱性溶液中进行的 b不正确 答案 bd 点评 蓄电池在放电时发生原电池反应 把化学能转变成电能 在充电时发生电解池反应 将电能转变为化学能 反应方程式的左右各物质互为反应物和生成物 氢镍电池是近年开发出来的可充电电池 它可以取代会产生镉污染的镉镍电池 氢镍电池的总反应式为h2 nio oh ni oh 2 根据此反应式判断 下列叙述中正确的是 a 电池放电时 电池负极周围溶液的ph不断增大b 电池放电时 镍元素被氧化c 电池充电时 氢元素被还原d 电池放电时 h2是负极 解析 放电时该装置作为原电池 氢元素由0价升高为 1价 h2在负极反应 h原子失电子变成h 离子 负极周围溶液的ph不断减小 镍元素由 3价降低为 2价 镍元素被还原 因此a b不正确 d正确 充电时该装置作为电解池 氢元素由 1价降低为0价 氢元素被还原 c正确 答案 cd 点评 蓄电池充电时 电池的负极与电源的负极相连 电池的正极与电源的正极相连 即正正相接 负负相接 燃料电池的特点 能量转化高 可持续使用 无噪音 不污染环境 1 氢氧燃料电池氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池 主要用于航天领域 它的电极材料一般为活性电极 具有很强的催化活性 如铂电极 活性炭电极等 该电池以氢气为燃料 氧气为氧化剂 可用酸性电解质 如稀h2so4 也可用碱性电解质 如koh溶液 氢氧燃料电池的构造 当用碱性电解质时 电极反应为 负极 2h2 4oh 4e 4h2o 氧化反应 正极 o2 2h2o 4e 4oh 还原反应 总反应 2h2 o2 2h2o 2 甲烷燃料电池该电池用金属铂片插入koh溶液中作电极 在两极上分别通甲烷和氧气 负极 ch4 10oh 8e co 7h2o正极 2o2 4h2o 8e 8oh 离子方程式为 ch4 2o2 2oh co 3h2o总反应方程式为 ch4 2o2 2koh k2co3 3h2o 3 ch3oh燃料电池用导线相连的两个铂电极插入koh溶液中 然后向两极分别通入ch3oh和o2 则发生了原电池反应 负极 2ch3oh 16oh 12e 2co 12h2o正极 3o2 6h2o 12e 12oh 离子方程式为 2ch3oh 3o2 4oh 2co 6h2o总反应方程式为 2ch3oh 3o2 4koh 2k2co3 6h2o 案例精析 例3 飞船上使用的氢氧燃料电池的两个电极均由多孔性碳制成 通入的气体由空隙中逸出 并在电极表面放电 总反应式为 2h2 o2 2h2o 1 以koh溶液为电解质构成燃料电池 则负极通入 电极反应式为 正极通入 电极反应式为 2 如把koh溶液改为稀h2so4作电解质则电极反应为负极 正极 3 如把koh溶液改为nacl溶液作电解质则电极反应为负极 正极 4 飞船上宇航员的生活用水由燃料电池供给 已知电池每发1度电能生成350gh2o 请根据反应 2h2 g o2 g 2h2o l h 572kj mol计算能量转化率 5 该电池输出电压为1 2v 要使标示电压1 2v 功率1 5w的灯泡连续发光1h 应消耗标准状况下的氢气体积为 l 解析 根据原电池的反应原理 氢氧燃料电池总反应式为2h2 o2 2h2o 因负极氧化 正极还原 即h2被氧化 通入h2的电极为负极 o2被还原 即通入o2的电极为正极 在碱性溶液中h2失去电子生成的h 要与oh 反应 在酸性溶液中o2得电子生成的o2 要与h 反应 中性溶液中o2 要与h2o反应 每生成350gh2o放出的能量为 350g 18g mol 1 572kj mol 1 2 5561 1kj能量转化率 3 6 103kj 5561 11kj 100 64 73 发光1h消耗的电能 1 5w 3600s 5400j 生成m h2o 5 4kj 36g 572kj mol 1 64 73 v h2 5 4kj 36g 22 4l mol 1 572kj mol 1 64 73 18g mol 1 0 654l 答案 1 h22h2 4oh 4e 4h2oo2o2 2h2o 4e 4oh 2 2h2 4e 4h o2 4h 4e 2h2o 3 2h2 4e 4h o2 2h2o 4e 4oh 4 64 73 5 0 654 点评 原电池两极的判断 先分析电池反应中有关物质元素化合价的变化 确定原电池的正极和负极 然后根据两极所处介质分析其他指定物质的变化 书写电极反应时 要将总化学反应与正 负极反应联系在一起考虑 它们具有加和性 化学反应方程式 正极反应 负极反应 在原电池反应中 必须遵循得失电子守恒 介质参与电极反应的原则 原电池的两极反应若均在一定介质中进行 介质常常参与电极反应 在酸性介质中 h 参与正极反应 在中性介质中 h2o参与正极反应 在碱性介质中 oh 参与负极反应 第 4 5 题考查内容涉及原电池 能量转换是化学和物理知识理科综合问题 对能力层次有较高要求 燃料电池是使气体燃料氧化直接产生电流的装置 燃料电池的研究是本世纪最具挑战性的课题之一 最近有人制造了一种燃料电池 一个电极通入空气 另一个电极通入丁烷 电池的电解质是掺杂了y2o3 三氧化二钇 的zro2 二氧化锆 晶体 它在高温下能传导o2 试回答下列问题 1 该电池放电时的化学反应方程式为 2 该燃料电池的电极反应式为 正极 13o2 52e 26o2 负极 2c4h10 26o2 52e 8co2 10h2o则固体电解质中的o2 向 极移动 填 正 或 负 3 某金属的相对原子质量为52 00 用上述电池电解该金属的一种含氧酸盐的酸性水溶液时 阳极每放出3360ml 标准状况 氧气 阴极析出金属10 4g 在该含氧酸盐中金属的化合价为 在该实验中 若不考虑能量的损失 电池中消耗丁烷的质量最少是 g 结果精确至0 01g 解析 1 2c4h10 13o 8co2 10h2o 2 根据电极反应式可知 氧离子由正极移向负极 3 设金属的化合价为x 则根据得失电子守恒关系可得 4 x 所以可得x 3 故此过程中转移的电子的物质的量为0 6mol 所以消耗的丁烷的质量为1 34g