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化学电源_百度文库

归档日期:07-09       文本归类:化学电池      文章编辑:爱尚语录

  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。 2+ 电极反应为:负极 Zn-2 e =Zn 正极 2 NH+ 4 +2 e =2NH3+H2 H2+2MnO2=Mn2O3+H2O 2+ 2+ 正极产生的 NH3 又和 ZnCl2 作用:Zn +4NH3=[Zn NH3 4] 干电池的总反应式:Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn NH3 2 Cl2+Mn2O3+H2O 或 2Zn+4NH4Cl+2MnO2=[Zn NH3 2]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?5 V —1?6 V。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 3 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 1 25—1 28 g / cm 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+ SO24 -2e =PbSO4↓ 正极:PbO2+4H + SO24 +2e =PbSO4↓+2H2O 铅蓄电池的电压正常情况下保持 2 0 V,当电压下降到 1 85 V 时,即当放电进行到硫 3 酸浓度降低,溶液密度达 1 18 g / cm 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 + SO24 阴极:PbSO4+2e =Pb+ SO24 当密度增加至 1 28 g / cm 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+2H2SO4 放电 充电 3 + + 2PbSO4↓+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 =Zn OH 2 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:Zn OH 2+2e =Zn+2OH 总反应式:Zn+Ag2O+H2O 放电 充电 Zn OH 2+2Ag 一粒钮扣电池的电压达 1?59 V,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 H2 2H 2H+2OH -2e =2H2O 正极 O2+2H2O+4 e?=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+10 OH -8e = CO23 +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 56 7℃—71 1℃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。 3+ 电极反应式为:负极反应:Al-3 e =Al , - 正极反应:2H2O+O2+4 e =4OH 。 电池总反应式为:4Al+3O2+6H2O=4Al OH 3 7.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。 2+ 电极反应式为:负极反应:Zn-2e =Zn 正极反应:Br2+2e =2Br 电池总反应式为:Zn+Br2=ZnBr2 板书设计: 第二节 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 化学电源

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