化学能与电能的相互转化.ppt

第二章 化学反应与能量 化学能与电能的转化 演示探究 实验现象 实验结论 实 验 1 实 验 2 实 验 3 实 验 4 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 演示探究 实验现象 实验结论 实 验 1 实 验 2 实 验 3 实 验 4 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 演示探究 实验现象 实验结论 实 验 1 实 验 2 实 验 3 实 验 4 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片上有无色气体产生，锌 片无明显现象。 H+在铜片上得到电子被 还原成氢气。 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 演示探究 实验现象 实验结论 实 验 1 实 验 2 实 验 3 实 验 4 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片上没有明显现象，锌片 上有无色气体产生。 铜片上有无色气体产生，锌 片无明显现象。 铜片上有无色气体产生，锌 片无明显现象，电流计发生 偏转。 H+在铜片上得到电子被 还原成氢气。 H+在铜片上得到电子被 还原成氢气，说明有 电 子从锌片流入到铜片 . 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 铜片与稀硫酸不反应， 2H+Zn=Zn2+H2 原电池 问题探究 1、你能找到原电池的正负极吗 ? 这一原电池在工作时的电流流动 方向是怎样的？ 定义 :把 化学能 转变为 电能 的装置。 电子由锌片经导线流向铜片，电流由铜 片流出，从锌片流入。 、 锌片： Zn 2e Zn2+（氧化反应） 铜片： 2H+2e H2 （还原反应） 问题探究 2、你知道原电池的工作原理吗？ 能不能写出在二个电极上的离子反 应方程式？ 原电池的工作原理： 氧化还原反应 电极 材料 电极反应 反应类型 原电池的 电极 Zn片 Cu片 电池总 反应 氧化 反应 Zn 2e - Zn2+ 2H+ + 2e- H2 负极 正极 Zn+2H+ Zn2+H2 锌铜原电池原理 还原 反应 外电路 ： 电子 由负极 正极， 电流 由正极 负极 。 内电路： 阴离子 移向负极 ， 阳离子 移向正极； e 电 子 流向 、 电流流向： 负极 正极 小结 铜锌原电池原理动画 1、原电池： （ 1）定义： 将 化学能 转变为 电能 的装置。 （ 2）反应本质 ： 氧化还原反应 一、化学能转化为电能 （ 3） 原电池正负电极的判断方法 负极： 正极： 电子 流出 ，发生失电子的氧化反应 电子 流入 ， 发生得电子的还原反应 根据电极材料判断 负极 : 较活泼的金属 正极 : 较不活泼的金属或非金属导体 根据电子或电流流动方向判断（外电路）： 电子从负极流出 沿导线 流入正极 电流从正极流出 沿导线 流入负极 e e 根据离子的定向移动方向（内电路） 阳离子向正极移动 阴离子向负极移动 根据电极反应判断 失电子的反应 氧化反应 负极 得电子的反应 还原反应 正极 根据现象判断 电极不断溶解： 负极 有气泡冒出、有固体析出： 正极 实验探究形成原电池的条件 形成条件一：活泼性不同的两个电极 负极：较活泼的金属 正极：较不活泼的金属、石墨等 形成条件二：电极需插进 电解质溶液 中 实验探究形成原电池的条件 形成条件三：必须形成闭合回路 实验探究形成原电池的条件 实验探究形成原电池的条件 形成条件四：必须存在 自发 的氧化还原反应 2、原电池的构成条件 1）两种活泼性不同的金属 (或导电非金属 ) 作 电极 。 3）两极相连形成 闭合回路 。 2）电极材料均插到 电解质溶液 。 4） 自发的 氧化还原反应 练 习 判断下列哪些装置构成了原电池？若不是， 请说明理由；若是，请指出正负极名称，并 写出电极反应式 . ( ) ( ) ( ) 2H+2e- H2 负极： 总反应： 正极 ： Zn 2e- Zn2+ Zn+2H+ Zn2+H2 ( ) ( ) 负极 ： 正极 ： 总 反应 ： 正极： 负极 ： 总反应： Zn 2e- Zn2+ 2H+2e- H2 Zn+2H+ Zn2+H2 Fe 2e- Fe2+ Cu2+2e- Cu Fe+Cu2+ Fe2+Cu Fe+CuSO4 Cu+FeSO4 ( ) ( ) 负极： 正极： 总反应： Zn 2e- Zn2+ Cu2+2e- Cu Zn+Cu2+ Zn2+Cu 或 Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu ( ) ( ) 负极： 正极： 总反应： Fe 2e- Fe2+ 2H+2e- H2 Fe+2H+ Fe2+H2 或 Fe+H2SO4 FeSO4+H2 钢铁的防腐蚀： （ 1）覆盖保护层； （ 2）改变金属内部结构； （ 3）钢铁表面镶嵌活泼金属，如锌； （ 4）钢铁连接电源负极。 2. 如图所示，在铁圈和银圈的焊接处，用一根棉线将其悬在盛水的烧杯中，使之平衡；小心的向烧杯中央滴入 CuSO 4 溶液，片刻后可观察到的现象是 3。 试将下列两个氧化还原反应分别设计成两个原电池 . Zn + 2AgNO3=Zn(NO3)2+2Ag . 2Fe3+Fe=3Fe2+ ( D ) ( Zn AgNO3 C ) ( Fe Fe2(SO4)3 C ) A. 铁圈和银圈左右摇摆不定； B. 保持平衡状态； C. 铁圈向下倾斜； D. 银圈向下倾斜； 4、市场上出售的“热敷袋”其中主要成分是铁屑，碳粉 和少量的 NaCl，水等热敷袋在启用前用塑料袋使之与空 气隔绝，启用时打开塑料袋轻轻揉搓，就会放出热量， 使用完后，会发现袋内有许多铁屑生成，请回答这些问题： （ 1）热敷袋放出的热量来源于（ ）放 出的热量； （ 2）碳粉的作用是 （ 3）加入 NaCl的作用是 （ 4）写出有关的电极反应式和化学方程式 铁屑被氧化 负极： Fe-2e-Fe2+ 正极： 2H2O+O2+4e-4OH - Fe2+2OH-Fe （ OH） 2 4Fe（ OH） 2+2H2O+O24Fe（ OH） 3 C、 Fe和 NaCl溶液组成原电池， C作正极，使铁氧化速率加快 NaCl溶于水形成电解质溶液，增强导电性 思考 什么类型的化学反应可设计成原电池？ 理论上讲，常温下可自发进行的 氧化 还原反应 都能设计成原电池。 知识回顾： 一、原电池： （ 1）定义： 将 化学能 转变为 电能 的装置。 （ 2）反应本质： 氧化还原反应 （ 3）工作原理： 电子 由负极 正极 电流 由正极 负极 。 阴离子 移向负极 ，（负向负） 阳离子 移向正极；（正向正） （ 4）电极反应： 负极： 发生 失 电子的 氧化 反应（ 负极材料 ） 正极： 发生 得 电子的 还原 反应（ 溶液离子） 外电路 ： 内 电路 ： （ 5）电子转移： 得 电子数 =失 电子数 =转移 电子数 （ 6）原电池的构成条件： 两种活泼性不同的金属 (或导电非金属 ) 作电极。 两极一液相连形成 闭合回路 。 电解质溶液 。 自发的 氧化还原反应 （ 7）原电池正负电极的判断方法： 根据电极材料（强为负） 根据电极反应（氧化反应为负） 根据 内或外 电路 根据实验现象： 电极溶解： 负极 有气泡冒出、有固体析出： 正极 二、 原电池原理的应用： 1、判断金属活动性 2、 促进某些氧化还原反应的进行， 加快反应速率 3、寻找钢铁防腐蚀的方法 4、原电池的设计 思考： 什么类型的化学反应可设计成原电池？ 理论上讲，常温下可自发进行的 氧化 还原反应 都能设计成原电池。 原电池的设计 （ 1） 请结合组成原电池的条件，将氧化还原反应： Fe + Cu2+ = Cu + Fe2+ 设计成一个原电池。 1、电解液： 。 2、电极材 料： 正极 ，负极 。 3、 电极反应式 ： 负极 : . 正极 : . 钢铁的吸氧腐蚀 : 原理：在潮湿空气中钢铁表面形成无数微小的原电池。 负极： Fe 2e =Fe2+ 正极： 2H2O+O2+4e =4OH Fe2+ +2OH =Fe（ OH） 2 4Fe（ OH） 2 +2H2O+O2 = 4Fe（ OH） 3 2Fe（ OH） 3=Fe2O3+3H2O Fe C G NaCl 阅读教材 41页 资料卡 分析钢铁电化学腐蚀的原因，探 讨防止钢铁的方法及原理。 三、 钢铁的腐蚀： 钢铁的防腐蚀： （ 1）覆盖保护层； （ 2）改变金属内部结构； （ 3）钢铁表面镶嵌活泼金属，如锌； （ 4）钢铁连接电源负极。 四、化学电源的分类 类 型 一次电池 二次电池 燃料电池 只能使用一次，不 能充电复原继续使 用的化学电池 酸（或碱）性锌 -锰 干电池、银 -锌纽扣 电池、锂电池 放电后能充电复原 继续使用的化学电 池 铅蓄电池、镍 -镉蓄 电池、银 -锌蓄电池 将燃料燃烧的化学 能直接转变成电能 的电池 氢氧燃料电池、铝 - 空气燃料电池、熔 融盐燃料电池 含 义 示 例 干电池 上图是锌锰干电池 干电池 负极： Zn 2e- = Zn2+ （负极） （正极） 2NH4+ 2e- = 2NH3+H2 总反应： Zn +2NH4+= Zn2+ 2NH3+H2 2MnO2+H2=2MnO(OH) ZnCl2+4NH3=Zn(NH3)4Cl2 正极： 锌筒 石墨棒 MnO2和 C 普通锌 -锰干电池的结构 NH4Cl、 ZnCl2 和 H2O等 干电池 负极： Zn 2e- = Zn2+ （负极） （正极） 正极： 2NH4+ 2e- = 2NH3+H2 总反应： Zn +2NH4+= Zn2+ 2NH3+H2 2MnO2+H2=2MnO(OH) ZnCl2+4NH3=Zn(NH3)4Cl2 其他干电池： 碱性锌 -锰干电池、 银 -锌纽扣电池等 优点： 携带方便 缺点： 电量小，污染大 锌筒 石墨棒 MnO2和 C 普通锌 -锰干电池的结构 NH4Cl、 ZnCl2 和 H2O等 2、蓄电池 （ 1）铅蓄电池 正极材料上 涂有棕褐色 的 PbO2，负极 材料是海绵 状的金属铅， 两极浸在 H2SO4溶液中。 写出电极反 应式。 铅蓄电池 铅 蓄 电 池 总反应： Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+4H+2SO42-=2PbSO4+2H2O 负极： Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正极： PbO2+2e-+4H+SO42-=PbSO4+2H2O 其他蓄电池： 镍 -镉蓄电池、银 -锌蓄电池等 优点： 可反复使用 缺点： 污染大 随着用电器朝着 小型化、多功能化发 展的要求，对电池的 发展也提出了小型化、 多功能化发展的要求。 体积小、性能好的碱性锌锰电池应运 而生。这类电池的重要特征是电解液由原来 的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由 锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电 流大幅度提高。 银锌电池 正极壳填充 Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合金， 电解质溶液 KOH。反应式为： 2Ag+Zn(OH)2 Zn+Ag2O+H2O 写出电极反应式。 充电 放电 1970-1975, 开发了先进的银锌、镍镉电池技术。 1975- 1983, 为美国海军生产潜水艇用银锌电池。 1979-1987,为 美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。 1998-1992, 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。 镉镍电池 NiO2+Cd+2H2O Ni(OH)2+ Cd(OH)2 放 电 充 电 负极材料： Cd ，正极材料：涂有 NiO2 ，电解 质： KOH溶液。反应式如下： 写出电极反应式。 氢氧燃料电池 氢氧燃料电池 Pt电极 H2 O2 氢氧燃料电池模拟 KOH 航天技术上使用的一种电 池，它具有高能、轻便、 不污染环境等优点。用 Pt 做电极， KOH溶液做电解 液，因其反应与氢氧燃烧 相似，故称为氢氧燃烧电 池。请写出各电极的电极 反应。 若将氢气换成甲烷， 写出各电极的电极反应 新型燃料电池 燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全 部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外 界输入，同时将电极反应产物不断排出电池 燃料电池 把能源中燃料燃烧反应的化学能 直接转化为电能的“能量转换器” 2 H2 + O2 = 2 H2O 点燃 氢氧燃料电池 常见的燃料电池还有甲烷燃料电池、铝 - 空气燃料电池、熔融盐燃料电池等 优点： 效率高、无污染，装置可持续使用 多孔性金属电极，具有催化性能 锂电池 锂是密度最小的金属，用锂作为电 池的负极，跟用相同质量的其他金属作 负极相比较，使用寿命大大延长。 锂电池 干电池 叠层电池 纽扣电池 各类电池 减 少 污 染 节 约 资 源 小 结 由化学方程式书写电极反应式： 找出氧化反应和还原反应的物质，确 定正负极反应的物质； 利用电荷守恒分别写出电极反应式； 验证：两电极反应式相加所得式子和 原化学方程式相同，则书写正确。 迅猛发展的绿色环保电池是指近年来研制、开发和已 投入使 用的高性能、无污染电池。 金属氢化物镍电池 与镉镍电池有相 同的工作电压 (12伏 )，但由于采用了 稀土合金或 TiNi合金储氢 材料作为 负极活性物质 ，取代了致癌物质镉，使其 成为一种 绿色环保电池。 锂离子蓄电池 系由 碳作负极，嵌锂的金属氧 化物作 正极和有机电解质构成 ，其工作电压为 36伏，因此一 个 锂离子电池相当三个镉镍或金属氢化物镍电池。 可充电碱 锰电池 是在 碱性锌锰原电池 基础上发展起 来的，由于应用了 无汞化的锌粉及新型添加剂，不仅保持了原电池 的电流放电 特性，而且能充电使用几十次至几百次。 太阳能电池 利用 P N结的 光电效应 ，把太阳光能直接转换成电 能，满足用户需要。 这种发电具有无需燃料、无污染、无 噪声、运行简单可靠、 减少维护、建设周期短等特点，已被空间和无常规能源的地域 广泛采用。 绿色电池种种