高中化学 4.2 化学电源课件 新人教版选修4

第二节化学电源目标导航预习导引1.了解化学电源的种类及其工作原理,知道化学电源在生产、生活和国防中的实际应用。2.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用。3.掌握一次电池、二次电池、燃料电池的反应原理,会书写电极反应式掌握常见电源正、负极的判断及电极反应式的书写目标导航预习导引1.化学电池(1)定义:是将化学能直接转化为电能的装置。化学电池的主要部分是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极,使用时将两极用导线接通,就有电流产生,因而获得电能。(2)①一次电池(如普通锌锰电池——干电池)②二次电池(如铅蓄电池)③燃料电池(如氢氧燃料电池)(3)电池优劣的判断标准。①单位质量或单位体积所输出的电能的大小:比能量,或者输出的功率的大小:比功率。②电池储存时间的长短。目标导航预习导引2.一次电池(1)碱性锌锰电池——干电池:碱性锌锰电池——干电池是用锌筒外壳作负极,正极是MnO2,电解质是氢氧化钾。(2)银锌电池——纽扣电池:正极Ag2O,负极锌,电解质溶液为KOH溶液,电池总反应:Ag2O+Zn+H2O==2Ag+Zn(OH)2。目标导航预习导引3.二次电池——铅蓄电池(1)组成:正极是PbO2,负极是铅,两极均浸入H2SO4溶液中,且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。(2)工作原理:放电时:负极:Pb(s)+SO42-(aq)-2e-==PbSO4(s)正极:PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-PbSO4(s)+2H2O(l)充电时:阴极:PbSO4(s)+2e-==Pb(s)+SO42-(aq)阳极:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)铅蓄电池放电或充电的总反应式:PbO2(s)+Pb(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)目标导航预习导引4.氢氧燃料电池(1)构造:目标导航预习导引(2)工作原理:酸性电解质(H2SO4)碱性电解质(KOH)负极反应2H2-4e-4H+2H2-4e-+4OH-4H2O正极反应O2+4e-+4H+2H2OO2+4e-+2H2O4OH-总反应2H2+O22H2O(3)燃料:除H2外,烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。氧化剂:除纯氧气外,空气中的氧气也可。(4)燃料电池的优点:①能量转换率高;②污染小。目标导航预习导引深度思考判断下列描述的正误(正确的画“√”,错误的画“×”)。(1)化学电源是把电能转化为化学能的装置。()(2)干电池中碳棒为正极。()(3)铅蓄电池属于二次电池。()(4)氢氧燃料电池工作时,发出淡蓝色火焰。()(5)废旧电池应集中回收,并填埋处理。()(6)二次电池的性能一定比一次电池优良。()(7)二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生,因此废弃的二次电池对环境不会造成污染。()(8)手机上使用的电池应该是二次电池,而录音机上只能用一次电池。()(9)普通锌锰电池以及蓄电池都是一次电池。()×√√××××××目标导航预习导引(10)铅蓄电池放电时,电解液的密度增大。()(11)铅蓄电池在放电过程中,负极质量减小,正极质量增加。()(12)铅蓄电池充电时,负极与电源的正极相接,正极与电源的负极相接。()(13)氢氧燃料电池的电极方程式书写,与电解质溶液的酸碱性无关。()××××迁移应用典题例解一二思考探究知识精要一、二次电池1.一次电池与二次电池的不同点一次电池的活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度,就不能使用了,如普通的锌锰电池、碱性锌锰电池等都是一次电池。二次电池又称充电电池或蓄电池,放电后可以再充电使活性物质获得再生,这类电池可以多次重复使用,如铅蓄电池等。迁移应用典题例解一二思考探究知识精要2.铅蓄电池最常见的二次电池是铅蓄电池,它可放电也可充电。两极材料是Pb和PbO2,电解质溶液是稀硫酸,放电时,PbO2和Pb发生氧化还原反应,PbO2+Pb+4H++2SO42-2PbSO4+2H2O(铅的+2价态稳定,PbSO4难溶于水),由上可知电极上发生的反应:负极:Pb+SO42--2e-PbSO4,发生氧化反应;正极:PbO2+4H++SO42-+2e-PbSO4+2H2O,发生还原反应。负极上的氧化产物是PbSO4,正极上的还原产物是PbSO4。原电池工作过程中,电解质溶液的pH增大。当放电进行时硫酸的浓度降低,溶液的密度达1.18g·cm-3时应停止使用,需充电,充电时发生电解池的反应,电极反应为:阳极:PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++SO42-阴极:PbSO4+2e-Pb+SO42-迁移应用典题例解一二思考探究知识精要当溶液的密度增加至1.28g·cm-3时,应停止充电。铅蓄电池充电或放电的总化学方程式为:PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O迁移应用典题例解一二思考探究知识精要通过铅蓄电池放电和充电时电极反应式的书写,你发现放电时负极反应与充电时阴极电极反应有什么关系?放电时正极反应与充电时阳极反应有什么关系?答案:铅蓄电池充电时阴极反应是放电时负极反应的逆过程;充电时阳极反应是放电时正极反应的逆过程。(注:只是逆过程,整个反应并非可逆反应)迁移应用典题例解一二思考探究知识精要【例1】关于铅蓄电池的说法正确的是()A.在放电时,正极发生的反应是Pb(s)+SO42-(aq)-2e-PbSO4(s)B.在放电时,该电池的负极材料是铅板C.在充电时,电池中硫酸的浓度不断变小D.在充电时,阳极发生的反应是PbSO4(s)+2e-Pb(s)+SO42-(aq)解析:在放电时,正极反应为PbO2+2e-+SO42-+4H+PbSO4+2H2O,故A项错误;充电时总反应为2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4,所以充电时电池中硫酸的浓度会变大,C项错误;在充电时,阳极发生的反应是PbSO4-2e-+2H2OPbO2+SO42-+4H+,D项错误。答案:B迁移应用典题例解一二思考探究知识精要迁移应用典题例解一二思考探究知识精要1.市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为:Li+2Li0.35NiO22Li0.85NiO2。下列说法不正确的是()A.放电时,负极的电极反应:Li-e-==Li+B.充电时,Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C.该电池不能用水溶液作为电解质溶液D.放电过程中Li+向负极移动解析:在负极上Li从零价升至正价失去电子,A项正确;充电时,反应物只有一种,既发生氧化反应又发生还原反应,B项正确;由于Li可以与水反应,故电解质应为非水材料,C项正确;原电池中阳离子应迁移至正极,故D项错误。答案:D迁移应用典题例解一二思考探究知识精要2.正在研究的锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池,它具有容量大等优点,其电池反应为2Zn+O2==2ZnO,其原料为锌、电解质溶液和空气,则下列叙述正确的是()A.锌为正极,空气进入负极反应B.负极反应为Zn-2e-==Zn2+C.正极发生氧化反应D.电解质溶液是强酸溶液解析:由电池反应知:负极发生氧化反应为Zn-2e-==Zn2+,由此可知A、C两项错误,B项正确。由于负极是较活泼的金属锌且产物为ZnO,故电解质溶液肯定不是强酸,否则无论电池工作与否,锌极很快就会被腐蚀,且酸性溶液中不会有ZnO生成,故D项错误。答案:B迁移应用典题例解思考探究一二知识精要二、燃料电池的工作原理1.工作原理(1)电极:所用电极一般为惰性电极。负极:H2、烃、甲醇、肼均可作燃料,失电子发生氧化反应;正极:空气或O2作氧化剂得到电子;电子沿导线连续不断地把燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。(2)电解质:所用电解质为酸(或碱)、熔融氧化物(或熔融盐)等。迁移应用典题例解思考探究一二知识精要2.应用实例(1)氢氧燃料电池。①碱性电解质溶液中的电极反应:负极:2H2-4e-+4OH-==4H2O;正极:O2+4e-+2H2O==4OH-。②酸性电解质溶液中的电极反应:负极:2H2-4e-==4H+;正极:O2+4H++4e-==2H2O。迁移应用典题例解思考探究一二知识精要负极:CH4+10OH--8e-==CO32-+7H2O;(2)甲烷燃料电池。用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液中,然后向两极分别通入CH4和O2,该电池的电极反应式:①碱性电解质溶液中的电极反应:正极:2O2+4H2O+8e-==8OH-。②酸性电解质溶液中的电极反应:负极:CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+;正极:2O2+8H++8e-==4H2O。迁移应用典题例解一二思考探究知识精要(1)氢氧燃料电池的能量利用率是100%,产物为水,不污染环境。正确吗?答案:不正确。氢氧燃料电池中产物为水,不污染环境,但能量利用率达不到100%。(2)如果用稀硫酸作电解质溶液,氢氧燃料电池在放电后溶液的pH将发生怎样的变化?答案:反应过程中电解质不被消耗,但氢气和氧气反应生成水,使溶液变稀,pH增大。迁移应用典题例解一二思考探究知识精要【例2】下图为氢氧燃料电池原理示意图,按照此图的提示,下列叙述不正确的是()A.a电极是负极B.b电极的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置解析:分析氢氧燃料电池原理示意图,可知a极为负极,其电极反应为2H2-4e-==4H+,b极为正极,其电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,电池总反应为2H2+O2==2H2O。H2为还原剂,O2为氧化剂,H2、O2不需全部储藏在电池内,故答案为B。答案:B迁移应用典题例解一二思考探究知识精要迁移应用典题例解一二思考探究知识精要迁移应用典题例解一二思考探究知识精要1.用两根铂丝作电极插入KOH溶液中,再分别向两极通入甲烷气体和氧气,可形成原电池——燃料电池,该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2==K2CO3+3H2O,下列说法错误的是()A.通甲烷的一极为负极,通氧气的一极为正极B.放电时,通入O2一极附近溶液的pH升高C.放电一段时间后,KOH的物质的量不发生变化D.通甲烷一极的电极反应是CH4+10OH--8e-O32-+7H2O解析:原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,由总反应知,此燃料电池的电极反应是:正极:2O2+4H2O+8e-8OH-。负极:CH4+10OH--8e-CO32-+7H2O。由此可见A、B、D三项正确,C项错误。答案:C迁移应用典题例解一二思考探究知识精要2.固体氧化物燃料电池是由美国西屋(Westinghouse)公司研制开发的。它以固体氧化锆—氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是()A.有O2放电的a极为电池的负极B.有H2放电的b极为电池的正极C.a极对应的电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-D.该电池的总反应方程式为2H2+O22H2O迁移应用典题例解一二思考探究知识精要解析:固体介质允许O2-通过,说明为非水体系,因此a极反应不正确,这种表达是水溶液中进行的反应,a极反应应该是:12O2+2e-O2-,b极反应:H2-2e-2H+,总反应方程式是H2+12O2H2O。答案:D思悟升华方法归纳案例探究思悟升华方法归纳案例探究解析:答案:C思悟升华方法归纳案例探究(1)一般电极反应式的书写。思悟升华方法归纳案例探究(2)复杂电极反应式的书写复杂电极反应式=总反应式-较简单一极的电极反应式思悟升华方法归纳案例探究(1)电极反应式类似于离子方程式,离子和化学式的书写要求和离子方程式的书写要求相同。(2)“典例”中放电时负极的电极反应式的书写顺序。①找出还原剂和氧化产物,确定失电子总数:Zn-2e-