第二节 化学电源
目标与素养:1.了解常见化学电源的种类、工作原理及应用。(变化观念与社会责任)2.掌握一次电池、二次电池和燃料电池的反应原理,会书写电极反应式。(科学探究与模型认知)
一、化学电池的分类与优劣
1.化学电池的分类及其特点
2.化学电池的优点
具有能量转换效率高,供能稳定可靠,使用方便,易于维护等优点。
3.判断电池优劣的主要标准
(1)比能量:单位质量或单位体积所能输出电能的多少。
(2)比功率:单位质量或单位体积所能输出功率的大小。
(3)电池的可储存时间的长短。
二、化学电源的分类及工作原理
1.一次电池(以碱性锌锰电池为例)
(1)组成。正极:MnO2;负极:Zn;电解质:KOH。
(2)工作原理
负极反应:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
正极反应:2MnO2+2e-+2H2O===2MnOOH+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
(3)特点:碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好,它的比能量和可储存时间均有提高,适用于大电流和连续放电。
2.二次电池(以铅蓄电池为例)
(1)组成
负极:Pb;正极:PbO2;电解质:H2SO4溶液。
(2)工作原理
①放电过程
负极:Pb(s)+SO2-4(aq)-2e-===PbSO4(s)(氧化反应);
正极:PbO2(s)+4H+(aq)+SO2-4(aq)+2e-===
PbSO4(s)+2H2O(l);
总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)。
②充电过程
阴极:PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO2-4(aq);
阳极:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO2-4(aq);
总反应:2PbSO4(s)+2H2O(l)===Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。
(3)铅蓄电池的优缺点
①优点:可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,在生产、生活中应用广泛。
②缺点:比能量低、笨重,废弃的电池污染环境。
3.燃料电池(以H2O2燃料电池为例)
(1)构成负极:充入H2,发生氧化反应正极:充入O2,发生还原反应电解质溶液:酸溶液或碱溶液
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 H2-2e-===2H+ H2-2e-+2OH-===2H2O
正极反应 12O2+2e-+2H+===H2O
12O2+2e-+H2O===2OH-
总反应 2H2+O2===2H2O
(3)特点
①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。
②电极材料本身不参与氧化还原反应。
③工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排除。
④能量转化率高(>80%),排放废物少。
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)废旧电池中含汞、镉、铅、镍等重金属,随意丢弃会污染环境,应对废旧电池分类回收,集中处理。 ( )
(2)二次电池的充电反应和放电反应互为可逆反应。( )
(3)燃料电池工作时负极应不断充入燃料,正极充入氧化剂如O2。( )
(4)铅蓄电池的负极反应为Pb-2e-===Pb2+。( )
[答案] (1)√ (2)× (3)√ (4)×
2.锂电池是新一代高能电池,目前已研发出多种锂电池。某种锂电池的总反应式为:Li+MnO2===LiMnO2。下列说法中正确的是( )
A.Li是正极,MnO2是负极
B.放电时负极的反应:Li-e-===Li+
C.放电时正极的反应:MnO-2+e-===MnO2
D.电池放电时,产生高锰酸根离子
[答案] B
3.已知锌银电池的总反应为
Zn+Ag2O+H2O=====KOH溶液Zn(OH)2+2Ag,请写出电极反应式:
负极:________________________________________________,
正极:_______________________________________________。
[答案] Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-
二次电池的工作原理
1.放电、充电反应及充电连接
2.二次电池放电原理
模型认知:二次电池电极反应书写的一般模式
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物:根据负极氧化、正极还原,明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物:根据介质环境和共存原则,找出参与的介质粒子,确定最终产物。
(4)配平:根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意:①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境结合H2O,生成OH