第十講化學與新能源

第十講化學與新能源1第一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五一、目前的能源結構與現(xiàn)狀世界能源主要依賴不可再生的化石資源；我國能源結構面臨經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的雙層壓力；其其煤石油天然氣其他中國石油煤天然氣其他世界

CxHy+O2H2O+CO2+SO2+NOx

2第二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五當前的能源問題：(1)石油價格飆漲；化石燃料逐漸枯竭(2)全球暖化，空氣污染及溫室氣體濃度增加3第三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五化學能轉換為電能的原理的發(fā)現(xiàn)和各式各樣電池裝置的發(fā)明，是貯能和供能技術的巨大進步，是化學對人類的一項重大貢獻，極大地推進了現(xiàn)代化的進程，改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質量化學電源又稱電池，是一種能將化學能直接轉變成電能的裝置，它通過化學反應，消耗某種化學物質，輸出電能。4第四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五◆1800伏特電池可以說是今日電池的起源◆其后的一個重要發(fā)展則是丹尼爾(1776-1827)以鋅浸于稀酸電解質與銅浸于硫酸銅溶液所形成的丹尼爾電池，改善了原本電池電流遞減的缺點，增進連續(xù)放電時的性能?！?864勒克朗舍提出了勒克朗舍電池，并幾經(jīng)改良，成了現(xiàn)今一般干電池工業(yè)的主軸與一次電池工業(yè)的基礎?！?859二次電池--普朗特所發(fā)明的鉛酸蓄電池，因技術的開發(fā)與改進，又陸陸續(xù)續(xù)有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等的出現(xiàn)。今日，電池的改進與新式電池的發(fā)明仍然持續(xù)進行中，像是鋰離子電池、高分子鋰電池、燃料電池、太陽能電池等，隨時因應不同時代人們的需求。★1839WilliamR.Grove（1811－1896）發(fā)明燃料電池(當時稱作氣體電池)電池的演進

5第五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五電池的發(fā)現(xiàn)史1780年時意大利LuigiGalvani(1737-1798)發(fā)現(xiàn)以不同金屬觸及死去的青蛙時，青蛙會抖動。他認為發(fā)現(xiàn)了新的電源—動物電。

6第六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五伏打與伏打電池

意大利人伏打(AlessandroVolta1745~1827)則認為電的來源不是青蛙，是不同的金屬接觸所造成，青蛙只是讓我們知道電流通過的『電流計』而已。

7第七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五鋅板鹽水布銀板負極正極鋅板鹽水布銀板一個伏打電池的組成伏打的研究證實，將兩種不同的金屬以導線連接，中間隔有可導電的物質，就會產(chǎn)生電流。伏打電池的組成公元1800年伏打以含食鹽水的濕抹布夾在銀和鋅的圓形板中間形成伏打電池。8第八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五一個伏打電池一個伏打電池一個伏打電池一個伏打電池一個伏打電池負極正極五個伏打電池組成的伏打電堆伏打電池的組成按銀→布→鋅→銀→布→鋅．．．的次序，積成圓柱，便形成所謂的「伏打堆」99第九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五伏打電池的原理活性大的金屬：活性小的金屬：易失去電子

?易得到電子

?為電池負極為電池正極對氧活性大?。衡洠锯c＞鈣＞鎂＞鋁＞碳＞鋅＞鉻＞鐵＞錫＞鉛＞銅＞汞＞銀＞鉑＞金伏打電池：由不同金屬片插入電解質溶液而成的電池。10第十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五鋅銅mA硫酸鋅溶液硫酸銅溶液mA硝酸鉀溶液2e-鋅銅電池-構造1111第十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五鋅銅電池：鋅：銅：失去電子?得到電子?負極正極利用鋅和銅兩種【活性大小】不同的金屬及中間可導電的物質--【鹽橋】，制成的化學電池。鋅銅電池－原理∵鋅

的活性＞銅

的活性硫酸鋅溶液硫酸銅溶液硝酸鉀溶液

鋅mA銅負極正極2e-∴鋅較銅易失去電子(復興正統(tǒng))負鋅正銅1212第十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五SO42-鋅板質量將減少銅板質量將增加

硫酸鋅溶液硫酸銅溶液鹽橋：硝酸鉀溶液鋅片放出電子而解離出鋅離子(Zn2+)硫酸銅溶液中的Cu2+移向銅片得到電子而析出銅。負極：

Zn→Zn2++2e-

正極：Cu2++2e-→Cu

----------------------------------負極反應：正極反應：Zn→Zn2++2e-Cu2++2e-→Cu總反應：Zn+Cu2+→Zn2++Cu××硫酸鋅溶液2e-Zn2+Cu2+硝酸鉀溶液

鋅銅mA硫酸鋅溶液顏色不變硫酸銅溶液顏色變淡負極正極1313第十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五鹽橋中，

向正極移動，

向負極移動，?

使溶液保持電中性。鹽橋：鹽橋可以把兩種隔離的溶液聯(lián)系起來，可以避免兩溶液混合，并做電流的橋梁。?維持電中性：鹽橋的功用：?溝通電路：NO3-K+以U形管內的鹽類水溶液（KNO3）把兩種隔離的水溶液聯(lián)系起來以溝通電路。SO42-硫酸鋅溶液硫酸銅溶液硫酸鋅溶液2e-Zn2+Cu2+2NO3-2K+硝酸鉀溶液

鋅銅mA1414第十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五【電池的電動勢】

電池產(chǎn)生電力的大小，通常我們是以電壓(V)來衡量，單位定為伏特(V)。電池的電壓與電動勢(△E)

(electromotiveforce，簡稱emf)常被視為同義字。15第十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五以鋅銅電池為例子：鋅銅電池的陽極(anode)與陰極(cathode)分別是以鋅、銅所制成，其中銅極浸置于硫酸銅溶液中，而鋅極則浸置于硫酸鋅溶液中。電池結構雖然簡單，卻可產(chǎn)生約1.1V的電壓值。實驗顯示：當鋅－銅電池以導線接通時，鋅極會自發(fā)性地發(fā)生氧化反應Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-，而產(chǎn)生電子。產(chǎn)生的電子會從電位較高的鋅極流向電位較低的銅極16第十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五半電池電位(標準還原電位)下表是解離不同金屬的氧化電位（于25℃時）。正負號標示相對于氫的電位。鋰鉀鈉鎂鋁鋅鐵錫鉛銅汞銀鉑金3.052.922.712.371.660.760.440.140.13-0.34-0.78-0.80-1.20-1.42構成電池的二個半電池分別具有各電極固有的電位，其電位差之絕對值就是該電池的電壓。而電極的固有電位，稱為半電池電位Zn→Zn2++2e-Zn2++2e-→

Zn氧化反應還原反應還原電位=-0.76V氧化電位=0.76V1717第十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五氧化電位ZnCuAgH2MgZn2+Cu2+Ag+H+Mg2+0.762.370-0.34-0.8Mg(s)＋Ag+(aq)→Mg2+(aq)＋Ag(s)Zn(s)＋Cu2+(aq)→Zn2+(aq)＋Cu(s)電位=2.37–(-0.8)=3.17電位=0.76–(-0.34)=1.1Cu(s)＋Mg2+(aq)→Cu2+(aq)＋Mg(s)電位=(-0.34)–2.37=-2.71(不反應)1818第十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五Nernstequation(能斯特方程式)化學能與電能之間的關系可以借由Nernstequation轉換計算ΔG＝-nＶFΔG：化學能n：電子轉移mol數(shù)Ｖ：電池電壓F：法拉第常數(shù)(96500庫侖/1mol)WaltherNernst(1864-1941)TheNobelPrizeinChemistry1920

例如：甲醇燃燒反應:1mol電子轉移數(shù)n=6CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O△H=-698.2KJ/mol甲醇燃料電池的理想電壓等于1.21伏特。

19第十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五化學能變電能的計算ΔG＝－n×F×V電池單位：(J)＝(mole)×(coul/mole)×(J/coul)其中n為鋅所失去或銅離子所接受的電子數(shù)(莫耳)，而V是電池所能產(chǎn)生的最大電壓值。舉例來說，鋅-銅電池的理想電動勢為1.10伏特時，所釋出的理想電能為ΔG=－n×F×V電池＝－2×96500×1.10＝－212300(J)，故鋅-銅電池所能釋出的理想最大電能為212.300(KJ)

20第二十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五電池之反應方程式為aA+bBcC+dDΔE(電壓)=ΔE0(標準電壓)－(RT/nF)lnQ在25℃時ΔE=ΔE0－(0.059/n)logQQ=影響電壓的因素：溫度、濃度R=0.082T=凱氏溫度(K)F=96500庫侖ln=自然對數(shù)log=以10為底的對數(shù)n=反應電子的mol數(shù)

21第二十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五一次電池：如普通干電池、堿性鋅錳電池、鋅銀紐扣電池等。（只放不充，環(huán)境污染）二次電池：如鉛蓄電池、鋅銀蓄電池、鎘鎳電池、鋰離子電池等。放電為原電池，充電為電解池。（可放可充，發(fā)展方向）燃料電池：如氫氧燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池等。（能量很高，前景遠大）其他電池：如海水電池、心臟起搏電池等。

（特殊用途，現(xiàn)代科技）常見化學電池22第二十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五普通干電池鋅銀紐扣電池堿性鋅錳電池一次電池23第二十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五二次電池鋰離子電池——高能、體積小、重量輕、質能比高24第二十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五電池的分類原電池（使用后不能充電）

－干電池－堿性電池－水銀電池－鋰電池蓄電池（使用后可以充電）25第二十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五1、原電池：如：Zn+Cu2+=Zn2++Cu

（1）定義：將化學能轉化為電能的裝置（2）電極反應：

①負極：Zn－2e-==Zn2+(氧化反應)

電子流出的一極②正極：Cu2++2e-=Cu

(還原反應)

電子流入的一極極---有兩種活動性不同的金屬（或一種是非金屬導體）作電極液---電極材料均插入電解質溶液中路---兩極相連形成閉合電路自---一個自發(fā)進行的氧化還原反應（3）構成原電池的條件：Zn-+Cu

CuSO4Ae-26第二十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五2、原電池的正、負極的判斷方法：（1）由組成原電池的兩極材料判斷。

一般是活潑的金屬為負極，活潑性較差的金屬或能導電的非金屬為正極。若一極為金屬，另一極為石墨（或化合物），金屬為負極。（2）根據(jù)電流方向或電子流動方向判斷。

（3）根據(jù)原電池的電解質溶液內離子的定向流動方向（4）根據(jù)原電池兩極發(fā)生的變化來判斷（5）電極的增重或減輕。

—+Ae-還原反應氧化反應陽離子陰離子電極質量電極質量27第二十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五家庭小實驗在一瓣橘子上相隔0.5cm分別插一小段銅片和鋁片，把銅片和鋁片的另一端通過導線接觸耳機的兩極，試試能否聽到“嘎嘎”聲。能夠從耳機中聽到“嘎嘎”聲，說明了什么？用其他金屬、水果、液體再試一試。28第二十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五干電池29第二十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五干電池－鋅錳電池陰極﹙氧化作用﹚：鋅陽極﹙還原﹚：碳電解質：糊狀的氯化銨氧化劑：氧化錳(IV)添加劑：碳粉可增加導電性能。30第三十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五陰極﹙氧化作用﹚：

Zn(s)Zn2+(aq)+2e-陽極﹙還原作用﹚：

2NH4+(aq)+2e–

2NH3(aq)+H2(g)氫氣在陽極的周圍積聚，這會阻礙反應繼續(xù)進行，令電流減少。因此須在電池內加入一種氧化劑—

氧化錳(IV)，以去除氫氣。

2MnO2(s)+H2(g)Mn2O3(s)+H2O()31第三十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五鋅離子則與氨反應，生成絡合物。

Zn2+(aq)+2NH3(aq)+2Cl–(aq)Zn(NH3)2Cl2(s)整體反應：

2MnO2(s)+2NH4Cl(aq)+Zn(s)Zn(NH3)2Cl2(s)+H2O()+Mn2O3(s)電池的總電壓約為1.5V。32第三十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五缺點：若電池放電太快，便不能及時去除生成的氣體，于是電壓會降低，須停止使用電池一段時間，電壓才能恢復原來的水平。這種電池的壽命亦較短。這是因為鋅電極和銨離子之間會有一種緩慢的直接反應。經(jīng)過一段時間后，鋅外殼會變薄，電池內的糊狀化學藥品便會泄漏出來。在電池外面加上一層鋼制或膠制的外殼可以防止糊狀化學藥品外泄。33第三十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五堿性電池正負極與干電池類似電解液：氫氧化鈉或氫氧化鉀等強堿放電時，鋅放出電子氧化成氧化鋅或氫氧化鋅，二氧化錳得到電子被還原成三氧化二錳電壓穩(wěn)定，使用時間較長久，在低溫時仍有良好的性能Back34第三十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五陰極﹙氧化作用﹚：鋅粉陽極﹙還原作用﹚：氧化錳(IV)電解質：氫氧化鉀35第三十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五陰極﹙氧化作用﹚：

Zn(s)+2OH–(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e–陽極﹙還原作用﹚：

2MnO2(s)+H2O(l)+2e–

Mn2O3(s)+2OH–(aq)整體反應：Zn(s)+2MnO2(s)ZnO(s)+Mn2O3(s)36第三十六頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五它的壽命較鋅碳電池長，產(chǎn)生的電流亦較穩(wěn)定。這種電池的鋼制外殼并不參與化學反應，所以化學藥品不會外泄。這種電池的使用壽命比鋅碳電池的為長，適用于需要較大電流的電器，例如電動玩具，但價格卻較鋅碳電池昂貴?？僧a(chǎn)生1.5V的電壓。37第三十七頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五水銀電池負極(陽極)：鋅殼

正極(陰極)：氧化汞電解質：氫氧化鉀放電時，鋅失去電子生成氧化鋅，氧化汞得電子生成汞電壓值非常穩(wěn)定可供作手表、相機或計算器的電源Back38第三十八頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五陰極﹙氧化作用﹚：

Zn(s)+2OH–(aq)ZnO(s)+H2O(l)+2e–陽極﹙還原作用﹚：Ag2O(s)+H2O(l)+2e–

2Ag(s)+2OH–(aq)整體反應：Zn(s)+Ag2O(s)ZnO(s)+2Ag(s)39第三十九頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五電池體積小。使用壽命長。產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。不過價格比其它種類的干電池昂貴?？僧a(chǎn)生1.5V的電壓。40第四十頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五鋰電池－鋰碘電池負極(陽極)：固定于鎳網(wǎng)上的金屬鋰

正極(陰極)：碘電解質：薄層的碘化鋰芯片，介于陰極與陽極之碘還原成碘離子，金屬鋰被氧化成鋰離子碘化鋰電阻較高，輸出電流較微弱，但非常穩(wěn)定。適合作為心律調節(jié)器的動力來源41第四十一頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五拋棄式電池名稱陽極（負極）陰極（正極）電解質用途干電池鋅二氧化錳NH4ClZnCl2MnO2與淀粉手電筒玩具堿性電池鋅二氧化錳KOH或NaOH手電筒、玩具水銀電池鋅氧化汞KOH手表、相機氧化銀電池鋅氧化銀KOH相機、心律調節(jié)器鋰碘電池鋰碘LiI心律調節(jié)器42第四十二頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五1.了解的新能源種類，就其感興趣的一種，知道它的特點、應用范圍，發(fā)展前景。2.核能發(fā)電的原理。3.核能應用的利與弊。4、核能是如何產(chǎn)生的？如何實現(xiàn)安全控制？5.什么是可再生能源，核能是否屬于可再生能源。6.太陽能的利用方式包括哪些，列舉出其具體應用（每種方式至少要列舉兩種應用）。43第四十三頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五7.目前我國在利用風能的優(yōu)越性，有什么地方需要改進？8.氫能源的優(yōu)點以及面臨的問題。9.為什么要提倡回收各種廢舊電池？10.化學電池的定義，種類。44第四十四頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五蓄電池45第四十五頁，共五十四頁，編輯于2023年，星期五2、鉛蓄電池兩組柵狀極板交替排列而成，正極板上覆蓋有PbO2負極上覆蓋有Pb電解質是30%H2SO4溶液。放電時為原電池：

負極：Pb-2e-+SO42-==PbSO4

正極：PbO2+2e-+4H++SO42-

==PbSO4+2H2O總反應為：Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2O當放電進行到硫酸溶