选修四第四章第二节化学电源.doc

化学电源
一、教学目标：
知识与技能：了解电池的一般分类；了解常见的化学电源的种类及其原理，知道它们在生产生活和国防中的应用； 掌握几种典型化学电池的电极反应
过程和方法：学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息；结合生产、生活实际，学习常见化学电池的组成和应用，学习科学探究的基本方法，提高科学探究能力；善于与人合作，具有团队精神。
情感态度和价值观：感悟研制新型电池的重要性以及化学电源可能会引起的环境问题，初步形成较为客观、正确的能源观。
二、教学重难点：
掌握几种典型电池的用途和特点；
掌握几种典型化学电池的电极反应。
三、课时安排：三课时
四、教学过程：
第一课时
[情景导入]：在日常生活中，你用过那些电池？你知道电池的其它应用吗？
[交流结果]：干电池、蓄电池、纽扣电池、燃料电池，电池可用于照明、电动车动力、手机电源、手表电源等，那么本节课我们来学习化学电源的有关知识。
[板 书]：第二节 化学电源
[指导阅读]：阅读教材74页，思考下列问题
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？
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？
[板 书]：第二节、化学电源
1、概念：是将化学能转化为电能的装置
①、一次电池又称不可充电电池——如：干电池。
2、分类： ②、二次电池又称充电电池——蓄电池。
③、燃料电池。
①、能量转换效率高，供能稳定可靠。
3、优点： ②、可以制成各种形状和大小、不同电压的电池，使用方便。
③、易维护，可在各种环境下工作。
[看 图]：图4-2电池及其用途。面对许多原电池，我们怎样判断其优劣或适合某种需要？

①、比能量：［符号(A·h/kg)，(A·h/L)］
[板 书]：4、电池优劣的判断标准: ②、比功率：[符号是W/kg，W/L)]
③、比时间：电池的储存时间的长短
[过 渡]：展示出几种一次电池：普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、银锌电池、锂电池等，下面介绍常见化学电池的工作原理和化学电池的电极反应。
[板 书]：一、一次电池
[讲 述]：最常见的一次电池为锌锰电池。传统的锌锰干电池，其正极材料采用活性较低的天然二氧化锰，隔离物是淀粉和面粉的浆糊隔离层，电解液是以NH4Cl为主的氯化铵、氯化锌水溶液，负极是锌筒。
[板 书] ：（1）普通锌锰电池的电极反应为：
负极：Zn － 2e－ ＝ Zn2＋；
正极：2NH4＋+2e－＝ 2NH3+H2； 2MnO2+H2＝2MnO（OH）
正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+
总反应： Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝Zn(NH3)2Cl2＋Mn2O3＋H2O
或2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O
[讲 述]：传统的锌锰干电池放电性能一般较差，容量较低。碱性锌锰电池又称碱锰电池，俗称碱性电池，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，负极锌也由片状改变成粒状，增大了负极的反应面积，加之采用了高性能的电解锰粉，电性能得以很大提高。
（2）碱性锌锰电池的电极反应为：
负极（锌筒）：Zn +2OH－—2e—= Zn（OH）2；
正极（石墨）：正极：2MnO2+2H2O+2e－= 2MnOOH+2OH－
电池的总反应式为：Zn +2MnO2+2H2O= 2MnOOH+ Zn（OH）2
[讲解分析]：碱性锌锰电池比普通锌锰干电池好，比能量和储存时间有所提高，使用于大电流和连续放电，是民用电池更新换代产品。
[指导阅读]：请阅读P75的资料卡片---银锌电池，思考银锌电池的工作原理是什么？
[板 书]：2、银锌电池：

负极：Zn+2OH—-2e-=ZnO+H2O
正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
银锌电池充电和放电的总化学方程式为：Zn+Ag2O 2Ag+ ZnO
[讲解分析]：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。
优点：比能量电压稳定、储存时间长，使用于小电流和连续放电，常制成微型电池或纽扣电池等，如电子表或计算器上的电池。
[师]：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。
[典型例题]：例1、1958年世界上第一个心脏起搏器在瑞典植入人体成功，使用寿命长达10年之久．这种能源起搏器中安装了寿命最长、可靠性最高的锂—碳电池．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，现已在火箭、移动电话、笔记本电脑中广泛使用．它采用锂和石墨作电极，四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯中(SOCl2)组成电解质溶液．电池总反应为：8Li＋3SOCl2＝6LiCl＋Li2SO3＋2S．
（1）、此电池中_______作负极，电极反应为_______，_______作正极．
（2）、该电池用于心脏起搏器时，在生理上的作用是_______。
[答 案]：1、C 2、(1)锂,Li-e- =Li+,石墨.(2)起搏器遵循天然心脏的工作原理通过向心脏发送电脉冲以控制心脏的跳动。
[简单介绍]：3、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。
第二课时
[导 入]：在一次电池的基础上发展的二次电池更加的经济实用，它在放电时进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般是通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电），再由电能转变为化学能（充电）的循环。
[板 书]：二、二次电池
1、铅蓄电池
[指导阅读]：请阅读P76的图片---铅蓄电池，思考铅蓄电池的工作原理是什么？
[讲解分析] 铅蓄电池可放电亦可充电，它是用硬橡胶和透明塑料制成长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极是海棉状的金属铅，两极均浸入硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开。
[板 书]：⑴、放电的电极反应为：
负极：Pb＋－2e- ＝PbSO4↓
放电
充电
正极：PbO2＋4H+＋＋2e- ＝PbSO4↓＋2H2O
总反应式：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O
[讲解分析]：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，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达1.18 g / cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：
[板 书]：⑵、充电的电极反应：
阳极：PbSO4＋2H2O－2e- ＝PbO2＋4H+＋
阴极：PbSO4＋2e- ＝Pb＋
[讲 述]：1. 一次电池和二次电池均称为化学电源，化学电源的电极材料一般由能导电的物质组成，负极为还原性较强的物质（大多数是金属电极本身），正极为氧化性较强的物质，电解液为酸、碱和盐溶液或某些熔融盐。其他原理与原电池的原理相同。
2. 一次电池只能放电一次，一次电池内部则简单得多，它不需要调节一次电池内部的氧化还原反应之间的可逆性变化，一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池，但内阻远比二次电池大，因此负载能力较低，另外，一次电池的自放电能力远小于二次电池。
[过 渡]：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。但是比较笨重。因此出现了大有发展前景的燃料电池
[板 书]：三、燃料电池
[师]：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。
[讲 述]：1. 燃料电池与其它电池不同，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产生的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。
2. 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。
3. 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。
[板 书]：1、氢氧燃料电池（碱性）
⑴、电极反应： 负极：2H2+4OH——2e—=4H2O
正极：O2+2H2O+2e—=4OH—
⑵、电池的总反应为：2H2 + O2 = 2H2O
氢氧燃料电池（酸性）
⑴、 电极反应： 负极：2H2+4OH－－4e－==4H2O
正极：O2＋2H2O＋4e－==4OH－
⑵、电池的总反应为：2H2 + O2 = 2H2O
[讲 述]：优点：能量转化率高，达70%以上，且其燃烧的产物为水，因此不污染环境。
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：
[板 书]：2、甲烷(燃料)和氧气(氧化剂)燃料电池：
负极：CH4＋10OH－－8e- ＝＋7H2O；
正极：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH-。
电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O
[归纳讲述]：能够燃烧的物质在一定条件下都能和相应的氧化剂（常用的是氧气）构成燃烧电池，可燃物（还原剂）做负极，氧化剂做正极。书写电极反应时要特别考虑电解质溶液的影响，尤其是电解质溶液的酸碱性。
[板 书]：3、书写由化学方程式书写电极反应式注意点：
①、找出氧化反应和还原反应的物质，确定正负极反应的物质；
②、利用电荷守恒分别写出电极反应式；
③、负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与溶液的酸碱性有关
（如＋4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32－形式存在；溶液中不存在O2－：在酸性溶液中它与H＋结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH－；）
④、验证：两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书写正确。
[简单介绍]：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。并且这种电池的效率高、无污染，装置可持续使用。
[课堂小结]：任何一个氧化还原反应都可以设计成原电池。氧化剂和还原剂之间转移电子要通过导线（导体）传递才能实现，这样就形成了电流，将化学能转变为电能。