54化学电源

第二节化学电源三维目标：知识与技能:1．使学生了解常见电池的分类、优点及适用范围。2．使学生了解一次电池、二次电池和燃料电池的基本构造、反应原理及应用。过程与方法：运用氧化还原反应原理来理解各类电池的工作原理。情感、态度和价值观：通过学习各类电池的实际应用，感受化学给人类带来的进步和文明。通过了解废旧电池给环境的危害，树立环保意识。教学重点、难点：一次电池、二次电池和燃料电池的基本构造、反应原理及应用。教学过程：一、化学电池的种类化学电池：借助于化学能直接转变为电能的装置。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。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。下面介绍化学电池的种类：1．干电池：普通锌锰干电池的简称，在一般手电筒中使用锌锰干电池，是用锌皮制成的锌筒作负极兼做容器，中央插一根碳棒作正极，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液；电池顶端用蜡和火漆封口。在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂吸收正极放出的H2，防止产生极化现象，即作去极剂，淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。电极反应为：负极Zn－2e＝Zn2+正极2NH4+＋2e＝2NH3＋H2H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[ZnNH34]2+干电池的总反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝ZnNH32Cl2＋Mn2O3＋H2O或2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝[ZnNH32]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O正极生成的氨被电解质溶液吸收，生成的氢气被二氧化锰氧化成水。干电池的电压15V—16V。在使用中锌皮腐蚀，电压逐渐下降，不能重新充电复原，因而不宜长时间连续使用。这种电池的电量小，在放电过程中容易发生气涨或漏液。而今体积小，性能好的碱性锌—锰干电池是电解液由原来的中性变为离子导电性能更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增加，使放电电流大加幅度提高。碱性干电池的容量和放电时间比普通干电池增加几倍。2．铅蓄电池：铅蓄电池可放电亦可充电，具有双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，用含锑5%～8%的铅锑合金铸成格板，在正极格板上附着一层PbO2，负极格板上附着海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液密度为125—128g/cm3中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。放电的电极反应为：负极：Pb＋SO42-－2e＝PbSO4↓正极：PbO2＋4H+＋SO42-＋2e＝PbSO4↓＋2H2O铅蓄电池的电压正常情况下保持20V，当电压下降到185V时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达118g/cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：阳极：PbSO4＋2H2O－2e＝PbO2＋4H+＋SO42-阴极：PbSO4＋2e＝Pb＋SO42-当密度增加至128g/cm3时，应停止充电。这种电池性能良好，价格低廉，缺点是比较笨重。蓄电池放电和充电的总反应式：PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4↓＋2H2O目前汽车上使用的电池，有很多是铅蓄电池。由于它的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此广泛应用于国防、科研、交通、生产和生活中。3．银锌蓄电池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。目前，有一种类似干电池的充电电池，它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，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极盒一端充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。负极：Zn＋2OH－2e＝ZnOH2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：ZnOH2＋2e＝Zn＋2OH放电充电总反应式：Zn＋Ag2O＋H2OZnOH2＋2Ag一粒钮扣电池的电压达159V，安装在电子表里可使用两年之久。4．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。它与其它电池不同，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的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。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。燃料电池的特点是能量利用率高，设备轻便，减轻污染，能量转换率可达70%以上。当前广泛应用于空间技术的一种典型燃料电池就是氢氧燃料电池，它是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，碳电极上嵌有微细分散的铂等金属作催化剂，如铂电极、活性炭电极等，具有很强的催化活性。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应式为：负极H22H2H＋2OH－2e＝2H2O正极Ｏ2＋2H2O＋4e＝4OH电池总反应式为：2H2＋Ｏ2＝2H2O另一种燃料电池是用金属铂片插入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＝CO32-＋7H2O；正极：4H2O＋2O2＋8e＝8OH。电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O目前已研制成功的铝—空气燃料电池，它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池可代替汽油作为汽车的动力，还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。5．锂电池：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锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其它金属作负极相比较，能在较小的体积和质量下能放出较多的电能，放电时电压十分稳定，贮存时间长，能在2163—3441K温度范围内工作，使用寿命大大延长。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、心脏起博器上，以及作为火箭、导弹等的动力资源。微型电池：常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池是锂电池。这种电池容量大，电压稳定，能在567℃—711℃温度范围内正常工作。6．海水电池1991年，我国首创以铝─空气─海水电池为能源的新型电池，用作海水标志灯已研制成功。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+，放电充电正极反应：2H2O＋O2＋4e＝4OH。电池总反应式为：4Al＋3O2＋6H2O＝4AlOH37．溴—锌蓄电池国外新近研制的的基本构造是用碳棒作两极，溴化锌溶液作电解液。电极反应式为：负极反应：Zn－2e＝Zn2+正极反应：Br2＋2e＝2Br电池总反应式为：Zn＋Br2＝ZnBr2板书设计：第二节化学电源一、化学电池的种类1．干电池2．铅蓄电池3．银锌蓄电池4．燃料电池5．锂电池6．海水电池7．溴—锌蓄电池