归纳与整理教学设计(第二课时)

发展中的化学电源

【学习目标】

1、认识几种化学电源；

2、了解开发利用新型电池的意义；

3、了解使用化学电池对环境的影响。

【要点梳理】

要点一、常见的几种化学电源

1、实用电池应具有的特点是：

能产生稳定且具有较高电压的电流；安全、耐用且便于携带；能够适用于特殊用途；便于回收处理，不污染环境或对环境产生的影响较小。

2、常用原电池

(1)干电池

干电池即普通的锌锰电池，它是用锌制的圆筒形外壳作负极，位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极，圆筒内填充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)。

电极反应：

－

负极：Zn＝Zn2+＋2e

－正极：2NH4+＋2e＝2NH3＋H2，H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O

正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+

淀粉糊的作用：提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。

电池总反应式为：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O

干电池的电压通常约为1.5V，携带方便，但放完电后不能再用，污染较严重。

(2)充电电池

要点诠释：充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的是氧化还原反应，在充电时可以逆向进行(一般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。

①铅蓄电池

铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上附着一层棕褐色PbO2，负极板上是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.28g·cm-3、浓度为30%的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。

放电电极反应：

－－负极：Pb(s)+SO42(aq)－2e＝PbSO4(s)；

正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)+2e＝PbSO4(s)+2H2O(l) －－充电电极反应：

阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)；

－－阴极：PbSO4(s)+2e=Pb(s)+SO42(aq) －－电池总反应式：

Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq)放电充电2PbSO4(s) +2H2O(l) 铅蓄电池的优点：电动势高，电压稳定，使用范围宽，原料丰富，价格便宜。

缺点：笨重，防震性差，易溢出酸液，维护不便，携带不便等。

②银锌蓄电池

银锌蓄电池是形似干电池的充电电池，其负极为锌，正极为附着Ag2O的银，电解液为40%的KOH溶液。电极反应：

放电电极反应：

－负极：Zn-2e+2OH-＝Zn(OH)2

正极：Ag2O+2e+ H2O＝2Ag +2OH-

－

充电电极反应：

阳极：2Ag+2OH-－2e= Ag2O+ H2O；

－阴极：Zn(OH)2+2e= Zn+2OH- －电池总反应式：

Zn + Ag2O + H2O

③锂电池

元素周期表中IA族的锂(Li)—最轻的金属，也是活动性极强的金属，是制造电池的理想物质。锂电池是新一代可充电的绿色电池，已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电源。

电极反应为：

＋负极：Li－e-

＝Li

＋正极：MnO2＋Li

＋e-

＝LiMnO2

总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2

(3)燃料电池

①氢氧燃料电池

氢氧燃料电池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惰性电极，但具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为40%的KOH溶液。电极反应式为：

－－

负极：2H2＋4OH＝4H2O＋4e，

－－

正极：O2＋2H2O＋4e＝4OH

电池的总反应式为：2H2＋O2＝2H2O

②甲烷氧燃料电池

该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为：

－－－

负极：CH4＋10OH＝CO32＋7H2O＋8e

－－正极：2O2＋4H2O＋8e＝8OH

电池总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 要点诠释：

a.燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂(如O2)反应所放出的热能直接转变为电能。

b.燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。

c.燃料电池如果以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳，

d.燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地

提供燃料和氧化剂，使反应能连续进行。

(4)海水电池

1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，用作航海标志灯的电源。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。电极反应式为：

＋－

负极：4Al＝4Al3＋12e

－－正极：3O2＋6H2O＋12e＝12OH

这种海水电池的能量比干电池高20～50倍。

(5)发展中的化学电源

当今发展新型化学电源，不仅要在其高比能量、高比容量、长寿命方面取得长足的进步，而且更重要的是向“绿色电池”方向发展。除了前面介绍的锂电池、燃料电池外，还有可充式镍氢电池，它的化学成分主要由镍和稀土组成，不含汞，无污染，是“绿色电池”的佼佼者。它可连续充放电500次，每次充放电成本低，而且减少了对环境的汞污染。

要点二、废旧电池的问题

放电充电Zn(OH)2+2Ag

1、废旧电池的主要危害

我们日常所用的普通干电池，主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类，它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等。重金属对环境造成严重污染，威胁着人类的健康。

金属种类

锰

锌

铅

危害的表现

过量的锰蓄积于体内引起神经性功能障碍，早期表现为综合性功能紊乱。较重者出现两腿发沉，语言单调，表情呆板，感情冷漠，常伴有精神症状。

锌盐能使蛋白质沉淀，对皮肤黏膜有刺激作用。当在水中浓度超过10～50mg/L时有致癌危险，可能引起化学性肺炎。

铅主要作用于神经系统、活血系统、消化系统和肝、肾等器官。能抑制血红蛋白的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴幼儿影响甚大，它会导致儿童发育迟缓，慢性铅中毒可导致儿童智力低下。

镍粉溶解于血液，参加体内循环，有较强的毒性，能损害中枢神经系统，引起血管变异，严重者导致癌症。

汞是重金属污染物中最需注意的，对人的危害，确实不浅。长期以来，我国在生产干电池时，加入了这种有毒的物质—汞或汞的化合物，其碱性干电池中汞的含量达到1%～5%，中性干电池为0.025%。汞具有明显的神经毒性，此外对内分泌系统、免疫系统等也有不良的影响。1953年，发生在日本九州岛的震惊世界的水俣病事件，给人类敲响了汞污染的警钟。

镉是人体不需要的元素，人体中的镉是出生后从外界环境经呼吸道和消化道摄取而蓄积的。慢性中毒的临床表现为肺气肿、骨质改变和贫血。日本发现某些地区由于长期食用被污染的、含镉量很高的米和水而发生疼痛病(骨痛病)，主要病变为骨软化，疼痛始于下肢，后遍及全身至卧床不起。

镍

汞

镉

2、废旧电池的回收利用

干电池中有Zn、Cu、C、MnO2、ZnCl2、NH4Cl、炭黑、石墨等单质和化合物。通过一系列的基本操作，可回收上述物质，用以补充部分化学实验的试剂。

Zn—用剪刀除去废电池外皮，洗净后剪碎晾干，即得锌片，可用于实验室制H2。如想得到锌粒，可将锌片放入铁坩埚中加强热使之熔化(Zn熔点410.6℃)，熔化时会有少量ZnO白烟生成，熔化后除去浮渣，倒出冷却。依上法再熔化一次，倒在铁板上，在其凝固过程中将其割碎，即得锌粒。

铜片—把废旧电池上的铜帽取下砸扁，用煮沸的稀H2SO4洗涤，用水洗净晾干，得紫红色铜片。

碳棒—从废旧电池中取出，洗净即可，可用于电解池的电极。

氯化铵—洗涤干电池中黑色糊状物时，其不溶于水的物质基本是MnO2，氯化铵则溶于水中，将溶液过滤得澄清溶液，加热、蒸发、浓缩、结晶，即得氯化铵晶体。

【典型例题】

类型一：常见的几种化学电源

例1、燃烧电池是利用燃烧(如H2、CO、CH4等)跟氧气或空气反应，将化学能转化为电能的装置。电解质溶液是强碱溶液。下列关于甲烷的燃料电池说法中正确的为(

)

A．负极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-

B．负极反应：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

C．随着放电进行，溶液的OH-浓度增大

D．放电时溶液中的阴离子向负极移动

【答案】BD

【解析】负极应该发生氧化反应，所以A错误，B正确；反应消耗OH-，所以OH-浓度减小，C错误，放电时，负极发生氧化反应失电子，生成的离子带正电，所以吸引溶液中的阴离子向负极移动。

举一反三：

【变式1】将氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时的化学能直接转化为电能的装置叫燃料电池。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池能量利用率可高达80％(一般柴油发电机只有40％左右)，产生污染物也少。下列有关燃料电池的说法，错误的是(

) A．上述燃料电池的负极反应材料是氢气、甲烷、乙醇等物质

B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供宇航员使用

C．乙醇燃料电池的电解质常用KOH，该电池负极反应为C2H5OH－12e＝2CO2↑＋3H2O －－D．以KOH溶液作为电解质溶液，甲烷燃料电池正极反应为O2＋2H2O＋4e＝4OH

【答案】C 【解析】电解质KOH会与二氧化碳反应生成碳酸钾和水，该电池负极应反应式应为：

－C2H5OH－12e＋16OH-＝2CO32-↑＋11H2O 例2、生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：2PbSO4+2H2O

充电

放电

－PbO2+Pb+2H2SO4

下列对铅蓄电池的说法中错误的是(

)

A．需要定期补充硫酸

B．工作时Pb是负极，PbO2是正极

－－

c．工作时负极上发生的反应是Pb－2e+SO42==PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

【答案】A

【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以－Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；工作时（即放电时），H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的越浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

类型二：废旧电池的问题

例3、随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是( )

A．利用电池外壳的金属材料

B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

C．防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品

D．回收其中的石墨电极

【答案】B

【解析】主要原因是对环境的污染，尤其是重金属带来的污染。这也体现了社会物质文明的发展、精神文明的进步、政府对人民的人文关怀。

【总结升华】注意重金属的污染和回收利用。

举一反三：

【变式1】废旧电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法中你认为不正确的是(

) A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气

B．把碳棒取下洗净用作电极

C．把铜帽取下洗净回收利用

D．将废电池中的黑色糊状物用作化肥

【答案】D 【解析】电池内部填有氯化铵、MnO2等化学物质，将废电池中的黑色糊状物用作化肥会对环境造成严重污染。