1、 化学能源是一种把化学能转变为电能的装置，俗化学能源是一种把化学能转变为电能的装置，俗称电池。称电池。一一、原电池原电池 一次电池一次电池 一次电池是放电后不能充电使其复原的电池。一次电池是放电后不能充电使其复原的电池。原电池作原电池作为直流电源广泛应用于便携式电器、电子仪器和仪表、照相机为直流电源广泛应用于便携式电器、电子仪器和仪表、照相机与照相器材、手表、计算器、无线电话、助听器、电动玩具等与照相器材、手表、计算器、无线电话、助听器、电动玩具等方面。方面。 化学能源化学能源通常电池由正、负极通常电池由正、负极、电解液、隔膜及容、电解液、隔膜及容器 等 部 件 组 成 。 锌器 等 部 件
2、组 成 。 锌(Zn)棒放在铜棒放在铜(Cu2+)离离子溶液中，子溶液中，Zn 与与Cu2+之间的电子转移之间的电子转移Zn+Zn2+2eCu+ 2eCu2+电池的构造 盐桥的作用是使电流通过。电池表示为：盐桥的作用是使电流通过。电池表示为：Zn|CuSO4|Cu 即：即：负极负极|电解液电解液|正极正极 电池组一般由两个或多个电池以串联或并联组成。电池组一般由两个或多个电池以串联或并联组成。组合方式取决于用户要求。生活中常用的组合方式取决于用户要求。生活中常用的1号或号或5号电池则是单个电池，二者差异主要是外形尺寸号电池则是单个电池，二者差异主要是外形尺寸和电容量大小不同。和电容量大小不同。
3、只有有电子得失的化学反应（氧化还原反应）才只有有电子得失的化学反应（氧化还原反应）才能构成化学电源，而且电子必需通过外电路转移能构成化学电源，而且电子必需通过外电路转移作功。作功。Zn|NH4Cl, ZnCl2|MnO2(C)正极反应：MnO2+H2O+eMnOOH+OH-负极反应:ZnZn2+ 2eZn+2NH4ClZn(NH3)2Cl+2H+ 2e总反应:Zn+ 2MnO22+NH4Cl2MnOOH+Zn(NH3)2Cl22 锌锰电池锌锰电池 锌锰电池开路电压为锌锰电池开路电压为1.6 V，理论电容量，理论电容量为为224 Ah/kg。锌皮既是负极又是容器的外。锌皮既是负极又是容器的外壳皮
4、，正极二氧化锰为粉末状，其导电依壳皮，正极二氧化锰为粉末状，其导电依靠碳棒辅助。当锌皮被蚀穿后导致电解液靠碳棒辅助。当锌皮被蚀穿后导致电解液外溢。外溢。Zn|KOH, K2Zn(OH)4|MnO2(C)碱性锌锰电池碱性锌锰电池正极反应：MnO2+H2O+eMnOOH+OH-负极反应:Zn2+2e+ 4OH-ZnO22-H2OMnOOHH2O+OH-Mn(OH)4-Mn(OH)4-+eMn(OH)4-2Mn(OH)4-2Mn(OH)2+OH-总反应:Zn+MnO2+正极总反应：MnO2+22+ 2eH2OMn(OH)2+OH-2+OH-2Mn(OH)2ZnO22 - 碱性锌锰电池开路电压为碱性锌
5、锰电池开路电压为1.5 V，理论电容量为，理论电容量为224 Ah/kg。由于碱做电解液比糊状氯化铵导电速。由于碱做电解液比糊状氯化铵导电速度快得多，而锌皮改作锌粉后，导电面积大增，因度快得多，而锌皮改作锌粉后，导电面积大增，因此可连续大容量放电。外壳用铁皮做成封闭型，可此可连续大容量放电。外壳用铁皮做成封闭型，可防电解液渗漏。防电解液渗漏。电池储存性能良好，如电池储存性能良好，如20 下，下，1年内电容量年内电容量损失损失5%10%，3年内电容量损失年内电容量损失10%20%。即使。即使高温下高温下3个月电容量损失个月电容量损失10%20%。 锌银电池开路电压为锌银电池开路电压为1.6 V，
6、理论电容量为，理论电容量为180 Ah/kg，能承受大电流放电，放电电压稳定，但价，能承受大电流放电，放电电压稳定，但价格昂贵。格昂贵。正 极 反 应 ：+H2O+e+O H-负 极 反 应 :Zn+ 2e总 反 应 :Zn+A g2O2A g22O H-2+ZnO+H2OA g2OZnOA g2+锌银扣式电池：锌银扣式电池： Zn|KOH|Ag2O 二次电池二次电池（1）铅蓄电池）铅蓄电池Pb|H2SO4|PbO2正极反应：+H2O+e+负极反应:+ 2e总反应:+22+2+PbO2H+3+HSO4-放电充电PbSO4HSO4-Pb放电充电PbSO4H+PbPbO2H2SO4放电充电PbSO
7、4H2O2 镍镉电池以金属镉镍镉电池以金属镉(Cd)为负极，氧化镍为负极，氧化镍(NiOOH)为正极，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液为电为正极，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液为电解液。解液。Cd|KOH/NaOH|NiOOH根据放电过程硫酸不断减少，而充电过程硫酸不根据放电过程硫酸不断减少，而充电过程硫酸不断生成，可用比重计测量硫酸浓度来估价铅蓄电断生成，可用比重计测量硫酸浓度来估价铅蓄电池 的 荷 电 状 态 。 硫 酸 浓 度 范 围 ：池 的 荷 电 状 态 。 硫 酸 浓 度 范 围 ： 1 . 2 0 0 kg/L1.280 kg/L。铅蓄电池采用微孔橡胶隔板做。铅蓄电池采用微孔橡胶隔板做隔
8、膜。单个铅蓄电池，开路电压为隔膜。单个铅蓄电池，开路电压为2.1 V，理论电，理论电容量为容量为120 Ah/kg。（2）碱式镍镉电池）碱式镍镉电池正极反应：+H2O+e+OH-负极反应:+2e总反应:+222OH-2+NiOOH22放电充电Ni(OH)2Cd放电充电Cd(OH)2Cd+H2ONiOOH22+放电充电Cd(OH)22Ni(OH)2镍镉电池充放电寿命长，自放电小，低温（镍镉电池充放电寿命长，自放电小，低温（ 40 ）性能好，）性能好，开路电压为开路电压为1.4 V，理论电容量为，理论电容量为181 Ah/kg。但镉为重金。但镉为重金属对人体健康有危害作用。属对人体健康有危害作用。
9、 氢镍电池正极为氧化镍，氢镍电池正极为氧化镍，负极为氢电极，电解液是密度负极为氢电极，电解液是密度为为1.3g/cm3氢氧化钾水溶液，氢氧化钾水溶液，电池内压高达电池内压高达4 M Pa。正常情。正常情况下，开路电压为况下，开路电压为1.5V（在不（在不同条件下稍有不同，理论电动同条件下稍有不同，理论电动势为势为1.3V），理论电容量为），理论电容量为289 Ah/kg。该电池充放电循。该电池充放电循环寿命长，承受过充和过放电环寿命长，承受过充和过放电能力强。但是初始成本高，电能力强。但是初始成本高，电池自放电较大，以及有爆炸的池自放电较大，以及有爆炸的可能性。可能性。 （3）氢镍电池）氢镍电
10、池（高压镍氢电池）（高压镍氢电池） 如果能利用吸氢材料制成氢电极，还有望使镍氢如果能利用吸氢材料制成氢电极，还有望使镍氢电池工作在常压下，这就有可能取代现有的可充电电电池工作在常压下，这就有可能取代现有的可充电电池。池。正极反应：+H2O+e+OH-负极反应:+e总反应:+OH-+NiOOH放电充电Ni(OH)2放电充电NiOOH放电充电Ni(OH)2H21/2H2OH21/2在过充和过放电情况下发生如下反应：在过充和过放电情况下发生如下反应：过 充 电 ：OH-e+12O2+H2O镍 电 极22氢 电 极H2Oe2+2OH-2+H2总 反 应H2OH212O2+过 放 电 ：镍 电 极氢 电
11、 极H2Oe+OH-+H2总 反 应OH-e+12+H2O12H2无 锂是自然界里最轻的金属元素，电极电位是锂是自然界里最轻的金属元素，电极电位是-3.045 V（相对氢标准电极（相对氢标准电极)，所以选择适当的正极便，所以选择适当的正极便可获得较高的电动势和最高的比能量（单位重量电极可获得较高的电动势和最高的比能量（单位重量电极物质所能释放的能量）。物质所能释放的能量）。 由于由于锂遇水发生剧烈反应，所以需要非水电解液锂遇水发生剧烈反应，所以需要非水电解液。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电
12、池长期保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。没有得到应用。 （4）锂电池）锂电池Li + H2OLiOH + H2锂电池的特点锂电池的特点 具有更高的能量重量比、能量体积比电压高，单节锂电池电压为3.6V，约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性 锂电池安全性能较差 锂电池既可制作成一次电池，也可以制作成二锂电池既可制作成一次电池，也可以制作成二次电池。常见的一次电池正极材料有次电池。常见的一次电池正极材料有MnO2、SOCl2、I2；二次电池正极材料有；二次电池正极材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、层状聚合物。
13、锂电池还有、层状聚合物。锂电池还有宽宽广的温度适用范围和工作电压平稳广的温度适用范围和工作电压平稳等突出优点。等突出优点。但是在过充和过放电情况下可能爆炸。但是在过充和过放电情况下可能爆炸。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升(体积单位)。 目前多用碳材料来代替目前多用碳材料来代替金属锂以避免可能的爆炸，所制金属锂以避免可能的爆炸，所制成的电池被称为锂离子电池。一次成的电池被称为锂离子电池。一次Li/MnO2电池开路电电池开路电压为压为3.5 V，理论电容量分别为，理论电容量
14、分别为310 Ah/kg。用。用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4作正极材料的锂离子电池可充电至作正极材料的锂离子电池可充电至4 V 5V，理论电容量分别为，理论电容量分别为274 Ah/kg、274 Ah/kg及及148 Ah/kg。Li/ I2电池作心脏起搏器的电源。电池作心脏起搏器的电源。 锂电池的结构 电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC（正
15、温度系数很大的半导体材料 ）元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。 一 次 锂 电 池 ：正 极 反 应M n O2+L i+eM n O2(L i+)L iL i+e负 极 反 应总 反 应L i+M n O2M n O2(L i+)二 次 锂 离 子 电 池正 极 反 应L iC o O2L i1_xC o O2+L i+x+xe负 极 反 应总 反 应C+L i+x+xeC L ixL iC o O2C+L i1_xC o O2C L ix+充 电充 电充 电放 电放 电放 电： 利用燃料和氧化剂的氧化还原反应也可以组成利用燃料和氧化剂的氧化还原反应也可以组成电池，而且
16、与传统的电池不同，其工作物质可以连电池，而且与传统的电池不同，其工作物质可以连续不断地由外部输入，一直可以长时间地不间断地续不断地由外部输入，一直可以长时间地不间断地工作。工作。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料电池实际上也是通过电化学反应将反氧化剂。燃料电池实际上也是通过电化学反应将反应物（燃料）中的化学能直接转变为电能的电池装应物（燃料）中的化学能直接转变为电能的电池装置。置。(5) 燃料电池燃料电池氢氢- -氧燃料电池原理图氧燃料电池原理图 原则上说，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供应电能
17、。 通过这个氢通过这个氢- -氧燃料电池装置可获得电压氧燃料电池装置可获得电压0.9-1.2 V。氢氢- -氧燃料电池理论电容量为氧燃料电池理论电容量为2975 Ah/kg。实际应用。实际应用中，氧电极常由过氧化氢中，氧电极常由过氧化氢(H2O2)和金属氧化物组成。和金属氧化物组成。 氢氢- -氧燃料电池反应机理如下：氧燃料电池反应机理如下：正极反应：负极反应：总反应：O2+eH+H2OH+eH+吸附吸附H2OO2H2+121222222_ 氢气是最简单和最清洁的燃料，但是由于使用贵氢气是最简单和最清洁的燃料，但是由于使用贵金属作催化剂，因此价格贵，而且氢气的来源受金属作催化剂，因此价格贵，而
18、且氢气的来源受到限制。目前人们正在积极探讨以天然气、甲醇、到限制。目前人们正在积极探讨以天然气、甲醇、乙醇、甲烷和其它烷烃等作燃料的电池。乙醇、甲烷和其它烷烃等作燃料的电池。 按照所用电解质的不同，氢氧燃料电池又分成碱性电解质燃料电池、酸性电解质燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体电解质燃料电池。其中碱性燃料电池已成功地应用于阿波罗登月宇宙飞船和航天飞机作为动力电源，表明燃料电池技术已进入实用阶段，但由于价格上的原因尚未商品化。后三类的研究目标是供地面使用。 氧化还原反应氧化还原反应 失去电子的过程称氧化反应，得到电子的过失去电子的过程称氧化反应，得到电子的过程称还原反应程称还原反应。失去电子的
19、物质称还原剂，得失去电子的物质称还原剂，得到电子的物质称氧化剂到电子的物质称氧化剂。有一些反应，特别是。有一些反应，特别是有机物之间有机物之间的反应，常通过共用电子对形成共的反应，常通过共用电子对形成共价化合物，因此初学者不容易判断电子得失。价化合物，因此初学者不容易判断电子得失。常常用用另一种另一种方法方法来判断，即来判断，即氧化数（或化学价）氧化数（或化学价）法法。补充材料补充材料氧化还原反应和电极电势氧化还原反应和电极电势 假设化合物中成键电子都归电负性大的元素，假设化合物中成键电子都归电负性大的元素，以求得产物中该元素原子所带电荷数，比较反应以求得产物中该元素原子所带电荷数，比较反应前
20、后电荷数变化，便能判断该元素原子反应前后前后电荷数变化，便能判断该元素原子反应前后电子得失。电子得失。 确定元素原子氧化数及其变化的确定元素原子氧化数及其变化的规则规则如下：如下：单质的氧化数为零；单质的氧化数为零；所有元素原子氧化数代数和为零；所有元素原子氧化数代数和为零； 氢在化合物中氧化数一般为氢在化合物中氧化数一般为+1，但在活泼金属，但在活泼金属化合物如化合物如NaH、CaH2中为中为-1；氧在化合物中氧化数一般为氧在化合物中氧化数一般为-2，但在过氧化合，但在过氧化合物如物如H2O2、BaO2中为中为-1，在超氧化合物如，在超氧化合物如KO2中为中为- -1/2，在，在OF2中为中
21、为+2。 氧化数升高的过程称氧化，氧化数下降的过程氧化数升高的过程称氧化，氧化数下降的过程称还原。称还原。化学反应前后氧化数发生变化的称氧化还化学反应前后氧化数发生变化的称氧化还原反应。原反应。KClO3KCl+O2223ClO+5_1_2+0NaClO+12FeSO4H2SO4NaCl_1+2Fe2(SO4)3+H2O+3氧化剂还原剂Cl2H2OHClOHClKClO3KClO4KCl+342 2 电极电势电极电势 当把金属放入盐溶液中，一方面金属表面构成当把金属放入盐溶液中，一方面金属表面构成晶格的金属离子和极性大的分子相互吸引，有使金晶格的金属离子和极性大的分子相互吸引，有使金属留下电子
22、而自身与水结合进入溶液的倾向，金属属留下电子而自身与水结合进入溶液的倾向，金属越活泼，溶液越稀，这种倾向越大；另一方面盐溶越活泼，溶液越稀，这种倾向越大；另一方面盐溶液中金属离子又有从金属表面获得电子而沉积在金液中金属离子又有从金属表面获得电子而沉积在金属表面的倾向，金属越不活泼，离子浓度越大，这属表面的倾向，金属越不活泼，离子浓度越大，这种倾向越大。这种对立的倾向在一定条件下达到平种倾向越大。这种对立的倾向在一定条件下达到平衡：衡：MMn+n e+这时在金属和溶液这时在金属和溶液之间就产生了电位之间就产生了电位差。这种产生在金差。这种产生在金属和它的盐溶液之属和它的盐溶液之间的电位差称金属间
23、的电位差称金属的电极电势。电极的电极电势。电极电势的绝对大小无电势的绝对大小无法测量只能选定某法测量只能选定某种电极作参考标准，种电极作参考标准，其它电极与之比较其它电极与之比较得到相对值，通常得到相对值，通常选定标准氢电极。选定标准氢电极。标准氢电极电势定为零。其标准氢电极电势定为零。其它标准状态（它标准状态（298 K、101.325 k Pa、离子活度为、离子活度为1 mol/L）下的下的电极与标准氢电极组成原电池，电极与标准氢电极组成原电池，二者的电位差称该电极的电极二者的电位差称该电极的电极电势，并用符号电势，并用符号E0表示。表示。标准氢电极：将镀有铂黑的铂标准氢电极：将镀有铂黑的
24、铂片置于氢离子活度为片置于氢离子活度为1 mol/L的的硫酸溶液中，然后在硫酸溶液中，然后在298 K，101.325 k Pa压力下不断通入压力下不断通入纯氢气，使铂黑吸附氢气达到纯氢气，使铂黑吸附氢气达到饱和。饱和。2H+ + 2eH2原电池电动势原电池电动势（E）：）：E = E正正 - E负负 例如：例如：298 K用电位差计测得标准氢电极与标用电位差计测得标准氢电极与标准锌电极所组成的原电池的电动势为准锌电极所组成的原电池的电动势为0.7628 V，根，根据上式计算标准锌电极电位？据上式计算标准锌电极电位？E0 = E0正正 E0负负 = = EH+/H2EZn2+/Zn-000.7
25、628 V = 0- E0 Zn+/ZnEZn2+/Zn0=0.7628 V-EZn2+/Zn0=0.7628 VCu0Cu2+/Cu=-0.34VE= EE000-+-=Cu0Cu2+/CuEZn2+/Zn0-=0.34V0.7628 V-()=1.1V补充材料补充材料A A芳香族化合物芳香族化合物 有机化合物除脂肪族化合物外还有芳香族化合有机化合物除脂肪族化合物外还有芳香族化合物。芳香族化合物最初是从香树脂中提取而来，而物。芳香族化合物最初是从香树脂中提取而来，而且有香味。从结构上看芳香族化合且有香味。从结构上看芳香族化合物物均具有苯环。均具有苯环。但是后来发现有苯环的化合物不一定有香味，
26、有些但是后来发现有苯环的化合物不一定有香味，有些有香味的化合物并没有苯环。因此现在有香味的化合物并没有苯环。因此现在芳香族化合芳香族化合物是指含有苯环的化合物。物是指含有苯环的化合物。例如：例如：桂皮醛香豆素CHCHCHOOO苯萘蒽 但是有苯环的化合物都有一些共性，例如环很稳但是有苯环的化合物都有一些共性，例如环很稳定，环上易发生取代反应。定，环上易发生取代反应。+Cl2Cl+HCl+ 3Cl2光ClClClClClCl 加工石油可以使非芳香族化合物转变为芳香烃。加工石油可以使非芳香族化合物转变为芳香烃。 (666粉）CH3(CH2)5CH3-H2CH3CH3-H2-H2CH3CH3-H2CH3CH3-H2其它芳香化合物：其它芳香化合物：CHCH2COOHCHOHOHNCH3CH3NO2ClNH2苯乙烯苯甲酸苯甲醇苯酚二甲基苯胺4-N, N-2硝基氯苯胺-作业：作业：1 1 电池的能量从何而来？电池的能量从何而来？2 2 一次电池与二次电池有何不同？一次电池与二次电池有何不同？3 3 何谓电极电势？何谓电极电势？4 4 何谓标准氢电极？何谓标准氢电极？
