高中化学选修四-化学电源--定稿

第四章电化学发明电池的故事伏特是意大利帕维亚大学的研究电学的物理学家.有一天,伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文,说动物肌肉里贮存着电,可以用金属接触肌肉把电引出来.看了这篇论文,伏特非常兴奋,便决定亲自来做这个实验.他用许多只活青蛙反复实验,终于发现,实际情况并不像加伐尼所说的那样,而是两种不同的金属接触产生的电流,才使蛙腿的肌肉充电而收缩.为了证明自己的发现是正确的,伏特决定更深入地了解电的来源。为了纪念他的贡献,人们把电压的计量单位叫做伏特,简称伏,符号V。比如我们手电筒里的电池的电压是1.5伏特，我们家里的电灯的电压是220伏特。几种常见电池和新型电池：•干电池：普通锌-锰电池、碱性锌-锰电池•蓄电池：铅蓄电池、镍-镉可充电电池、银锌钮扣电池等•锂电池：•新型燃料电池：氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、熔融盐燃料电池等普通锌锰电池碱性电池镍镉电池小型高性能燃料电池镍氢电池纽扣电池索尼数码相机锂电池化学电源的分类：•一次电池：电池中的反应物质在进行一次电化学反应（放电）之后就不能再次使用了，即无法充电再使用（只能废弃而不能再生）。这样的电池，叫做一次电池。废弃的一次电池必须妥善处理，否则会造成矿产资源的极大浪费和环境污染。•二次电池：可以多次反复使用，放电后可以充电复原再重新放电的电池，也称蓄电池、可充电电池。•三、连续电池：又称燃料电池。１、化学电池分类化学电池一次电池二次电池燃料电池定义例子电池中的反应物质进行一次氧化还原反应并放电之后，就不能再次利用．又称充电电池或蓄电池在放电后经充电可使电池中的活性物质获得重生，恢复工作能力，可多次重复使用．是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电源，又称连续电池．干电池：电池中的电解质溶液制成胶体，不流动，故称干电池．铅蓄电池、锌银蓄电池、镍镉电池、锂离子电池氢气、甲醇、天然气、煤气与氧气组成燃料电池。如：普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银纽扣电池一、化学电池小型高性能燃料电池２、化学电池优点（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。３、判断电池优劣的标准（１）比能量［符号(A·h/kg)，(A·h/L)］指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少（２）比功率[符号是W/kg，W/L)]指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小（3）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，其质量好。电池的总反应：Zn+2MnO2+2NH4Cl=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)1、干电池(普通锌-锰电池）干电池用锌制桶形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作电解质溶液，还填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2，防止产生极化现象。一、一次电池干电池电极:Zn为负极,碳棒为正极电解液：NH4Cl、ZnCl2和淀粉糊另有黑色的MnO2粉末，吸收正极产生的H2，防止产生极化现象。电极方程式：负极(Zn):Zn－2e-＝Zn2＋正极：2MnO2+2NH4++2e-=Mn2O3+2NH3+H2O碱性锌-锰干电池负极：正极：电池反应：电解质：KOH——Zn——MnO2Zn+2OH--2e-=Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2［思考］该电池的正负极材料和电解质．银锌电池Zn为负极,Ag2O为正极电解液:KOH溶液电极反应式:负极:Zn＋2OH－－2e-＝Zn(OH)2正极:Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－总反应式:Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2电池特点:比能量高、电压高、储存时间长、工作温度宽等优点.微型锂电池：•上述锌—锰电池等干电池的电解质都是水溶液（糊状物），不是真正的“干”电池。真正的干电池的电解质是固体电解质。固体电解质是可以传导离子的固体，也叫快离子导体。•锂碘电池可作为真正的干电池的代表。它的负极是金属锂，正极是I3-的盐，固体电解质为能够传导锂离子的LiI晶体，可将放电时负极产生的锂离子传导到正极与碘的还原产物I-结合。——可用于心脏起搏器。永久性人造心脏在美问世•人造心脏由4个部分组成，即金属钛制成的心脏本体、一个微型锂电池、一个计算机操纵系统以及外接电池组。人造心脏本体可取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔，用以提供动力。外接电池组可通过安装在腹部皮肤下的能量传输装置对微型锂电池进行充电。二、二次电池------蓄电池（1）铅蓄电池正极材料上涂有棕褐色的PbO2，负极材料是海绵状的金属铅，两极浸在H2SO4溶液中。写出电极反应式；分析电子转移情况及电解质溶液浓度的变化情况。1、电极材料及原料：2、电解质溶液：3、电极反应式：正极：PbO2负极：PbH2SO4溶液负极（Pb）:Pb-2e-+SO42-=PbSO4Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O正极（PbO2）:PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应：4、优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉5、应用领域：铅蓄电池:电极：Pb为负极,PbO2为正极.电解液:30%的H2SO4溶液电极反应式:放电时：为原电池负极(Pb)：Pb＋SO42-－2e-＝PbSO4正极(PbO2)PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e-＝PbSO4＋2H2O总电池反应:PbO2＋Pb＋2H2SO4＝2PbSO4↓＋2H2O充电时：为电解池阴极(Pb)：PbSO4＋2e-＝Pb＋SO42-阳极(PbO2)PbSO4＋2H2O－2e-＝PbO2＋4H＋＋SO42－总电解反应:2PbSO4＋2H2O＝PbO2＋Pb＋2H2SO4通电（2）银锌电池中国第1颗人造地球卫星东方红-1用银锌电池作电源。正极壳填充，负极盖填充，电解质溶液KOH。反应式为：2Ag+Zn(OH)2Zn+Ag2O+H2O写出电极反应式。充电放电银锌原电池是用不锈钢制成的小圆盒，形似纽扣，故称纽扣电池。盒内一端填充氧化银和石墨组成的活性材料，另一端填充锌汞合金组成的活性材料。为什么废旧纽扣电池应专门回收？•钮扣电池含有汞，当其废弃在自然界里，外层金属锈蚀后，汞就会慢慢从电池中溢出来，进入土壤或在下雨之后进入地下水，再通过农作物进入人体，损伤人的内脏。在微生物的作用下，无机汞可以转变成甲基汞，聚积在鱼类的身体里，人食用了这种鱼后，甲基汞会进入人的大脑细胞，使人的神经系统受到严重破坏，重者会发疯致死。日本水俣病就是甲基汞所致。电极材料及原料电解质溶液优点应用领域正极：金属氧化物负极：锂质量轻、电压高、工作效率高、贮存寿命长。有机溶剂电脑、照相机、手表、心脏起博器等。（3）锂电池•在锂电池家族中,有特高容量而且自放电率特别低的,主要使用在工业自动化仪表仪器中的锂—亚硫酰氯电池;也有长寿又安全的用于心脏起搏器的锂—碘电池;还有在环境温度一二百度条件下应用于井下的锂—氧化铜电池,及在照相机中使用的锂……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。(1)氢氧燃料电池酸性电解质：碱性电解质负极:2H2-4e-+4OH-==4H2O正极:O2+2H2O+4e-==4OH-总反应:2H2+O2==2H2O负极：2H2-4e-==4H+正极：O2+4H++4e-==2H2O总反应：2H2+O2==2H2O[阅读]P77-78了解燃料电池的优点三、燃料电池燃料电池的规律①燃料做负极，助燃剂氧气为正极②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源。燃料电池与前几种电池的差别：①氧化剂与还原剂在工作时不断补充；②反应产物不断排出燃料电池(1)电极:Pt制作的惰性电极(2)电解质溶液:KOH溶液(4)反应原理:正极:2H2+4OH－－4e-＝4H2O负极:O2＋2H2O＋4e-＝4OH－总反应：2H2＋O2＝2H2O电极反应：负极：CH4+10OH-－8e=CO32-+7H2O正极：O2+2H2O+4e=4OH-总反应式：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O(2)以甲烷作燃料的燃料电池电极为金属铂，电解质为KOH，在两极分别通入甲烷和氧气。(3)铝——空气——海水电池负极：4Al-12e-＝4Al3+正极：3O2+6H20+12e-＝120H-电池总反应式为：4Al+3O2+6H20=4Al(OH)31991年，我国首创以铝-空气-海水为材料组成的新型电池，用作航海标志灯．以取之不尽的海水为电解质4、新型燃料电池：•燃料电池是继水力、火力、核能发电之后的第四类发电—化学能发电。•人类社会发展到今天，主要能源仍是矿物燃料，能量利用率不超过40%。在电池中燃料直接氧化而发电的装置就是燃料电池。通常的燃料是：氢气、丙烷、甲醇等，氧化剂为空气中的氧气或纯氧。•燃料电池的基本设计是：电极是用镍、银、钯、铂等金属粉末压制成可以透过气体的多孔又可导电的特殊材料制作的；（燃料电池的电极有双重作用，其一是作为电的导体；其二是提供足够的表面积使电极的活性物质分子分解为原子物种，然后发生电子转移。——这实际为一种电催化过程，铂、镍、铑这些金属是很好的电催化剂。）两个电极之间充满着含有可以移动离子的电解质；——氢氧化钾水溶液、熔融盐、传递质子的膜或者固体电解质等。•燃料（例如，氢、肼、一氧化碳、甲烷、乙炔）和氧化剂分别从负极和正极的外侧源源不断地通过电极里的微孔进入电池体系，并分别在各自的电极上受到电极材料的催化而发生氧化和还原反应，同时产生电流。在燃料电池中，燃料与氧化剂连续不断的输送到电池内，同时电池反应产物持续不断地排出电池，故燃料电池又称连续电池。燃料电池中能量转换率可高达60%—70%。1、氢氧燃料电池：航天技术上使用的一种电池，它具有高能、轻便、不污染环境等优点。用Pt做电极，KOH溶液做电解液，因其反应与氢氧燃烧相似，故称为氢氧燃烧电池。请写出电极反应及电池反应式；若将氢气换成甲烷、甲醇，写出电极反应及电池反应式。【思考】一种新型燃料电池，它是以两根金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通入甲烷和氧气。电极反应为：负极：正极：电池总反应：2O2+4H2O+8e-=8OH-CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2OCH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐（在阴极充入CO2气作助燃剂）。反应原理如下：阴极（正极）：O2+2CO2+4e-=2CO32-阳极（负极）：2H2+2CO32-=2CO2+2H2O+4e–总反应：O2＋2H2=2H2O2、熔融盐燃料电池1.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根据此反应式判断,下列叙述中正确的是..................()A.电池放电时,电池负极周围溶液的pH值不断增大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是负极放电时该装置作为原电池，氢元素由0价升高为+1价，H2是负极，H原子失电子变成H+离子，负极周围溶液的pH不断减小。镍元素由+3价降低为+2价，镍元素被还原。因此A、B不正确，。充电时该装置作为电解池，氢元素由+1价降低为0价，氢元素被还原。C、D正确练习:2.实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气,已知铅蓄电池放电时发生如下反应：负极：Pb+SO42--2e-＝PbSO4正极:PbO2+4H++SO42-+2e-＝PbSO4+2H2O今若制得Cl20.050mol,这时电池内消耗n(H2SO4)至少是……()A.0.025molB.0.050molC.0.10molD.0.20mol铅蓄电池的总反应式为：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4