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【2017年收拾】选修4四二化学电源教案2

化学电源

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  第四章 电化学基础,第二节 化学电源,1.知道化学电源的分类方法。 2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。 3.了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害,设想其处理方法。 4.电极反应及总反应的书写。,学习目标,重难点:1.常见化学电源的组成和工作原理。 2.电极反应及总反应的书写。,化学电池,太阳能电池,原子能电池,将化学能转换成电能的装置,将太阳能转换成电能的装置,将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置,现代生活,物质越来越丰富,科技的应用越来越广泛,生活也越来越快捷、方便;当然这样美好的生活是建立在一定物质基础上的,在现代生活中,在些东西是必不可少,如电池。难以想象,如果没有电池,我们现在的生活会是什么样子?这也从另一角度说明电池的广泛和应用的广泛。,[学与问]在日常生活中,你都用过电池,那你们用过那些电池?它属于那些类型?你知道电池的其它应用吗?,下面来看各类电池,形形色色的电池,用途广泛的电池,用于汽车的铅蓄电池和燃料电池,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,本节将学习化学电源或化学电池,一、化学电池或电源,1.概念:化学电池是将化学能转变为电能的装置。,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。,提问:那什么叫化学电池?,讲:它主要包括一次电池、二次电池、燃料电池。,2、化学电池的分类(见书上),化学电池,,一次电池,二次电池,燃料电池,碱性锌锰电池,铅蓄电池,氢氧燃料电池等,锂离子电池,银锌蓄电池,,普通锌锰干电池,锌银纽扣电池,,,甲烷燃料电池,甲、乙醇燃料电池,讲]现代生产、生活和国防中广泛使用电池,为什么?肯定不是因为它有什么不足,而应是因为它有很多优势或长处,那化学电池有那些优点?,3、化学电源的优点(书上):,(1)能量转换效率高,供能稳定可靠。 (2)可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组,使用方便。 (3)易维护,可在各种环境下工作。,[问]面对许多原电池,我们怎样判断其优劣或适合某种需要?,[讲]看单位质量或单位体积所输出电能的多少,或输出功率大小以及电池储存时间长短。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,更适合电池使用者。,4、原电池的优劣或适合某种需要判断标准(书上):,1)比能量:电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少,单位是(W·h)/kg ,(W·h)/L 2)比功率:电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小,单位是W/kg ,W/L 3)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。,5、化学电源的组成(了解),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。,[讲]有了前面这些了解,下面我们对于各种常见、常用电池进行具体学习,我们先看几种一次电池:普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、银锌电池、锂电池等。对每种电池,我们需要了解该电池的正、负极和电解质溶液各是什么?电极反应式及总反应式如何书写,该类电池的优、缺点等。,二、一次电池(又叫干电池),对各类电池的掌握与了解:该电池的正、负极和电解质溶液各是什么?电极反应式及总反应式如何书写,该类电池的优、缺点等。,书写化学电池中电极反应式注意的问题:,(3)在正极上,若是电解质溶液中的某种离子被还原, 无论该离子是强电解质提供的,还是弱电解质提供的,一律写离子符号。,(1)正确判断出化学电池的负极和正极,确定两极上分别发生的具体反应。,(2)确认电极得失电子后的产物是否能与电解质液发生反应,若反应,则应写与电解质液反应后的电极反应式。,(4)书写二次电池的电极反应时,要注意判断充电方向与放电方向。放电时的电极反应式倒过来即为充电时的电极反应式(注意电子的得失)。,另外注意:①正、负极电极反应式得失电子数相等。②电极反应式与总反应式间的加减原则。,(2)工作原理(或总反应式): 总:Zn +2NH4+= Zn2++ 2NH3+H2,1、普通锌锰干电池(酸性锌锰电池),(1)构造:Zn NH4Cl、淀粉MnO2,负极(锌筒):,正极(碳棒):,Zn -2e‾ = Zn2+,NH4++2e-=2NH3+H2,副反应:H2+2MnO2=Mn2O3+H2O 4NH3+Zn2+=[Zn(NH3)4]2+,有时要把一些副反应写入反应式中,这样使反应式变得更复杂,但一样可以书写。具体如下。,总:Zn + 2MnO2 + 2NH4+ =Mn2O3 + 2NH3 + Zn2+ + H2O,负极(锌筒):,正极(碳棒):,Zn -2e‾ = Zn2+,2NH4 ++2e‾+2MnO2=2NH3+Mn2O3+H2O,普通锌锰电池,优点:制作简单、价格便宜。 缺点:放电时间短,电压下降快。,[讲]正极生成的氨被电解质溶液吸收,生成的氢气被二氧化锰氧化成水。干电池的电压15 V—16 V。在使用中锌皮腐蚀,电压逐渐下降,不能重新充电复原,因而不宜长时间连续使用。这种电池的电量小,在放电过程中容易发生气涨或漏液。而今体积小,性能好的碱性锌—锰干电池是电解液由原来的酸性变为离子导电性能更好的碱性,负极也由锌片改为锌粉,反应面积成倍增加,使放电电流大加幅度提高。碱性干电池的容量和放电时间比普通干电池增加几倍,其结构见教材上P75。,碱性电池,2、碱性锌锰干电池,(2)工作原理:,负极:,正极:,Zn+2OH--2e- = Zn(OH)2,2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-,(1)构造:Zn KOH MnO2。,缺点:多数只能一次使用,不能充电;价格较贵,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,总:Zn + 2MnO2 +2H2O= 2MnO(OH)+ Zn(OH)2,3、锌银钮扣电池,正极:,负极:,总反应:,(1)构造:Zn KOH Ag2O,Ag2O + H2O+ 2e- =2Ag+2OH-,Zn + Ag2O + H2O = 2Ag + Zn(OH)2,Zn +2OH--2e- =Zn(OH)2,优点:比能量大,电压稳定,储存时间长,适宜小电流连续放电。,[阅读]资料卡片—锂电池及后面的表4-1,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。锂电池也种类多,下面我们了解一些常用锂电池。,4、锂电池(非水有机溶剂电解液),(1)构造: Li 非水有机电解质液 C+SOCl2(亚硫酰氯),(2)原理:总:8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S,正极:,负极:,Li - e- = Li+,3SOCl2+8e-=SO32-+2S+6Cl-,另一类:(1)构造: Li 非水有机电解质液 MnO2(CuO)等,(2)原理:总:Li + MnO2 = LiMnO2,正极:,负极:,Li - e- = Li+,MnO2 + e- = MnO2-,负极:2Li - 2e- = 2Li+, 正极:I2 + 2e- = 2I-,,优点:比能量高(高能、质轻),电压高,工作温度宽,可储存时间长。使用寿命延长,工作效率高。,,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。,再一类(1)构造: Li 非水有机电解质液 C+I2,(2)原理:总:2Li + I2 = 2LiI,可充电电池也称为二次电池,可以反复充电电和放电,是电池发展的一个重要方向。二次电池的代表是铅蓄电池,铅蓄电池可放电亦可充电,它是用硬橡胶和透明塑料制成长方形外壳,在正极板上有一层棕褐色的PbO2,负极是海棉状的金属铅,两极均浸入硫酸溶液中,且两极间用橡胶或微孔塑料隔开。,铅蓄电池,,除一次电池外,二次电池更加适用,下面我们来具体学习二次电池。,三、二次电池(可充电电池),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,(1)构造:Pb H2SO4 PbO2,负极: Pb- 2e-+ SO4 2 - = PbSO4,正极: PbO2+4H++SO42 – + 2e-= PbSO4 +2H2O,(2)工作原理:,①放电:(写出电极反应式),H2SO4,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。,放电如此,充电又如何?,PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42-,阴极:与外接电源负极相连,阳极:与外接电源正极相连,PbSO4 (s)+2H2O -2e- = PbO2(s) + 4H++ SO42-,②充电:,充电过程总反应:,2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4,注意:放电叫原电池,分为正、负极;充电时叫电解池,分阴、阳极。各反应式相反。,,(白色沉淀),Pb(铅)→PbSO4(硫酸铅),PbO2→PbSO4,增加,硫酸浓度变小,密度变小,化学能→电能,PbSO4→ PbO2,PbSO4(硫酸铅)→ Pb(铅),减少,硫酸浓度变大,密度变大,电能→化学能,(负极),(正极),(电解液),缺点:比能量低、笨重、废弃电池污染环境,优点:可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,2、镍镉电池,(1)构造:Cd KOH NiOOH,(2)工作原理:,①放电:,负极:Cd-2e-+2OH- = Cd(OH)2 正极:2NiOOH+H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-,Cd(OH)2 +2e-= Cd +2OH-,阴极:与外接电源负极相连,阳极:与外接电源正极相连,2Ni(OH)2 - 2e- + 2OH-=2NiOOH+H2O,②充电:,3.镍氢电池,圆柱可充镍氢电池,方形可充镍氢电池,镍氢(MH-Ni) 电池: (1)构造: H2 KOH NiOOH,负极: 1/2H2 + OH- - e- = H2O,正极: NiOOH + H2O + e-= Ni(OH)2 + OH-,分别写出正、负极的电极反应式,Ni/MH电池优点:1)能量密度高;2) 无镉污染,是一种绿色电池;3) 可大电流快速充放电;4) 电池工作电压为1.2V;5) 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。,4.锂离子电池,(2)原理:总反应式:,(1)构造: LiC6 有机电解液 LiCoO2,优点: 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,部分主流产品供电基本原理、性能和相对价格,大有发展前景的燃料电池 燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。目前燃料电池的能量转化率可达近80%,约为火力发电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等废气污染都接近零;燃料电池发明于19世纪30年代末,经反复试验、改进,到20世纪60年代才开始进入实用阶段。在燃料电池中,比较典型的是氢氧燃料电池。下面我们来逐一学习各种燃料电池。,除前面所讲的两类电池外,还有一类更有发展前景的电池,它就是燃料电池。,燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内,而是在工作时,不断从外界输入,同时将电极反应产物不断排出电池。燃料一般为氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等。氧化剂一般为氧气或空气,也可为其它氧化性物质。,

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