化学能与电能1

第二节化学能与电能 1 了解化学能与电能的转化关系 2 初步了解化学电池的工作原理及应用 3 了解研制新型电池的重要性 4 会书写简单的电极反应式 一 一次能源和二次能源1 定义 一次能源是 从自然界中取得的能源 一次能源经加工 转换得到的能源是二次能源 2 实例 风力 原煤 天然气 石油 电力 流水 蒸汽 其中 填序号 一次能源 二次能源 直接 水电17 6 2001年我国发电总量构成图 火力81 2 估计在2050年火电仍居首位 思考 火电 又称为火力发电 那么 火究竟是如何转化为电 一 化学能与电能的相互转化 1 火力发电的原理分析 2 火力发电的化学本质分析 燃烧 氧化还原反应 氧化剂与还原剂之间发生电子的转移 火力发电 将化学能经一系列能量转化为电能 旧键断裂和新键形成 体系能量变化 过程 关键 本质 本质 引起 3 火力发电的利弊分析 利 我国煤炭资源丰富廉价方便 弊 排出大量温室效应气体 CO2 和废气 SO2 能导致酸雨 产生废渣 有毒金属和致癌化合物 废液 能量转化效率低 电能清洁安全 又快捷方便 节省时间 思考 若你是电力工程师 面对这些利弊 你如何应对呢 a 改进火力发电 b 研究新的发电方式 方式之一就是尝试将化学能直接转化为电能 其好处就是减少中间环节能损 高效 清洁利用燃料 不浪费能源 更方便 H2SO4 实验1 分别把锌片和铜片插入到稀H2SO4中 观察现象 实验2 将锌片和铜片用导线连接 导线中间接入一个电流表 平行插入盛有稀硫酸得烧杯中 观察现象 铜片表面有气泡产生 锌片不断溶解 电流表指针发生偏转 铜片表面没有气泡产生 锌片不断溶解 有气泡产生 Zn 2H Zn2 H2 锌片 失 得 Zn 2e Zn2 不是 表示 2H 2e H2 不是 表示 负极 正极 Zn 2H Zn2 H2 产生气体 Zn片溶解 Zn片 Cu片 电极反应 氧化反应 还原反应 实验结论 导线中有电子通过形成了电流 化学能转变成了电能 4 原电池 1 定义 将化学能转变为电能的装置 2 判断原电池正 负极的方法 由组成原电池的两极材料判断 一般是活泼的金属为负极 活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极 根据电流方向或电子流动方向判断 外电路电流由正极流向负极 电子由负极流向正极 根据电极反应现象判断 不断溶解 质量减少为负极 有气体产生或质量增加或不变为正极 3 电极反应 负极 Zn 2e Zn2 氧化反应 正极 2H 2e H2 还原反应 4 总反应式 电池反应 两个电极反应之和 Zn 2H Zn2 H2 Zn H2SO4 稀 ZnSO4 H2 原电池反应的本质是 氧化还原反应 负极失电子 发生氧化反应 正极得电子 发生还原反应 电子从负极经外电路流向正极 从而产生电流 使化学能转变成电能 5 原电池反应原理 负极 正极 Cu2 2e Cu Fe 2e Fe2 总反应 Fe Cu2 Fe2 Cu Fe CuCl2 FeCl2 Cu 练习 思考 下列装置中属于原电池的是 6 原电池的构成条件 两种活泼性不同的金属 或其中一种为能导电的非金属 如 碳棒 作电极 其中较活泼金属为负极 较不活泼金属 或非金属 为正极 正极一般不参与电极反应 只起导电作用 电解质溶液 做原电池的内电路 并参与反应 形成闭合回路 能自发地发生氧化还原反应 练习 下列装置中能组成原电池形成电流的是 C D B A C 7 原电池的应用 1 制作化学电源 锌锰电池 锂电池 氧化银电池 2 加快反应速率 例如 实验室制H2时 由于锌太纯 反应一般较慢 可加入少量CuSO4以加快反应速率 Cu Zn相连 金属之间的电阻远远小于锌与溶液接触部分 故电子顺导线到达Cu表面 H 从Cu表面得到电子变成H2逸出 铜锌之间有电流出现 也就形成了一个电场铜锌之间就有电压 这个电压相当于加速器 加速了电子的得失 3 判断金属活动性的强弱 较活泼金属为负极 较不活泼金属 或非金属 为正极 先判断原电池的正 负极 金属性 负极 正极 2 把a b c d四块金属片浸入稀硫酸中 用导线两两相连组成原电池 若a b相连时 a为负极 c d相连时 电流由d到c a c相连时 c极上产生大量气泡 b d相连时 b上有大量气泡产生 则四种金属的活动性顺序由强到弱的为 A a b c dB a c d bC c a b dD b d c a B 练习 1 X Y Z都是金属 把X浸入Z的硝酸盐溶液中 X的表面有Z析出 X与Y组成原电池时 Y是电池的负极 X Y Z三种金属的活动性顺序为 A X Y ZB X Z YC Y X ZD Y Z X C 4 揭示金属腐蚀的原因及防止金属的腐蚀 钢铁中含有碳 C与Fe若接触电解质溶液 可组成原电池 发生原电池反应而使钢铁遭到腐蚀 金属的腐蚀 定义 金属材料受周围介质的作用而损坏 称为金属腐蚀 金属的锈蚀是最常见的腐蚀形态 分类 化学腐蚀 金属跟接触到的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀 这类腐蚀不普遍 电化学腐蚀 不纯金属或合金跟电解质溶液接触时 因发生原电池反应所引起的腐蚀 金属的腐蚀主要是电化学腐蚀 钢铁的腐蚀 电化学腐蚀主要包括吸氧腐蚀和析氢腐蚀 钢铁的析氢腐蚀 钢铁在干燥的空气里长时间不易腐蚀 但潮湿的空气中却很快就会腐蚀 原来 在潮湿的空气里 钢铁的表面吸附了一层薄薄的水膜 这层水膜里含有少量的氢离子与氢氧根离子 还溶解了O2 CO2等气体 结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液 它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池 酸性较强 弱酸性或中性 负极 Fe Fe 2e Fe2 正极 C 2H 2e H2 钢铁的吸氧腐蚀 负极 Fe 2Fe 4e 2Fe2 正极 C 2H2O O2 4e 4OH 总反应 2Fe O2 2H2O 2Fe OH 2 4Fe OH 2 O2 2H2O 4Fe OH 3 钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀 请根据反应 2Fe3 Fe 3Fe2 设计原电池 画出装置图 指出正负极 写出电极反应式 1 写电极反应式 写出总反应方程式或总反应离子方程式 2Fe3 Fe 3Fe2 将总反应分为氧化反应和还原反应 氧化反应 Fe 2e Fe2 还原反应 2Fe3 2e 2Fe2 氧化反应发生在负极上 还原反应发生在正极上 负极 正极 验证 两电极反应相加所得式子是否与总反应相同 2 画装置图 Fe CuCAg FeCl3Fe NO3 3Fe2 SO4 3 练习 1 下列四个装置中 导线中的电子由左边一极流向右边一极的是 B 稀硫酸 Zn Fe A Fe C A 稀硫酸 稀硫酸 C Zn A A B C 2 如图装置 电流表G发生偏转 同时A极逐渐变粗 B极逐渐变细 C为电解质溶液 则A B C应是下列各组中的哪一组 A A是锌 B是铜 C为稀H2SO4B A是铜 B是锌 C为稀硫酸C A是铁 B是银 C为AgNO3溶液D A是Ag B是铁 C为AgNO3溶液 D 二 发展中的化学电源 1 干电池 锌锰电池 1 普通锌锰电池 一次性电池 负极材料 锌筒 Zn 正极材料 碳棒 C MnO2糊 电解质 NH4Cl糊 负极 正极 Zn 2e Zn2 2NH4 2e 2NH3 H2 H2 2MnO2 2MnO OH 碱式氧化锰 总反应 Zn 2MnO2 2NH4 2MnO OH 2NH3 Zn2 电池的构造 电极反应 缺点 普通锌锰干电池用久了锌外壳会变薄 最后内部电解质会泄漏出来 使电器腐蚀 2 碱性锌锰电池 一次性电池 将普通锌锰干电池中的NH4Cl换成KOH或NaOH 负极 正极 Zn 2e 2OH Zn OH 2 2MnO2 2H2O 2e 2MnO OH 2OH 总反应 2MnO2 Zn 2H2O 2MnO OH Zn OH 2 电极反应 优点 延长了锌锰电池的使用寿命与性能 2 充电电池 二次电池 放电时 原电池工作 发生氧化还原反 充电时 氧化还原反应逆向进行 1 铅蓄电池 电池的构造 负极材料 正极材料 电解质 Pb PbO2 H2SO4溶液 负极 正极 总反应 电极反应 Pb SO42 2e PbSO4 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O Pb PbO2 4H 2SO42 2PbSO4 2H2O 特点 铅蓄电池的工作电压平稳 使用温度及使用电流范围宽 能充放电数百个循环 贮存性能好 造价较低 因而应用广泛 但是比能量 单位重量所蓄电能 小 对环境腐蚀性强 2 镍镉电池 负极材料 正极材料 电解质 Cd NiO OH KOH 负极 正极 Cd 2e 2OH Cd OH 2 2NiO OH 2e 2H2O 2Ni OH 2 2OH 使用寿命比铅蓄电池长 体积小 但会严重污染环境 3 燃料电池 它是一种将燃料和氧化剂 如O2 反应所放出的化学能直接转化为电能的高效 环境友好的发电装置 燃料电池由3个主要部分组成 燃料电极 负极 电解液 空气 氧气电极 正极 1 氢氧燃料电池 工作时向负极供给燃料 H2 向正极供给氧化剂 空气 O2 H2在负极分解成H 和电子e H 进入电解液中 而电子则沿外部电路移向正极 在正极上 O2得电子 电极材料一般为活性电极 具有很强的催化活性 如铂电极 活性炭电极等 电解液为碱性溶液 如KOH 2H2 4OH 4e 4H2O O2 2H2O 4e 4OH 负极 正极 总反应 2H2 O2 2H2O 电解液为酸性溶液 如H2SO4 负极 正极 总反应 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 2H2 O2 2H2O 2 氢氧燃料电池的特点 能量转化效率高 污染很小 燃料适用范围广 需要持续供应反应物 1 写出甲烷燃料电池 电解质溶液为氢氧化钾溶液 的电极反应式及总方程式 练习 负极