发展中的化学电源 课件

2．甲烷燃料电池 该电池用金属铂插入 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：CH4＋10OH－－8e－===CO23－＋7H2O 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ 总反应式为：CH4＋2O2＋2OH－===CO32－＋3H2O
若为酸性介质(电解质为稀 H2SO4)电极反应为： 负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋ 正极：2O2＋8H＋＋8e－===4H2O 总反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O
课内针对性训练
1.下列化学电池不易造成环境污染的是( )
A．氢氧燃料电池
B．锌锰电池
C．镍镉电池
D．铅蓄电池
答案 A
解析 氢氧燃料电池以酸或碱溶液为电解质溶液，产物为 水，不易造成环境污染，锌锰电池、镍镉电池、铅蓄电池易造 成重金属污染。
2．Ni—Cd 可充电电池，可以发生如下反应：Cd(OH)2＋
4．燃料电池是目前正在探索的一种新型电池，它主要是利 用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能，目前已经使用 的氢氧燃料电池的基本反应是：
x 极：O2(气)＋2H2O(液)＋4e－===4OH－ y 极：H2(气)＋2OH－===2H2O(液)＋2e－
回答下列问题： (1)x 是________，发生________反应(填“氧化”或“还原”)。 (2)y 是负极，发生______反应，总反应方程式为________。 (3)若反应后得到 5.4 g 液态水，此时氢氧燃料电池转移的 电子数为________mol。
生物体 D 中重金属浓度________(填“＞”“＝”或“＜”) 生物体 A 中重金属浓度，这是通过食物链富集作用所引起的。 除上述途径外，被污染水体中的重金属还可以直接通过 ________(填途径)进入人体。
[ 解 析 ] (1) 放 电 时 Cd 作 负 极 ， 发 生 氧 化 反 应 生 成 Cd(OH)2；而充电时 Cd(OH)2 发生还原反应重新生成 Cd。
二 燃料电池 【例 2】 如图所示为氢氧燃料电池的结构图，电解质溶 液为氢氧化钾溶液，惰性电极材料由多孔碳制成。当氧气和氢 气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可以在闭 合回路中不断地产生电流。试回答下列问题：
(1)指出图中通过负载的电流方向：________(填“向左”或 “向右”)。
(2)物质以离子的形式存在时，最容易被植物吸收。从镍镉 所对应化合物的水溶性这一角度去分析，因为在酸性土壤中 Ni(OH)2 和 Cd(OH)2 溶解变成 Ni2＋和 Cd2＋，易被植物吸收，造 成污染。
[答案] (1)B (2)Ni(OH)2 和 Cd(OH)2 能溶于酸性溶液产生有毒的 Ni2＋和 Cd2＋ (3)＞ 饮水
(3)若需要氢氧燃料电池提供较大的功率，关键是氢氧燃料 的制备。有一种氢氧燃料电池可利用甲醇、天然气等物质作为 原料，通过多孔铂电极使燃料离子化。
①CH4 和 H2O 反应生成 H2 和 CO 的化学方程式为： ________________________________________________。 ②CO 和 H2O 反应生成 H2 的化学方程式为：___________。
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．Cd
B．NiO(OH)
C．Cd(OH)2 D．Ni(OH)2
答案 A
解析 电池放电时发生的是原电池反应，较活泼的金属作 负极，发生氧化反应，故 Cd 作负极。
3．汽车的启动电源常用铅蓄电池，放电时的电池反应： PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，则下列叙述中正确的 是( )
作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解
在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。
负极：8Li－8e－===8Li＋ 正极：3SOCl2＋8e－===SO23－＋2S＋6Cl－
电池总反应式：8Li＋3SOCl2
放电 充电
6LiCl＋Li2SO3＋2S
二、燃料电池工作原理 燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，燃料电池正是利用 了原电池工作原理将燃料和氧化剂(如 O2)反应所放出的化学能 直接转化为电能。燃料电池是一种高效，对环境友好的发电装 置。常见的有氢氧燃料电池、甲烷氧气燃料电池等。
答 案 (1) 正 极 还 原 (2) 氧 化 2H2 ＋ O2===2H2O (3)0.6
解析 (1)x 极：O2 得电子发生还原反应，所以为正极。
(2)y 极：H2 失电子发生氧化反应，所以为负极。x 极、y
极得失电子应相同，故 x 极电极方程式与 y 极电极方程式乘以
2 相加得总方程式为 2H2＋O2===2H2O。 (3)4 mol e－～2H2O
三、燃料电池 1．原理：利用原电池的工作原理将 燃料和氧化剂 反应所 放出的 化学能 直接转化为 电能 。 2．与其他电池的区别：反应物不是贮存在电池内部，而是 由外设装备提供 燃料和氧化剂 等。
思考与交流 根据电极材料是否参加反应，可将化学电池 分成哪些基本类型？
提示 1.活泼金属作负极，被腐蚀或消耗，发生氧化反应， 如：Cu－Zn 原电池。
③在不同的电解质溶液中，同一电极上发生反应的电极方 程式不同。在碱性环境中，不能存在大量 H＋；在酸性溶液中， 不能存在大量 OH－，这是书写电极反应式时应注意的。
典例剖析
一 二次电池
【例 1】 化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛
的应用。
(1)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应可以表示
为
Cd＋2NiO(OH)＋ 2H2O
放电 充电
2Ni(OH)2＋ Cd(OH)2。已知
Ni(OH)2 和 Cd(OH)2 均难溶于水但能溶于酸，以下说法中正确 的是( )
①放电时 NiO(OH)作负极 ②充电时 Cd(OH)2 发生还原 反应 ③充电时化学能转变为电能 ④放电时化学能转变为电
能
A．①③
A．PbO2 是电池的负极 B．负极的电极反应：Pb＋SO24－－2e－===PbSO4 C．PbO2 得电子被氧化 D．电池放电时，溶液的酸性增强
答案 B
解析 铅蓄电池放电时，Pb 为负极，电极反应：Pb＋SO24－ －2e－===PbSO4，A 错误，B 正确；PbO2 为正极，得电子发生 还原反应，C 错误；因放电过程中消耗 H＋，故溶液的酸性减弱， D 错误。
[解析] 由题意可知，氢氧燃料电池的反应产物是
[答案] (1)向左
(2)2H2O＋O2＋4e－===4OH－ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
2H2＋O2===2H2O
(3)
①
CH4
＋
H2O
催化剂 =高==温==
CO
＋
3H2
②
CO
＋
H2O
催化剂 =高==温==
CO2＋H2
[点评] 解燃料电池习题的一般分析步骤是：①要根据化 学方程式分析化合价的升高和降低，找出被氧化的物质和被还 原的物质；②根据原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反 应，对应找出负极反应物和正极反应物；③根据化合价升高和 降低分析失电子数目和得电子数目，写出电极反应。在书写电 极反应式时必须考虑电解质溶液的成分。
二、充电电池 充电电池又称 二次电池 ，它在放电时所进行的氧化还原反 应，在充电时可以逆向 进行，使电池恢复到放电前的状态。
1．铅蓄电池：正负极极 电解质
Pb
PbO2 硫酸
负极 Cd 2．镍镉电池：正极 NiOOH
电解质 KOH
3．锂离子电池：新一代可充电的绿色 电池，低功耗电器的 主流电源。
1．氢氧燃料电池 氢氧燃料电池的电池总反应： 2H2＋O2===2H2O (1)电解质溶液为盐酸时： 负极：2H2－4e－===4H＋ pH变小 正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O pH变大 总的溶液被稀释，pH 变大。
(2)电解质溶液为 KOH 溶液时： 负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O pH变小 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ pH变大 总的溶液被稀释，pH 变小。
电池总反应式：
Cd＋2NiO(OH)＋2H2O
放电 充电
Cd(OH)2↓＋2Ni(OH)2↓
3．镍氢电池：
负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O 正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2NiOH2H2
放电 充电
2Ni(OH)2
4．锂电池：锂电池是新一代可充电的绿色电池。用金属锂
B．②④
C．①④
D．②③
(2)废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物，有资料表明 一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。在 酸性土壤中这种污染尤为严重，这是因为__________________。
(3)下面是废弃镍镉电池中的重金属渗入水体后，进入人体 的一条途径： A ―→ B ―→ C ―→ D ―→ 人
(2)写出氢氧燃料电池工作时电极反应式和总反应的化学 方程式。
正极：___________________________________________。 负极：____________________________________________。 电池总反应式：___________________________________。
特别提示 ①燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于 反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地 提供燃料和氧化剂等，使反应能连续进行。
②燃料电池的电极材料一般为活化电极，具有很强的催化 活性，如铂电极、活性炭电极，两电极材料相同，差别在于两 电极所通入的气体的性质：一种是还原性气体，一种是氧化性 气体；还原性气体使电极的电势降低。
电池总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO4
放电 充电
2PbSO4＋2H2O
2．镍镉电池 (1)组成正负极极材材料料：：NCidOOH
电解质溶液：KOHaq (2)电极反应： 负极：Cd－2e－＋2OH－===CdOH2↓ 正极：2NiOOH＋2e－＋2H2O===2NiOH2↓＋2OH－
4 mol
2×18 g
n(e－)
5.4 g
n(e－)＝0.6 mol。
2．两极都参加反应，如铅蓄电池。 3．两电极均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引 入到两极上的物质发生反应，如燃料电池，燃料电池的电解质 溶液常是碱性试剂，如 KOH 溶液。
课堂深化探究
解疑释难 重点突破
一、充电电池的种类及工作原理 1．铅蓄电池——蓄电池 铅蓄电池是用硬胶或透明塑料制成方形外壳，在正极板上 有一层棕褐色的 PbO2，负极板是海绵状的金属铅，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。此种电 池可放电也可充电，又称二次电池，二次电池由于可以多次的 充电和放电(在充电时可逆向进行)。能量转化形式：①放电时， 化学能转化为电能；②充电时，电能转化为化学能。
电极反应放电时：
负极Pb：Pb＋SO24－－2e－===PbSO4 正=极==PPbbOS2O：4＋P2bHO22O＋4H＋＋SO24－＋2e－ 电解质溶液：H2SO4溶液
电极反应(充电时)：
阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO24－ 阳极：PbSO4＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－
第 2 课时 发展中的化学电源
课前新知初探
基础梳理 自主落实
课前自主学习 一、干电池 1．最早使用的化学电池 最早使用的化学电池是 锌锰电池 ，负极是 锌，正极是 石墨棒 ，糊状填充物是MnO2 和 NH4Cl 糊 。此类锰电池是一 次性电池的原因是 内部的氧化还原反应不可逆 。
2．碱性锌锰电池：为了延长电池寿命和提高其性能，人们 将电池内的电解质 NH4Cl 换成湿的 KOH，并在构造上作了改 造，制成了碱性锌锰电池。