高中化學(xué) 42化學(xué)電源課件 新人教版選修4.ppt

第二節(jié)化學(xué)電源 1 了解化學(xué)電源的優(yōu)點及在各方面的應(yīng)用 2 認(rèn)識一次電池 二次電池和燃料電池 3 了解廢舊電池對環(huán)境的危害 樹立環(huán)保意識 4 能熟練書寫充電和放電的電極反應(yīng)式 一 化學(xué)電源1 化學(xué)電源的分類化學(xué)電池是將 變成 的裝置 它包括 和 電池等幾大類 一次電池的活性物質(zhì) 發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì) 消耗到一定程度 就不能使用了 一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀 不流動 也叫做 二次電池又稱 或 放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生 這類電池可以 使用 2 判斷一種電池的優(yōu)劣判斷一種電池的優(yōu)劣或是否適合某種需要 主要看這種電池 或 所能輸出電能的多少 即 或者輸出功率的大小 即 以及電池的 二 一次電池堿性鋅錳電池組成 該電池由負(fù)極 正極 電解質(zhì) 等組成 其電極反應(yīng)為 負(fù)極 正極 電池總反應(yīng) 特點 堿性鋅錳電池比普通鋅錳電池性能好 它的 和 均有所提高 適用于 和 三 二次電池鉛蓄電池組成 鉛蓄電池由兩組柵狀極板交替排列而成 正極板上覆蓋有 負(fù)極板上覆蓋有 電解質(zhì)溶液是 溶液 電池總反應(yīng) pbo2 s pb s 2h2so4 aq 2pbso4 s 2h2o l 鉛蓄電池的缺點是 低 笨重 廢棄電池 四 燃料電池1 燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的 能直接轉(zhuǎn)換成 的化學(xué)電池 它與一般化學(xué)電池不同 一般化學(xué)電池的活性物質(zhì)儲存在電池 故而限制了電池的容量 而燃料電池的電極本身不包含 物質(zhì) 只是一個 元件 它工作時 和 連續(xù)地由外部供給 在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng) 生成物不斷地被排出 于是電池就連續(xù)不斷地提供電能 2 氫氧燃燒電池工作原理 1 氫氧燃料電池以 為燃料 為氧化劑 作電極 使用酸性電解質(zhì) 如圖所示 在 極室通入h2 它在pt電極上被催化分解為h原子 再失去電子成為h 進(jìn)入電解質(zhì)溶液 透過 進(jìn)入正極室 在正極室通入 經(jīng)過pt電極的 o2 h 在正極上放電生成 電極反應(yīng)分別為 負(fù)極 正極 2 若以naoh溶液為電解質(zhì)溶液負(fù)極 正極 3 若以na2so4溶液為電解質(zhì)溶液負(fù)極 正極 答案 一 1 化學(xué)能 電能 一次電池 二次電池 燃料 干電池 充電電池 蓄電池 多次重復(fù)2 單位質(zhì)量單位體積比能量比功率可儲存時間的長短 二 鋅粉二氧化錳kohzn 2oh 2e zn oh 22mno2 2h2o 2e 2mnooh 2oh zn 2h2o 2mno2 zn oh 2 2mnooh比能量可儲存時間大電流連續(xù)放電三 pbo2pbh2so4比能量污染環(huán)境 四 1 化學(xué)電能內(nèi)部活性催化轉(zhuǎn)化燃料氧化劑2 1 氫氣氧氣鉑負(fù)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 回收廢舊電池的意義是什么 提示 廢舊電池中含有汞 鎘 鉻 鉛等大量毒性很強的重金屬 隨處丟棄會給土壤 水源等環(huán)境造成嚴(yán)重的污染 并通過食物鏈給人體健康造成威脅和危害 另一方面 如果能回收再利用這些廢舊電池 不僅可以減少對我們生存環(huán)境的破壞 而且也是對資源的節(jié)約 2 二次電源充電 放電時兩極發(fā)生的反應(yīng)相同嗎 提示 不相同 電源放電時 負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng) 充電時 作陰極發(fā)生還原反應(yīng) 放電時 正極發(fā)生還原反應(yīng) 充電時 作陽極發(fā)生氧化反應(yīng) 3 化學(xué)電源電極反應(yīng)遵循最基本的規(guī)律是什么 提示 無論什么電池 電極反應(yīng)規(guī)律都是負(fù)極材料失電子被氧化 正極材料得電子被還原 兩極間得失電子守恒 1 定義 化學(xué)電源是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的原電池 2 化學(xué)電池的分類 1 一次電池又稱不可充電電池 干電池 2 二次電池又稱充電電池 蓄電池 3 燃料電池 3 電池優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn) 1 比能量 指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少 符號是 w h kg w h l 2 比功率 指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小 符號是w kg w l 3 電池儲存時間的長短 1 堿性鋅錳電池常見的化學(xué)電池是鋅錳電池 構(gòu)造如下圖所示 普通鋅錳干電池的電極反應(yīng)負(fù)極 鋅銅 zn 2e zn2 氧化反應(yīng) 正極 石墨 2nh 2e 2nh3 h2 還原反應(yīng) 總反應(yīng)式 zn 2mno2 2nh4cl 2mno oh zn nh3 2cl2堿性鋅錳電池的負(fù)極是zn 正極是mno2 電解質(zhì)是koh 其電極反應(yīng)為 負(fù)極 zn 2oh 2e zn oh 2 氧化反應(yīng) 正極 石墨 2mno2 2h2o 2e 2mno oh 2oh 還原反應(yīng) 總反應(yīng)式 zn 2mno2 2h2o 2mno oh zn oh 2特點 比普通鋅錳電池性能好 能量和儲存時間均有提高 可適用于大電流和連續(xù)放電 2 紐扣式電池 銀鋅電池 常見的紐扣式電池為銀鋅電池 它用不銹鋼制成一個由正極殼和負(fù)極蓋組成的小圓盒 盒內(nèi)靠正極殼一端填充由ag2o和少量石墨組成的正極活性材料 負(fù)極蓋一端填充鋅汞合金作負(fù)極活性材料 電解質(zhì)溶液為濃koh 溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜 鋅銀電池的負(fù)極是zn 正極是ag2o 電解質(zhì)是koh 其電極反應(yīng)為 負(fù)極 zn 2oh 2e zno h2o正極 ag2o h2o 2e 2ag 2oh 總反應(yīng)方程式 zn ag2o 2ag zno在使用過程中 電池負(fù)極區(qū)溶液ph減小 特點 此種電池能量大 電壓穩(wěn)定 儲存時間長 適宜小電流連續(xù)放電 一粒紐扣式電池的電壓達(dá)1 59伏 安裝在電子表里可使用兩年之久 3 鋰電池鋰電池用金屬鋰作負(fù)極 石墨作正極 電解質(zhì)溶液由四氯化鋁鋰 lialcl4 溶解在亞硫酰氯 socl2 中組成 鋰電池的主要反應(yīng)為 負(fù)極 8li 8e 8li 正極 3socl2 8e so 2s 6cl 總反應(yīng)式為 8li 3socl2 6licl li2so3 2s特點 鋰電池是一種高能電池 具有質(zhì)量輕 電壓穩(wěn)定 工作效率高和貯存壽命長的優(yōu)點 常用于心臟起搏器和火箭的一種微型電池 案例精析 例1 鋅錳干電池 如右圖 是普遍使用的化學(xué)電池 其中含有mno2 nh4cl zncl2等糊狀物 以鋅筒為負(fù)極材料 石墨為正極材料 一節(jié)干電池 電動勢e 1 5v 內(nèi)電阻r 0 25 對外供電時效率 75 該干電池的工作原理是 zn 2mno2 2nh4 zn2 mn2o3 2nh3 h2o 1 試寫出干電池放電時的正 負(fù)電極反應(yīng)式 正極 負(fù)極 2 干電池用久了就會變軟 其原因是 3 正極反應(yīng)中 前后經(jīng)歷下列反應(yīng) 2nh 2e 2nh3 h2 2mno2 h2 mn2o3 h2o 如果沒有mno2參與 干電池將難于持續(xù)穩(wěn)定工作 試說明理由 4 在供電時間為20min時 反應(yīng)的mno2的質(zhì)量為 g 外電阻消耗的電能是 kj 5 許多國家都規(guī)定要對廢舊的鋅錳干電池進(jìn)行回收 從保護環(huán)境和節(jié)約材料的方面解釋為什么要回收這種廢舊電池 解析 1 寫出負(fù)極反應(yīng) 用總反應(yīng)式減去負(fù)極反應(yīng)即得正極反應(yīng)式 2 鋅筒為負(fù)極材料 放電過程中參與反應(yīng)會不斷減少 同時生成的水不斷增多 造成干電池變軟 3 正極反應(yīng)中 如果沒有mno2 只有反應(yīng)2nh 2e 2nh3 h2 能導(dǎo)電的是離子和自由電子 氣體分子是不能導(dǎo)電的 正極反應(yīng)的中間產(chǎn)物nh3 h2附著于石墨棒上 增加了電阻 4 由r i2 i2 r r 75 r 0 25 得r 0 75 則i e r r 1 5v 0 75 0 25 1 5a 消耗的電量q it 1 5a 20 60s 1800c轉(zhuǎn)移的電子 1800c 1 6 10 19 6 02 1023mol 1 1 869 10 2mol反應(yīng)的m mno2 1 869 10 2mol 1 87 g mol 1 1 626g外電阻消耗的電能 w i2rt 1 5a 2 0 75 20 60s 2025j 答案 1 2nh 2mno2 2e 2nh3 mn2o3 h2ozn 2e zn2 2 電池放電過程中有水產(chǎn)生 鋅筒變薄造成干電池變軟 3 正極反應(yīng)的中間產(chǎn)物nh3 h2附著于石墨 增加電池內(nèi)阻 4 1 6262 025 5 廢電池中的物質(zhì)有的會導(dǎo)致地下水和土壤污染 威脅人類的健康 另一方面 廢電池中的有色金屬是寶貴的自然資源 將廢舊電池回收再利用 不僅可以減少對生活環(huán)境的破壞 而且也是對資源的節(jié)約 點評 理解電池放電時的工作原理 掌握電極反應(yīng)式的書寫方法 其有關(guān)計算的關(guān)鍵是電子轉(zhuǎn)移守恒 并注意化學(xué) 物理的綜合運用 廣泛應(yīng)用的鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液 電池總反應(yīng)式為 zn 2mno2 2h2o 2mno oh zn oh 2 下列說法錯誤的是 a 電池工作時 鋅失去電子b 電池正極的電極反應(yīng)式為2mno2 2h2o 2e 2mno oh 2oh c 電池工作時 電子由正極通過外電路流向負(fù)極d 外電路中每通過0 2mol電子 鋅的質(zhì)量理論上減少6 5g 解析 該電池中zn為負(fù)極失去電子 該反應(yīng)中轉(zhuǎn)移2e 通過計算每轉(zhuǎn)移0 2mol電子 zn反應(yīng)6 5g 電子由負(fù)極通過外導(dǎo)線流向正極 所以c錯 答案 c 點評 原電池工作時 活潑金屬為負(fù)極 失去電子 電子流動方向 負(fù)極 導(dǎo)線 正極 1 可充電池充電電池又稱二次電池 它在放電時所進(jìn)行的氧化還原反應(yīng) 在充電時又逆向進(jìn)行 使生成物恢復(fù)原狀 如此充放電可循環(huán)進(jìn)行 至一定周期后終止 2 鉛蓄電池 如圖所示 1 鉛蓄電池放電原理的電極反應(yīng)負(fù)極 pb so 2e pbso4 氧化反應(yīng) 正極 pbo2 4h so 2e pbso4 2h2o 還原反應(yīng) 總反應(yīng)式 pb pbo2 2h2so4 2pbso4 2h2o 2 鉛蓄電池充電原理的電極反應(yīng)陽極 pbso4 2h2o 2e pbo2 4h so陰極 pbso4 2e pb so總反應(yīng)式 2pbso4 2h2o pb pbo2 2h2so4 3 鎳 鎘堿性蓄電池負(fù)極 cd cd 2e 2oh cd oh 2 氧化反應(yīng) 正極 nio2 nio2 2h2o 2e ni oh 2 2oh 還原反應(yīng) 總反應(yīng)式 cd nio2 2h2o cd oh 2 ni oh 2 4 新一代綠色電池 鋰離子電池特點 高能電池 電壓高 質(zhì)量輕 貯存時間長等 用途 電腦 手表 心臟起搏器等 說明 電池中含有汞 鎘 鉻 鉛等大量毒性很強的重金屬 隨處丟棄會給土壤 水源等造成嚴(yán)重的污染 并通過食物鏈給人類的身體健康造成威脅和危害 另一方面 電池中的有色金屬是寶貴的自然資源 如果能回收再利用 不僅可以減少對我們生存環(huán)境的破壞 而且也是對資源的節(jié)約 案例精析 例2 蓄電池在放電時起原電池的作用 在充電時起電解池的作用 下面是愛迪生蓄電池分別在充電和放電時發(fā)生的反應(yīng) fe nio2 2h2ofe oh 2 ni oh 2下列有關(guān)愛迪生蓄電池的推斷錯誤的是 a 放電時 fe是負(fù)極 nio2是正極b 蓄電池的電極可以浸入某種酸性電解質(zhì)溶液中c 充電時 陰極上的電極反應(yīng)為 fe oh 2 2e fe 2oh d 放電時 電解質(zhì)溶液中的陰離子向正極方向移動 解析 蓄電池放電時起原電池作用 原電池的負(fù)極是較活潑的金屬 a正確 放電時 fe是原電池的負(fù)極 fe失電子被氧化成fe2 離子 由于負(fù)極 fe的附近聚集較多的fe2 離子 電解質(zhì)溶液中的陰離子向負(fù)極移動 d不正確 充電時蓄電池起電解池作用 充電時電源的負(fù)極應(yīng)與蓄電池的負(fù)極 fe 此時作為電解池的陰極 相連接 發(fā)生還原反應(yīng) fe oh 2 2e fe 2oh c正確 該蓄電池的放電和充電時的電極反應(yīng)分別是 放電 負(fù)極fe 2e 2oh fe oh 2正極 nio2 2e 2h2o l ni oh 2 2oh 充電 陰極fe oh 2 2e fe 2oh 陽極 ni oh 2 2e 2oh nio2 2h2o l 可見反應(yīng)是在堿性溶液中進(jìn)行的 b不正確 答案 bd 點評 蓄電池在放電時發(fā)生原電池反應(yīng) 把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能 在充電時發(fā)生電解池反應(yīng) 將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能 反應(yīng)方程式的左右各物質(zhì)互為反應(yīng)物和生成物 氫鎳電池是近年開發(fā)出來的可充電電池 它可以取代會產(chǎn)生鎘污染的鎘鎳電池 氫鎳電池的總反應(yīng)式為h2 nio oh ni oh 2 根據(jù)此反應(yīng)式判斷 下列敘述中正確的是 a 電池放電時 電池負(fù)極周圍溶液的ph不斷增大b 電池放電時 鎳元素被氧化c 電池充電時 氫元素被還原d 電池放電時 h2是負(fù)極 解析 放電時該裝置作為原電池 氫元素由0價升高為 1價 h2在負(fù)極反應(yīng) h原子失電子變成h 離子 負(fù)極周圍溶液的ph不斷減小 鎳元素由 3價降低為 2價 鎳元素被還原 因此a b不正確 d正確 充電時該裝置作為電解池 氫元素由 1價降低為0價 氫元素被還原 c正確 答案 cd 點評 蓄電池充電時 電池的負(fù)極與電源的負(fù)極相連 電池的正極與電源的正極相連 即正正相接 負(fù)負(fù)相接 燃料電池的特點 能量轉(zhuǎn)化高 可持續(xù)使用 無噪音 不污染環(huán)境 1 氫氧燃料電池氫氧燃料電池是一種高效低污染的新型電池 主要用于航天領(lǐng)域 它的電極材料一般為活性電極 具有很強的催化活性 如鉑電極 活性炭電極等 該電池以氫氣為燃料 氧氣為氧化劑 可用酸性電解質(zhì) 如稀h2so4 也可用堿性電解質(zhì) 如koh溶液 氫氧燃料電池的構(gòu)造 當(dāng)用堿性電解質(zhì)時 電極反應(yīng)為 負(fù)極 2h2 4oh 4e 4h2o 氧化反應(yīng) 正極 o2 2h2o 4e 4oh 還原反應(yīng) 總反應(yīng) 2h2 o2 2h2o 2 甲烷燃料電池該電池用金屬鉑片插入koh溶液中作電極 在兩極上分別通甲烷和氧氣 負(fù)極 ch4 10oh 8e co 7h2o正極 2o2 4h2o 8e 8oh 離子方程式為 ch4 2o2 2oh co 3h2o總反應(yīng)方程式為 ch4 2o2 2koh k2co3 3h2o 3 ch3oh燃料電池用導(dǎo)線相連的兩個鉑電極插入koh溶液中 然后向兩極分別通入ch3oh和o2 則發(fā)生了原電池反應(yīng) 負(fù)極 2ch3oh 16oh 12e 2co 12h2o正極 3o2 6h2o 12e 12oh 離子方程式為 2ch3oh 3o2 4oh 2co 6h2o總反應(yīng)方程式為 2ch3oh 3o2 4koh 2k2co3 6h2o 案例精析 例3 飛船上使用的氫氧燃料電池的兩個電極均由多孔性碳制成 通入的氣體由空隙中逸出 并在電極表面放電 總反應(yīng)式為 2h2 o2 2h2o 1 以koh溶液為電解質(zhì)構(gòu)成燃料電池 則負(fù)極通入 電極反應(yīng)式為 正極通入 電極反應(yīng)式為 2 如把koh溶液改為稀h2so4作電解質(zhì)則電極反應(yīng)為負(fù)極 正極 3 如把koh溶液改為nacl溶液作電解質(zhì)則電極反應(yīng)為負(fù)極 正極 4 飛船上宇航員的生活用水由燃料電池供給 已知電池每發(fā)1度電能生成350gh2o 請根據(jù)反應(yīng) 2h2 g o2 g 2h2o l h 572kj mol計算能量轉(zhuǎn)化率 5 該電池輸出電壓為1 2v 要使標(biāo)示電壓1 2v 功率1 5w的燈泡連續(xù)發(fā)光1h 應(yīng)消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣體積為 l 解析 根據(jù)原電池的反應(yīng)原理 氫氧燃料電池總反應(yīng)式為2h2 o2 2h2o 因負(fù)極氧化 正極還原 即h2被氧化 通入h2的電極為負(fù)極 o2被還原 即通入o2的電極為正極 在堿性溶液中h2失去電子生成的h 要與oh 反應(yīng) 在酸性溶液中o2得電子生成的o2 要與h 反應(yīng) 中性溶液中o2 要與h2o反應(yīng) 每生成350gh2o放出的能量為 350g 18g mol 1 572kj mol 1 2 5561 1kj能量轉(zhuǎn)化率 3 6 103kj 5561 11kj 100 64 73 發(fā)光1h消耗的電能 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 點評 原電池兩極的判斷 先分析電池反應(yīng)中有關(guān)物質(zhì)元素化合價的變化 確定原電池的正極和負(fù)極 然后根據(jù)兩極所處介質(zhì)分析其他指定物質(zhì)的變化 書寫電極反應(yīng)時 要將總化學(xué)反應(yīng)與正 負(fù)極反應(yīng)聯(lián)系在一起考慮 它們具有加和性 化學(xué)反應(yīng)方程式 正極反應(yīng) 負(fù)極反應(yīng) 在原電池反應(yīng)中 必須遵循得失電子守恒 介質(zhì)參與電極反應(yīng)的原則 原電池的兩極反應(yīng)若均在一定介質(zhì)中進(jìn)行 介質(zhì)常常參與電極反應(yīng) 在酸性介質(zhì)中 h 參與正極反應(yīng) 在中性介質(zhì)中 h2o參與正極反應(yīng) 在堿性介質(zhì)中 oh 參與負(fù)極反應(yīng) 第 4 5 題考查內(nèi)容涉及原電池 能量轉(zhuǎn)換是化學(xué)和物理知識理科綜合問題 對能力層次有較高要求 燃料電池是使氣體燃料氧化直接產(chǎn)生電流的裝置 燃料電池的研究是本世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的課題之一 最近有人制造了一種燃料電池 一個電極通入空氣 另一個電極通入丁烷 電池的電解質(zhì)是摻雜了y2o3 三氧化二釔 的zro2 二氧化鋯 晶體 它在高溫下能傳導(dǎo)o2 試回答下列問題 1 該電池放電時的化學(xué)反應(yīng)方程式為 2 該燃料電池的電極反應(yīng)式為 正極 13o2 52e 26o2 負(fù)極 2c4h10 26o2 52e 8co2 10h2o則固體電解質(zhì)中的o2 向 極移動 填 正 或 負(fù) 3 某金屬的相對原子質(zhì)量為52 00 用上述電池電解該金屬的一種含氧酸鹽的酸性水溶液時 陽極每放出3360ml 標(biāo)準(zhǔn)狀況 氧氣 陰極析出金屬10 4g 在該含氧酸鹽中金屬的化合價為 在該實驗中 若不考慮能量的損失 電池中消耗丁烷的質(zhì)量最少是 g 結(jié)果精確至0 01g 解析 1 2c4h10 13o 8co2 10h2o 2 根據(jù)電極反應(yīng)式可知 氧離子由正極移向負(fù)極 3 設(shè)金屬的化合價為x 則根據(jù)得失電子守恒關(guān)系可得 4 x 所以可得x 3 故此過程中轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為0 6mol 所以消耗的丁烷的質(zhì)量為1 34g