Transcript 2011 10 30 16 36 3 672

第四章
第二节
电化学基础
化学电源
高州四中
卢桂旺
碱性锌锰电池、锌银电池、
［学与问］在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知
铅蓄电池、镉镍电池、氢镍
道电池的其它应用吗？
电池、锂离子电池等。
化学电池
将化学能转换成电能的装置
电池
广泛应用于通讯、交通、文
化、办公及家用电子产品。
高科技、军事、生产行业也
有特殊应用。
太阳能电池
将太阳能转换成电能的装置
原子能电池
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
【思考】
①目前化学电池主要分为哪几个大类？
在性能等方面它们各有什么特点？
产生电能的基本原理是什么？
②化学电池与其他能源相比有哪些优点？
③判断电池的优劣标准主要是什么？
知识点1：化学电池
1)概念:
将化学能变成电能的装置
①一次电池又称不可充电电池——如：干电池
2)分类: ②二次电池又称充电电池——蓄电池
③燃料电池
3)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。
4)电池优劣的判断标准:
①比能量 ［符号(W·h/kg)，(W·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
知识点2：各类电池
干电池
锂电池
叠层电池
各
类
电
池
纽扣电池
空气电池
小型高性能燃料电池
一、 一次电池
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。电极总的反应式为：
Zn+2MnO2 + 2NH4Cl = ZnCl2+ Mn2O3+2NH3+H2O
请写出各电极的电极反应。
练：写出锌锰干电池的电极反应和总化学反
应方程式。
Zn-2e-=Zn2+
负极————————————————
2NH4++2e-=2NH3+H2 ， H2 +2MnO2=Mn2O3+H2O
正极————————————————
Zn+2MnO2 + 2NH4Cl = ZnCl2+ Mn2O3+2NH3+H2O
总反应———————————————
通常我们可以通过干电池的外观上的哪些变
化判断它已经不能正常供电了？
锌筒变软，电池表面变得不平整
_____________________________我们在
使用干电池的过程中并没有发现有气体产生，
请推测可能是干电池中的什么成分起了作用？
MnO2
碱性锌-锰干电池
电池反应：
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
［思考］该电池的正负极材料和电解质．
负极：——Zn
Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
正极：——MnO2
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH电解质：KOH
干电池
普通锌锰干电池：（-）Zn ZnCl2、NH4Cl（糊状） 石墨(ＭnO2)(+）
负极: Zn－2e-＝Zn2＋
正极: 2NH4+＋2e-＝2NH3↑＋H2 ↑
总电池反应方程式 ：2NH4Cl＋Zn＝ZnCl2＋2NH3↑＋H2↑
缺点：放电量小，放电过程中易气涨或漏液
改进后碱性锌锰电池的优点：
电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会气涨或漏液。
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
二氧化锰的用途
2、迷你型电池
HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S）
Ag2O（S）+Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）
优点：电压高、稳定，低污染。
用途：手表、相机、心率调节器
3、锂电池
锂电池：（-）Li（S） LiI（晶片） I2(+）
锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S
负极： 8Li-8e-=8Li+ ；正极： 3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S。
用途：质轻、高能(比能量高)、高工作效率、高稳定电压、工
作温度宽、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。
二、二次电池
铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电
池……
1.铅蓄电池
1)正负极材料
正极：PbO2
负极：Pb
电解质：H2SO4溶液
2)工作机制
铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反应
分为放电和充电两个过程
①放电过程
负极：Pb(s) + SO42- -2e- =PbSO4 (s)
氧化反应
正极：
PbO2(s) + 4H++SO42- +2e- =2PbSO4 (s) +2H2O
还原反应
放电过程总反应：
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2O
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
①充电过程
接电源负极
阴极：PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42-
还原反应
接电源正极
阳极：
2PbSO4 (s)+2H2O -2e- = PbO2(s) + H+
氧化反应 + SO42充电过程总反应：
2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4
铅蓄电池的充放电过程：
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4
放电
充电
2PbSO4(s)+2H2O(l)
3)优缺点简析
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
其它二次电池
镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂
离子蓄电池……
2、银锌蓄电池
1970-1975, 开发了先进的银锌、镍镉电池技术。
1975-1983, 为美国海军生产潜水艇用银锌电池。
1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。
1998-1992, 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。
正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合
金，电解质溶液KOH。反应式为：
充电
2Ag+Zn(OH)2
Zn+Ag2O+H2O
放电
写出电极反应式。
银-锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的
充电和放电过程可以表示为：
2Ag+Zn(OH)2
充电
放电
Ag2O+Zn+H2O
此电池放电时，负极上发生反应的物质是（D）
A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn
电极反应：
负极：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-
3、镉镍电池
负极材料：Cd；
正极材料：涂有NiO2，
电解质：KOH溶液。
反应式如下：
NiO2+Cd+2H2O
放电
充电
Ni(OH)2+ Cd(OH)2
写出电极反应式。
特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。
镍—镉可充电电池可发生如下反应：
Cd(OH)2+2Ni(OH)2
充电
放电
Cd+2NiO(OH)+2H2O
由此可知，该电池的负极材料是（ A ）
A. Cd B. NiO(OH) C. Cd(OH)2 D. Ni(OH)2
电极反应：
负极：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-
(三)燃料电池
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。第一代燃料电池的 大致情况如
下：
氢氧燃料电池
新型燃料电池
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
燃料电池
（-）Ni（多孔） KOH（溶液） NiO2 (+）
优点：能量转化率高，可持续使
用，对环境友好
用途：宇宙飞船，应用前景广阔
负极 : 2H2+4OH-－4e-＝4H2O
正极 : O2+2H2O＋4e-＝4OH总反应方程式 ：
2H2＋O2＝2H2O
燃 料 电 池
介质
电池反应： 2H2 +Ｏ２ = 2H2O
酸性
负极
2H2 - 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
中性
正极
负极
正极
负极
正极
O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-
碱性
2H2 - 4e- = 4H+
2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O
O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-
固体燃料电池
介质
电池反应： 2H2 +Ｏ２ = 2H2O
负
- +2O2－= 2H O
2H
4e
2
2
极
正
极
O2 + 4e-= 2O2－
负
极
2H2 - 4e- = 4H+
正
+ + 4e-= 2H O
O
+
4H
极
2
2
氢氧燃料电池
航天技术上使用的一种电
H2
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。请写出各电极的电极
反应。
Pt电极
O2
KOH
氢氧燃料电池模拟
若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应
若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应
将铂丝插入KOH溶液作电极，然后向两个电
极上分别通入甲烷和氧气，可以形成原电池，
由于发生的反应类似于甲烷的燃烧，所以称
作燃料电池，根据两极上反应的实质判断，
负极
通入甲烷的一极为____，这一极的电极反应
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
为___________________；通入氧气的一极
正极
为_______，电极反应为
O2+4e-+2H2O=4OH-
__________________________________，总
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
反应为__________________________。
书写电极反应式应注意以下几点：
1．电极反应是一种离子反应，遵循书写离
子反应的所有规则（如“拆”、“平”）；
2．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；
3．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）；
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
绿色电池种种
迅猛发展的绿色环保电池是指近年来研制、开发和已 投
入使用的高性能、无污染电池。金属氢化物镍电池与镉镍电池
有相同的工作电压(12伏)，但由于采用了稀土合金或TiNi合
金储氢材料作为 负极活性物质，取代了致癌物质镉，使其 成
为一种绿色环保电池。 锂离子蓄电池系由碳作负极，嵌锂的
金属氧化物作 正极和有机电解质构成，其工作电压为36伏，
因此一个 锂离子电池相当三个镉镍或金属氢化物镍电池。可
充电碱锰电池是在碱性锌锰原电池基础上发展起 来的，由于
应用了无汞化的锌粉及新型添加剂，不仅保持了原电池 的电
流放电特性，而且能充电使用几十次至几百次。太阳能电池利
用P—N结的光电效应，把太阳光能直接转换成电 能，满足用
户需要。这种发电具有无需燃料、无污染、无 噪声、运行简
单可靠、减少维护、建设周期短等特点，已被空间和无常规能
源的地域广泛采用。
电池的发展方向
• 光电池使用方便,特别是近年来 微小型半导体逆变器
迅速发展,促使其应用更加快捷.美,日,欧和发展中国
家都制定出庞大的 光伏技术发展计划,开发方向是大
幅度提高光电池转换效率和稳定性,降低成本,不断扩
大产 业.目前已有80多个
• 国家和地区形成
• 商业化,半商业化
• 生产能力, 市场开
• 拓从 空间转向地
• 面系统应用。
课
堂
总
结
1、仅有一个电极材料参与反应的原电池：
负极：M-xe=Mx+
正极：析氢或吸氧或析出不活泼金属
2、两个电极均参与反应的原电池
（如蓄电池，纽扣电池）
①电极材料：金属为负极，金属化合物为正极．
②电子得失均由两电极本身发生．
③电极反应需考虑电解质溶液的参与．
3、电极材料本身均不参与反应的电池（燃料电池）
①两电极材料均为惰性电极．
②负极－可燃性气体失电子，正极－助燃性气体得
电子．
③电极反应考虑电解质溶液．
巩
固
练
习
1、在含有H2S气体的空气中，银器表面易变黑（生成了
Ag2S），为了除去银器表面Ag2S，可采用如下方法：在一个
铝制的容器中放入食盐溶液，将银器浸入食盐溶液，使银
器与铝接触良好．过一段时间，银器表面变为银白色，并
闻到臭鸡蛋的气味，观察到有少量白色絮状沉淀生成，请
用电极反应式和离子方程式表示上述过程．
Al-3e-=Al3+
Ag2S+2e-=2Ag+S22Al+3Ag2S+6H2O=6Ag+2Al(OH)3+3H2S￪
2、熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，
因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔
融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空
气与CO2的混合气为阴极燃气，制得在
65℃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：
总反应式：
O2+4e-+2CO2=2CO322CO+O2=2CO2
3.锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能
量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂
电池，某种锂电池的总反应为Li + MnO2=LiMnO2,
下列说法正确的是（ B ）
A、 Li是正极，电极反应为Li － e- = Li+
B、 Li是负极，电极反应为Li － e- = Li+
C、 Li是负极，电极反应为MnO2 + e- = MnO2 –
D、 Li是负极，电极反应为Li －2e- = Li2+
4、1991年我国首创以铝、空气、海水电池为能源的新型海
水标志灯已经研制成功。该灯以海水为电解质溶液，靠空
气中氧使铝不断氧化产生电流。只要把灯放入海水中数分
钟就发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20到50倍。运用
所学的化学知识，推测该新型电池两极上可能发生的电极
反应。
3+
3O
+6H
O+12e=12OH
2
2
4Al-12e=4Al
负极
正极
5已知：Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2利用这一反应，试设计
一个原电池，画出示意图，标明电极材料名称，电解质溶
液，然后填空：
3++2e=2Fe2+
不活泼金属或碳
2Fe
正极
，电极反应
负极
Cu
Cu-2e=Cu2+
，电极反应
6、已知：铅蓄电池充电完毕后，电池中硫酸的密度为1，放电
完毕后，溶液的密度变为 2。又铅蓄电池充电时的反应：
充电
2PbSO4+2H2O
Pb+PbO2+2H2SO4
法拉第常数：F=96500C/mol
⑴写出铅蓄电池使用时所产生的总反应式及两电极上的半反应。
⑵已知充放电完毕后，溶液的密度是下列两个数据：1.10g/cm3,
相当于含14.35%(质量)的硫酸，1.28g/cm3,相当于含36.87%
(质量)的硫酸请指出分别1，  2对应于哪一个数据？
⑶用什么方法可以确定什么时候该充电什么时候该停止充电？
⑷按方程式计算生成及消耗的水和硫酸的质量。
⑸计算一个电容量为4.32×106C的蓄电池中需加多少硫酸？
⑹用久了的铅蓄电池会对环境造成污染，为什么？