專題1化學(xué)反應(yīng)與能量變化第二單元

化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化1.2.2化學(xué)電源

核心素養(yǎng)目標科學(xué)態(tài)度與社會責任：通過設(shè)計“新型電池”實驗方案，探究電極材料、電解質(zhì)溶液對電池性能的影響，培養(yǎng)實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析能力。證據(jù)推理與模型認知：依據(jù)電池反應(yīng)式和電極現(xiàn)象，推理正負極反應(yīng)類型及離子遷移方向，構(gòu)建“電極判斷—反應(yīng)式書寫—能量計算”的分析模型。宏觀辨識與微觀探析：通過分析氫氧燃料電池的工作原理，理解氧化劑與還原劑在電極表面的反應(yīng)差異，形成“物質(zhì)變化—能量轉(zhuǎn)化—電極反應(yīng)”的系統(tǒng)認知。教學(xué)重難點重點堿性鋅錳電池、銀鋅紐扣電池的電極反應(yīng)式書寫及能量轉(zhuǎn)化機制。鉛蓄電池的放電反應(yīng)和充電反應(yīng)的可逆性，鋰離子電池的電極材料與離子遷移方向。氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式書寫及產(chǎn)物清潔性。難點熔融碳酸鹽燃料電池中電解質(zhì)對電極反應(yīng)的影響。鋰離子電池充放電時Li?的嵌入/脫嵌機制，以及電極材料的價態(tài)變化。根據(jù)電池反應(yīng)式進行電子轉(zhuǎn)移量、產(chǎn)物量的定量計算。課前導(dǎo)入當你給手機充電時，是否想過電池如何實現(xiàn)“充電—放電”的循環(huán)？從隨身聽的干電池到電動汽車的鋰電池，從心臟起搏器的微型電池到航天領(lǐng)域的燃料電池，化學(xué)電源已成為現(xiàn)代生活的“能量支柱”。1859年普蘭特發(fā)明的鉛蓄電池開啟了二次電池的時代，而如今氫氧燃料電池已成為太空飛船的“能量源泉”。今天，我們將穿越“電池進化史”，從一次電池到二次電池，再到燃料電池，解密不同電池的“能量密碼”，學(xué)習(xí)如何用電極反應(yīng)式揭示電池工作的本質(zhì)，甚至嘗試設(shè)計一款“未來環(huán)保電池”！01一次電池和二次電池化學(xué)電源的分類化學(xué)電源發(fā)生氧化還原的物質(zhì)（活性物質(zhì)）大部分被消耗后就不能再使用一次電池二次電池燃料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，可以多次重復(fù)利用，如鉛蓄電池、鎘鎳電池、鋰離子電池等。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，能連續(xù)不斷地提供電能普通鋅錳干電池

堿性鋅錳干電池→電池反應(yīng)式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2→負極反應(yīng)式：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2→正極反應(yīng)式：MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)+2OH-→優(yōu)點：克服了普通鋅錳干電池的缺點，比能量大，能提供較大電流并連續(xù)放電銀鋅紐扣電池→電池反應(yīng)式：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag→負極反應(yīng)式：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2→正極反應(yīng)式：Ag2O+2e-+2H2O=2Ag+2OH-→特點：電池比能量大、電壓穩(wěn)定，儲存時間長，適宜小電流連續(xù)放電→用途：常用于電子手表、計算器和其他微型電子儀器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。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。鉛蓄電池鉛蓄電池(1)鉛蓄電池的放電反應(yīng)為原電池反應(yīng)負極：Pb-2e-

+SO42-

=PbSO4正極：PbO2

+2e-

+SO42-

+4H+

=PbSO4+2H2O電池反應(yīng)：Pb+PbO2

+2H2SO4=2PbSO4+2H2O(2)鉛蓄電池的充電反應(yīng)陰極：PbSO4

+2e-

=Pb+SO42-陽極：PbSO4

-2e-+2H2O=PbO2

+SO42-

+4H+總反應(yīng)：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2

+2H2SO4(3)鉛蓄電池的充、放電原理的化學(xué)方程式為：鉛蓄電池的缺點與新型二次電池鉛蓄電池的電池反應(yīng)可以看出，隨著放電反應(yīng)的進行，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。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。鋰離子電池的構(gòu)成及工作原理與其他化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也是由正極、負極和電解質(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)。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)子性的有機溶劑中制成的，其作用是在電池內(nèi)部正、負極之間形成良好的離子移動通道。鋰離子電池的構(gòu)成及工作原理在放電過程中，鋰離子從負極脫出，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，嵌入到負極材料里。在充放電過程中，鋰離子在正、負極間不斷地進行可逆嵌脫。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：負極：LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+正極：6C+xLi++xe-=LixC6電池反應(yīng)：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6鋰離子電池的工作原理示意圖02燃料電池燃料電池→概念：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。氫氣、甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作為燃料?！攸c：氧化劑和還原劑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,因此燃料電池能不斷地提供電能燃料電池的工作原理氫氧燃料電池的工作原理（電解液為KOH溶液）氫氧燃料電池用多孔金屬作電極，不斷充入的氫氣和氧氣分別在兩極發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。負極：2H2

-4e-

+4OH-

=

4H2O正極：O2

+2H2O+4e-

=

4OH-電池反應(yīng)：2H2+O2=2H2O堿性氫氧燃料電池的原理示意圖使用燃料電池的汽車基礎(chǔ)實驗——制作簡單的燃料電池實驗準備：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。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，標記橡膠塞底部到達的位置。（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、負極相連，觀察石英鐘指針基礎(chǔ)實驗——制作簡單的燃料電池實驗現(xiàn)象與

分析→實驗現(xiàn)象：①接通學(xué)生電源，兩個石墨棒上都有氣泡產(chǎn)生，U形管內(nèi)液面下降，玻璃管液面上升。②連接時鐘，時鐘指針又開始走動?！袛嗳剂想姵刂姓?、負極的方法：接通學(xué)生電源時，玻璃管內(nèi)液柱先接近溢出的電極產(chǎn)生的氣體是H2，該電極為燃料電池的負極；另外一個電極產(chǎn)生的是O2，該電極為燃料電池的正極。名稱電解質(zhì)電極反應(yīng)和總反應(yīng)酸性氫氧燃料電池H2SO4負極：2H2-4e-=4H+正極：O2+4H++4e-=2H2O總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O堿性氫氧燃料電池KOH負極：2H2-4e-+4OH-=4H2O正極：O2+2H2O+4e-=4OH-總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O常見的四種類型的氫氧燃料電池名稱電解質(zhì)電極反應(yīng)和總反應(yīng)熔融鹽氫氧燃料電池熔融碳酸鹽負極：2H2-4e-+2=2CO2+2H2O正極：2CO2+4e-+O2=2總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O固體氧化物燃料電池固體氧化物負極：2H2-4e-+2O2-=2H2O正極：O2+4e-=2O2-總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O常見的四種類型的氫氧燃料電池03課堂小結(jié)04課堂練習(xí)1．下列關(guān)于電池的說法正確的是(

)A．太陽能電池的主要材料是高純度的二氧化硅B．電池工作時，電子從負極經(jīng)外電路流向正極，再經(jīng)過電解質(zhì)流回負極C．鉛酸蓄電池放電時的正極反應(yīng)為PbO2＋2e－＋4H＋=Pb2＋＋2H2OD．氫氧燃料電池，通入氫氣的電極為電池的負極D2．近年來電池研發(fā)領(lǐng)域涌現(xiàn)出的紙電池像紙一樣輕薄柔軟，在制作方法和應(yīng)用范圍上與傳統(tǒng)電池相比均有很大的突破，如圖為紙電池的結(jié)構(gòu)示意圖。據(jù)此，現(xiàn)在用氯化鈉、蒸餾水和濾紙制備了電解液和隔離膜，用銅片分別與鋅片和另一種銀白色金屬片，先后制作了兩個簡易電池。在用電流表測試這兩個電池時，發(fā)現(xiàn)電流表的指針都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)方向相反。則另一種銀白色金屬片可能是下列的哪種金屬(

)A．Ag

B．Fe

C．Al

D．MgA3．魚雷采用Al-Ag2O動力電池，以溶有氫氧化鉀的流動海水為電解質(zhì)溶液，電池反應(yīng)為2Al＋3Ag2O＋2KOH=6Ag＋2KAlO2＋H2O，下列說法錯誤的是(

)A．Ag2O為電池的正極B．電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Al極C．Al在電池反應(yīng)中被氧化D．溶液中的OH－向Al極遷移B4．被稱為“軟電池”的紙質(zhì)電池，采用一個薄層紙片(在其一邊鍍鋅，在其另一邊鍍二氧化錳)作為傳導(dǎo)體。在紙內(nèi)的離子“流過”水和氧化鋅組成的電解質(zhì)溶液。