第四章化學反應與電能

第二節(jié)化學電源科學史話：發(fā)現(xiàn)生物電1780年的一天，意大利生物學家伽法尼解剖青蛙。將青蛙腿放到銅制的解剖盤里，當解剖刀接觸青蛙腿時，發(fā)現(xiàn)青蛙腿出現(xiàn)了抽搐。他認為：青蛙肌肉和神經里的“生物電”導致抽搐。他將青蛙腿放到木制的解剖盤里，用解剖刀去接觸，蛙腿不動！他又進行了各種實驗，發(fā)現(xiàn)：兩種活潑性不同的金屬同時接觸蛙腿，蛙腿就會抽搐。他認為由于兩種金屬插在了由肌肉提供的溶液中，構成回路而產生電流，從而刺激了蛙腿的抽動?？茖W史話：伏打發(fā)明第一個電池

1799年伏達用鋅片、浸鹽水的濕布、銀片依次重疊起來，創(chuàng)制了最早的獲得連續(xù)電流的伏達電堆。伏達電堆模型科學史話在電池的發(fā)展方面作出的貢獻所獲得的諾貝爾化學獎嗎？

北京時間10月9日下午5點45分，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2019年度諾貝爾化學獎授予美國得州大學奧斯汀分校JohnB.Goodenough教授、紐約州立大學賓漢姆頓分校M.stanleyWhittlingham教授和日本化學家AkiraYoshino，以表彰其在鋰離子電池的發(fā)展方面作出的貢獻。小結：原電池的構成要素電極反應：負極-還原劑-失去電子-氧化反應正極-氧化劑-得到電子-還原反應電極材料：進行電子轉移的場所離子導體：內電路，實現(xiàn)離子定向遷移（陽離子→正極；陰離子→負極）電子導體：外電路，實現(xiàn)電子定向遷移（負極→正極）形形色色的電池①分類二、化學電源②優(yōu)點(1)能量轉換效率高，供能穩(wěn)定可靠。(2)可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。(3)易維護，可在各種環(huán)境下工作。③判斷電池優(yōu)劣的標準(1)比能量:(W·h)/kg或(W·h)/L(2)比功率：W/kg或W/L(3)電池的儲存時間的長短。除特殊情況外，質量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，其質量好。(1)鋅錳電池（NH4Cl糊狀物為電解質）干電池：電解質溶液制成不流動膠狀普通鋅錳電池鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳干電池的結構NH4Cl、ZnCl2

和H2O等1.一次電池普通鋅錳電池（如右圖）和堿性鋅錳電池是生活中用量很大的兩種干電池。普通鋅錳電池放電時生的主要反應為：Zn+2MnO2+2NH4Cl=2MnO（OH）+Zn(NH3)2Cl2（1）請寫出普通鋅錳電池中的負極材料、電解質的主要成分，以及正極發(fā)生的主要反應。1教材：P103T6氫氧化氧錳兩種干電池的比較負極材料：鋅筒電解質：NH4CI糊負極材料：鋅粉電解質：濕的KOH反應面積成倍增大，放電電流大幅度提高離子導電性更好優(yōu)點：能量儲存時間有所提高，不易泄漏優(yōu)點：制作簡單、價格便宜缺點：壽命短、易泄露電解質溶液為KOH溶液總反應：Zn+Ag2O+H2O==2Ag+Zn(OH)2(3)鋅銀電池—紐扣電池正極：Ag2O+H2O+2e－==2Ag+2OH－負極：Zn－2e－+2OH－==Zn(OH)2優(yōu)點：比能量大、電壓穩(wěn)定，儲存時間長，適宜小電流連續(xù)放電。廣泛用于電子手表、照相機、計算器和其他微型電子儀器。(4)鋰亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池Li－SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4－SOCl2。電池的總反應可表示為8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。①負極材料為____，電極反應為_________________。②正極的電極反應為_______________________________。鋰8Li－8e－===8Li＋3SOCl2＋8e－===2S＋

＋6Cl－

必須在無水、無氧的條件下組裝鋰金屬電池，原因是構成電池的兩個主要成份Li能和氧氣水反應，且SOCl2也與水反應。(1)鉛酸蓄電池

鉛酸電池由兩組柵狀電極板交替排列而成，正極板上覆蓋有PbO2,負極板上覆蓋有Pb，電解質溶液為H2SO4溶液。構造：鉛蓄電池的構造

可重復使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉。優(yōu)點：缺點：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境2.二次電池(又叫充電電池、蓄電池)充放電過程：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O放電充電總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb-2e-+SO42-=PbSO4正極：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O

氧化反應

還原反應負極：①放電過程:認識鉛酸蓄電池思考:鉛蓄電池的電極反應物(Pb、PbO2,)和放電后的產物(PbSO4)均以固體形式附著在電極材料表面，分析這樣設計的目的。認識鉛酸蓄電池目的:使電極反應物和產物富集在電極材料表面，充、放電時可以循環(huán)轉化，實現(xiàn)電池重復使用(2)鋰離子電池總反應：正極：負極：?放電LixC6+Li1-xCoO2LiCoO2＋6C放電充電負極材料：嵌鋰層狀石墨(LixC6

)正極材料：鈷酸鋰(Li1-xCoO2)電解液：鋰導電有機電解液LixC6

－xe－＝6C+xLi+Li1-xCoO2+xe-+xLi+

＝LiCoO2放電：Li+由石墨中脫嵌移向正極，嵌入LiCoO2晶體充電：Li+從LiCoO2晶體中脫嵌，由正極回到負極，嵌入石墨中(3)磷酸鐵鋰系鋰離子電池：負極：正極：放電LixC6+Li1-xFePO46C+LiFePO4放電充電LixC6

－xe-

＝xLi++6CLi1-xFePO4+xe-+xLi+

＝LiFePO4總反應：放電時Li+由石墨中脫嵌移向正極，嵌入LiFePO4晶體充電時Li+從LiCoO2晶體中脫嵌，由正極回到負極，嵌入石墨中鉛酸電池與鋰離子電池進行對比③優(yōu)點：能連續(xù)不斷的提供電能。②特點：電極本身只是催化轉化元件，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給。①定義：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能轉化成電能的化學電池3.燃料電池燃料電池電解液H2O2e-2e-氫氣氧氣H+OH-A

負極

正極O2H2H2O（1）氫氧燃料電池燃料：氧化劑：電解質：電極：H2O2酸或堿Pt2H2-4e-

=4H+O2+4e-+4H＋=2H2O總反應式：2H2+O2=2H2O負極：正極：①酸性氫氧燃料電池②堿性氫氧燃料電池2H2+4OH--4e-

=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-總反應式：2H2+O2=2H2O負極：正極：燃料電池思考：使用氫氧燃料電池的轎車至今還沒有普及。你覺得可能需要解決的技術問題是什么？氫氣儲運成本高、加氫費用高、氫氣基礎設施不完善等問題(2)甲烷-氧燃料電池負極：正極：電池總反應式：電解質為KOHCH4-8e-+10OH-＝CO32-+7H2O2O2+8e-+4H2O＝8OH-CH4+2O2+2OH-＝CO32-+3H2O(3)甲醇燃料電池電解質為KOH負極：正極：電池總反應式：CH3OH

-6e-+8OH-＝CO32-+6H2OO2+4e-+2H2O

＝4OH-2CH3OH+3O2+4OH-＝2CO32-+6H2O(4)肼燃料電池N?H4－4e-+4OH-=N?↑+4H?O電解質為KOH負極：正極：電池總反應式：O?+4e-+2H?O=4OH-N?H4+O?=N?↑+2H?O(5)固體燃料電池以熔融金屬氧化物為介質，高溫下能傳導O2-電池總反應：

2H2+Ｏ２=2H2OO2+4e-=2O2－正極：2H2-4e-+2O2－=2H2O負極：（6）熔融鹽電池比如用Li2CO3和Na2CO