化学能与电能的相互转化

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+H 2 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+H 2铜 片 与 稀 硫 酸 不 反 应 ，2H +Zn=Zn2+H 2 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+H 2铜 片 与 稀 硫 酸 不 反 应 ，2H +Zn=Zn2+H 2 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+H 2铜 片 与 稀 硫 酸 不 反 应 ，2H +Zn=Zn2+H 2 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 （ 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- H 2负 极 ：总 反 应 ：正 极 ： Zn 2e- Zn2+Zn+2H + Zn2+H 2 ( )( ) 负 极 ：正 极 ：总 反 应 ：正 极 ：负 极 ：总 反 应 ： Zn 2e- Zn2+2H +2e- H 2Zn+2H + Zn2+H 2Fe 2e- Fe2+Cu2+2e- CuFe+Cu2+ Fe2+CuFe+CuSO4 Cu+FeSO4 ( )( ) 负 极 ：正 极 ：总 反 应 ： Zn 2e- Zn2+Cu2+2e- CuZn+Cu2+ Zn2+Cu或 Zn+CuSO4 ZnSO4+Cu ( )( ) 负 极 ：正 极 ：总 反 应 ：Fe 2e- Fe2+2H +2e- H 2Fe+2H + Fe2+H 2或 Fe+H 2SO4 FeSO4+H 2 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 CuSO4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 + 2AgNO 3=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 ：（ 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 ： Fe2e=Fe2+正 极 ： 2H 2O+O2+4e=4OH Fe2+ +2OH =Fe（ OH ） 24Fe（ OH ） 2 +2H 2O+O2 = 4Fe（ OH ） 32Fe（ OH ） 3=Fe2O3+3H 2O Fe CGNaCl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 上 图 是 锌 锰 干 电 池 干 电 池 负 极 ： Zn 2e- = Zn2+（ 负 极 ）（ 正 极 ） 2NH 4+ 2e- = 2NH 3+H 2总 反 应 ： Zn +2NH 4+= Zn2+ 2NH 3+H 22MnO2+H 2=2MnO(OH )ZnCl2+4NH 3=Zn(NH 3)4Cl2正 极 ：锌 筒石 墨 棒MnO 2和 C普 通 锌 -锰 干 电 池 的 结 构NH 4Cl、 ZnCl2 和 H 2O等 干 电 池 负 极 ： Zn 2e- = Zn2+（ 负 极 ）（ 正 极 ） 正 极 ： 2NH 4+ 2e- = 2NH 3+H 2总 反 应 ： Zn +2NH 4+= Zn2+ 2NH 3+H 22MnO2+H 2=2MnO(OH )ZnCl2+4NH 3=Zn(NH 3)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MnO 2和 C普 通 锌 -锰 干 电 池 的 结 构NH 4Cl、 ZnCl2 和 H 2O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+2H 2SO4=2PbSO4+2H 2OPb+PbO 2+4H +2SO42-=2PbSO4+2H 2O负 极 ： Pb-2e-+SO42-=PbSO4正 极 ： PbO2+2e-+4H +SO42-=PbSO4+2H 2O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+2H 2O 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K OH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 H 2 + O2 = 2 H 2O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 PN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