化學(xué)電源 高二上學(xué)期化學(xué)蘇教版（2019）選擇性必修1

選擇性必修一學(xué)化JS第二單元化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化2化學(xué)電源根據(jù)原電池的反應(yīng)原理，人們設(shè)計和生產(chǎn)出了形形色色的化學(xué)電源，包括一次電池、二次電池和燃料電池等。它們在生產(chǎn)、生活和國防等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一、化學(xué)電源的分類一次電池在化學(xué)電源中，常見的是一次電池。一次電池中發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)大部分被消耗后就不能再使用。使用最廣泛的一次電池是干電池，如普通鋅錳干電池、堿性鋅錳電池等。包括：普通鋅錳干電池、堿性鋅錳干電池、銀鋅紐扣電池等1.普通鋅錳干電池是最早進(jìn)入市場的實用電池，其構(gòu)造如圖1-10所示。學(xué)以致用負(fù)極：Zn－2e－+2NH4+=[Zn(NH3)2]2+

+2H＋正極：MnO2+H++e－=MnOOH總反應(yīng)為：Zn+2MnO2+2NH4Cl==Zn(NH3)2Cl2+2MnOOH負(fù)極正極電解質(zhì)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。氯化銨溶液顯酸性，會跟鋅皮發(fā)生反應(yīng)，使用一段時間后電池會鼓脹，漏液。后來把氯化銨換成了堿性的物質(zhì)，制成了堿性鋅錳干電池。堿性鋅錳電池比普通鋅錳干電池性能優(yōu)越，它的比能量［電池單位質(zhì)量或單位體積所輸出電能的多少，單位為（W·h）/kg或（W·h）/L］大，能提供較大電流并連續(xù)放電。目前，在我國堿性鋅錳電池正在逐漸代替普通鋅錳干電池。堿性鋅錳電池的構(gòu)造如圖1-11所示，其電池總反應(yīng)式為：2MnO2

＋Zn＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2

氫氧化氧錳請指出該電池的正、負(fù)極，并寫出該電池的電極反應(yīng)式。負(fù)極正極電解質(zhì)負(fù)極：Zn－2e－+2OH－

=Zn(OH)2

正極：MnO2+H2O

+e－=MnOOH+OH－

優(yōu)點：克服了普通鋅錳干電池的缺點，比能量大，能提供較大電流并持續(xù)放電2.一種銀鋅紐扣電池（構(gòu)造示意圖見1-12）的電極分別為Ag2O和Zn，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，發(fā)生氧化還原反應(yīng)后生成Ag和ZnO，請寫出該電池的電極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)式。總反應(yīng)式為：Zn+Ag2O+H2O==2Ag+Zn(OH)2

負(fù)極：Zn－2e－+2OH－==Zn(OH)2

正極：Ag2O+H2O+2e－==2Ag+2OH－負(fù)極正極電解質(zhì)優(yōu)點：電池比能量大，電壓穩(wěn)定，存儲時間長，適宜小電流持續(xù)放電二次電池二次電池又稱為充電電池或蓄電池，放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生，因此二次電池可以多次重復(fù)使用。包括：鉛蓄電池、鎳鉻電池、鋰電池、鋰離子電池等鉛蓄電池是最常見的二次電池。由于鉛蓄電池的性能優(yōu)良、價格低廉、安全可靠，可多次充放電，所以在生產(chǎn)和生活中使用廣泛，如汽車等機(jī)動車輛多數(shù)使用這種蓄電池。鉛蓄電池的缺點是比能量低，廢棄后會污染環(huán)境等。鉛蓄電池由兩組平行的柵狀鉛合金極板交替排列作為主架，正極板上覆蓋PbO2，負(fù)極板上覆蓋Pb，電解質(zhì)是硫酸。鉛蓄電池的放電反應(yīng)是原電池反應(yīng)，其電極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)式為：鉛蓄電池的充電反應(yīng)是上述反應(yīng)的逆過程：鉛蓄電池的充、放電原理可以用下列化學(xué)方程式表示：由鉛蓄電池的電池反應(yīng)可以看出，隨著放電反應(yīng)的進(jìn)行，硫酸的濃度不斷下降，密度不斷減小，人們常常根據(jù)硫酸密度的大小來判斷鉛蓄電池是否需要充電。在電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置中，人們常將發(fā)生氧化反應(yīng)的電極叫做陽極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極叫做陰極。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，為了適應(yīng)移動通信、便攜式電腦和各種電子產(chǎn)品等的廣泛使用，科研工作者不斷研制出小型化、高比能量、工作壽命長、不需要特殊維護(hù)的二次電池。目前已開發(fā)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。2019年三位鋰離子電池科學(xué)家獲諾貝爾化學(xué)獎與其他化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也是由正極、負(fù)極和電解質(zhì)溶液三部分組成的。正極材料多采用磷酸鐵鋰（LiFePO4，也稱磷酸亞鐵鋰）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(jié)構(gòu)的化合物。負(fù)極材料大多數(shù)是碳素材料，如人工石墨、碳纖維、天然石墨等。研究表明，將納米氧化鈦和納米氧化硅添加在傳統(tǒng)的石墨、納米碳管里面，可以極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。拓展視野鋰離子電池的構(gòu)成及工作原理電解質(zhì)溶液是鋰離子的載體，是將鋰鹽溶解在一定的非水、非質(zhì)子性的有機(jī)溶劑中制成的，其作用是在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間形成良好的離子移動通道。在放電過程中，鋰離子從負(fù)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(fù)極材料里。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極間不斷地進(jìn)行可逆嵌脫。以鈷酸鋰-石墨鋰電池為例，放電時的電極反應(yīng)式可表示如下：燃料電池燃料電池是利用燃料和氧化劑之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電池。燃料電池的氧化劑和還原劑不是儲藏在電池內(nèi)部，而是在工作時不斷從外部輸入，同時將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池，因此燃料電池能連續(xù)不斷地提供電能。燃料電池種類很多。氫氧燃料電池是以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑的燃料電池，其工作原理如圖1-16所示。氫氣、氧氣分別在多孔金屬電極上發(fā)生氧化、還原反應(yīng)，其反應(yīng)可表示如下：假如將目前地球上通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的能量均改為通過氫氧燃料電池獲得，那么可能會出現(xiàn)哪些新的問題？請針對其中的某一問題，提出解決方案。選擇決策除氫氣外，甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作為燃料電池的燃料。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于普通燃料燃燒的能量轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)用燃料電池的發(fā)電站，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、廢棄物排放少、運(yùn)行噪音小等優(yōu)點。因此，燃料電池具有廣闊的發(fā)展前景。①氧化劑與還原劑在工作時不斷補(bǔ)充；②反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出；③能量轉(zhuǎn)化率高(超過80%)，普通的只有30%，有利于節(jié)約能源。缺點：體積較大、附屬設(shè)備較多優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)換率高、清潔、對環(huán)境好1.燃料電池與前幾種電池的差別：2.燃料電池的規(guī)律：①燃料做負(fù)極，助燃劑氧氣為正極②電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只起傳導(dǎo)電子的作用。實驗準(zhǔn)備：學(xué)生電源、U形管、鐵架臺、橡膠塞兩個、石墨棒兩支、玻璃導(dǎo)管兩支、石英鐘、鱷魚夾、導(dǎo)線若干、6mol·L－1稀硫酸?；A(chǔ)實驗制作簡單的氫氧燃料電池實驗步驟：（1）將石墨棒和玻璃導(dǎo)管插入橡膠塞中，注意調(diào)節(jié)石墨棒和玻璃導(dǎo)管伸入U形管內(nèi)的長度。（2）將橡膠塞塞入U形管管口，檢查裝置氣密性，標(biāo)記橡膠塞底部到達(dá)的位置。（3）取出橡膠塞，往U形管中注入適量6mol·L－1稀硫酸，以接近橡膠塞底部剛才所標(biāo)記的位置為宜。（4）塞緊橡膠塞，接通學(xué)生電源，注意觀察實驗現(xiàn)象，當(dāng)一端玻璃導(dǎo)管內(nèi)的液柱接近溢出時，切斷學(xué)生電源。（5）取出石英鐘內(nèi)的干電池，將導(dǎo)線與石英鐘的正、負(fù)極相連，觀察石英鐘指針（圖1-18）。結(jié)合實驗現(xiàn)象，請思考以下問題：（1）連接石英鐘時，如何判斷該氫氧燃料電池的正、負(fù)極？請說明理由。（2）什么現(xiàn)象可以證明處于不同電極的氫氣和氧氣發(fā)生了反應(yīng)？火力發(fā)電是我國電力的主要來源。我國發(fā)電供熱用煤占全國煤炭生產(chǎn)總量的50%左右，發(fā)電效率約40%。同時，全國大約90%的二氧化硫和80%的二氧化碳的排放量也是由煤燃燒產(chǎn)生的。20世紀(jì)末，各國熱門研究的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電技術(shù)（煤氣化是把固體的煤變成可燃燒的氣體燃料的技術(shù)），可以使總發(fā)電效率達(dá)到50%~60%。批判性思維目前，我國正在開展整體煤氣化熔融碳酸鹽燃料電池（IG-MCFC）發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)研究，將燃料電池發(fā)電技術(shù)與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，該技術(shù)是21世紀(jì)潔凈煤發(fā)電技術(shù)的一個重要方向。請查閱有關(guān)資料和數(shù)據(jù)，從能量轉(zhuǎn)化、資源的合理利用、環(huán)境保護(hù)等角度評價該技術(shù)發(fā)展能否在解決能源問題中發(fā)揮作用。