学生讲义 第二章 化学反应与能量变化 第二节 化学能与电能

学生讲义第二章 化学反应与能量变化第二节 化学能与电能重庆市铜梁中学校 左先群【课程三维目标】知识与技能：1、认识原电池的反应原理、构成及应用 2、认识化学能转变为电能的本质 3、认识常见的化学电源，了解燃料电池的工作原理 过程与方法： 实验论证、阅读（查阅资料）、比较、分析、讨论、信息处理、演绎归纳，培养抽象思维能力、从现象分析本质的能力 情感与态度：1、体验新科技对人类进步的贡献 2、感悟能源的价值，增强环保意识【课前预习案】1、能源的类型 教材39页资料卡片 教辅45页知识点1 细品教材2、电能的优点、现代社会的电力来源、火力发电3、原电池的定义、构成前提与条件怎么确定一个装置是原电池装置？如何确定时间原电池的正负极？如何利用原电池判断金属活泼性的强弱？理解原电池反应的相关计算尝试书写原电池的正、负电极反应式，找找正、负电极反应式与原电池中总反应式的关系；尝试依据一个氧化还原反应来设计原电池4、了解、阅读教材42页44页的发展中的化学电源【课内探究案】一、 原电池定义： 原理1、构成前提2、构成条件 以上几点见下页原电池知识总览表3、电极 (以稀H2SO4溶液为电解质溶液) 的判断电子只能沿导线传递电极的确定可以看：组成材料的活泼性、电子（得失）流向、溶液中离子定向移动的方向、反应类型、电极上发生的现象（负极通常变细、正极上有气泡逸出或变粗）等强调：在一些特殊条件下，电极的判断不仅要看电极材料，还要看电解质溶液。如()Mg | 稀H2SO4(aq) | Al() ()Al | NaOH(aq) | Mg() ()Al | NaOH(aq) | Cu() ()Cu | 浓HNO3(aq) | Al()怎么写原电池的电极反应式关键是理解反应原理1、 确定正、负极和反应的物质2、 注意守恒(原子守恒、电子得失守恒)关系电极反应式中的原子一定要守恒正、负极电极方程式中的得失电子数一定要相等3、 看电解质溶液中的离子是否参与反应发生的自发反应的本质是不变的，只是看反应生成的微粒在电解质溶液（酸性、中性或碱性）中的存在形式。例如：Zn2在酸性溶液中就只是Zn2，在碱性溶液中则必须与OH结合生成Zn(OH)2。 H在酸性溶液中就只是H，在碱性溶液中则必须与OH结合生成H2O。 O2在酸性溶液中只能结合H以H2O的形式存在，在碱性溶液中只能结合H2O以OH的形式存在，在熔融氧化物电池中就直接以O2形式存在4、通常用离子方程式表示弱电解质要写化学式。有关原电池的计算只抓电子得失守恒即可（教辅47页资料备选）原电池知识总览表知识要点实例概念将化学能转变为电能的装置 G Zn Cu 电解质溶液为稀硫酸原理使氧化还原反应中电子转移作定向移动，从而形成电流实质化学能转变为电能构成前提能自发发生的氧化还原反应(负极与电解质溶液之间的反应)构成条件两种活动性不同的金属(或能导电的非金属或能导电的金属氧化物)相连电解质(水溶液或熔融状态可导电)形成闭合回路(两极一液一连线)电极构成由电极本身决定(以稀H2SO4为电解质溶液)：正极：较不活泼的金属(或能导电的非金属、金属氧化物)负极：较活泼的金属Zn负极Cu正极【课堂强化训练】教辅46页例2电极反应负极：失去电子，发生氧化反应正极：得到电子，发生还原反应负极：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）正极：2H+-2e-=H2（还原反应）电荷(电子)流向(e) 负极沿导线流向正极(e)由Zn流出，经导线到Cu电流 流向(I) 正极沿导线流向负极(I) 由Cu流出，经导线到Zn电解质溶液内部离子的移动方向阴离子移向负极，阳离子移向正极阴离子SO4、(OH)移向Zn极阳离子H、Zn2移向Cu极电极反应式与总反应式的关系两个电极反应式相加，即得反应总式(总反应式负极反应式=正极反应式总反应式正极反应式=负极反应式)Zn2H=Zn2H2重要应用抗金属的电化腐蚀(金属防腐蚀)实用电池(设计新电池)加快氧化还原反应的速率比较金属的活泼性，但必须用稀硫酸作电解质溶液(教辅47页例3)船体吃水线下放Zn干电池、充电电池、燃料电池用粗锌代替纯Zn制H2、生铁比纯铁更易腐蚀等负极为活泼性强的金属补充知识 二、金属的腐蚀1、金属腐蚀的本质：金属原子失去电子变为阳离子，金属发生氧化反应2、金属腐蚀的类型化学腐蚀和电化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀条件金属跟非金属单质、电解质溶液接触直接反应不纯的金属或合金跟电解质溶液接触而反应现象无电流产生有电流产生本质金属被氧化较活泼的金属被氧化联系两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍析氢腐蚀与吸氧腐蚀（要求掌握钢铁的腐蚀）析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性比较强(pH4.3) (酸雨pH5.6)弱酸性或中性环境电极反应负极Fe2e=Fe2(或写2Fe4e=2Fe2)正极2H2e=H2O22H2O4e=4OH总反应式Fe2H=Fe2=H22FeO22H2O=2Fe(OH)2联系吸氧腐蚀更为普遍Fe生锈之原理：()Fe | NaCl(aq)或某些电解质溶液 | 石墨电极() O2(空气)2FeO22H2O = 2Fe(OH)2 4Fe(OH)2O22H2O = 4Fe(OH)3 2Fe(OH)3 Fe2O3 3H2O (此步实际是多个Fe(OH)3微粒失水生成Fe2O3nH2O)3、金属的防护电化学防护：利用原电池原理或电解池的原理对金属进行保护 改变金属的内部结构，如制成合金 加防护层：如喷油漆、涂油脂、电镀、表面钝化等4、判断金属腐蚀快慢的规律电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防护措施的腐蚀对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电质溶液弱电解质溶液非电解质溶液活泼性不同的两种金属，活泼性相差越大，腐蚀越快对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越大课堂练习如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为Fe G CuFe CuFe CuFe G ZnFe G SnFe 补充 一、普通原电池的装置 G Zn Cu G Zn Cu 稀硫酸隔膜ZnSO4CuSO4 G Zn Cu ZnSO4CuSO4盐桥隔膜：允许某种微粒通过 盐桥：允许某种微粒通过强调：电池中发生氧化反应和还原反应的物质可以不直接接触，只要是闭合回路，就可形成原电池反应1()金属 | 稀H2SO4(aq) | C(石墨)() 可用于 。2() Al、(Mg) | 海水(aq) | 石墨电极 空气() 负极： 正极： 总反应： 。3Al、Mg、NaOH溶液形成的原电池 负极： 正极： 总反应： 。4Al、Zn、浓硝酸(或浓硫酸)形成的原电池 负极： 正极： 总反应： 。5酸性锌锰干电池() Zn NH4ClZnCl2 (糊状) MnO2 (+) 负极： 正极： 总反应：Zn2MnO22NH4=Zn2Mn2O32NH3H2O或Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+Mn2O3+H2O6Fe、CuSO4溶液形成原电池(或Fe(Cu）、FeCl3溶液形成原电池) (正极用石墨或可导电的惰性电极) 负极： 正极： 总反应： 。7 Fe在潮湿空气中的吸氧腐蚀 (Cu、Al等也要掌握) 负极： 正极： 总反应： 。8心脏起搏器Li电池 电池材料为锂和碳，电解液为LiAlCl4SOCl2 4Li 2SOCl2 = 4LiCl S SO2 或 8Li3SOCl2 = 6LiClLi2SO32S或Li MnO2 = LiMnO29锌KOH溶液空气电池二、燃料电池的主要品种(优点：效率高，能量转化率可高达60%左右；洁净，无污染，噪声低，有害气体排放少；适用范围广，组装方便。)电池氢氧碱性电池氢氧磷酸电池氢氧质子交换膜电池熔融碳酸盐电池固体电解质电池甲醇质子交换膜电池代号AFCPAFCPEMFCMCFCSOFCDMFC工作温度()60120180210801006007009001000燃料高纯H2H2H2H2CO CH4H2CO CH4CH3OH氧化剂高纯O2空气空气空气CO2空气空气电解质KOHH3PO4质子交换膜K2CO3 Li2CO3Y2O3 ZrO2质子交换膜阴极催化剂PtPtPtNiNi/Zr2O3Pt阳极催化剂PtPtPtNiOLaSrMnO3Pt燃料电池除了本体，还有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统、安全装置等。电极除了可以导电作用之外，还起催化作用；多孔性电极是为了增大接触面积(更好地吸附燃料或助燃剂)，加快反应速率，使反应充分；电极本身不参与反应。所采用燃料一般为：H2、CH4、CH3OH、C4H10、CO等，助燃剂一般为O2(或空气)，CO燃料电池助燃剂中通常还需CO2气体 1以酸溶液作电解质：例如以C4H10(或甲醇)氧气燃料电池，以稀硫酸为电解质溶液。电极反应：阳极_ 阴极_ 电池总反应： 2以碱溶液作电解质：例如以C4H10氧气燃料电池，以氢氧化钠为电解质溶液。电极反应：阳极_ 阴极_ 电池总反应： 3以熔融Li2CO3和Na2CO3作电解质：例如以CO氧气（混有CO2）燃料电池。 电极反应：阳极_ 阴极_ 电池总反应： 4固体氧化物燃料电池：一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钆（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导O2。 电极反应：阳极_ 阴极_ 电池总反应： 三、可充电电池 作电源时，为原电池，叫正负极。正极发生还原反应，负极发生氧化反应。 充电时，为电解池，原电池的负极与电源的负极相连，叫阴极(得电子，发生还原反应) ；原电池的正极与电源的正极相连，叫阳极(失电子，发生氧化反应)负极氧化反应正极还原反应还原反应阴极氧化反应阳极原电池 放电充电 电解池外加电源()()1铅蓄电池 负极是Pb，正极是PbO2，(用含锑5%8%的铅锑合金铸成格板)电解质是一定浓度的H2SO4溶液 (在1.25gcm31.28gcm3之间）放电充电Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO42H2O放电充电Li 2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO22锂电池 负极是金属锂和碳的复合材料，电解质为一种能传导Li的高分子材料放电充电0.45Li Li0.35CoO2 LiCoO2 放电充电C6Li Li1xMO2 C6Li1x LiMO2(C6Li表示锂与石墨形成的复合材料，LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物，电解质为允许Li通过的物质） 放电充电Li LiMn2O4 Li2Mn2O4 (LiMn2O4为正极，锂与碳形成的复合材料为负极，含Li的导电固体为电解质） 放电充电3Zn2K2FeO48H2O 3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH3高铁电池 4磷酸铁锂电池 电池正极材料是LiFePO4 ，负极材料是金属锂和碳的复合材料(放电的是Li)，含Li的导电固体为电解质放电充电FePO4 Li LiFePO4放电充电ZnAg2O 2Ag ZnO5. 银锌可充电电池放电充电ZnAg2OH2O 2Ag Zn(OH)2 以KOH为电解液6. 镍镉电池 镍氢电池 镍氢电池NiMH 电池正极板材料为NiO(OH），负极板材料为吸氢合金（储氢合金为LaNi5）。电解液通常用30的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。 LaNi5HNiO(OH) LaNi5 Ni(OH)2放电充电镍镉电池 电解质为KOHNiOH放电充电Cd+2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)27高温钠硫蓄电池（可充电电池）6