1.2化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電池課件高二上學(xué)期化學(xué)選擇性必修1

化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池

第一課時(shí)

原電池的工作原理1.原電池的概念：將_______能轉(zhuǎn)化為_______能的裝置。2.構(gòu)成原電池的條件：（1）自發(fā)進(jìn)行的______________反應(yīng)。（2）電極__________和電極__________。（3）__________導(dǎo)體和__________導(dǎo)體。化學(xué)電氧化還原材料反應(yīng)物電子離子汽車等機(jī)動(dòng)車往往需要配備電池，人造衛(wèi)星、宇宙飛船等必須攜帶電池，人們?cè)谌粘Ｉ钪幸步?jīng)常要使用電池……這些足以說(shuō)明電池的重要作用?，F(xiàn)在，為滿足人們生產(chǎn)和生活水平不斷提高的需要，性能優(yōu)異的新型電池相繼出現(xiàn)，如鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。那么，電池究竟是一種什么樣的裝置？他們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，裝置中發(fā)生了什么變化？一.原電池的工作原理活動(dòng)探究探秘銅鋅原電池預(yù)測(cè):你認(rèn)為圖1—2—2所示裝置是否能夠構(gòu)成原電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？請(qǐng)說(shuō)明理由。

鹽橋鹽橋中通常裝有瓊脂凝膠，內(nèi)含氯化鉀或硝酸銨。鹽橋中的離子能夠定向移動(dòng)。通過鹽橋可將兩個(gè)相互隔離的電解質(zhì)溶液連接起來(lái)，傳導(dǎo)電流。銅片、鋅片、1mol·L-1CuSO4溶液、1mol·L-1ZnSO4溶液燒杯、導(dǎo)線、鹽橋、檢流計(jì)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施1.按裝置(a)，完成實(shí)驗(yàn)并回答下列問題：有關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是①鋅片______，銅片______，CuSO4溶液顏色___________；實(shí)驗(yàn)用品溶解加厚變亮變淺②電流表的指針___________，裝置中的能量變化是______________________。該裝置稱作原電池。2.按裝置（b），完成實(shí)驗(yàn)，并回答下列問題：(1)實(shí)驗(yàn)過程中，能觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是①鋅片___________，銅片_________；②電流表指針_________；③CuSO4溶液的顏色__________________。發(fā)生偏轉(zhuǎn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能溶解加厚變亮發(fā)生偏轉(zhuǎn)變淺實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)裝置編號(hào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象ab鋅片溶解，質(zhì)量減輕；銅片加厚變亮，硫酸銅溶液顏色變淺，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。未插鹽橋，無(wú)明顯現(xiàn)象；插入鹽橋，鋅片溶解，銅片加厚變亮，硫酸銅溶液顏色變淺，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論兩套裝置，檢流計(jì)指針均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明均有電流產(chǎn)生，即發(fā)生了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，都形成了原電池。1.分析（a）（b）兩個(gè)原電池各部分的作用，確定其電極反應(yīng)物、電極材料和離子導(dǎo)體。2.分析（a）（b）兩個(gè)原電池的工作原理，寫出電極反應(yīng)式。3.分析（a）（b）兩個(gè)原電池，說(shuō)明各自的優(yōu)缺點(diǎn)。電極反應(yīng)物電極材料離子導(dǎo)體負(fù)極：Zn、正極：CuCuSO4溶液ZnSO4溶液、鹽橋負(fù)極：Zn、正極：CuSO4負(fù)極：Zn、正極：CuSO4負(fù)極：Zn、正極：CuCuSO4溶液兩個(gè)原電池的工作原理及電極反應(yīng)式。負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+正極：Cu2++2e-=Cu正極：Cu2++2e-=Cu總反應(yīng)：Zn+Cu2+=Zn2++Cu總反應(yīng)：Zn+Cu2+=Zn2++Cu思考交流若用溫度計(jì)測(cè)量溶液的溫度，發(fā)現(xiàn)（a）裝置溶液的溫度略有升高，而（b）裝置溶液的溫度不變，試分析原因是什么？對(duì)比兩個(gè)原電池異同電子流動(dòng)電路離子移動(dòng)電路電子流動(dòng)電路離子移動(dòng)電路單液電池雙液電池相同點(diǎn)：氧化還原反應(yīng)原理；兩個(gè)電極及電極反應(yīng)；都能產(chǎn)生電流；外電路均是電子的定向移動(dòng)，內(nèi)電路均是離子的定向移動(dòng)。不同點(diǎn)：?jiǎn)我弘姵豘n和Cu2+直接接觸，兩個(gè)半反應(yīng)在同一區(qū)域進(jìn)行，能量轉(zhuǎn)化率低，電流強(qiáng)度弱不穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間短。雙液電池Zn和Cu2+不直接接觸，兩個(gè)半反應(yīng)在不同區(qū)域進(jìn)行，能量轉(zhuǎn)化率高，電流強(qiáng)度大穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。歸納總結(jié)原電池的工作原理分析Zn+Cu2+=Zn2++CuZn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=Cu失電子氧化反應(yīng)得電子還原反應(yīng)電池反應(yīng)氧化還原反應(yīng)陰離子流向陽(yáng)離子移向負(fù)極正極導(dǎo)線電極反應(yīng)式

電極反應(yīng)（半反應(yīng)）離子導(dǎo)體電子流出電子流入ZnCu

在原電池中，氧化還原反應(yīng)是在兩個(gè)電極上分別進(jìn)行的。每個(gè)電極上或是發(fā)生失去電子的變化，或是發(fā)生獲得電子的變化，分別相當(dāng)于氧化還原反應(yīng)的一半，這種反應(yīng)稱為半反應(yīng)。電極反應(yīng)可以表示電極上物質(zhì)的變化情況以及電子的轉(zhuǎn)移情況的式子。半反應(yīng)在電極上進(jìn)行的半反應(yīng)。電極反應(yīng)式電池反應(yīng)原電池的兩個(gè)電極反應(yīng)組成電池的總反應(yīng)。原電池原理是將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開進(jìn)行，還原劑在負(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過導(dǎo)線流向正極，氧化劑在正極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。正極得電子數(shù)目=負(fù)極失電子數(shù)目銅鋅原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的銅鋅原電池中，鋅片上和ZnSO4溶液中都存在Zn2+。在鋅片和溶液的接觸面上，水分子與金屬表面的Zn2+相互吸引,發(fā)生水合作用，使部分Zn”離開鋅片進(jìn)入溶液：溶液中的Zn2+也可以沉積到鋅片的表面：發(fā)生前一過程的趨勢(shì)大于后一過程，并且鋅片上的電子不能自由進(jìn)入溶液，這就使鋅片帶有負(fù)電荷。鋅片表面上的電子與溶液中的Zn”因異性電荷的吸引作用分別在金屬-水界面的兩側(cè)聚積，最終在鋅片和ZnS0溶液的界面處達(dá)到溶解與沉積的平衡狀態(tài)：此時(shí)，由于鋅片與溶液的界面兩側(cè)電荷不均等，便產(chǎn)生了電勢(shì)差。類似地，銅片和CuSO4溶液的界面處也存在Cu2+與Cu的溶解與沉積平衡狀態(tài)。銅原子和鋅原子失電子的能力不同，因此銅電極和鋅電極的溶解-沉積平衡狀態(tài)不一樣，兩個(gè)金屬單質(zhì)電極材料與其溶液之間的電勢(shì)差不相等。鋅原子比銅原子容易失電子，在鋅電極的鋅片表面上積累的電子比在銅電極的銅片表面上積累的電子多，因此將兩極接通構(gòu)成回路時(shí)電子由鋅片流向銅片。電子的移動(dòng)破壞了兩極的溶解-沉積平衡，鋅極的平衡由于電子移走而向Zn2+溶解的方向移動(dòng)，銅極的平衡由于電子移入而向Cu沉積的方向移動(dòng)，結(jié)果使電子能夠持續(xù)流動(dòng)形成電流。1.簡(jiǎn)單原電池電極方程式的寫法判斷右邊原電池的正、負(fù)極，并寫出電極反應(yīng)式。

先寫出總反應(yīng)：Cu+2FeCl3=

CuCl2+2FeCl2CuCFeCl3溶液拆成離子方程式：Cu

+

2Fe3＋=

Cu2＋+

2Fe2＋根據(jù)化合價(jià)升降判斷正負(fù)極負(fù)極：Cu

-

2e-=

Cu2+正極：2Fe3++

2e-=

2Fe2+2.簡(jiǎn)單鹽橋原電池設(shè)計(jì)鹽橋CuCCuCl2溶液FeCl3溶液

G

將反應(yīng)Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2

設(shè)計(jì)成雙液鹽橋電池根據(jù)氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移判斷電極反應(yīng)根據(jù)電極反應(yīng)確定合適的電極材料和電解質(zhì)溶液負(fù)極：Cu

-

2e-=

Cu2+正極：2Fe3++

2e-=

2Fe2+如圖所示的原電池裝置,X、Y為兩電極,電解質(zhì)溶液為稀硫酸,外電路中的電子流向如圖所示,對(duì)此裝置的下列說(shuō)法正確的是(

)A.外電路的電流方向?yàn)?X→外電路→YB.若兩電極分別為Zn和石墨棒,則X為石墨棒,Y為ZnC.若兩電極都是金屬,則它們的活動(dòng)性為X>YD.X極上發(fā)生的是還原反應(yīng),Y極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)【解析】由圖可知,電子的流動(dòng)方向是X→外電路→Y,則電流的方向就為Y→外電路→X;X為原電池的負(fù)極,Y為正極,X的活動(dòng)性比Y的強(qiáng);X極應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng),Y極應(yīng)發(fā)生還原反應(yīng)。1.原電池電極(正極、負(fù)極)的判斷依據(jù)有多種。試填寫下表：原電池正負(fù)極判斷依據(jù)判斷依據(jù)正極負(fù)極電極材料________________________________電子流向__________________電極反應(yīng)__________________電極現(xiàn)象____________________________離子移向陽(yáng)離子移向陰離子移向判斷依據(jù)正極負(fù)極電極材料________________________________電子流向__________________電極反應(yīng)__________________電極現(xiàn)象____________________________離子移向陽(yáng)離子移向陰離子移向電極減輕不活潑金屬或非金屬導(dǎo)體活潑金屬電子流入電子流出還原反應(yīng)氧化反應(yīng)電極增重或產(chǎn)生氣體2.有一紐扣電池，其電極分別為Zn和Ag2O，以KOH溶液為電解質(zhì)溶液，電池的總反應(yīng)為Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。(1)Zn發(fā)生____反應(yīng)，是___極，電極反應(yīng)式是________________________。(2)Ag2O發(fā)生______反應(yīng)，是___極，電極反應(yīng)式是____________________

。Zn＋2OH－2e－===Zn(OH)2Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－氧化負(fù)還原正已知總反應(yīng)式，書寫電極反應(yīng)式(1)分析化合價(jià)，確定正極、負(fù)極的反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物。(2)在電極反應(yīng)式的左邊寫出得失電子數(shù)，使得失電子守恒。(3)根據(jù)質(zhì)量守恒配平電極反應(yīng)式。(4)復(fù)雜電極反應(yīng)式＝總反應(yīng)式－簡(jiǎn)單的電極反應(yīng)式。原電池正極負(fù)極離子導(dǎo)體電子沿導(dǎo)線傳遞產(chǎn)生電流陰離子移向陽(yáng)離子移向?yàn)榛顫娊饘偾也粩嗳芙鉃椴换顫娊饘倩驅(qū)щ姺墙饘侔l(fā)生氧化反應(yīng)發(fā)生還原反應(yīng)第二課時(shí)化學(xué)電源生活中的化學(xué)電源化學(xué)電源:將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置化學(xué)電源的分類1.鋅錳干電池—+電池材料工作原理特點(diǎn)Zn+2OH--2e-=Zn(OH)22MnO2+2+2e-=2NH3+H2O+Mn2O3負(fù)極：鋅筒

正極：石墨

電解質(zhì)溶液：氯化銨和氯化鋅電池材料工作原理特點(diǎn)Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOHPb+SO42--2e-=PbSO4

PbO2+4H++SO42-+2e-=2PbSO4+2H2O負(fù)極：Pb正極：PO2電解質(zhì)溶液：H2SO4負(fù)極：正極：總反應(yīng)：

Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O放電充電2.鉛蓄電池其他常見可充電電池3.燃料電池電極反應(yīng)物：負(fù)極——燃料正極——氧化劑（氧氣）離子導(dǎo)體：酸、堿、鹽電解質(zhì)溶液，熔融碳酸鹽，固體電解質(zhì)，質(zhì)子交換膜等制作一個(gè)簡(jiǎn)單的燃料電池實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪盟o試劑和儀器設(shè)計(jì)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過該裝置將下列反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。2H2+O2=2H2O實(shí)驗(yàn)用品：KOH溶液，稀硫酸，K2SO4溶液、石墨棒、U形管、橡膠塞、導(dǎo)線、電流表、電源。思考：1.設(shè)計(jì)電池的基本思路是什么？2.氫氧燃料電池中，正負(fù)極反應(yīng)物是什么？如何獲得這些反應(yīng)物？3.哪些物質(zhì)可以用作氫氧燃料電池的電極材料？哪些物質(zhì)可以用作氫氧燃料電池的離子導(dǎo)體？石墨KOH溶液，稀硫酸，K2SO4實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)思路及依據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象選擇實(shí)驗(yàn)用品選擇實(shí)驗(yàn)用品目的獲得氫氣和氧氣制作氫氧燃料電池稀硫酸(或K2SO4溶液)、石墨棒、U形管、橡膠塞、導(dǎo)線、電源稀硫酸(或K2SO4溶液)作離子導(dǎo)體增強(qiáng)導(dǎo)電性；石墨棒做電極；U形管、橡膠塞電解反應(yīng)裝置；導(dǎo)線做電子導(dǎo)體；電源提供電能。稀硫酸(或KOH溶液)、石墨棒、U形管、橡膠塞、導(dǎo)線、電流表稀硫酸(或KOH溶液)作離子導(dǎo)體；石墨棒做電極材料；U形管、橡膠塞電池反應(yīng)裝置；導(dǎo)線做電子導(dǎo)體；電流表檢測(cè)電流。石墨棒周圍有氣泡產(chǎn)生電流表指針偏轉(zhuǎn)討論：1.嘗試分析你設(shè)計(jì)你設(shè)計(jì)的氫氧燃料電池的工作原理，寫出電極反應(yīng)式。2.若選擇不同的電解質(zhì)溶液（離子導(dǎo)體），對(duì)于電極反應(yīng)式有哪些應(yīng)影響？3.你認(rèn)為還可以從哪些方面來(lái)改進(jìn)所設(shè)計(jì)的原電池？燃料電池工作原理除了氫氣外，甲烷、甲醇和乙醇等也可以用作燃料電池的負(fù)極反應(yīng)物。氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，它可以使用不同的電解質(zhì)如KOH溶液、H3PO4

溶液、熔融碳酸鹽、固體電解質(zhì)或質(zhì)子交換膜等作為離子導(dǎo)體。例如，當(dāng)以KOH溶液作為離子導(dǎo)體時(shí)氫氧燃料電池的電極反應(yīng)為:堿性氫氧燃料電池（離子導(dǎo)體KOH溶液）：負(fù)極：

正極：

電池反應(yīng)：酸性和堿性氫氧燃料電池中，反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后電解質(zhì)溶液的pH分別如何變化？堿性氫氧燃料電池中pH變小，酸性氫氧燃料電池中pH變大。氫氧燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物只有水，不產(chǎn)生污染，因而備受青睞。氫氧燃料電池應(yīng)用在載人航天器上，產(chǎn)生的水還可以供航天員飲用。近年來(lái)氫燃料電池汽車發(fā)展迅速，2022年北京冬奧會(huì)大規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)我國(guó)自主研發(fā)的氫燃料電池汽車，助推綠色發(fā)展。燃料電池具有能量利用效率高、可連續(xù)使用和污染輕等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種發(fā)展前景十分廣闊的化學(xué)電源。氫氧燃料電池中的電極反應(yīng)氫氧燃料電池的負(fù)極上發(fā)生的是氫氣被氧化為H”的反應(yīng)。如果該反應(yīng)是在堿性條件下進(jìn)行的，生成的H”瞬間即與溶液中大量存在的OH結(jié)合生成水，因此實(shí)際發(fā)生的電極反應(yīng)為:如果反應(yīng)是在酸性條件或中性條件下進(jìn)行的，則電極反應(yīng)為:類似地，在氫氧燃料電池的正極，氧氣中的氧元素被還原為-2價(jià)。通常情況下2價(jià)的氧元素只能存在于水分子和OH中，因此，如果是酸性條件，電極反應(yīng)為如果為中性或堿性條件，則電極反應(yīng)為由此可見，在書寫電極反應(yīng)時(shí)，除了應(yīng)該考慮反應(yīng)前后有電子轉(zhuǎn)移的元素的原子得失電子的情況外，還必須考慮這些元素的原子得失電子后形成的產(chǎn)物在溶液中的主要存在形式。1.寫出下列原電池裝置中各部分的作用并分析其電極反應(yīng)和離子移動(dòng)方向。2.在如圖所示裝置中，一段時(shí)間后，銀片質(zhì)量會(huì)增加，請(qǐng)分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因:________________________________________3.紐扣電池的兩極材料分別是鋅和氧化銀，離子導(dǎo)體是KOH溶液。放電時(shí)兩個(gè)電極的電極反應(yīng)分別為:下列說(shuō)法中，正確的是()A.鋅是負(fù)極反應(yīng)物，氧化銀是正極反應(yīng)物B.鋅發(fā)生還原反應(yīng)，氧化銀發(fā)生氧化反應(yīng)C.溶液中OH-

向正極移動(dòng)，K+、H+

向負(fù)極移動(dòng)D.在電池放電過程中，電解質(zhì)溶液的酸堿性