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1、第2节化学能与电能一、能源的分类按形成条件按使用历史按性质举例一次能源(开门见山从自然界获得的能源)常规能源可再生能源水能弗成再生能源煤、石油、自然气等化石能源新能源可再生能源太阳能、风能、地热能、潮汐能、沼气弗成再生能源核能二次能源(一次能源通过加工、转换失落失落的能源)电能(水电、火电、核电)、蒸汽、工专业热、酒精、汽油、焦炭等二、化学能转化为电能1.化学能开门见山转化为电能(在能量的转化过程中存在能量的丧失落)比如火力发电转化过程火力发电是通过化石燃料的燃烧,使化学能转化为热能,加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机,然后发动发电机发电.燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转化过程.化学
2、能热能呆板能电能转化情理燃烧(氧化恢复反应)是使化学能转化为电能的关键.因此燃烧肯定发生氧化恢复反应,氧化恢复反应确信有电子的转移,电子的转移引起化学键的重新组合,同时伴随着零碎能量的变卦.拓展点1:火力发电的优缺点优点:我国煤炭资源丰富投资少,技能成熟,安全功用高缺点:排斥大批的能导致温室效应的气体CO2以及导致酸雨的含硫氧化物,比如SO2消耗大批的弗成再生的化石燃料资源能量转化率低发生大批的废渣、废水.2.化学能开门见山转化为电能(在能量的转化过程中不存在能量的丧失落)原电池(将氧化恢复反应所释放的化学能开门见山转化为电能)(1)原电池的义务情理实验装置实验现象实验现象发生的缘故实验结论铜
3、片上有无色气泡发生2H+2e-=H2(恢复反应)将化学能开门见山改动为电能的装置称为原电池,该装置的总反应的离子方程式为:2H+Zn=H2+Zn2+(氧化恢复反应)锌片逐渐消融Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)电流表指针发生偏转同时指针偏向于Cu片这一边.发生了电流实验现象发生的缘故分析:由于Zn跟Cu的运动性差异,Zn随便失落失落电子,被氧化为Zn2+进入到溶液中,因此Zn片会逐渐消融,而由Zn失落失落的电子那么由Zn片通过导线流向Cu片,因此Zn片上会带有大批的正电荷,Cu片上会带有大批的负电荷,而电解质溶液中含有阳离子(H+、Zn2+)以及阴离子(OH-、SO42-),由于正负电荷相互吸
4、引,因此电解质溶液中的阳离子会移向Cu片去中跟Cu片上带负电荷的电子,阴离子那么移向Zn片去中跟Zn片上的正电荷,但是由于溶液中的H+得电子才能比Zn2+强,因此H+就移向Cu片去获得Cu片上由Zn片失落失落的电子而被恢复为H原子,H原子再结分析H分子即H2从Cu片上逸出,因此Cu片上有无色气泡发生.通过电流表指针发生偏转同时指针偏向于Cu片这一边,可以得出该装置发生了电流(而电流的形成是由于电子发生了定向移动),同时电流移动的偏向与电子移动的偏向相反,因此电流是从Cu片流出,Zn片流进,即Cu片作为正极;Zn片作为负极.原电池义务情理的总结归纳:原电池中电流的流向:正极负极原电池中电子的流向
5、:负极导线正极(留心:在该过程中,电子是永世都不会进入到电解质溶液中,由于电子只在金属内部运动同时电解质溶液中的自由移动的阴阳离子也不克不迭在导线中通过)原电池中电解质溶液中阴、阳离子的移动偏向:阳离子正极阴离子负极原电池义务情理的本质:发生自发的氧化恢复反应立即氧化恢复反应的电子转移变成电子的定向移动,将化学能转化为电能的办法释放.(所谓自发的确是指该氧化恢复反应不需要借助内涵的力量即本身就可以自己发生)原电池中的负极发生氧化反应,素日是电极材料或恢复性气体失落失落电子被氧化,电子从负极流出;原电池的正极发生恢复反应,素日是溶液中的阳离子或O2等氧化剂失落失落电子被恢复,电子流入正极.(2)
6、原电池的形成条件(两极一液一回路,反应要自发)两极:正极跟负极是两种沉闷性差异的电极材料,包括由两种沉闷性差异的金属材料形成的电极或者是由一种金属与一种非金属导体(如石墨)形成的电极,一般沉闷性较强的金属作为负极.一液(电解质溶液):包括酸、碱、盐溶液.一回路(形成闭合的电路):即两电极由导线相连或开门见山接触以及两电极必须拔出到一致种电解质溶液中或者分不拔出到一般与电极材料一样的阳离子的两种盐溶液中,两盐溶液之间用盐桥相连形成闭合回路.比如以下装置:氧化恢复反应要自发:指电解质溶液至少要与作为负极的金属电极材料发生自发的氧化反应.(3)电极反应式定义:原电池中的正极跟负极所发生的反应电极反应
7、式的抄写办法:补偿:复杂电极反应式的抄写如CH4碱性燃料电池负极反应式的抄写:CH42O22OH=CO3H2O总反应式2O24H2O8e=8OH正极反应式CH410OH8e=7H2OCO负极反应式留心:电极反应式的抄写必须遵守离子方程式的抄写恳求,比如难溶物、弱电解质、气体等均应写成化学式办法.留心电解质溶液对正、负极反应产物的阻碍.假设负极反应生成的阳离子能与电解质溶液中的阴离子反应,那么电解质溶液中的阴离子应写入电极反应式中,比如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池,负极反应式为:Fe+2e-+2OH=Fe(OH)2.三、原电池的应用(1)比较金属的运动性强弱情理:一般原电池中运动性较强的
8、金属作负极,运动性较弱的金属作正极.应用:比如A、B两种金属用导线连接或开门见山接触后拔出到稀H2SO4电解质溶液中,假设A极消融,B极有气泡发生,由此可揣摸A是负极,B是正极,运动性:AB.(2)加快氧化恢复反应的速率情理:在原电池中,氧化反应与恢复反应分不在两极停顿,溶液中的粒子运动时相互间的烦扰小,从而使化学反应速率加快.应用:比如实验室中用Zn跟稀H2SO4制取H2时,素日滴入几多滴CuSO4溶液,可以加快发生H2的速率.缘故在于Zn与置换出的Cu形成了原电池,加快了反应的停顿.(3)防止金属被堕落(比如要保护一个铁闸,可用导线将其与一Zn块相连,使Zn作原电池的负极,铁闸作正极)补偿
9、:金属堕落定义:指金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应,使金属失落失落电子变为阳离子而消耗的过程.金属堕落的分类:化学堕落跟电化学堕落在金属堕落中,我们把开门见山发生氧化恢复反应且不形成原电池的堕落称为化学堕落;而由不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电池反应而引起的堕落称为电化学堕落,电化学堕落又分为吸氧堕落跟析氢堕落:在潮湿的气氛中,钢铁表面吸附一层薄薄的水膜,不处消融了大年夜批的O2、CO2等气体,含有大年夜批的H跟OH从而形成电解质溶液.A.当电解质溶液呈中性、弱碱性或弱酸性时,它跟钢铁里的Fe跟大年夜批的C形成了无数个巨大年夜的原电池,Fe作负极,C作正极,因此钢铁发生吸氧
10、堕落.电极反应式为:负极(Fe):2Fe-4e-=2Fe2+正极(C):O2+2H2O+4e-=4OH总反应式为:2Fe+O2+2H2O=Fe(OH)2B.当电解质溶液的酸性较强时,钢铁那么发生析氢堕落.电极反应式为:负极(Fe):Fe-2e-=Fe2+正极(C):2H+2e-=H2总反应式为:Fe+2H+=Fe2+H2(4)制作各种化学电源(比如制作干电池、铅蓄电池、新型高能电池等)(5)方案制作原电池方案电路原电池的方案要称心形成原电池的四个条件:(a)由两种运动性差异的金属或由一种金属与其他导电的材料(非金属或某些氧化物)作为电极材料;(b)两个电极必须浸在电解质溶液中;(c)两个电极之
11、间要用导线连接形成闭合回路;(d)有自发停顿的氧化恢复反应.电极材料的选择电池的电极必须导电.电池中的负极必须可以与电解质溶液反应,随便失落失落电子,因此负极一般是沉闷的金属材料.正极跟负极之间只需发生电势差,电子才能定向移动,因此正极跟负极一般不用一致种材料.电解质溶液的选择电解质是使负极材料放电的物质.因此电解质溶液一般要可以与负极发生反应,或电解质溶液中消融的其他物质与负极发生反应(如气氛中的O2).但是假设两个半反应分不在两个容器中停顿(中间连接盐桥),那么左、右两个容器中的电解质溶液一般选择与电极材料一样的阳离子的盐溶液.比如Cu-Zn-硫酸盐原电池中,负极金属Zn浸泡在含有Zn2+
12、的电解质溶液中.方案比如方案思路实例以自发停顿的氧化恢复反应为基础2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2把氧化恢复反应分析为氧化反应跟恢复反应两个半反应,从而判定电极反应氧化反应(负极):Cu-2e-=Cu2+恢复反应(正极):2Fe3+2e-=2Fe2+以两极反应为情理,判定电极材料以及电解质溶液负极材料:Cu正极材料:石墨或铂电解质溶液:FeCl3溶液画出表现图拓展点2:原电池的正、负极的揣摸办法(1)按照形成原电池两电极的材料揣摸:一般是沉闷性较强的金属作为负极,沉闷性较弱的金属或能导电的非金属作为正极.(2)按照电流偏向或电子流淌的偏向揣摸:电流偏向(在外电路)是由正极流向负极,
13、电子的流淌偏向是由负极流向正极.(3)按照原电池中电解质溶液内阴、阳离子的定向移动偏向揣摸:在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极.(4)按照原电池两电极发生的反应典范揣摸:原电池的负极总是失落电子发生氧化反应,其正极总是得电子发生恢复反应.(5)按照电极质量的变卦揣摸:原电池义务后,X极质量增加,说明溶液中的阳离子在X极(正极)放电,X极运动性弱;反之,X极质量增加,说明X极金属消融,X极为负极,运动性强.(6)按照电池中的现象揣摸:假设某电极上有气泡冒出,那么是由于析出了H2,说明该电极为正极,运动性弱.上述揣摸办法可简记为:特不提醒:在揣摸原电池正、负极时,不克不迭只按照
14、金属沉闷性的相对强弱揣摸,偶尔还要考虑电解质溶液,比如Mg、Al跟NaOH溶液形成的原电池中,由于Mg不与NaOH溶液反应,虽然金属性MgAl,但是在该条件下却是Al作负极.因此要按照具体状况来揣摸正、负极.又比如说Fe、Cu在稀H2SO4溶液中,Fe作负极,Cu作正极;而Fe、Cu在浓HNO3溶液中,Fe作正极,Cu作负极.原电池的负极材料可以参与反应,表现为电极消融,但有的原电池(比如燃料电池)负极材料不参与反应;原电池的正极材料素日不参与反应.四、展开中的化学电源1.化学电源的分类一次电池二次电池燃料电池活性物质(即发生氧化恢复反应的物质)消耗到肯定程度就不克不迭再应用的电池,也的确是一
15、次电池只能放电不克不迭充电,应用后即丢弃,因此会形成状况污染.比如一般的锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等放电后可以再充电使活性物质获得再生的电池,比如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等蓄电池使用燃料与氧化剂之间发生氧化恢复反应,能连续地将燃料跟氧化剂的化学能开门见山转换成电能的化学电池,比如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池等(1)一次电池锌锰干电池电池名称构造表现图电解质电极材料电极反应式电池反应特征一般的锌锰干电池NH4Cl跟ZnCl2石墨跟锌负极:Zn-2e-=Zn2+正极:2NH4+2e-+2MnO2=2NH3+H2O+Mn2O3Zn+2NH4Cl+2MnO2=2NH3+H2O+Mn
16、2O3+2ZnCl2制作复杂,价钞票便宜,存放时辰短,放电后电流着落较快,可以发烧呢个气胀或漏液碱性的锌锰干电池KOHZn跟MnO2负极:Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正极:2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnOOH比能量跟可储存时辰均比一般的锌锰电池有所提高其他稀有的一次电池锌银电池锂离子电池电极材料负极:Zn正极:Ag2O负极:锂正极:MnO2、CuO、FeS2等电解质KOH溶液四氯化铝锂(LiAlCl4)溶液在亚硫酰氯(SOCl2)中形成电极反应式以及总反应式正极:Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-负极:Zn
17、+2OH-2e-=Zn(OH)2总反应式:Ag2O+H2O+Zn=Zn(OH)2+2Ag正极:3SOCl2+8e-=SO32-+2S+6Cl-负极:8Li-8e-=8Li+总反应式:3SOCl2+8Li=6LiCl+Li2SO3+2S特征应用过程中,电极负极区溶液的pH减小.电池比能量大年夜、电压动摇,储存时辰长,合适小电流连续放电比能量高、放电电压高、义务温度宽,可储存时辰长拓展点1:干电池的接收跟使用干电池中有Zn、Cu、MnO2、NH4Cl、ZnCl2、炭黑、石墨等单质跟化合物.Zn用剪刀去除废电池的外皮,洗净后剪碎晾干,即得锌片,可用于实验室制H2.如想失落失落锌粒,可将锌片放入铁坩埚
18、中加强热使之消融,消融时会有大年夜批ZnO白烟生成,消融后拆除浮渣,倒出冷却.Cu片把废电池上的铜帽取下,用煮沸的稀H2SO4洗涤,洗净后晾干,失落失落紫白色铜片.碳棒从废电池中取出,洗净即可.可用于原电池或电解池的电极.NH4Cl洗涤干电池中黑色糊状物时,其中不溶于水的物质全然是MnO2,NH4Cl那么溶于水中,将溶液过滤得澄清溶液,通过加热、蒸发、浓缩、结晶,即得NH4Cl晶体.(2)二次电池二次电池又称充电电池或蓄电池,它在放电时所停顿的氧化恢复反应,在充电时可以逆向停顿,使生成物恢恢复状,如此充、放电可循环停顿.这类电池可以多次重复应用,如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等蓄电
19、池.1)铅蓄电池铅蓄电池的构造铅蓄电池的义务情理a.放电时的电极反应负极Pb+SO42-2e=PbSO4(氧化反应)正极PbO2+4H+SO42+2e=PbSO4+2H2O(恢复反应)总反应式Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2Ob.充电时的电极反应阴极PbSO4+2e-=Pb+SO42-(恢复反应)阳极PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H+SO42-(氧化反应)总反应式2PbSO4+2H2O=PbO2+2H2SO4+Pb充电过程跟放电过程可用方程式表现:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O(3)锌银蓄电池锌银蓄电池的负极是锌,正极是Ag2O,用KOH溶液作
20、电解质溶液.放电时,电极反应:正极(Ag2O):Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-(恢复反应)负极(Zn):Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2(氧化反应)充电时,电极反应:阴极:Zn(OH)2+2e-=Zn+2OH-(恢复反应)阳极:2Ag+2OH-2e-=Ag2O+H2O(氧化反应)充电过程跟放电过程可用方程式表现:Zn+Ag2O+H2O2Ag+Zn(OH)2五、燃料电池燃料电池是一种能连续地将燃料跟氧化剂的化学能开门见山转换成电能的化学电池.燃料电池的最大年夜优点在于能量转化率高,可以接着应用,无噪音,不污染状况.燃料电池的电极本身不参与氧化恢复反应,只是一个催化转化元件.它义务
21、时,燃料跟氧化剂连续地由内部供给,在电极上不断地停顿反应,生成物不断地被排斥,因此电池就连续不断地供给电能.(1)氢氧燃料电池装置电池总反应2H2+O2=2H2O介质酸性(H+)负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+4H+4e-=2H2O中性负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+2H2O+4e-=4OH-碱性(OH-)负极:2H2-4e-+4OH-=4H2O正极:O2+2H2O+4e-=4OH-(2)其他稀有的燃料电池电池名称电解质电极反应式总反应式甲烷燃料电池碱性(OH-)正极(通入O2):4H2O+2O2+8e-=8OH-负极(通入CH4):CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2
22、OCH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O酸性(H+)正极(通入O2):2O2+8H+8e-=4H2O负极(通入CH4):CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+2O2+CH4=2H2O+CO2甲醇燃料电池碱性(OH-)正极(通入O2):3O2+12e-+6H2O=12OH负极(通入CH3OH):2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O酸性(H+)正极(通入O2):3O2+12e-+12H+=6H2O负极(通入CH3OH):2CH3OH-12e-+2H2O=12H+2CO22CH3OH+3O2=2CO2+4H2O肼
23、燃料电池碱性(OH-)负极(通入N2H4):N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O正极(通入O2):O2+4e-+2H2O=4OH-N2H4+O2=N2+2H2O酸性(H+)负极(通入N2H4):N2H4-4e-=N2+4H+正极(通入O2):O2+4e-+4H+=2H2O拓展点2:电极产物的确定起首应按照氧化恢复反应法那么判定氧化恢复产物中呼应元素的价态,然后结合电解质的理论状况判定产物外形.H2失落失落电子后变为+1价,假设电解质溶液呈酸性或中性,那么发生H+;假设电解质溶液呈碱性,那么发生H2O.O2失落失落电子后变为-2价,假设电解质溶液呈碱性或中性,那么生成OH-;假设电解质溶液
24、呈酸性,那么发生H2O;假设为固体熔融电解质,那么生成O2-.含C物质为恢复剂的燃料电池中,假设电解质溶液呈酸性,那么生成CO2;假设电解质溶液呈碱性,那么生成CO32-.总结:燃料电池电极反应式的抄写:1)燃料电池正极反应式的抄写由于燃料电池正极反应物一般是O2,即正极全然上氧化剂O2失落失落电子的恢复反应,故正极反应的基础全然上O2+4e-=2O2-,O2-的存在办法与燃料电池的电解质的外形以及电解质溶液的酸碱性有着亲热的联系.电解质为酸性电解质溶液(如稀硫酸)在酸性格况中,O2-离子不克不迭单独存在,可供O2-离子结合的微粒有H+离子跟H2O,O2-离子优先结合H+离子生成H2O.如此在
25、酸性电解质溶液中,正极反应式为O24H+4e-=2H2O.电解质为中性或碱性电解质溶液(如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液)在中性或碱性格况中,O2-离子也不克不迭单独存在,O2-离子只能结合H2O生成OH-离子,故在中性或碱性电解质溶液中,正极反应式为O22H2O+4e-=4OH-.电解质为熔融的碳酸盐(如Li2CO3跟Na2CO3熔融盐混跟物)在熔融的碳酸盐状况中,O2-离子也不克不迭单独存在,O2-离子可结合CO2生成CO32-离子,那么其正极反应式为O22CO2+4e-=2CO32-.电解质为固体电解质(如固体氧化锆氧化钇)该固体电解质在高温下可赞同O2-在其间通过,故其正极反应为O2+4e-
26、=2O2-.2)燃料电池负极反应式的抄写燃料电池负极反应物种类比较单一,可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质.差异的可燃物有差异的抄写办法,要想先写出负极反应式相当艰辛.一般燃料电池的负极反应式全然上采用开门见山办法抄写,即按上述恳求先精确写出燃料电池的总反应式跟正极反应式,然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式.比如以H2、C3H8为燃料的碱性电池为例说明如下:H2-2e-=2H+或H2-2e-+2OH-=2H2O;C3H83CO23CO32-(3个C全部从-8价落低到+12价,失落失落20e-),那么有:C3H8-20e-+aOH-=3CO32-+bH2O,由电荷守恒知a=26;由H原子守恒知b=17,因此电极反应式为C3H8-20e-+26OH-=3CO32-+17H2O(3)燃料电池与一次电池、二次电池的要紧区不氧化剂与燃料在义务时不断地由内部供给.生成物不断地被排斥.(4)保持电池的处理保持电池中含有重金属跟酸碱等有害物质,随意丢弃,对生态状况跟人体健康有特不大年夜的虐待.假设把它当作一种资源,加以接收使用,既可以增加对状况的污染,又可以白费资源.因此,应当重视保持电池的接收.