第二章第二节化学能与电能.ppt

2-2 2-2 化学能与电能化学能与电能1780年，伽伐尼年，伽伐尼(Galvani,L.) 青蛙抽搐实验。青蛙抽搐实验。 解释解释“青蛙腿为什么会抽搐青蛙腿为什么会抽搐”这一实验现象呢？这一实验现象呢？病病 例例 分分 析析病病 例例 分分 析析 电能是现代社电能是现代社会中应用最广泛、会中应用最广泛、使用最方便、污染使用最方便、污染最小的一种最小的一种二次能二次能源源，又称为，又称为电力电力。一、化学能与电能的相互转化一、化学能与电能的相互转化2001年我国发电总量构成图年我国发电总量构成图估计在估计在2050年年火电火电仍居首位仍居首位火电，又称为火电，又称为火力发电火力发电。那。那么，火究竟是么，火究竟是如何转化为电？如何转化为电？ 化学能化学能 热能热能 机械能机械能 电电能能燃烧燃烧蒸汽蒸汽发电机发电机1、火力发电的原理分析。、火力发电的原理分析。2、火力发电的化学深层本质分析、火力发电的化学深层本质分析燃烧燃烧氧化还原反应氧化还原反应氧化剂与还原剂之间发生电子的转移氧化剂与还原剂之间发生电子的转移火力发电火力发电将化学能经一系列能量转化为电能将化学能经一系列能量转化为电能旧键断裂和新键形成、体系能量变化旧键断裂和新键形成、体系能量变化过程过程关键关键本质本质本质本质引起引起3、火力发电的利弊分析。、火力发电的利弊分析。利弊a.我国煤炭资源丰富我国煤炭资源丰富,廉价方便廉价方便.b.电能清洁安全电能清洁安全,又快捷方便又快捷方便.a.排出大量的温室效应气体排出大量的温室效应气体.b.有废气可能导致酸雨有废气可能导致酸雨c.废料废水废料废水d.储量有限储量有限e.能量转换效率低能量转换效率低思考：假设你是电力工程师，面对这思考：假设你是电力工程师，面对这些利与弊，你会如何应对呢？些利与弊，你会如何应对呢？a、改进火力发电、改进火力发电 方式之一就是尝试将化学能直接转化为方式之一就是尝试将化学能直接转化为电能。就像电池。其好处就是减少中间电能。就像电池。其好处就是减少中间环节能损，高效、清洁利用燃料，不浪环节能损，高效、清洁利用燃料，不浪费能源，更方便。费能源，更方便。b、研究新的发电方式、研究新的发电方式4、原电池、原电池原电池原理实验 实验步骤 实验现象1、锌片插入稀硫酸2、铜片插入稀硫酸3、锌片、铜片上端连接在一起插入稀硫酸4、锌片、铜片之间连电流表插入稀硫酸锌片上有气泡产生无现象铜片上产生气泡电流计发生偏转这种装置的反应与这种装置的反应与Zn与稀硫酸直接作用有与稀硫酸直接作用有什么不同？由这种装什么不同？由这种装置能起到什么样的作置能起到什么样的作用？用？ 铜片上为什么铜片上为什么会有气泡产生？会有气泡产生？发生了什么反发生了什么反应应?电流表的偏转方向与电子移动方向一致。电流表的偏转方向与电子移动方向一致。 原电池原电池1 1、概念：把化学能直接转化为电能的装置。、概念：把化学能直接转化为电能的装置。 动画演示动画演示原理分析原理分析 发生了一个氧化还原反应：发生了一个氧化还原反应： Zn + 2H+=Zn2+ + H2 将氧化还原反应中还原剂失去的电子经将氧化还原反应中还原剂失去的电子经过导线传给氧化剂，使氧化反应和还原反过导线传给氧化剂，使氧化反应和还原反应分别在两极上进行，产生电流应分别在两极上进行，产生电流.原电池的电极反应与名称：正极正极：负极：负极：总反应：总反应：n +ne-（得（得e-还原反应）还原反应）n e-n（失（失e-氧化反应）氧化反应）CuZn电子的运动：电子的定向移动形成电流。电子流出的一极是电子流入的一极是H2SO4ZnZn2+e -e -Zn2+e -Zn2+e -Zn2+e -e -e -e -e -e -e -Zn2+e -Zn2+e -Zn2+e -SO42-e -SO42-e -SO42-e -SO42-e -H+氧氧化化反反应应还还原原反反应应外外电电路路内内电电路路负负极极Zn正正极极Cu金属失金属失电子变电子变成阳离成阳离子进入子进入H+得电得电子生成子生成氢气放氢气放出出电解质溶液电解质溶液e带电粒子的流动方向：带电粒子的流动方向：1、外电路、外电路 电子从负极流向正极电子从负极流向正极 电流从正极流向负极电流从正极流向负极2、内电路（电解质溶液）、内电路（电解质溶液） 阳离子趋向正极阳离子趋向正极 阴离子趋向负极阴离子趋向负极序号序号第一组实验第一组实验装置装置 能否构能否构成原电成原电池池构成原构成原电池条电池条件一件一 活动性不同的两个电极活动性不同的两个电极实验探究：原电池的组成条件实验探究：原电池的组成条件 不能不能 能能 不能不能实验序号实验序号第二组实验第二组实验 实验装置实验装置 能否构成能否构成原电池原电池构成原电构成原电池的条件池的条件二二不能不能 能能 不不 能能 能能电极必须插在电解质溶液中电极必须插在电解质溶液中实验序号实验序号第三组实验第三组实验实验装置实验装置 能否构成原能否构成原电池电池 构成原电池构成原电池条件三条件三 能能 不能不能两极相连形成闭合回路两极相连形成闭合回路原电池的构成条件原电池的构成条件1、有两种活动性不同的金属（或非金属导体）、有两种活动性不同的金属（或非金属导体） 作电极作电极 负极：较活泼金属，失电子，发生氧化反应负极：较活泼金属，失电子，发生氧化反应 正极：较不活泼金属或非金属导体，发生正极：较不活泼金属或非金属导体，发生 还原反应还原反应2、电极材料均插入电解质溶液中、电极材料均插入电解质溶液中3、形成闭合回路、形成闭合回路4、一般较简单的原电池中，负极金属能够自发的、一般较简单的原电池中，负极金属能够自发的 和电解质溶液发生氧化还原反应。和电解质溶液发生氧化还原反应。两极一液成回路两极一液成回路练练习习判断下列哪些装置构成了原电池？若不是，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，并请说明理由；若是，请指出正负极名称，并写出电极反应式写出电极反应式.()()()2H+2e-H2负极：负极：总反应：总反应：正极正极：Zn2e-Zn2+Zn+2H+Zn2+H2()()负极负极：正极正极：总总反应反应：正极：正极：负极负极：总反应：总反应：Zn2e-Zn2+2H+2e-H2Zn+2H+Zn2+H2Fe2e-Fe2+Cu2+2e-CuFe+Cu2+Fe2+CuFe+CuSO4Cu+FeSO4 ()()负极：负极：正极：正极：总反应：总反应：Zn2e-Zn2+Cu2+2e-CuZn+Cu2+Zn2+Cu或或 Zn+CuSO4ZnSO4+Cu()()负极：负极：正极：正极：总反应：总反应：Fe2e-Fe2+2H+2e-H2Fe+2H+ Fe2+H2或或 Fe+H2SO4FeSO4+H2解释解释“青蛙腿为什么会抽搐青蛙腿为什么会抽搐”这一实验现象呢？这一实验现象呢？1791 年意大利生理学家伽伐尼（Galvani）发现了以金属片接触青蛙肌肉时，有收缩的现象发生。当时 Galvani 误以为此现象为青蛙肌肉所产生的动物电流所致。伏打电池 在 1800 年意大利的物理学家 Volta则透过不同的金属间以一液体相接所形成的伏特电池，说明了青蛙肌肉的收缩实际上是因不同金属片间的电位差透过青蛙肌肉作为电解液而产生的电流所致。 自由女神的外壳为铜，内自由女神的外壳为铜，内层支架为铁，中间用油毛毡隔层支架为铁，中间用油毛毡隔开。时间长了，设计者预先没开。时间长了，设计者预先没想到的事发生了：那层油毛毡想到的事发生了：那层油毛毡失去了隔离作用，而大西洋潮失去了隔离作用，而大西洋潮湿的夹带盐分的空气向女神不湿的夹带盐分的空气向女神不断地吹来，无数的断地吹来，无数的 在女神身上形成，结果加速了在女神身上形成，结果加速了铁的腐蚀。尽管女神有万般灵铁的腐蚀。尽管女神有万般灵验，现在也自身难保。怎样免验，现在也自身难保。怎样免除她的厄运呢？除她的厄运呢？ 原电池原电池救救自由女神！病病 例例 分分 析析病病 例例 分分 析析病病 例例 分分 析析 你能为她开一个药方吗？你能为她开一个药方吗？2、 把把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，相连时，a为负极；为负极；c、d相连时，电流由相连时，电流由d到到c；a、c相连时，相连时，c极上产生大量气泡，极上产生大量气泡，b、d相连时，相连时，b上有大量气泡产生，则四上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为：种金属的活动性顺序由强到弱的为： ( ) Aa b c d Ba c d b Cc a b . d Db d c a B3、如图所示，在铁圈和银圈的焊接处，用一根棉线将其悬在如图所示，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盛水的烧杯中，使之平衡；小心的向烧杯中央滴入CuSOCuSO4 4溶溶液，片刻后可观察到的现象是液，片刻后可观察到的现象是( D )A. A. 铁圈和银圈左右摇摆不定；铁圈和银圈左右摇摆不定；B. B. 保持平衡状态；保持平衡状态；C. C. 铁圈向下倾斜；铁圈向下倾斜；D. D. 银圈向下倾斜；银圈向下倾斜；4、根据根据 Zn+Cu2+=Zn2+Cu 的反应原理设计一个原电池，的反应原理设计一个原电池，当当ZnZn为负极时，正极可以选用的金属材料的是（为负极时，正极可以选用的金属材料的是（ ）A A 镁镁 B B 石墨石墨 C C 铝铝 D D 铅铅 D原电池正负极的判断方法：原电池正负极的判断方法：1 1、根据组成原电池的两极材料判断、根据组成原电池的两极材料判断 一般是活动性较强的金属为负极；活动性较弱的金属或能一般是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。导电的非金属为正极。2 2、根据电流方向或电子流动方向判断、根据电流方向或电子流动方向判断 电流从正极流向负极，电子从负极流向正极。电流从正极流向负极，电子从负极流向正极。3 3、根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动方向判断、根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动方向判断 阳离子移向正极，阴离子移向负极。阳离子移向正极，阴离子移向负极。4 4、根据原电池两极发生的变化来判断、根据原电池两极发生的变化来判断 负极失电子，发生氧化反应；正极得电子发生还原反应。负极失电子，发生氧化反应；正极得电子发生还原反应。5 5、根据现象判断、根据现象判断 一般溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。一般溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。原电池原理的应用：原电池原理的应用：1、加快氧化还原反应速率、加快氧化还原反应速率 实验室用实验室用Zn和稀硫酸反应制取和稀硫酸反应制取H2，常用粗，常用粗锌，它产生锌，它产生H2的速率快。因为粗锌中的杂质的速率快。因为粗锌中的杂质和锌、稀硫酸形成原电池。和锌、稀硫酸形成原电池。 思考：纯铁和生铁哪个更容易生锈？思考：纯铁和生铁哪个更容易生锈？2、比较金属的活动性强弱、比较金属的活动性强弱 一般活动性强的金属为负极。一般活动性强的金属为负极。电极方程式的书写电极方程式的书写1 1、两极得失电子数相等；、两极得失电子数相等；2 2、电极反应式常用、电极反应式常用“”,”,不用不用“”“”；3 3、电极反应式中若有气体需加、电极反应式中若有气体需加“”“”；4 4、原电池的总反应式，一般把正极和负极的电、原电池的总反应式，一般把正极和负极的电极反应式相加而得。极反应式相加而得。5 5、若电解质为弱电解质，在电极反应式中应写、若电解质为弱电解质，在电极反应式中应写参加反应的离子，而在原电池的总反应中应参加反应的离子，而在原电池的总反应中应把离子改为相应的弱电解质。把离子改为相应的弱电解质。二、发展中的化学电源二、发展中的化学电源干电池碱性电池蓄电池锂离子电池燃料电池化学电池化学电池一次电池一次电池二次电池二次电池燃料电池燃料电池碱性锌锰电池碱性锌锰电池铅蓄电池铅蓄电池氢氧燃料电池等氢氧燃料电池等锂离子电池锂离子电池银锌蓄电池银锌蓄电池普通普通锌锰锌锰干电池干电池锌银纽扣电池锌银纽扣电池化学电池的分类化学电池的分类普通锌锰电池普通锌锰电池碱性电池碱性电池 锌筒锌筒石墨棒石墨棒MnO2和和C普通锌普通锌- -锰干电池的结构锰干电池的结构NH4Cl、ZnCl2 和和 H2O等等1、普通干电池普通干电池 电池反应：电池反应：Zn+ 2MnO2+2NH4+= Zn2+ + 2MnO(OH)+ 2NH3氢氧化氧锰氢氧化氧锰负极：（负极：（Zn）：）：Zn 2e- = Zn2+正极正极: （MnO2和和C）：）：2MnO2+2NH4+2e-=2MnO(OH)+2NH3优点：制作简单、价格便宜。优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。缺点：放电时间短，电压下降快。2、碱性锌锰干电池、碱性锌锰干电池电解质：电解质：KOH负极：负极：ZnZnZn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2正极：正极：MnO22MnO2+2H2O+2e- = 2MnO（OH）+2OH-缺点：缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵多数只能一次使用，不能充电；价格较贵优点：优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流比能量和储存时间有所提高，适用于大电流 和连续放电和连续放电电池反应：电池反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO（OH）+Zn(OH)2单位质量的电极材单位质量的电极材料放出电能的大小料放出电能的大小可充电电池也称为可充电电池也称为_电池，电池，可以反复可以反复_电和电和_电，电，是电池发展的一个重要方向。是电池发展的一个重要方向。二次二次放放充充铅蓄电池铅蓄电池锂锂电池电池放电过程放电过程负极：负极：氧化反应氧化反应 Pb+SO42- 2e- = PbSO4正极：正极：还原反应还原反应 PbO2+ 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O放电过程总反应：放电过程总反应： Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O充电过程充电过程阴极阴极(接电源负极接电源负极)：还原反应还原反应 PbSO4 + 2e- = Pb + SO42-阳极阳极(接电源正极接电源正极)：氧化反应氧化反应 PbSO4 + 2H2O -2e- = PbO2 + 4H+ + SO42-充电过程总反应：充电过程总反应： 2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4铅蓄电池的充放电过程铅蓄电池的充放电过程：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O放电放电充电充电4、镍铬充电电池、镍铬充电电池 特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。 负极：Cd+2OH-2e-=Cd(OH)2正极：2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-电池反应：Cd+ 2NiO(OH)+2H2O= Cd(OH)2+2Ni(OH)2Cd是致癌物质，注意回收！是致癌物质，注意回收！ 燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。（氢气、电能的化学电池。（氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池）烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池） 氢氧燃料电池氢氧燃料电池 酸性电解质：酸性电解质：碱性电解质碱性电解质负极负极: 2H2-4e-+4OH-=4H2O正极正极: O2+2H2O+4e-=4OH-总反应总反应: 2H2+O2=2H2O负极：负极： 2H2-4e-=4H+正极：正极： O2+4H+4e-=2H2O总反应：总反应：2H2+O2=2H2O练习练习1: 碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电流总反应式为：为电解液，电流总反应式为：Zn s 2MnO2 s H2O l Zn OH 2 s Mn2O3 s 下列说法错误的是下列说法错误的是 （ ）A 电池工作时，锌失去电子电池工作时，锌失去电子B 电池正极电极反应式为：电池正极电极反应式为： 2MnO2 s H2O l 2e Mn2O3 s 2OH aq C 电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D 外电路中每通过外电路中每通过0 2 mol电子，锌的质量理论上减电子，锌的质量理论上减小小6 5 g C C练习练习2 2：航天技术上使用的氢氧燃料电池具有航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池高能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都可以表示为可以表示为2H2+O2=2H2O，酸式电池中电解酸式电池中电解质是酸，其负极反应可表示为质是酸，其负极反应可表示为2H2H2 2-4e-4e- -=4H=4H+ + ，则其正极反应式为则其正极反应式为 。碱式电池的电解质是碱，其正极反应式为碱式电池的电解质是碱，其正极反应式为O O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e- -=4OH=4OH- -，则其负极反应可表示则其负极反应可表示为为 。O2+4e-+4H+=2H2O 2H2-4e-+4OH-=4H2O 练习3：锌、铜电极插入氯化钠溶液中构成的原电池，写出电极方程式。负极：负极：2 Zn 4e- = 2Zn2+ 正极：正极： O2+2H2O+4e-=4OH-总反应：总反应： 2 Zn+ O2+2H2O=2Zn（OH）2减减 少少 污污 染染节节 约约 资资 源源