第十讲化学与新能源.ppt

1 一 目前的能源结构与现状 世界能源主要依赖不可再生的化石资源 我国能源结构面临经济发展和环境保护的双层压力 其 其 煤 石油 天然气 其他 中国 石油 煤 天然气 其他 世界 CxHy O2H2O CO2 SO2 NOx 2 当前的能源问题 1 石油价格飙涨 化石燃料逐渐枯竭 2 全球暖化 空气污染及温室气体浓度增加 3 化学能转换为电能的原理的发现和各式各样电池装置的发明 是贮能和供能技术的巨大进步 是化学对人类的一项重大贡献 极大地推进了现代化的进程 改变了人们的生活方式 提高了人们的生活质量 化学电源又称电池 是一种能将化学能直接转变成电能的装置 它通过化学反应 消耗某种化学物质 输出电能 4 1800伏特电池可以说是今日电池的起源 其后的一个重要发展则是丹尼尔 1776 1827 以锌浸于稀酸电解质与铜浸于硫酸铜溶液所形成的丹尼尔电池 改善了原本电池电流递减的缺点 增进连续放电时的性能 1864勒克朗舍提出了勒克朗舍电池 并几经改良 成了现今一般干电池工业的主轴与一次电池工业的基础 1859二次电池 普朗特所发明的铅酸蓄电池 因技术的开发与改进 又陆陆续续有镍镉 镍氢 锂离子电池等的出现 今日 电池的改进与新式电池的发明仍然持续进行中 像是锂离子电池 高分子锂电池 燃料电池 太阳能电池等 随时因应不同时代人们的需求 1839WilliamR Grove 1811 1896 发明燃料电池 当时称作气体电池 电池的演进 5 电池的发现史 1780年时意大利LuigiGalvani 1737 1798 发现以不同金属触及死去的青蛙时 青蛙会抖动 他认为发现了新的电源 动物电 6 伏打与伏打电池 意大利人伏打 AlessandroVolta1745 1827 则认为电的来源不是青蛙 是不同的金属接触所造成 青蛙只是让我们知道电流通过的 电流计 而已 7 负极 正极 伏打的研究证实 将两种不同的金属以导线连接 中间隔有可导电的物质 就会产生电流 伏打电池的组成 公元1800年伏打以含食盐水的湿抹布夹在银和锌的圆形板中间形成伏打电池 8 负极 正极 伏打电池的组成 按银 布 锌 银 布 锌 的次序 积成圆柱 便形成所谓的 伏打堆 9 9 伏打电池的原理 易失去电子 易得到电子 为电池负极 为电池正极 对氧活性大小 钾 钠 钙 镁 铝 碳 锌 铬 铁 锡 铅 铜 汞 银 铂 金 伏打电池 由不同金属片插入电解质溶液而成的电池 10 硫酸锌溶液 硫酸铜溶液 硝酸钾溶液 2e 锌铜电池 构造 11 11 锌铜电池 失去电子 得到电子 负极 正极 利用锌和铜两种 活性大小 不同的金属及中间可导电的物质 盐桥 制成的化学电池 锌铜电池 原理 锌的活性 铜的活性 硫酸锌溶液 硫酸铜溶液 硝酸钾溶液 锌 铜 负极 正极 2e 锌较铜易失去电子 复兴正统 负锌正铜 12 12 SO42 锌板质量将减少铜板质量将增加 硫酸锌溶液 硫酸铜溶液 盐桥 硝酸钾溶液 锌片放出电子而解离出锌离子 Zn2 硫酸铜溶液中的Cu2 移向铜片得到电子而析出铜 负极 Zn Zn2 2e 正极 Cu2 2e Cu 负极反应 正极反应 Zn Zn2 2e Cu2 2e Cu 总反应 Zn Cu2 Zn2 Cu 硫酸锌溶液 2e Zn2 Cu2 硝酸钾溶液 锌 铜 硫酸锌溶液颜色不变硫酸铜溶液颜色变淡 负极 正极 13 13 盐桥中 向正极移动 向负极移动 使溶液保持电中性 盐桥 盐桥可以把两种隔离的溶液联系起来 可以避免两溶液混合 并做电流的桥梁 维持电中性 盐桥的功用 沟通电路 NO3 K 以U形管内的盐类水溶液 KNO3 把两种隔离的水溶液联系起来以沟通电路 SO42 硫酸锌溶液 硫酸铜溶液 硫酸锌溶液 2e Zn2 Cu2 2NO3 2K 硝酸钾溶液 锌 铜 14 14 电池的电动势 电池产生电力的大小 通常我们是以电压 V 来衡量 单位定为伏特 V 电池的电压与电动势 E electromotiveforce 简称emf 常被视为同义字 15 以锌铜电池为例子 锌铜电池的阳极 anode 与阴极 cathode 分别是以锌 铜所制成 其中铜极浸置于硫酸铜溶液中 而锌极则浸置于硫酸锌溶液中 电池结构虽然简单 却可产生约1 1V的电压值 实验显示 当锌 铜电池以导线接通时 锌极会自发性地发生氧化反应Zn s Zn2 aq 2e 而产生电子 产生的电子会从电位较高的锌极流向电位较低的铜极 16 半电池电位 标准还原电位 下表是解离不同金属的氧化电位 于25 时 正负号标示相对于氢的电位 构成电池的二个半电池分别具有各电极固有的电位 其电位差之绝对值就是该电池的电压 而电极的固有电位 称为半电池电位 Zn Zn2 2e Zn2 2e Zn 氧化反应 还原反应 还原电位 0 76V 氧化电位 0 76V 17 17 氧化电位 Zn Cu Ag H2 Mg Zn2 Cu2 Ag H Mg2 0 76 2 37 0 0 34 0 8 Mg s Ag aq Mg2 aq Ag s Zn s Cu2 aq Zn2 aq Cu s 电位 2 37 0 8 3 17 电位 0 76 0 34 1 1 Cu s Mg2 aq Cu2 aq Mg s 电位 0 34 2 37 2 71 不反应 18 18 Nernstequation 能斯特方程式 化学能与电能之间的关系可以借由Nernstequation转换计算 G n F G 化学能n 电子转移mol数 电池电压F 法拉第常数 96500库仑 1mol WaltherNernst 1864 1941 TheNobelPrizeinChemistry1920 例如 甲醇燃烧反应 1mol电子转移数n 6CH3OH 3 2O2 CO2 2H2O H 698 2KJ mol甲醇燃料电池的理想电压等于1 21伏特 19 化学能变电能的计算 G n F V电池单位 J mole coul mole J coul 其中n为锌所失去或铜离子所接受的电子数 莫耳 而V是电池所能产生的最大电压值 举例来说 锌 铜电池的理想电动势为1 10伏特时 所释出的理想电能为 G n F V电池 2 96500 1 10 212300 J 故锌 铜电池所能释出的理想最大电能为212 300 KJ 20 电池之反应方程式为aA bB cC dD E 电压 E0 标准电压 RT nF lnQ在25 时 E E0 0 059 n logQQ 影响电压的因素 温度 浓度 R 0 082T 凯氏温度 K F 96500库仑ln 自然对数log 以10为底的对数n 反应电子的mol数 21 一次电池 如普通干电池 碱性锌锰电池 锌银纽扣电池等 只放不充 环境污染 二次电池 如铅蓄电池 锌银蓄电池 镉镍电池 锂离子电池等 放电为原电池 充电为电解池 可放可充 发展方向 燃料电池 如氢氧燃料电池 甲烷燃料电池 甲醇燃料电池等 能量很高 前景远大 其他电池 如海水电池 心脏起搏电池等 特殊用途 现代科技 常见化学电池 22 普通干电池 锌银纽扣电池 碱性锌锰电池 一次电池 23 二次电池 锂离子电池 高能 体积小 重量轻 质能比高 24 电池的分类 原电池 使用后不能充电 干电池 碱性电池 水银电池 锂电池蓄电池 使用后可以充电 25 1 原电池 如 Zn Cu2 Zn2 Cu 1 定义 将化学能转化为电能的装置 2 电极反应 负极 Zn 2e Zn2 氧化反应 电子流出的一极 正极 Cu2 2e Cu 还原反应 电子流入的一极 极 有两种活动性不同的金属 或一种是非金属导体 作电极液 电极材料均插入电解质溶液中路 两极相连形成闭合电路自 一个自发进行的氧化还原反应 3 构成原电池的条件 26 2 原电池的正 负极的判断方法 1 由组成原电池的两极材料判断 一般是活泼的金属为负极 活泼性较差的金属或能导电的非金属为正极 若一极为金属 另一极为石墨 或化合物 金属为负极 2 根据电流方向或电子流动方向判断 3 根据原电池的电解质溶液内离子的定向流动方向 4 根据原电池两极发生的变化来判断 5 电极的增重或减轻 e 还原反应 氧化反应 阳离子 阴离子 电极质量 电极质量 27 家庭小实验在一瓣橘子上相隔0 5cm分别插一小段铜片和铝片 把铜片和铝片的另一端通过导线接触耳机的两极 试试能否听到 嘎嘎 声 能够从耳机中听到 嘎嘎 声 说明了什么 用其他金属 水果 液体再试一试 28 干电池 29 干电池 锌锰电池 阴极 氧化作用 锌阳极 还原 碳电解质 糊状的氯化铵氧化剂 氧化锰 IV 添加剂 碳粉可增加导电性能 30 阴极 氧化作用 Zn s Zn2 aq 2e 阳极 还原作用 2NH4 aq 2e 2NH3 aq H2 g 氢气在阳极的周围积聚 这会阻碍反应继续进行 令电流减少 因此须在电池内加入一种氧化剂 氧化锰 IV 以去除氢气 2MnO2 s H2 g Mn2O3 s H2O 31 锌离子则与氨反应 生成络合物 Zn2 aq 2NH3 aq 2Cl aq Zn NH3 2Cl2 s 整体反应 2MnO2 s 2NH4Cl aq Zn s Zn NH3 2Cl2 s H2O Mn2O3 s 电池的总电压约为1 5V 32 缺点 若电池放电太快 便不能及时去除生成的气体 于是电压会降低 须停止使用电池一段时间 电压才能恢复原来的水平 这种电池的寿命亦较短 这是因为锌电极和铵离子之间会有一种缓慢的直接反应 经过一段时间后 锌外壳会变薄 电池内的糊状化学药品便会泄漏出来 在电池外面加上一层钢制或胶制的外壳可以防止糊状化学药品外泄 33 碱性电池 正负极与干电池类似电解液 氢氧化钠或氢氧化钾等强碱放电时 锌放出电子氧化成氧化锌或氢氧化锌 二氧化锰得到电子被还原成三氧化二锰电压稳定 使用时间较长久 在低温时仍有良好的性能 Back 34 阴极 氧化作用 锌粉阳极 还原作用 氧化锰 IV 电解质 氢氧化钾 35 阴极 氧化作用 Zn s 2OH aq ZnO s H2O l 2e 阳极 还原作用 2MnO2 s H2O l 2e Mn2O3 s 2OH aq 整体反应 Zn s 2MnO2 s ZnO s Mn2O3 s 36 它的寿命较锌碳电池长 产生的电流亦较稳定 这种电池的钢制外壳并不参与化学反应 所以化学药品不会外泄 这种电池的使用寿命比锌碳电池的为长 适用于需要较大电流的电器 例如电动玩具 但价格却较锌碳电池昂贵 可产生1 5V的电压 37 水银电池 负极 阳极 锌壳正极 阴极 氧化汞电解质 氢氧化钾放电时 锌失去电子生成氧化锌 氧化汞得电子生成汞电压值非常稳定可供作手表 相机或计算器的电源 Back 38 阴极 氧化作用 Zn s 2OH aq ZnO s H2O l 2e 阳极 还原作用 Ag2O s H2O l 2e 2Ag s 2OH aq 整体反应 Zn s Ag2O s ZnO s 2Ag s 39 电池体积小 使用寿命长 产生稳定的电流 不过价格比其它种类的干电池昂贵 可产生1 5V的电压 40 锂电池 锂碘电池 负极 阳极 固定于镍网上的金属锂正极 阴极 碘电解质 薄层的碘化锂芯片 介于阴极与阳极之碘还原成碘离子 金属锂被氧化成锂离子碘化锂电阻较高 输出电流较微弱 但非常稳定 适合作为心律调节器的动力来源 41 抛弃式电池 42 1 了解的新能源种类 就其感兴趣的一种 知道它的特点 应用范围 发展前景 2 核能发电的原理 3 核能应用的利与弊 4 核能是如何产生的 如何实现安全控制 5 什么是可再生能源 核能是否属于可再生能源 6 太阳能的利用方式包括哪些 列举出其具体应用 每种方式至少要列举两种应用 43 7 目前我国在利用风能的优越性 有什么地方需要改进 8 氢能源的优点以及面临的问题 9 为什么要提倡回收各种废旧电池 10 化学电池的定义 种类 44 蓄电池 45 2 铅蓄电池 两组栅状极板交替排列而成 正极板上覆盖有PbO2负极上覆盖有Pb电解质是30 H2SO4溶液 放电时为原电池 负极 Pb 2e SO42 PbSO4 正极 PbO2 2e 4H SO42 PbSO4 2H2O 总反应为 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 当放电进行到硫酸溶液的密度达1 18g cm3时即停止放电 需将蓄电池进行充电 46 充电 充电时原原电池的负极接电源的负极作电解池的阴极充电时原原电池的正极接电源的正极作电解池的阳极 阴极 PbSO4 2e Pb SO42 充电时为电解池 阳极 PbSO4 2H2O