化学电源

一、教材分析
通过以前章节的学习，学生已经掌握了能量守恒定律、化学反应的限度、化学反应进行的方向和化学反应的自发性、以及原电池的原理等理论知识，为本节的学习做好了充分的理论知识准备。化学电池是依据原电池原理开发的具有很强的实用性，和广阔的应用范围的技术产品。本节的是理论知识在实践中的延伸和拓展，将抽象的理论和学生在日常生
活中积累的感性体验联系起来，帮助学生进一步的深入认识化学电池。
现代科技的飞速发展也带动了电池工业的进步，各种新型的电池层出不穷。教材选取具有代表性的三大类电池，如生活中最常用的一次电池（碱性锌锰电池）、二次电池（铅蓄电池）、和在未来有着美好应用前景燃料电池。简介了电池的基本构造，工作原理，性能和
适用范围。同时向学生渗透绿色环保的意识。
二、目标
1．知识目标：
(1)知道日常生活中常用的化学电源和新型化学电池；
(2)认识一次电池、二次电池、燃料电池等几类化学电池；
(3) 会书写常用化学电池的电极反应式及总反应式。
2．能力目标：
培养学生观察、分析、整理、归纳总结、探究等能力。
3．情感、态度和价值观目标：
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，增强学生的环保意识。
三、教学重点难点
重点：化学电源的结构及电极反应的书写
难点：化学电源的结构及电极反应的书写
四、学情分析 在化学2中学生已学习了氧化还原反应的初步知识，前一节又已经学过原电池的基本内容，知道原电池的定义，形成条件，简单得电极反应等，所以在此基础上，进一步学习化学电源的知识。 学生能通过对实验现象的观察、有关数据的分析和得出相关结论，具有一定的观察能力、实验能力和思维能力。
五、教学方法
1．实验探究与启发讨论法。
2．学案导学：见后面的学案。
3．新授课教学基本环节：预习检查、总结疑惑→情境导入、展示目标→合作探究、精讲点拨→反思总结、当堂检测→发导学案、布置预习
六、课前准备
1．学生的学习准备：初步把握实验的原理和方法步骤。
2．教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案，课内探究学案，课后延伸拓展学案。
七、课时安排：1课时
八、教学过程
组织教学导入新课
一、化学电池的种类
介绍化学电池的种类：
【指导学生交流】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。
【教师讲解】电极反应为：负极 Zn－2 e?＝Zn2+
正极 2NH+4＋2 e?＝2NH3＋H2
H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O
正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[Zn?NH3?4]2+
干电池的总反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝Zn?NH3?2Cl2＋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，它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，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＋SO42-－2e? ＝PbSO4↓
正极：PbO2＋4H+＋SO42-＋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：
阳极：PbSO4＋2H2O－2e? ＝PbO2＋4H+＋SO42-
阴极：PbSO4＋2e? ＝Pb＋SO42-
当密度增加至1?28 g / cm3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 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 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?－2 e?＝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＋10OH－－8e? ＝CO32-＋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，KOH溶液作电解液它的优点是：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。
【想一想】电极反应式如何写？
二、典型实例
例1．（2000年全国高考理综题）熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐 混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：
阳极反应式：2CO+2CO32--4e-== 4CO2
阴极反应式：_________________，
电池总反应式：_______________。
解析：作为燃料电池，总的效果就是把燃料进行燃烧。本题中CO为还原剂，空气中O2为氧化剂，电池总反应式为：2CO+O2==2CO2。用总反应式减去电池负极（即题目指的阳极）反应式，就可得到电池正极（即题目指的阴极）反应式：O2+2CO2+4e-== 2CO32- 。
例2．（1999年全国高考化学题）氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是：
(1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2
根据此反应式判断下列叙述中正确的是（ ）
A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大 　B．电池放电时，镍元素被氧化
C．电池充电时，氢元素被还原　　　　　　　　　 D．电池放电时，H2是负极
解析：电池的充、放电互为相反的过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。根据氢镍电池放电时的总反应式可知，电解质溶液只能是强碱性溶液，不能是强酸性溶液，因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反应式：H2+2OH--2e- ==2H2O，H2为负极，附近的pH应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价，被还原，充电时氢元素由+1价变为0价，被还原。故答案为C、D项。
【课堂小结】：一次电池、二次电池、燃料电池的工作原理

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