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人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第二节 化学电源背景图ppt课件
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这是一份人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第二节 化学电源背景图ppt课件，共38页。PPT课件主要包含了废旧电池的回收利用等内容，欢迎下载使用。
第一节 化学反应与能量变化
第二课时 化学反应与电能（化学电源）
学习目标1、了解干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2、能正确书写简单化学电源的电极反应式。核心素养1、创新意识：利用原电池原理能设计原电池。32、宏观辨识与微观探析：会分析物质化学变化中的能量变化与物质微观结构的关系。
总反应Zn+2MnO2 + 2NH4Cl =ZnCl2+Mn2O3+2NH3↑+H2O
一次电池放电后不可再充电一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池
负极：Zn-2e-=Zn2+
0 +4 +2 +3
优点：制作简单，便于携带，价格便宜；缺点：放电时间短，电压下降快；容易漏液（锌外壳变薄）糊状NH4Cl显酸性）
Zn—MnO2 —NH4Cl
氯化锌：用于电解液中主要作用有：减缓锌片腐蚀,保持电解液中的水分,破坏淀粉的链状结构,加快电解液的糊化速度,减少正极电芯在放电过程中pH值的提高.
电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
负极：Zn + 2OH– – 2e– =Zn(OH)2
正极：2MnO2 + 2H2O +2e– = 2MnOOH + 2OH–
锌粉取代锌筒，KOH取代NH4Cl，增大接触面积加快反应速率，减少电池内阻，电流大电压高寿命长
0 +4 +3 +2
Zn—MnO2 —KOH
微型银—锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O + Zn + H2O = 2Ag + Zn(OH)2，下列说法正确的是A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低B．电池工作过程中，电解液中OH-向正极迁移C．负极发生反应Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2D．正极发生反应Ag2O + 2H+ + 2e- = 2Ag + H2O
（ ）
总反应未消耗KOH，但是耗水，所以C增大
二、二次电池（充电电池）
充电电池又称二次电池，放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。
电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
铅酸蓄电池的电极反应物和放电后的产物，均以固体的形式附着在电极材料表面，充、放电时可以互相转化，实现电池的重复使用。
优点：电流稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉缺点：单位质量输出的电能少（比能量低），废弃电池污染环境
Pb—PbO2—H2SO4
4．如图是铅蓄电池构造示意图，下列说法错误的是( )A．铅蓄电池充电时电能转化为化学能B．电池放电时，电子由Pb板通过导线流向PbO2板C．电池放电时，H＋移向PbO2板D．负极反应：Pb ＋ 2e- ＋ = PbSO4
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
MH-e- +OH-=M+H2O
MH—NiO(OH)—KOH溶液
NiO(OH)+e- =NiO+OH-
Cd—NiO(OH)——KOH
体积小，便于携带。可重复使用500次以上。寿命比铅蓄电池长。
广泛用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。
2NiO(OH) + 2H2O + Cd 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2
请同学们写出电极反应式
1958年10月5日，瑞典的一家医院中，医生为心脏病病人植入了世界上首例埋藏式心脏起搏器，该病人幸运地依赖起搏器使他的生命延续了42年，终年83岁，一生共消耗25台心脏起搏器。
心脏起搏器的电源应该具备什么特点？
体积小、质量轻、比能量高
金属Li 作为电极材料时注意事项
性质：还原性强，易与水、氧气反应注意事项：使用非水体系电解液，密封保存隔绝空气
锂是密度最小的金属，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。
锂离子电池工作原理示意图
电池总反应：LixCy + Li1-xCO2 = LiCO2 + Cy
负极：LixCy - xe- = xLi+ + Cy
正极：Li1-xCO2 + xLi+ + xe- = LiCO2
石油焦炭和石墨作负极材料无毒，且资源充足，锂嵌入碳中（Li看作0价），克服了锂的高活性
优点：能量密度大，没有记忆效应。循环性能优越、可快速充放电。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。缺点：价格较昂贵。
用途：广泛用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子设备。
特斯拉汽车所用 松下18650锂离子电池
5．一种新型的锂-空气电池的工作原理如图所示。关于该电池的说法中正确的是
A．当有22.4LO2被还原时，溶液中有4ml Li+向多孔碳电极移动B．可将有机电解液改为水溶液C．金属锂作正极，发生氧化反应D．电池总反应为4Li+O2+2H2O=4LiOH
电池中含有大量的重金属如锌、铅、镉、汞、锰等。据专家测试，一节一号电池烂在地里，能使１万平方米的土壤永久失去利用价值；一粒纽扣电池可使600吨水无法饮用，相当于一个人一生的饮水量。
利用原电池的工作原理，燃料和氧化剂分别放在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能。
反应物不储存在电池内部，由外设设备提供燃料和氧化剂。
高效(能量转化率可以达到80%以上), 环境友好。
— +
负极：2H2 - 4e- = 4H+
正极：O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O
总反应：2H2 + O2 = 2H2O
负极：2H2 - 4e- +4OH-= 4H2O
正极：O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-
总: 2H2＋O2＝2H2O
MCFC型燃料电池（可同时供应电和水蒸气）
其工作温度为600℃－700℃
燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3
+: O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32-
-: 2H2 - 4e- + 2CO32- = 2CO2 + 2H2O
以固体氧化锆—氧化钇为电解质这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过
+: O2 + 4e- = 2O2-
-: 2H2 - 4e- + 2O2- = 2H2O
总：2H2 + O2 = 2H2O
O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O
O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-
O2 + 4e- + 2CO2 == 2CO32-
O2 + 4e- == 2O2-
总反应 正极反应 负极
以铂作电极,两极分别通入甲烷、氧气
(1)已知酸性条件下①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式为 。
CH4＋2O2=CO2＋2H2O
O2＋4H＋＋4e－= 2H2O
(2)已知碱性条件下①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式： 。
CH4＋10OH－－8e－ = CO32-＋7H2O
CH4＋2O2＋2OH－=CO32-＋3H2O
O2＋2H2O＋4e－=4OH－
CH4－8e－＋2H2O = CO2＋8H＋
P40补充常见车用能源电池
(3)在固体电解质(高温下能传导O2－)中
①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式： 。
O2＋4e－ = 2O2－
CH4＋4O2--8e- = CO2＋2H2O
①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式为 。
O2＋2CO2＋4e－=2CO32-
CH4＋4CO32-－8e－ = 5CO2＋2H2O
(4)在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
科学家已开发出一种新型燃料电池一固体氧化物电池，该电池用辛烷（C8H18）作燃料，电池中间部分的固体氧化物陶瓷可传递氧离子。下列说法正确的是（ ）
C8H18+ O2=8CO2+9H2O
1、书写甲醇(CH3OH)燃料电池的酸性、碱性环境下的电极反应式
总反应：2CH3OH ＋ 3O2 ＝ 2CO2 ＋ 4H2O正极：3O2 ＋ 12e—＋12H+ ＝ 6H2O负极：2CH3OH － 12e— ＋2H2O ＝ 12H+ ＋ 2CO2
总反应：2CH3OH ＋ 3O2 ＋4OH-＝ 2CO32-＋ 6H2O正极：3O2 ＋ 12e—＋6H2O ＝ 12OH-负极：2CH3OH － 12e— ＋16OH- ＝ 2CO32-＋ 12H2O
-2 0 +4
-2 0 +4
2、乙醇燃料电池，酸作电解质总反应：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O正：3O2+12H++12e-= 6H2O负：C2H5OH+ 3H2O - 12e-=2CO2+ 12H+ 乙醇燃料电池，碱溶作电解质总反应：C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O正：3O2+12e-+6H2O=12OH-负：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O
-2 0 +4
-2 0 +4
3、如图为肼燃料电池示意图，请写出正、负极电极反应式及总反应式
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－负极：N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
4、（2020年江苏）HCOOH燃料电池。研究 HCOOH燃料电池性能的装置，两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。
HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3ˉ+H2O
①电池负极电极反应式
P39科学·技术·社会
发展中的燃料电池 燃料电池是一种将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有清洁、安全、高效等特点。燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。当以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低。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，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用。 燃料电池的供电量易于调节，能适应用电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领城有广阔的应用前景。
电池研发人员 电池研发与生产、生活和军事等领域的发展密切相关。电池研发人员的工作包括电池构成材料的研制、电池性能的改进和应用的拓展等。以燃料电池为例，研发中需要研究电极、电解质等电池基本构成材料的性质和材料之间的相容性；研究不同类型的电池构成材料在不同用途时对温度、湿度等环境因素的适应性；还要研究使用什么样的电池材料使电池的容量更大；等等。这些研究工作关系着电池的效率、寿命、安全性、适用性和制造成本。在许多科研机构和生产企业中，都有具备着扎实的化学基础的研究人员从事电池研发工作。
（可充电电池、蓄电池）
练习1、锌－空气电池(如图所示)适宜用作城市电动车的动力电源，该电池放电时Zn转化为ZnO。则该电池工作时，下列说法正确的是（双选）( )
A．Zn电极是该电池的正极B．Zn电极的电极反应式为Zn＋H2O－2e－===ZnO＋2H＋C．OH－向Zn电极移动D．氧气在石墨电极上发生还原反应
2Zn－4e－===2Zn2＋
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
3、电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如下，完成填空： (1)O2在电极b上发生_____反应； (2)溶液中OH-向电极___移动； (3)反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为____； (4)正极反应式为：____________________________； (5)负极反应式为：____________________________；
2NH3 - 6e- + 6OH- = N2 + 6H2O
O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-
(-) (+)
4、(北京卷节选)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：①Pt电极上发生的是________反应 (填“氧化”或“还原”)。②写出NiO电极的电极反应式：_____________________________。
NO＋O2－－2e－=NO2
第一节 化学反应与能量变化
第二课时 化学反应与电能（化学电源）
学习目标1、了解干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2、能正确书写简单化学电源的电极反应式。核心素养1、创新意识：利用原电池原理能设计原电池。32、宏观辨识与微观探析：会分析物质化学变化中的能量变化与物质微观结构的关系。
总反应Zn+2MnO2 + 2NH4Cl =ZnCl2+Mn2O3+2NH3↑+H2O
一次电池放电后不可再充电一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池
负极：Zn-2e-=Zn2+
0 +4 +2 +3
优点：制作简单，便于携带，价格便宜；缺点：放电时间短，电压下降快；容易漏液（锌外壳变薄）糊状NH4Cl显酸性）
Zn—MnO2 —NH4Cl
氯化锌：用于电解液中主要作用有：减缓锌片腐蚀,保持电解液中的水分,破坏淀粉的链状结构,加快电解液的糊化速度,减少正极电芯在放电过程中pH值的提高.
电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
负极：Zn + 2OH– – 2e– =Zn(OH)2
正极：2MnO2 + 2H2O +2e– = 2MnOOH + 2OH–
锌粉取代锌筒，KOH取代NH4Cl，增大接触面积加快反应速率，减少电池内阻，电流大电压高寿命长
0 +4 +3 +2
Zn—MnO2 —KOH
微型银—锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O + Zn + H2O = 2Ag + Zn(OH)2，下列说法正确的是A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低B．电池工作过程中，电解液中OH-向正极迁移C．负极发生反应Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2D．正极发生反应Ag2O + 2H+ + 2e- = 2Ag + H2O
（ ）
总反应未消耗KOH，但是耗水，所以C增大
二、二次电池（充电电池）
充电电池又称二次电池，放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。
电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
铅酸蓄电池的电极反应物和放电后的产物，均以固体的形式附着在电极材料表面，充、放电时可以互相转化，实现电池的重复使用。
优点：电流稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉缺点：单位质量输出的电能少（比能量低），废弃电池污染环境
Pb—PbO2—H2SO4
4．如图是铅蓄电池构造示意图，下列说法错误的是( )A．铅蓄电池充电时电能转化为化学能B．电池放电时，电子由Pb板通过导线流向PbO2板C．电池放电时，H＋移向PbO2板D．负极反应：Pb ＋ 2e- ＋ = PbSO4
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
MH-e- +OH-=M+H2O
MH—NiO(OH)—KOH溶液
NiO(OH)+e- =NiO+OH-
Cd—NiO(OH)——KOH
体积小，便于携带。可重复使用500次以上。寿命比铅蓄电池长。
广泛用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。
2NiO(OH) + 2H2O + Cd 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2
请同学们写出电极反应式
1958年10月5日，瑞典的一家医院中，医生为心脏病病人植入了世界上首例埋藏式心脏起搏器，该病人幸运地依赖起搏器使他的生命延续了42年，终年83岁，一生共消耗25台心脏起搏器。
心脏起搏器的电源应该具备什么特点？
体积小、质量轻、比能量高
金属Li 作为电极材料时注意事项
性质：还原性强，易与水、氧气反应注意事项：使用非水体系电解液，密封保存隔绝空气
锂是密度最小的金属，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。
锂离子电池工作原理示意图
电池总反应：LixCy + Li1-xCO2 = LiCO2 + Cy
负极：LixCy - xe- = xLi+ + Cy
正极：Li1-xCO2 + xLi+ + xe- = LiCO2
石油焦炭和石墨作负极材料无毒，且资源充足，锂嵌入碳中（Li看作0价），克服了锂的高活性
优点：能量密度大，没有记忆效应。循环性能优越、可快速充放电。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。缺点：价格较昂贵。
用途：广泛用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子设备。
特斯拉汽车所用 松下18650锂离子电池
5．一种新型的锂-空气电池的工作原理如图所示。关于该电池的说法中正确的是
A．当有22.4LO2被还原时，溶液中有4ml Li+向多孔碳电极移动B．可将有机电解液改为水溶液C．金属锂作正极，发生氧化反应D．电池总反应为4Li+O2+2H2O=4LiOH
电池中含有大量的重金属如锌、铅、镉、汞、锰等。据专家测试，一节一号电池烂在地里，能使１万平方米的土壤永久失去利用价值；一粒纽扣电池可使600吨水无法饮用，相当于一个人一生的饮水量。
利用原电池的工作原理，燃料和氧化剂分别放在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能。
反应物不储存在电池内部，由外设设备提供燃料和氧化剂。
高效(能量转化率可以达到80%以上), 环境友好。
— +
负极：2H2 - 4e- = 4H+
正极：O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O
总反应：2H2 + O2 = 2H2O
负极：2H2 - 4e- +4OH-= 4H2O
正极：O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-
总: 2H2＋O2＝2H2O
MCFC型燃料电池（可同时供应电和水蒸气）
其工作温度为600℃－700℃
燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3
+: O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32-
-: 2H2 - 4e- + 2CO32- = 2CO2 + 2H2O
以固体氧化锆—氧化钇为电解质这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过
+: O2 + 4e- = 2O2-
-: 2H2 - 4e- + 2O2- = 2H2O
总：2H2 + O2 = 2H2O
O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O
O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-
O2 + 4e- + 2CO2 == 2CO32-
O2 + 4e- == 2O2-
总反应 正极反应 负极
以铂作电极,两极分别通入甲烷、氧气
(1)已知酸性条件下①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式为 。
CH4＋2O2=CO2＋2H2O
O2＋4H＋＋4e－= 2H2O
(2)已知碱性条件下①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式： 。
CH4＋10OH－－8e－ = CO32-＋7H2O
CH4＋2O2＋2OH－=CO32-＋3H2O
O2＋2H2O＋4e－=4OH－
CH4－8e－＋2H2O = CO2＋8H＋
P40补充常见车用能源电池
(3)在固体电解质(高温下能传导O2－)中
①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式： 。
O2＋4e－ = 2O2－
CH4＋4O2--8e- = CO2＋2H2O
①总反应式： ； ②正极反应式： ；则负极反应式为 。
O2＋2CO2＋4e－=2CO32-
CH4＋4CO32-－8e－ = 5CO2＋2H2O
(4)在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
科学家已开发出一种新型燃料电池一固体氧化物电池，该电池用辛烷（C8H18）作燃料，电池中间部分的固体氧化物陶瓷可传递氧离子。下列说法正确的是（ ）
C8H18+ O2=8CO2+9H2O
1、书写甲醇(CH3OH)燃料电池的酸性、碱性环境下的电极反应式
总反应：2CH3OH ＋ 3O2 ＝ 2CO2 ＋ 4H2O正极：3O2 ＋ 12e—＋12H+ ＝ 6H2O负极：2CH3OH － 12e— ＋2H2O ＝ 12H+ ＋ 2CO2
总反应：2CH3OH ＋ 3O2 ＋4OH-＝ 2CO32-＋ 6H2O正极：3O2 ＋ 12e—＋6H2O ＝ 12OH-负极：2CH3OH － 12e— ＋16OH- ＝ 2CO32-＋ 12H2O
-2 0 +4
-2 0 +4
2、乙醇燃料电池，酸作电解质总反应：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O正：3O2+12H++12e-= 6H2O负：C2H5OH+ 3H2O - 12e-=2CO2+ 12H+ 乙醇燃料电池，碱溶作电解质总反应：C2H5OH+3O2+4KOH=2K2CO3+5H2O正：3O2+12e-+6H2O=12OH-负：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O
-2 0 +4
-2 0 +4
3、如图为肼燃料电池示意图，请写出正、负极电极反应式及总反应式
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－负极：N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
4、（2020年江苏）HCOOH燃料电池。研究 HCOOH燃料电池性能的装置，两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。
HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO3ˉ+H2O
①电池负极电极反应式
P39科学·技术·社会
发展中的燃料电池 燃料电池是一种将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有清洁、安全、高效等特点。燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。当以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低。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，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用。 燃料电池的供电量易于调节，能适应用电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领城有广阔的应用前景。
电池研发人员 电池研发与生产、生活和军事等领域的发展密切相关。电池研发人员的工作包括电池构成材料的研制、电池性能的改进和应用的拓展等。以燃料电池为例，研发中需要研究电极、电解质等电池基本构成材料的性质和材料之间的相容性；研究不同类型的电池构成材料在不同用途时对温度、湿度等环境因素的适应性；还要研究使用什么样的电池材料使电池的容量更大；等等。这些研究工作关系着电池的效率、寿命、安全性、适用性和制造成本。在许多科研机构和生产企业中，都有具备着扎实的化学基础的研究人员从事电池研发工作。
（可充电电池、蓄电池）
练习1、锌－空气电池(如图所示)适宜用作城市电动车的动力电源，该电池放电时Zn转化为ZnO。则该电池工作时，下列说法正确的是（双选）( )
A．Zn电极是该电池的正极B．Zn电极的电极反应式为Zn＋H2O－2e－===ZnO＋2H＋C．OH－向Zn电极移动D．氧气在石墨电极上发生还原反应
2Zn－4e－===2Zn2＋
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
3、电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如下，完成填空： (1)O2在电极b上发生_____反应； (2)溶液中OH-向电极___移动； (3)反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为____； (4)正极反应式为：____________________________； (5)负极反应式为：____________________________；
2NH3 - 6e- + 6OH- = N2 + 6H2O
O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-
(-) (+)
4、(北京卷节选)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：①Pt电极上发生的是________反应 (填“氧化”或“还原”)。②写出NiO电极的电极反应式：_____________________________。
NO＋O2－－2e－=NO2
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