新课标人教版高中化学课件系列 选修4 化学反应原理 第四章 电化学基础 第二节 化学电源

化学电源 形形色色的电池 KOH溶液 CH4 O2 H2O a极 b极 A Cu Zn 稀H2SO4

化学电源 形形色色的电池

化学电源 用途广泛的电池 用于汽车的铅蓄电池和燃料电池

化学电源 用途广泛的电池 用于“神六”的太阳能电池 笔记本电脑专用电池 手机专用电池 摄像机专用电池 各式各样的纽扣电池

它主要包括一次电池、二次电池、燃料电池。 化学电源 1、化学电池 化学电池是将化学能转变为电能的装置。 它主要包括一次电池、二次电池、燃料电池。 一次电池（干电池）：活性物质消耗到一定程度，就不能使用； 二次电池（充电电池或蓄电池）：放电后可以再充电使活性物质获得再生； 燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。

普通锌锰干电池 一次电池 碱性锌锰电池 锌银纽扣电池 铅蓄电池 化学电池 二次电池 银锌蓄电池 锂离子电池 燃料电池 氢氧燃料电池 化学电源 2、化学电池的分类 普通锌锰干电池 一次电池 碱性锌锰电池 锌银纽扣电池 铅蓄电池 化学电池 二次电池 银锌蓄电池 锂离子电池 燃料电池 氢氧燃料电池

3、化学电源的组成 正极：常选用金属氧化物 负极：常选用较活泼金属 与活性物质一起构成电极的添加剂一般有：导电剂、粘结剂、缓蚀剂等。 电解液：高导电率，化学稳定性好、不易挥发、易于 长期贮存 隔膜：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的化学稳定性和一定的机械强度。

比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少，符号(W·h)/kg ,(W·h)/L 化学电源 4、衡量电池优劣的指标 比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少，符号(W·h)/kg ,(W·h)/L 比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小，符号W/kg ,W/L 储存时间：电池的储存时间的长短 　　　除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，更适合使用者的需要。

化学电源 学好这节的关键 1、得失电子守恒； 2、电荷守恒； 看电解质溶液的酸碱性：补H+和OH-调节电荷。 3、质量（原子个数）守恒；

Zn+2NH4++2MnO2= Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O 一次电池 一、一次电池(又叫干电池) 普通锌锰电池 碱性电池 1、普通干电池 锌筒 石墨棒 MnO2和C 普通锌-锰干电池的结构 NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等 负极 （Zn）：Zn – 2e- = Zn2+ 正极 （MnO2和C）： 2NH4++2MnO2 + 2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O 电池反应： Zn+2NH4++2MnO2= Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O 优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。

随着用电器朝着 小型化、多功能化发 展的要求，对电池的 发展也提出了小型化、 多功能化发展的要求。 体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运 一次电池 随着用电器朝着 小型化、多功能化发 展的要求，对电池的 发展也提出了小型化、 多功能化发展的要求。 体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运 而生。这类电池的重要特征是电解液由原来 的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由 锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电 流大幅度提高。

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 一次电池 2、碱性锌-锰干电池 电池反应： Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 氢氧化氧锰 负极： ——Zn Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2 正极： ——MnO2 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- 电解质： KOH 优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流 和连续放电 缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵

锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。 一次电池 3、锌银钮扣电池 锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。 负极：Zn +2OH--2e- =Zn(OH)2 正极：Ag2O + H2O+ 2e- =2Ag+2OH- 总反应: Zn + Ag2O + H2O ＝ 2Ag + Zn(OH)2

锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。 一次电池 4、锂电池 锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。

4、锂电池（非水有机溶剂电解液） 负极：2Li - 2e- = 2Li+， 正极：I2 + 2e- = 2I-， 一次电池 4、锂电池（非水有机溶剂电解液） 负极：2Li - 2e- = 2Li+， 正极：I2 + 2e- = 2I-， 总反应：2Li + I2 = 2LiI 跟其它金属作负极相比，使用寿命延长，高能、质轻、电压高、工作效率高、储存寿命长。为什么？ 与作负极材料的金属相比较，相同质量时锂提供电子数最多。

二、二次电池 铅蓄电池是以平行排列的铅、铅锑合金或铅钙合金栅板为主架，栅格中交替地填充着负极和正极地铅和二氧化铅，电解质为H2SO4溶液。 二次电池特点：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，使活性物质可以获得再生。这类电池可反复多次使用。 1、铅蓄电池 H2SO4

Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O ①放电过程 负极： Pb + SO42- -2e- =PbSO4 氧化反应 正极： 二次电池 Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 放电 充电 ①放电过程 负极： Pb + SO42- -2e- =PbSO4 氧化反应 正极： PbO2 + 4H++SO42-+2e- =PbSO4 +2H2O 还原反应 放电过程总反应： Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O 铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程

Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O ②充电过程 接电源负极 阴极： PbSO4 +2e- =Pb + SO42- 还原反应 二次电池 ②充电过程 接电源负极 阴极： PbSO4 +2e- =Pb + SO42- 还原反应 阳极： 接电源正极 PbSO4 +2H2O -2e- = PbO2 + 4H++ SO42- 氧化反应 充电过程总反应： 2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4 铅蓄电池的充放电过程： Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 放电 充电

可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉 二次电池 优点： 可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉 缺点： 比能量低、笨重、废弃电池污染环境

Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 电池反应 PbO2→PbSO4 PbSO4→ PbO2 增加 减少 二次电池 电池反应 Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 放电 充电 (负极) (正极) (电解液) (白色沉淀) 过程 放电过程 充电过程 负极反应 正极反应 两电极质量 硫酸溶液 能量转换 Pb(铅)→PbSO4(硫酸铅) PbSO4(硫酸铅)→ Pb(铅) PbO2→PbSO4 PbSO4→ PbO2 增加 减少 硫酸浓度变小,密度变小 硫酸浓度变大,密度变大 化学能→电能 电能→化学能

正极： NiOOH + H2O + e-= Ni(OH)2 + OH- 二次电池 2.镍氢电池 方形可充镍氢电池 圆柱可充镍氢电池 镍氢（MH-Ni) 电池 放电 充电 电池反应：1/2H2 + NiOOH Ni(OH)2 负极： 1/2H2 + OH- - e- = H2O 正极： NiOOH + H2O + e-= Ni(OH)2 + OH-

Ni/MH电池优点： 能量密度高； 无镉污染，是一种绿色电池； 可大电流快速充放电； 电池工作电压为1.2V； 二次电池 Ni/MH电池优点： 能量密度高； 无镉污染，是一种绿色电池； 可大电流快速充放电； 电池工作电压为1.2V； 在小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合动力车上逐步得到应用。

二次电池 3.锂离子电池 电池式： 电池反应： LiCoO2＋C6 CoO2＋LiC6

1.工作电压高 2.比能量大 3. 循环寿命长 4.自放电率低 5. 无记忆效应 6.污染小 二次电池 锂离子电池的优越性能 相对于传统的镉镍电池(Ni/Cd)和氢镍电池(Ni/MH),锂离子电池的电压大约是它们的3倍;重量比能量密度提高了约3倍;对于同样的功率消耗，锂离子电池的使用期限约为镍镉电池的2.25~2.57倍.现在锂离子电池已经是电子信息产品设计人员的普通配置. 1.工作电压高 2.比能量大 3. 循环寿命长 4.自放电率低 5. 无记忆效应 6.污染小

三、燃料电池 1、氢氧燃料电池 酸性电解质： 负极： 2H2-4e-==4H+ 正极： O2+4H++4e-==2H2O 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。（氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池……） 1、氢氧燃料电池 酸性电解质： 负极： 2H2-4e-==4H+ 正极： O2+4H++4e-==2H2O 总反应：2H2+O2==2H2O 碱性电解质 负极: 2H2-4e-+4OH-==4H2O 正极: O2+2H2O+4e-==4OH- 总反应: 2H2+O2==2H2O

燃料电池 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O 2H2 - 4e- = 4H+ 介质 电池反应： 2H2 +Ｏ２ = 2H2O 酸性 负极 正极 中性 碱性 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH- 2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-

1．将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应； 燃料电池 书写电极反应式应注意以下几点 1．将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应； 2．负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与溶液的酸碱性有关（如+4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32-形式存在）； 3．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它与H+结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH-；

固体燃料电池 2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O O2 + 4e-= 2O2－ 2H2 - 4e- = 4H+ 介质 电池反应： 2H2 +Ｏ２ = 2H2O 负极 正极 2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O O2 + 4e-= 2O2－ 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O

思考：甲醇燃料电池 （电解质为KOH） 3、甲烷-氧燃料电池 该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极 上分别通甲烷和氧气: 负极：CH4 + 10OH- - 8e- ＝ CO32- + 7H2O 正极：2O2 + 4H2O + 8e- ＝ 8OH- 电池总反应式：CH4+2O2+2KOH ＝K2CO3+3H2O 思考：甲醇燃料电池 （电解质为KOH）

小结: ①燃料电池的能量转化率很高，氢氧燃料电池 除能量转化率 高外还可持续使用，不污染环境。 ②一般的可燃物均可与O2组成燃料电池，如H2、CO、CH4、乙醇等。 ③燃料电池一般以碱性介质作电解液，也可用酸性介质作电 解液，二者电极反应式是有区别的。如甲烷-氧燃料电池在酸性介质中的电极反应为： 负极：CH4 + 2H2O - 8e- ＝CO2 + 8H+ 正极：2O2 + 8H+ + 8e- ＝ 4H2O 总反应式为：CH4 + 2O2 ＝ CO2+2H2O

燃料电池 思考 1、银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成硫化银，有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失。 试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应为 ； 正极发生的反应为 ； 反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为 Al -3e- = Al3＋ Ag2S+2e- = 2Ag+S2- 3Ag2S+2Al+6H2O=6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑

燃料电池 2.熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物做电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式： 负极反应式：2CO+2CO32- = 4CO2+4e- 正极反应式： 总电池反应： 2CO2+O2+4e- = 2CO32- 2CO+O2 = 2CO2

CD 3. 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是： 燃料电池 3. 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是： 1/2H2+NiO(OH) Ni(OH)2 据此反应判断，下列叙述中正确的是（ ） A. 电池放电时，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 放电 充电 CD

燃料电池 4. 有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是 ( ) ①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole- ②负极上CH4失去电子，电极反应式： CH4 + 10 OH- － 8e- = CO32- + 7 H2O ③正极上是O2获得电子，电极反应式为： O2 + 2 H2O + 4 e- = 4 OH- ④电池放电后，溶液pH升高 A.①②③ B.①③④ C.①②④ D. ①②③④ A

燃料电池 5.“嫦娥一号”的成功发射，标志着我国航天技术已达到了一个新的领域。在航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都可以表示为2H2+O2=2H2O，酸式电池中电解质是酸，其负极反应可表示为2H2-4e-=4H+ ，则其正极反应式为____________ _______________________________________。碱式电池的电解质是碱，其正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-，则其负极反应可表示为___________________________________________________。 O2+4e-+4H+=2H2O 2H2-4e-+4OH-=4H2O

燃料电池 [思维拓展] 以镁条、铝片为电极，以稀NaOH溶液为电解质溶液构成的原电池，人们普遍认为铝是负极。某研究性学习小组为探究该原电池究竟谁是负极，发生怎样的电极反应，进行了如下实验： 如图，剪取约8cm的镁条及大小相近的铝片，用砂纸去膜，使镁条与铝片分别与量程为500μA的教学演示电表的“－”、“＋”端相连接，迅速将两电极插入盛有1mol/L NaOH溶液的烧杯中。

燃料电池 开始，电表指针向右偏移约500μA，铝片表面有许多气泡，很快电流逐渐减小至0；随后，指针向左偏移，且电流逐渐增大至约400μA，此时，铝片表面气泡有所减少，但镁条表面只有极少量的气泡产生。根据以上实验现象，回答下列问题： Mg Al － ＋ 1mol/LNaOH溶液

铝片中含有杂质，构成原电池。 Al H2 O2+2H2O+4e-=4OH- 燃料电池 Al (1)开始阶段，原电池的正极是 （填“Mg”或“Al”）片；铝片表面产生的气泡是 ；负极发生的反应是 。 (2)随后阶段，铝片发生的电极反应式是 ；镁条表面只有极少量的气泡产生，其原因是：2H2O+2e-=H2↑+2OH-（极少），试判断此电极发生的主要反应是 ；铝片表面气泡有所减少，但未消失，产生这一现象的可能原因是 。 H2 Mg+2OH--2e-=Mg(OH)2 Al+4OH--3e-=AlO2-+2H2O O2+2H2O+4e-=4OH- 铝片中含有杂质，构成原电池。

部分主流产品供电基本原理、性能和相对价格 二次电池 部分主流产品供电基本原理、性能和相对价格 电池名称 电压 主要优缺点 普通电池 （锌锰电池） 1.5V 优点：使用方便，便宜。 缺点：寿命、存放期短，约1.5年，不能 充电。 碱性锌锰电池 优点：电容量大，使用寿命长。 缺点: 不能充电，价格较高。 锌银纽扣电池 优点：体积和质量都小，寿命长，约2年 缺点：不能充电，价格高。 镍镉电池 1.3V 优点：体积小，质量轻，寿命长，可充 放电约3000次。 缺点：价格高。 铅蓄电池 2V 优点：电压稳，电容量大，可充电便宜。 缺点：笨重，防震性差，不防漏 一次电池 二次电池

心脏起博器中用了这样一个原电池(示意图)： 燃料电池 心脏起博器中用了这样一个原电池(示意图)： 已知人体血液的pH值在7.35～7.45之间。将心脏起博器，植入如图红色区域静脉血管内，请写出电极反应式并分析其工作原理。 Zn-负极，Pt-正极；人体体液作电解质，溶解氧做氧化剂。 负极反应：2Zn-4e+4OH-=2Zn(OH)2 正极反应：O2+4e+2H2O=4OH- 电池反应：2Zn+O2+2H2O=2Zn(OH)2 放出电脉冲进行工作