化学反应与能量(必修二-第二章-第二节-化学能与电能)

第二节化学能与电能电池的广泛应用一次能源和二次能源1.一次能源：2.二次能源：如流水、风力、原煤、石油、天然气、天然铀矿等。如电力、蒸汽等。直接从自然界中取得的能源。一次能源经过加式、转换得到的能源。2013年我国发电总量构成图2001年我国发电总量构成图从2001年及2013年我国发电总构成图可得知：一、化学能转化为电能火电（火力发电）仍将居于首位。火电站工作原理示意图化学能热能机械能电能燃烧蒸汽发电机燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键。1.为什么说燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键？氧化还原反应的本质是氧化剂与还原剂之间发生电子转移的过程，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。2.如何使氧化还原反应释放的能量直接转变为电能？思考与交流：⑴要想产生电能，必须存在⑵如何才能产生电势差？电势差要设计一个装置，使氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行，并使其间的电子转移，在一定条件下形成电流。稀H2SO4ZnCu将铜片和锌片分别插入稀硫酸溶液中，观察现象并解释原因。探究一：现象：Zn片上有气泡且逐渐溶解；Cu片无明显现象。Zn+2H+==Zn2++H2↑化学方程式：稀H2SO4ZnCu探究二：将铜片和锌片用导线连接插入稀硫酸溶液中思考：①电子能否通过溶液进行导电？②所有溶液都能导电么？③电解质溶液如何导电？否否，只有电解质溶液才能导电通过阴、阳离子的定向移动探究三：将铜片和锌片用导线连接且中间连接电流表插入稀硫酸溶液中思考：①电流表会偏转么？说明什么？稀H2SO4ZnCuG②电子如何流动？③电流的方向？会，说明电路存在电流电子从Zn极流向Cu极电流的方向与电子流动方向相反二、原电池1.定义：2.实质：将化学能变成电能的装置化学能转变成电能3.电极构成：（—）（+）e-外电路内电路负极：正极：Zn-2e-=Zn2+2H++2e-=H2↑Zn2+H+e-H2SO4（氧化反应）（还原反应）4.电子及电流方向：（—）（+）e-I外电路内电路Zn2+H+e-SO42-外电路：①电子由负极流向正极②电流由正极流向负极内电路：①阳离子由负极移向正极②阴离子由正极移向负极③电流由负极流向正极H2SO45.构成原电池的条件：①两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。②电解质溶液③形成闭合回路④自发的氧化还原反应下述装置能否构成原电池？练习：1．(双选题)根据Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑的反应原理设计一个原电池，当Zn为负极时，正极可以选用的材料是()A．镁B．石墨C．铝D．铅2．有关原电池的下列说法中正确的是()A．在外电路中电子由正极流向负极B．原电池产生的电流是由于电子的定向移动C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动D．原电池工作时，阴离子向正极方向移动BDC练习：3．以下装置能形成原电池的是________。①②⑤4．判断下列化学反应方程式能否从理论上设计成原电池①CH4＋2O2===CO2＋2H2O②HNO3＋NaOH===NaNO3＋H2O③2H2＋O2===2H2O④2FeCl3＋Fe===3FeCl2⑤Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag⑥Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O⑦Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4⑧C＋CO2===2CO╳三、正负极的判断方法1.根据电极材料判断一般来说，活动性较强的金属为负极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。Zn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=Cu正极：负极：总反应：Zn+Cu2+=Cu+Zn2+正极：负极：2H++2e-=H2↑Mg-2e-=Mg2+总反应：Mg+2H+=Mg2++H2↑例外：正极：负极：总反应：Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O2H2O+2e-=2OH-+H2↑2Al+2H2O+2OH-=2AlO2-+3H2↑2.根据电流方向或电子流动方向来判断在外电路（导线）上，电流由正极流向负极，电子流动方向是由负极流向正极例题：下列装置中，导线中的电子由左边一极流向右边一极的是()C3.根据反应类型来判断原电池的负极总是失电子发生氧化反应，正极总是得电子发生还原反应。例题：有A、B、C、D四种金属，当A、B组成原电池时，电子流动方向A→B；当A、D组成原电池时，A发生还原反应；B与C构成原电池时，电极反应式为C2++2e-==C，B-2e-==B2＋，则A、B、C、D金属性由强到弱的顺序为()A．A＞B＞C＞DB．A＞B＞D＞CC．D＞A＞B＞CD．D＞C＞A＞BC例题：在装有水的容器中，用棉线悬挂一个在水中保持水平的金属棒，该棒由铁和铜焊接而成，棉线系在两种金属接缝处，如右图所示，再向水中加入少量CuSO4溶液，经过一段时间后看到的现象是()A．铁端将附着铜增重下沉B．铜端将附着铜增重下沉C．铁端粗细不变而上升D．铜端粗细不变而下沉B4.根据现象判断溶解一极是负极，增重或有气泡放出一极是正极。1.将铁棒和锌棒用导线连接插入CuSO4溶液中，当电池中有0.2mol电子通过时，负极质量的变化是()A.增加6.5gB.减少6.5gC.减少5.6gD.增加6.4g2.①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可以组成原电池。①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是()A．①③②④B．①③④②C．③④②①D．③①②④BB练习四、原电池应用1.金属性强弱比较方法：①根据金属活动顺序表，金属的位置越靠前，其金属性越强。②金属阳离子的氧化能力越强，则对应金属单质的还原性越弱。③同一周期越靠前，金属性越强，同一主族越靠下，金属性越强。④金属与水（或酸）反应越容易，则金属性越强⑤金属与盐溶液的置换反应。⑥最高价氧化物对应水合物的碱性越强，则对应金属单质的还原性越强⑦一般来说，作负极的金属活动性强，作正极的金属活泼性弱。2.改变化学反应速率例题：等质量的两份锌粉a、b，分别加入两支相同的试管中，然后加入等体积等物质的量浓度且均过量的稀硫酸，同时向a中加入少量CuSO4溶液，则产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系用图象表示如下，其中正确的是()D3.保护金属设备如图：船体及水闸门都是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，如何处理？处理方法：在船体外壳或水闸门焊接上比铁活泼的金属（如Zn等），则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而得到保护。练习：下列各变化中属于原电池反应的是（）Ａ.在空气中金属铝表面迅速氧化形成保护层Ｂ.镀锌铁表面划损时，仍然能阻止铁被氧化Ｃ.红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色保护层Ｄ.锌与稀硫酸反应时，加入少量CuSO4溶液可使反应速率加快BD4.原电池的设计以Zn+CuSO4=Cu+ZnSO4为例Zn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=Cu正极：负极：总反应：Zn+Cu2+=Cu+Zn2+原电池原电池（两个半电池）练习：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑根据下列方程式所表示的氧化还原反应设计一个原电池装置并画出简图：或或Fe+2FeCl3=3FeCl2或或五、发展中的化学电源1.锌锰干电池(1)普通锌锰电池负极材料：正极材料：锌碳电解质：NH4Cl负极反应：正极反应：Zn-2e-==Zn2+2NH4++2e-==2NH3↑+H2↑总反应：Zn+2NH4+==Zn2++2NH3↑+H2↑(2)碱性锌锰电池负极材料：正极材料：锌MnO2电解质：KOH负极反应：正极反应：Zn-2e-+2OH-==Zn(OH)22MnO2+2e-+2H2O==2MnOOH+2OH-总反应：Zn+2MnO2+2H2O==Zn(OH)2+2MnOOH改进后碱性锌锰电池的优点：电量大，电流稳定1．下列有关电池的说法不正确的是()A．手机上用的锂离子电池属于二次电池B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D．锌锰干电池中，锌电极是负极B2．对化学电源的叙述正确的是()A．化学电源比火力发电对化学能的利用率高B．化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位C．化学电源均是安全、无污染的D．化学电源即为可充电电池A3.废电池的污染引起人们的广泛重视，废电池中对环境形成污染的主要物质是()A．锌B．汞C．石墨D．二氧化锰B(3)纽扣电池负极材料：正极材料：锌Ag2O电解质：KOH负极反应：正极反应：Zn-2e-+2OH-==Zn(OH)2Ag2O+2e-+H2O==2Ag+2OH-总反应：Zn+Ag2O+2H2O==Zn(OH)2+2Ag4.电子表和电子计算器的电源常用微型银锌原电池，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为一定浓度的KOH溶液，放电时锌极上的电极反应式为：Zn+2OH--2e-==Zn(OH)2；氧化银电极上的反应式为：Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-，总的电池反应式为：Ag2O+H2O+Zn==Zn(OH)2+2Ag。下列说法正确的是()A．溶液中OH－向正极移动，K＋、H＋向负极移动B．锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应C．锌是负极，氧化银是正极D．随着电极反应的不断进行，电解质溶液的碱性减弱C2.充电电池(二次电池)※原电池(放电过程)负极：Pb-2e-+SO42-==PbSO4正极：PbO2+2e-+SO42-+4H+==PbSO4+2H2O总反应：Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2O5.镍镉电池是一种可充电电池，其反应的化学方程式为：Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2由此可知，该电池的负极材料是()A.CdB.NiO(OH)C.Cd(OH)2D.Ni(OH)2负极：Cd-2e-+2OH-==Cd(OH)2正极：NiO(OH)+e-+H2O==Ni(OH)2+OH-A⑴H2-H2SO4-O2燃料电池3.燃料电池负极：正极：总反应：H2-2e-==2H+⑵H2-KOH-O2燃料电池负极：正极：总反应：H2-2e-+2OH-==2H2OO2+4e-+4H+==2H2O2H2+O2==2H2O2H2+O2==2H2OO2+4e-+2H2O==4OH-⑶CH4-H2SO4-O2燃料电池负极：正极：总反应：⑷CH4-KOH-O2燃料电池负极：正极：总反应：CH4-8e-+2H2O==CO2+8H+O2+4e-+4H+==2H2OCH4+2O2==CO2+2H2OCH4+2O2+2OH-==CO32-+3H2OO2+4e-+2H2O==4OH-CH4-8e-+10OH-==CO32-+7H2O3.燃料电池⑸CH3OH-H2SO4-O2燃料电池负极：正极：总反应：⑹CH3OH-KOH-O2燃料电池负极：正极：总反应：CH3OH-6e-+H2O==CO2+6H+O2+4e-+4H+==2H2O2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O2CH3OH+3O2+4OH-==2CO32-+6H2OO2+4e-+2H2O==4OH-CH3OH-6e-+8OH-==CO32-+6H2O3.燃料电池⑺C2H6-H2SO4-O2燃料电池负极：正极：总反应：⑻C2H6-KOH-O2燃料电池负极：正极：总反应：C2H6-14e-+4H2O==2CO2+14H+O2+4e-+4H+==2H2O2C2H6+7O2==4CO2+6H2O2C2H6+7O2+8OH-==4CO32-+10H2OO2+4e-+2H2O==4OH-C2H6-14e-+18OH-==2CO32-+12H2O3.燃料电池⑼C2H5OH-H2SO4-O2燃料电池负极：正极：总反应：⑽C2H5OH-KOH-O2燃料电池负极：正极：总反应：C2H5OH-12e-+3H2O==2CO2+12H+O2+4e-+4H+==2H2OC2H5OH+3O2==2CO2+4H2OC2H5OH+3O2+4OH-==2CO32-+5H2OO2+4e-+2H2O==4OH-C2H5OH-12e-+16OH-==2CO32