化学电源

【本讲教育信息】一.教学内容：化学电源二.教学目标：了解生产生活中常见化学电源的种类及工作原理认识化学能转化为电能的实际意义三.教学重点、难点：生产生活中常见化学电源的种类及工作原理四.知识分析：（一）一次电池是化学电源中最为常见的一种电源，一次电池中发生氧化还原的物质大部分被消耗后，电池停止使用．说明：1.一次电池和二次电池均称为化学电源，化学电源的电极材料一般由能导电的物质组成，负极为还原性较强的物质（大多数是金属电极本身），正极为氧化性较强的物质，电解液为酸、碱和盐溶液或某些熔融盐。其他原理与原电池的原理相同。2.一次电池只能放电一次，一次电池内部则简单得多，它不需要调节一次电池内部的氧化还原反应之间的可逆性变化，一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池，但内阻远比二次电池大，因此负载能力较低，另外，一次电池的自放电能力远小于二次电池。3.最常见的一次电池为锌锰电池。传统的锌锰干电池，其正极材料采用活性较低的天然二氧化锰，隔离物是淀粉和面粉的浆糊隔离层，电解液是以NH4Cl为主的氯化铵、氯化锌水溶液，负极是锌筒，其放电性能一般较差，容量较低。碱性锌锰电池，又称碱锰电池，俗称碱性电池，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，负极锌也由片状改变成粒状，增大了负极的反应面积，加之采用了高性能的电解锰粉，电性能得以很大提高。4.普通锌锰电池的电极反应为：负极：Zn－2e－＝Zn2＋；正极：2NH4＋+2e－＝2NH3+H2；总反应：Zn+2NH4＋＝Zn2＋+2NH3+H2；2MnO2+H2＝2MnO（OH）ZnCl2+4NH3＝［Zn（NH3）4］Cl2，锌锰电池的电极反应和总反应式也可以写成：负极Zn－2e＝Zn2+正极24NH＋2e＝2NH3＋H2H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［ZnNH34］2+干电池的总反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝ZnNH32Cl2＋Mn2O3＋H2O或2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝［ZnNH34］Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O碱性锌锰电池与普通的锌锰电池相比，具有：能量和储量高，电流大、具有能持续放电等优点。5.锂电池是金属锂作负极，石墨作正极，无机溶剂亚硫酰氯SO2Cl2在炭极上发生还原反应。电解液是由四氯铝化锂LiAlCl4溶解于亚硫酰氯中组成。它的总反应是锂与亚硫酰氯发生反应，生成氯化锂、亚硫酸锂和硫。8Li＋3SO2Cl2＝6LiCl＋Li2SO3＋2S锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起搏器上，以及作为火箭、导弹等的动力资源。6.1991年，我国首创以铝─空气─海水电池为能源的新型电池，该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其能量比干电池高20─50倍。负极材料是铝，正极材料可以用石墨。电极反应式为：负极反应：Al－3e＝Al3+，正极反应：2H2O＋O2＋4e＝4OH。电池总反应式为：4Al＋3O2＋6H2O＝4AlOH37.常见的一次电池有：碱性锌－锰干电池、银－锌纽扣电池、锂电池等，优点：携带方便；缺点：电量小，污染大。8.依据原电池反应是自发的氧化还原反应，根据元素化合价的变化判断电子转移情况，根据物质的性质判断氧化性和还原性的相对强弱，从而判断氧化剂和还原剂，也就知道了电池的放电反应，知道了正负极。在书写时，要特别注意电解质溶液在酸碱性溶液中的离子反应，再考虑电极反应式。（二）二次电池：电池电力用完后，可以经充电重复使用的电池，如：铅酸，镍氢，锂离子电池等。说明：1.二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池在放电时电极体积和结构之间发生可逆变化，因此设计时必须调节这些变化。2.二次电池与一次电池的主要区别就在于能否循环使用。3.铅蓄电池放电的电极反应为：负极：Pb＋24SO－2e＝PbSO4↓正极：PbO2＋4H+＋24SO＋2e＝PbSO4↓＋2H2O当放电进行到硫酸浓度降低到一定浓度时即停止放电，此时需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：阳极：PbSO4＋2H2O－2e＝PbO2＋4H+＋24SO阴极：PbSO4＋2e＝Pb＋24SO蓄电池放电和充电的总反应式：这种电池性能良好，价格低廉电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，缺点是比较笨重。4.银锌电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。实际是一种银锌蓄电池，电解液为KOH溶液。常见的钮扣电池也是银锌电池，其电极反应式为：负极：Zn＋2OH－2e＝ZnOH2正极：Ag2O＋H2O＋2e＝2Ag＋2OH银锌电池跟铅蓄电池一样，在使用放电一段时间后就要充电，充电过程表示如下：阳极：2Ag＋2OH－2e＝Ag2O＋H2O阴极：ZnOH2＋2e＝Zn＋2OH（三）燃料电池：燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池，所以燃料电池也是化学电源。说明：1.燃料电池与其它电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮存在电池内，而是在工作时，不断地从外界输入，同时把电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实地把能源中燃料燃烧反应产生的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。2.燃料电池的正极和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、煤气、发生炉煤气、水煤气、甲烷等气体；从正极连续通入氧气或空气。电解液可以用碱如氢氧化钠或氢氧化钾等把两个电极隔开。化学反应的最终产物和燃烧时的产物相同。3.氢氧燃料电池（碱性）电解质溶液一般为40%的KOH溶液。其电极反应式为：负极H2＋2OH－2e2H2O正极O2＋2H2O＋4e＝4OH电池总反应式为：2H2＋O2＝2H2O4.甲烷氧气燃烧电池：用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷燃料和氧气氧化剂。电极反应式为：负极：CH4＋10OH－－8e＝23CO＋7H2O；正极：4H2O＋2O2＋8e＝8OH。电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O5.能够燃烧的物质在一定条件下都能和相应的氧化剂（常用的是氧气）构成燃烧电池，可燃物（还原剂）做负极，氧化剂做正极。书写电极反应时要特别考虑电解质溶液的影响，尤其是电解质溶液的酸碱性。6.常见的燃料电池还有甲烷燃料电池、铝－空气燃料电池、熔融盐燃料电池等，优点：效率高、无污染，装置可持续使用。【典型例题】［例1］碱性电池具有容量大，放电电流大的特点，因而得到广泛应用．锌－锰碱性电池是以氢氧化钾溶液作电解液的电池，总反应式为：Zn（s）＋2MnO2（s）＋H2O（l）＝Zn（OH）2（s）＋Mn2O3（s）下列说法错误的是（）A.电池工作时，锌失去电子B.电池正极的电极反应式为：2MnO2（s）＋H2O（l）＋2e－＝Mn2O3（s）＋2OH－（ap）C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D.外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g解析：A中由于工作时锌在负极失去电子，故A正确；B只要能够理解正极的反应物是MnO2，同时能够应用电子转移数目，电荷守恒与元素守恒即可正确地书写，而本题只要对其进行正误判断，因此只要从上述三个方面进行验证即可，本选项正确；C中外电路的电子应该由负极流出，正极流进，故C错误；D中只要根据简单的计算，即理解每反应1molZn，即失去2mol电子，因此D正确．答案：C［例2］一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极能通入丁烷气体，电解质是掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导O2－．下列对该燃料电池说法正确的是（）A.在熔融电解质中，O2－由负极移向正极B.电池的总反应是：2C4H10＋13O2→8CO2＋10H2OC.通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e－＝2O2－D.通丁烷的一极是正极，电极反应式为：C4H10＋26e－＋13O2－＝4CO2＋5H2O解析：本题主要考查原电池的工作原理．由丁烷燃烧的化学反应方程式：2C4H10＋13O2→8CO2＋10H2O，可知原电池的负极发生氧化反应，对应物质的化合价升高：C4H10＋26e－+13O2－＝4CO2＋5H2O；原电池正极发生还原反应化合价降低：O2＋4e－＝2O2－，显然在熔融电解质中O2－从正极移向负极．答案：BC［例3］科学家参照太阳能电池原理，利用生物技术手段发明了新型菠菜电池．科学家们首先从菠菜的叶绿体中分离出多种蛋白质，并将这些蛋白质分子与一种肽分子混合，这种肽分子能在蛋白质分子外形成保护层，为其创造类似植物内的生存环境．之后，科学家将提取出的蛋白质分子铺在一层金质薄膜上，而后在其最上方再加一层有机导电材料，做成一个类似“三明治”的装置．当光照射到这个“三明治”上时，装置内会发生光合作用，最终产生电流．（1）光合作用的反应方程式：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿．（2）菠菜电池的正极反应为＿＿＿＿＿，负极反应为＿＿＿＿＿＿．（3）利用呼吸作用也可以设计成原电池，此时在正极上反应的物质是＿＿＿＿＿＿，在负极上反应的物质是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿．解析：绿色植物通过光合作用吸收CO2释放O2同时生成C6H12O6贮存能量，其中是由水中的氧提供的，这个反应属于氧化还原反应，存在电子的得失或转移，因此可以将其设计成原电池．原电池的负极失电子发生氧化反应，即：12H2O－24e－＝6O2＋24H+；正极反应为：6CO2＋24H+＋24e－＝C6H12O6＋6H2O；同理，呼吸作用时C6H12O6与O2形成原电池，同时生成CO2和H2O，此时得到电子的物质是O2，在正极附近发生还原反应；C6H12O6在反应中碳元素的化合价升高，发生氧化反应．答案：（1）6CO2＋12H2O→C6H12O6＋6H2O＋6O2（叶绿素，光照）（2）正极反应为：6CO2＋24H+＋24e－＝C6H12O6＋6H2O负极反应为：12H2O－24e－＝6O2＋24H+；（3）在正极上反应的物质是O2，在负极上反应的物质是C6H12O6［例4］用作人体心脏起搏器的电池规格与通常的电池有很大的不同，例如要求是一次电池，输出功率只需几个毫瓦，但必须连续工作若干年，期间不需要维护保养，并且有绝对的Zn2＋/Zn和H＋/O2、Pt两电极体系构成“生物电池”，人体体液中含有一定量的溶解氧，若该“生物电池”在低功率下工作，人体就易于适应Zn2＋的增加和H＋的迁出．请回答下列问题：（1）写出该电池的电极反应式和电池总反应式（2）如果上述电池在0.8V和4.0×10－5W功率下工作，该“生物电池”的锌电极质量为5.0g，试问电池理论上可以连续工作多长时间才需要更换？解析：由题给信息可知Zn2＋/Zn和H＋/O2、Pt两电极体系构成“生物电池”，其中，锌作负极，溶解氧在正极发生还原反应，电极反应式是：负极：2Zn－4e－＝2Zn2＋，正极：O2＋4H+＋4e－＝2H2O，电池总反应式：2Zn＋O2＋4H+＝2H2O＋2Zn2＋；结合物理知识，电流与功率和电压之间的关系可知：电流＝功率/电压＝4.0×10－5／0.8＝5.0×10－5A，再根据电子的物质的量与电量，电量与电流之间的联系，可得：5.0g锌“溶解”时放出的电子电量为：5.0／65.5×2×96500C，则输出的电流时间可维持：时间＝电量／电流＝5.0／65.5×2×96500C×（1／5.0×10－5）＝3.0×108s＝9.5年（9.3年—9.6年均可）．答案：电极反应式是：负极：Zn－2e－＝Zn2＋，正极：O2＋4H+＋4e－＝2H2O，电池总反应式：2Zn＋O2＋4H+＝2H2O＋2Zn2＋；电池理论上可以连续工作9.5年（9.3年—9.6年均可）【模拟试题】1.氢氧燃料电池的突出优点是把化学能直接转变为电能，而不经过热能这一