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第2节 化学能与电能【资料卡片】一次能源和二次能源（1） 一次能源：直接从自然界取得的能源称为一次能源，如流水、风力、原煤、石油、天然气、天然铀矿等。（2） 二次能源：一次能源经过加工、转换得到的能源称为二次能源，如电力、蒸气等。1. 化学能转化为电能1.1 转化形式（1） 间接转化火力发电转化过程火电是通过化石燃料燃烧，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸气以推动蒸气轮机，然后带动发电机发电。燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转换过程:化学能热能机械能电能转化原理燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键。燃烧一定发生氧化还原反应，氧化还原反应必定有电子的转移，电子转移引起化学键的重新组合，同时伴随着体系能量的变化化石燃料电能（2） 直接转化原电池化学能通过氧化还原反应直接转化为电能1.2 原电池的工作原理将锌片和铜片用导线连接（导线中间接入一个电流表），平行插入盛有稀H2SO4的烧杯中。现象原因铜片有气泡产生2H+2e=H2锌片锌片溶解Zn-2e=Zn2+电流表指针偏转产生电流结论化学能电能【思考】根据你所了解的电学知识，你知道电子是怎样流动的吗？你如何判定装置的正、负极？【答案】在电学中，电流的方向与电子流动方向相反，在外电路中，电流方向是正极负极，电子流向是负极正极。电子从原电池的负极流出，经过导线流入原电池的正极。1.3 原电池的构成与设计（1） 原电池的构成知识要点实例概念将化学能转化为电能的装置实质化学能转化为电能构成前提能自发的发生氧化还原反应构成条件两个电极电解质溶液“两极”“一液”连成回路电极构成负极：还原性相对较强的材料正极：还原性相对较弱的材料Zn-负极Cu-正极电极反应负极：失去电子，氧化反应正极：得到电子，还原反应负极：Zn-2e=Zn2+正极：Cu2+2e=Cu电荷流向及电流流向外电路：电子由负极流向正极，与电流方向相反内电路：阴离子移向负极，阳离子移向正极，电流由负极流向正极外电路：电子由Zn极经导线流向Cu极内电路：SO42-、OH-移向Zn极（负极）；Cu2+、Zn2+移向Cu极（正极）电极反应式与反应总式的关系两个电极反应式相加，即得反应总式负极：Zn-2e=Zn2+正极：Cu2+2e=Cu总式：Zn+Cu2+=Zn2+Cu重要应用制作电池防止金属被腐蚀提高化学反应速率制作干电池、铅蓄电池、新型高能电池用粗锌代替纯锌制取H2，反应速率快Fe与Cu相连接，处于电解质溶液中的Cu受保护【特别提醒】自发进行的氧化还原反应，理论上可组成原电池 形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两极接触。如下图： 对应练习1：关于如图所示装置的叙述，正确的是（）A氢离子在铜片表面被还原B铜片质量逐渐减少 C电流从锌片经导线流向铜片D铜是阳极，铜片上有气泡产生对应练习2：如图所示的原电池装置，下列说法不正确的是（）A该装置的能量转化形式为：化学能转化为电能B电子由Zn片经过导线流向铜片CZn为负极，发生还原反应DCu为正极，在Cu片上有气泡产生2. 发展中的化学电源2.1 干电池-一次电池锌锰干电池的构造干电池用锌制桶形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作电解质溶液，还填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2，防止产生极化现象。负极（锌筒）：Zn-2e=Zn2+(氧化反应)正极（石墨）：2MnO2+2NH4+2e=2MnOOH+2NH3(还原反应)总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2+2MnOOH+2NH3【思考与交流】锌锰干电池即使不用，放置过久，也会失效（作为电解质的糊状NH4Cl显酸性），为充分而有效地利用锌锰干电池，在购买、保存和使用方面你有何经验与建议？【答案】（1）应购买保质期以内的，且用塑料薄膜密封完好的干电池（2） 不立即使用就不要打开塑料薄膜（3） 不使用时应将干电池从用电器中取出，并放在干燥处（4） 用完的干电池要回收利用，不要随意丢弃，以防浪费资源和污染环境。2.2 充电电池二次电池充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。常见的充电电池有铅蓄电池，镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。（1） 铅蓄电池负极（Pb）: Pb- 2e-+ SO4 2 - =PbSO4 正极（PbO2）: PbO2+4H+SO42 -+ 2e-= PbSO4 +2H2O总反应：Pb+PbO2+2H2SO4 =2PbSO4 +2H2O放电时二氧化铅电极上发生还原反应，铅电极上发生氧化反应。充电时二氧化铅电极上发生氧化反应，铅电极上发生还原反应。（2） 镍镉电池该电池以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质。其电极反应式为：负极：Cd+2OH-2e=Cd(OH)2正极:2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH-总反应：Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2【特别提醒】从两种蓄电池的总的电池反应式可以看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低。而镍镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显的变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化。2.3燃料电池燃料电池燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。氢氧燃料电池工作原理 【特点】（1）能量转化率高（2）无污染（3）燃料储存在外加设备中对应练习3：汽车的启动电源常用铅蓄电池。放电时其电池反应为PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是（ ）A. Pb是负极B. PbO2得电子，被氧化C. 电池充电时，原来的负极发生还原反应D. 电池放电时，溶液酸性增强对应练习4： 下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是（ ）Aa电极是负极Bb电极的电极反应式为4OH-4e-=2H2O+O2C在电池内部，H+向a电极附近运动D氢氧燃料电池是一种具有广泛应用前景的绿色电源3. 原电池正负电极判断规律（1） 由电子或电流的流向判断负极：电子流出的一极，发生氧化反应的一极，电流流入的一极。正极：电子流入的一极，发生还原反应的一极，电流流出的一极。（2） 由电极的相对活泼性判定相对活泼性强的金属为负极（一般地，负极材料与电解质溶液能发生反应），相对活泼性较差的金属或导电的非金属为正极。例如：Mg-Fe-H2SO4溶液构成的原电池中，负极为Mg。（3） 由电极变化情况判定 某一电极若不断溶解，质量不断减少，该电极发生氧化反应，则此电极为负极；若某一电极上有气体产生，电极质量不断增加，该电极发生还原反应，则此电极为正极。（4） 由离子移动的方向判定电解质溶液（或熔融电解质）中，阴离子移向的极为负极，阳离子移向的极为正极。（5） 由电极通入的气体判定针对燃料电池而言，电极为惰性材料（Pt、C），电极本身不反应，只起传导电子作用。故可根据向两极通入的气体成分来判断两极的正负。燃料电池的负极通入的一定是可燃性气体（还原剂），正极通入的一定是助燃性气体（氧化剂）。【特别提醒】活泼金属在原电池中不一定作负极。例如，Mg-Al-NaOH溶液原电池，活动性：MgAl，而在此原电池中Al作负极，Mg作正极。负极反应式：Al+4OH-3e=AlO2+2H2O,正极反应式：2H+2e=H2总反应式：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2判断一个原电池中的正、负极，最根本的方法是；失电子的一极是负极，得电子的一极为正极。4. 电极反应方程式的书写方法（1） 负极反应式的书写活泼金属作负极（电极材料本身反应）生成的阳离子与电解液不反应时：M-ne=Mn+。若生成的阳离子与电解液反应，应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解液反应的反应式”叠加写出。燃料电池（电极材料本身不反应）H2-O2(H2SO4)燃料电池负极反应式：H2-2e=2H+H2-O2(KOH)燃料电池负极反应式：H2-2e+2OH-=2H2OH2-2e=2H+;2H+2OH-=2H2O(2) 正极反应式的书写首先判断正极反应的物质当负极材料与电解液能反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解液中的某种粒子。当负极材料与电解液不反应时，在正极上发生电极反应的是溶解在电解液中的O2燃料电池中在正极反应的物质是氧化剂根据具体情况书写正极反应式（也要考虑是否与电解液反应）H2-O2(H2SO4)的正极反应式：O2+4e+4H+=2H2OH2-O2(KOH)的正极反应式：O2+4e+2H2O=4OH-5. 原电池原理的应用（1） 加快氧化还原反应的进行原理：原电池反应在正极产生相应的物质应用：如实验室制备H2,下列两种方法都可以加快反应进行。A. 用粗锌：实验室中用Zn和稀硫酸反应制H2,常用粗锌，它产生H2的速率快。因为粗锌中的杂质、锌和稀硫酸形成原电池，加快了反应进行。B. 滴少量的CuSO4溶液：实验室中用Zn和稀硫酸反应制H2,可滴入少量CuSO4溶液。因为Zn与置换出的Cu构成原电池，加快了反应进行。（2） 比较金属的活动性原理：一般原电池中活动性比较强的金属作负极，活动性较弱的金属作正极。应用：A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中，若A极溶解，B极上冒气泡，则活动性：AB。对应练习5：（1）已知某燃料电池的总反应为2H2+O2=2H2O，则通入负极的应是_,电极方程式为_,通入正极的应是_,电极方程式为_.(2) 若把KOH溶液改为稀H2SO4作电解质，则电极方程式，正极：_,负极：_(3) 若把H2改为CH4,用KOH溶液作电解质，则电极方程式，负极：_,正极：_.-对应练习6：铁及其化合物应用广泛，例如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路板的离子方程式_（2）若将（1）中的中的反应设计成原电池，请在如图的方框内画出带有盐桥的该原电池的装置示意图，并标出电极材料、电极名称及电解质溶液，写出发生还原反应的电极的电极反应式_整体训练方法：1. 下列能源中属于二次能源的是（ ）A. 天然气 B.电力 C.原煤 D.石油2. 下列说法正确的是（ ）A. 原电池是把电能转化为化学能的装置B. 原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应C. 原电池两极均发生氧化还原反应D. 原电池工作时，阳离子向正极移动3.生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是 2PbSO42H2O PbO2Pb2H2SO4 下列对铅蓄电池的说法错误的是 ()A需要定期补充硫酸B工作时铅是负极，PbO2是正极C工作时负极上发生的反应是Pb2eSO=PbSO4D工作时电解质的密度减小4氢氧燃料电池已用于航天飞机，它是以铂作电极，KOH溶液作电解质，正极反应为O22H2O4e=4OH，负极反应为2H24OH4e=4H2O，下列叙述不正确的是()AH2在负极发生氧化反应B燃料电池的能量转化率可达100%C是一种高效、环保的发电装置 D供电时的总反应为2H2O2=2H2O二、根据电极反应式或总反应式分析电池的有关变化5市场上经常见到的标记为Liion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为Li2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2，下列说法不正确的是()A放电时，负极的电极反应式：Lie=LiB充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C该电池不能用水溶液作为电解质溶液D放电过程中Li向负极移动6甲醇燃料电池(DMFC)可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等，它的一极通入甲醇，一极通入氧气；电解质是质子交换膜，它能传导氢离子(H)。电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水，氧气在电极上的反应是O24H4e=2H2O。下列叙述中不正确的是()A负极的反应式为CH3OHH2O6e=CO26HB电池的总反应式是2CH3OH3O2=2CO24H2OC电池工作时，H由正极移向负极D电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路再从通入氧气的一极流入7LiAl/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为2LiFeS2e=Li2SFe有关该电池的下列说法中，正确的是()ALiAl在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为1价B该电池的电池反应式为2LiFeS=Li2SFeC负极的电极反应式为Al3e=Al3D充电时，阴极发生的电极反应式为Li2SFe2e=2LiFeS三、新型电池的开发利用8科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2。下列对该燃料电池的说法不正确的是()A在熔融电解质中，O2由负极移向正极B该电池的总反应是C3H85O2=3CO24H2OC电路中每通过5 mol电子，约有5.6 L标准状况下的丙烷被完全氧化D通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为C3H820e10O2=3CO24H2O9美国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁过氧化氢燃料电池系统。其工作原理如图所示。以下说法中错误的是()A电池的负极反应为Mg2e=Mg2B电池工作时，H向负极移动C电池工作一段时间后，溶液的pH增大D电池总反应式是MgH2O22H=Mg22H2O10如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是()A该系统中只存在3种形式的能量转化B装置Y中负极的电极反应式为O22H2O4e=4OHC装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生D装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化能力提升11某原电池中，电解质溶液为KOH(aq)，向负极通入C2H4或Al(g)，向正极通入O2或Cl2。试完成下列问题：(1)当分别通入C2H4和O2时：正极反应：_； 负极反应：_；电池总反应：_。(2)当分别通入少量Al(g)和Cl2时：正极反应：_；负极反应：_； 电池总反应：_。12科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电能的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式是_。(2)此电池正极发生的电极反应式是_，负极发生的电极反应式是_。(3)电解液中的H向_极移动，向外电路释放电子的电极是_。(4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池能量转化效率高，其次是_。13常用的锂电池(锂是一种碱金属元素，其相对原子质量为7)。由于它的比容量(单位质量电板材料所能转换的电量)特别大而广泛应用于心脏起搏器，一般使用时间可长达10年。它的负极用金属锂制成；电池总反应可表示为LiMnO2=LiMnO2。试回答