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化学电源教案
化学电源
一次电池、二次电池、燃料电池的反应原理、性能及其应用。
教学目标:
知识与技能:
1、掌握常见的化学电源的分类、电极方程式
2、会判断常见化学电源的优劣。
过程与方法:
通过常见的化学电源,探究电池本质。
培养学生归纳总结的学习能力。
情感态度与价值观:
1、通过常见的化学电源的学习,认识化学电源在人类生产和生活的重要性。
2、通过常见的化学电源的优劣判断,认识环境保护在人类生产和生活的重要性。
教学难点:
化学电池的反应原理。
教学重点:
一次电池、二次电池、燃料电池的反应原理、性能及其应用。
课时安排:
1课时
教学过程:
【思考】①目前化学电池主要分为哪几个大类?
在性能等方面它们各有什么特点?
产生电能的基本原理是什么?
②化学电池与其他能源相比有哪些优点?
③判断电池的优劣标准主要是什么?
[学与问]在日常生活和学习中,你用过哪些电池,你知道电池的其它应用吗?
电池
化学电池、将化学能转换成电能的装置、
碱性锌锰电池、锌银电池、铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等。
广泛应用于通讯、交通、文化、办公及家用电子产品。
高科技、军事、生产行业也有特殊应用。
太阳能电池、将太阳能转换成电能的装置
原子能电池、将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置
本节课我们学习化学电池
1)概念:
将化学能变成电能的装置
2)分类:
①一次电池又称不可充电电池——如:
干电池
②二次电池又称充电电池——蓄电池
③燃料电池
3)优点:
①能量转换效率高,供能稳定可靠。
②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组,使用方便。
③易维护,可在各种环境下工作
4)电池优劣的判断标准:
①比能量
[符号(W·h/kg),(W·h/L)]
指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
②比功率
[符号是W/kg,W/L)]
指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小
③电池的储存时间的长短
[过渡]、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。
一、一次电池
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。
电极反应为:
负极Zn-2e-=Zn2+
正极2+2e-=2NH3+H2H2+2MnO2=Mn2O3+H2O
干电池的总反应式:
Zn+2NH4Cl+2MnO2=ZnCl2+Mn2O3+H2O+2NH3
我们在使用干电池的过程中并没有发现有气体产生,请推测可能是干电池中的什么成分起了作用?
(MnO2)
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1.5V—1.6V。
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。
优点使用方便、便宜。
缺点:
放电量小,放电过程中易气涨或漏液、寿命短、存放期短、约1.5年、不能充电。
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、碱性锌-锰干电池
电池反应:
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
[思考]该电池的正负极材料和电解质.
负极:
ZnZn+2OH--2e-=Zn(OH)2
正极:
2MnO22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
电解质:
KOH
优点:
电容量大、使用寿命长。
电流稳定,时间增大几倍,不会气涨或漏液。
缺点:
不能充电、价格高。
3.银锌钮扣电池
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-=ZnO+H2O
正极:
Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
总反应式:
Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag
优点:
体积和质量小,使用寿命较长。
一粒钮扣电池的电压达1.59V,安装在电子表里可使用两年之久。
缺点、不能充电、价格高。
4.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。
二、二次电池
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—1.28g/cm3)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+-2e-=PbSO4↓
正极:
PbO2+4H+++2e-=PbSO4↓+2H2O
铅蓄电池的电压正常情况下保持2.0V,当电压下降到1.85V时,即当放电进行到硫酸浓度降低,溶液密度达1.18g/cm3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:
接电源正极、PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++
阴极:
接电源负极、PbSO4+2e-=Pb+
当密度增加至1.28g/cm3时,应停止充电。
这种电池性能良好,价格低廉,
放电
充电
蓄电池放电和充电的总反应式:
PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4↓+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。
优点:
电压稳定、电容量大、可充电、较便宜。
缺点:
是比较笨重、防震性差、不防漏。
其它二次电池:
镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池……
3、镉镍电池
负极材料:
Cd;
正极材料:
涂有NiO2,
电解质:
KOH溶液。
放电
充电
反应式如下:
NiO2+Cd+2H2ONi(OH)2+Cd(OH)2
优点:
体积小、质量轻、使用寿命长、可充放电3000次。
缺点:
价格高。
特点:
比铅蓄电池耐用,可密封反复使用。
三、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H22H
2H+2OH--2e-=2H2O
正极O2+2H2O+4e-=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+10OH--8e-=+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。
四、废气电池的处理:
废气电池的危害及回收。
板书设计
一、电池主要分类:
化学电池、太阳能电池、原子能电池、
二、化学电池的分类:
①一次电池又称不可充电电池——如:
干电池
②二次电池又称充电电池——蓄电池
③燃料电池
三、化学电源的优劣
四、废气电池的处理:
废气电池的危害及回收。
布置作业:
课后练习。
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