高二化学化学反应与能量的变化.ppt

高二化学化学反应与能量的变化现在学习的是第1页，共59页1了解化学电源的优点及在各方面的应用。2认识一次电池、二次电池和燃料电池。3了解废旧电池对环境的危害，树立环保意识。4能熟练书写充电和放电的电极反应式。现在学习的是第2页，共59页一、化学电源1化学电源的分类化学电池是将_变成_的装置，它包括_、_和_电池等几大类。一次电池的活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度，就不能使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做_。二次电池又称_或_，放电后可以再充电使活性物质获得再生。这类电池可以_使用。现在学习的是第3页，共59页2判断一种电池的优劣判断一种电池的优劣或是否适合某种需要，主要看这种电池_或_所能输出电能的多少，即_，或者输出功率的大小，即_，以及电池的_。现在学习的是第4页，共59页二、一次电池碱性锌锰电池组成：该电池由负极_、正极_、电解质_等组成。其电极反应为：负极：_正极：_电池总反应：_。特点：碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，它的_和_均有所提高，适用于_和_。现在学习的是第5页，共59页三、二次电池铅蓄电池组成：铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有_，负极板上覆盖有_，电解质溶液是_溶液。现在学习的是第6页，共59页电池总反应：PbO2(s)Pb(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)铅蓄电池的缺点是_低、笨重、废弃电池_。现在学习的是第7页，共59页四、燃料电池1燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的_能直接转换成_的化学电池。它与一般化学电池不同，一般化学电池的活性物质储存在电池_，故而限制了电池的容量，而燃料电池的电极本身不包含_物质，只是一个_元件。它工作时，_和_连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。现在学习的是第8页，共59页2.氢氧燃烧电池工作原理(1)氢氧燃料电池以_为燃料，_为氧化剂，_作电极，使用酸性电解质。如图所示，在_极室通入H2，它在Pt电极上被催化分解为H原子，再失去电子成为H进入电解质溶液，透过_，进入正极室；在正极室通入_，经过Pt电极的_，O2、H在正极上放电生成_。电极反应分别为：负极：_，正极：_。现在学习的是第9页，共59页(2)若以NaOH溶液为电解质溶液负极：_，正极：_。(3)若以Na2SO4溶液为电解质溶液负极：_，正极：_。答案：一、1.化学能；电能；一次电池；二次电池；燃料；干电池；充电电池；蓄电池；多次重复2单位质量单位体积比能量比功率可储存时间的长短现在学习的是第10页，共59页二、锌粉二氧化锰KOHZn2OH2eZn(OH)22MnO22H2O2e2MnOOH2OHZn2H2O2MnO2Zn(OH)22MnOOH比能量可储存时间大电流连续放电三、PbO2PbH2SO4比能量污染环境现在学习的是第11页，共59页四、1.化学电能内部活性催化转化燃料氧化剂2(1)氢气氧气铂负隔膜O2催化H2O2H24e4HO24H4e2H2O(2)2H24e4OH4H2OO24e2H2O4OH(3)2H24e4HO22H2O4e4OH现在学习的是第12页，共59页1回收废旧电池的意义是什么？提示：废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量毒性很强的重金属，随处丢弃会给土壤、水源等环境造成严重的污染，并通过食物链给人体健康造成威胁和危害。另一方面，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。现在学习的是第13页，共59页2二次电源充电、放电时两极发生的反应相同吗？提示：不相同。电源放电时，负极发生氧化反应；充电时，作阴极发生还原反应；放电时，正极发生还原反应；充电时，作阳极发生氧化反应。3化学电源电极反应遵循最基本的规律是什么？提示：无论什么电池，电极反应规律都是负极材料失电子被氧化，正极材料得电子被还原；两极间得失电子守恒。现在学习的是第14页，共59页1.定义：化学电源是能够实际应用的原电池。2化学电池的分类(1)一次电池又称不可充电电池干电池。(2)二次电池又称充电电池蓄电池。(3)燃料电池现在学习的是第15页，共59页3电池优劣的判断标准(1)比能量：指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少符号是(Wh)/kg，(Wh)/L。(2)比功率：指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小(符号是W/kg，W/L)。(3)电池储存时间的长短。现在学习的是第16页，共59页1.碱性锌锰电池常见的化学电池是锌锰电池，构造如下图所示。现在学习的是第17页，共59页普通锌锰干电池的电极反应负极(锌铜)：Zn2eZn2(氧化反应)正极(石墨)：2NH 2e2NH3H2(还原反应)总反应式：Zn2MnO22NH4Cl2MnO(OH)Zn(NH3)2Cl2碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应为：现在学习的是第18页，共59页负极：Zn2OH2eZn(OH)2(氧化反应)正极(石墨)：2MnO22H2O2e2MnO(OH)2OH(还原反应)总反应式：Zn2MnO22H2O2MnO(OH)Zn(OH)2特点：比普通锌锰电池性能好，能量和储存时间均有提高，可适用于大电流和连续放电。现在学习的是第19页，共59页2纽扣式电池(银锌电池)常见的纽扣式电池为银锌电池。它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应为：现在学习的是第20页，共59页负极：Zn2OH2eZnOH2O正极：Ag2OH2O2e2Ag2OH总反应方程式：ZnAg2O2AgZnO在使用过程中，电池负极区溶液pH减小。特点：此种电池能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。一粒纽扣式电池的电压达1.59伏，安装在电子表里可使用两年之久。现在学习的是第21页，共59页3锂电池锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。锂电池的主要反应为：负极：8Li8e8Li正极：3SOCl28eSO 2S6Cl 总反应式为：8Li3SOCl26LiClLi2SO32S特点：锂电池是一种高能电池，具有质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池。现在学习的是第22页，共59页案例精析【例1】锌锰干电池(如右图)是普遍使用的化学电池，其中含有MnO2、NH4Cl、ZnCl2等糊状物。以锌筒为负极材料，石墨为正极材料。一节干电池，电动势E1.5 V，内电阻r0.25，对外供电时效率75%。该干电池的工作原理是：Zn2MnO22NH4+Zn2Mn2O32NH3H2O(1)试写出干电池放电时的正、负电极反应式：正极：_负极：_(2)干电池用久了就会变软，其原因是_。现在学习的是第23页，共59页(3)正极反应中，前后经历下列反应：2NH 2e2NH3H2；2MnO2H2Mn2O3H2O，如果没有MnO2参与，干电池将难于持续稳定工作，试说明理由：_。(4)在供电时间为20 min时，反应的MnO2的质量为_g，外电阻消耗的电能是_kJ。(5)许多国家都规定要对废旧的锌锰干电池进行回收，从保护环境和节约材料的方面解释为什么要回收这种废旧电池？现在学习的是第24页，共59页解析(1)写出负极反应，用总反应式减去负极反应即得正极反应式。(2)锌筒为负极材料，放电过程中参与反应会不断减少，同时生成的水不断增多，造成干电池变软。(3)正极反应中，如果没有MnO2，只有反应2NH 2e2NH3H2，能导电的是离子和自由电子，气体分子是不能导电的，正极反应的中间产物NH3、H2附着于石墨棒上，增加了电阻。(4)由RI2/I2(Rr)75%、r0.25 得R0.75，则IE/(Rr)1.5V/(0.750.25)1.5A 现在学习的是第25页，共59页消耗的电量QIt1.5 A2060 s1800 C转移的电子：1800 C/(1.610196.021023 mol1)1.869102 mol反应的m(MnO2)1.869102 mol187(gmol1)1.626 g外电阻消耗的电能：WI2Rt(1.5A)20.75 2060 s2025 J答案(1)2NH 2MnO22e2NH3Mn2O3H2OZn2eZn2现在学习的是第26页，共59页(2)电池放电过程中有水产生，锌筒变薄造成干电池变软(3)正极反应的中间产物NH3、H2附着于石墨，增加电池内阻(4)1.6262.025(5)废电池中的物质有的会导致地下水和土壤污染，威胁人类的健康。另一方面，废电池中的有色金属是宝贵的自然资源。将废旧电池回收再利用，不仅可以减少对生活环境的破坏，而且也是对资源的节约。现在学习的是第27页，共59页点评理解电池放电时的工作原理，掌握电极反应式的书写方法；其有关计算的关键是电子转移守恒，并注意化学、物理的综合运用。现在学习的是第28页，共59页广泛应用的锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn2MnO22H2O2MnO(OH)Zn(OH)2，下列说法错误的是()A电池工作时，锌失去电子B电池正极的电极反应式为2MnO22H2O2e2MnO(OH)2OHC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0.2 mol 电子，锌的质量理论上减少6.5 g现在学习的是第29页，共59页解析该电池中Zn为负极失去电子，该反应中转移2e，通过计算每转移0.2 mol 电子，Zn反应6.5 g，电子由负极通过外导线流向正极，所以C错。答案C点评原电池工作时，活泼金属为负极，失去电子，电子流动方向：负极导线正极。现在学习的是第30页，共59页1.可充电池充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使生成物恢复原状，如此充放电可循环进行，至一定周期后终止。现在学习的是第31页，共59页2铅蓄电池：如图所示：现在学习的是第32页，共59页(1)铅蓄电池放电原理的电极反应负极：PbSO 2ePbSO4(氧化反应)正极：PbO24HSO 2ePbSO42H2O(还原反应)总反应式：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O(2)铅蓄电池充电原理的电极反应阳极：PbSO42H2O2ePbO24HSO 阴极：PbSO42ePbSO总反应式：2PbSO42H2OPbPbO22H2SO4 现在学习的是第33页，共59页3镍镉碱性蓄电池负极(Cd)：Cd2e2OHCd(OH)2(氧化反应)正极(NiO2)：NiO22H2O2eNi(OH)22OH(还原反应)总反应式：CdNiO22H2OCd(OH)2Ni(OH)2现在学习的是第34页，共59页4新一代绿色电池锂离子电池特点：高能电池，电压高，质量轻，贮存时间长等。用途：电脑、手表、心脏起搏器等。说明：电池中含有汞、镉、铬、铅等大量毒性很强的重金属，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，并通过食物链给人类的身体健康造成威胁和危害，另一方面，电池中的有色金属是宝贵的自然资源，如果能回收再利用，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。现在学习的是第35页，共59页案例精析【例2】蓄电池在放电时起原电池的作用，在充电时起电解池的作用。下面是爱迪生蓄电池分别在充电和放电时发生的反应：FeNiO22H2O Fe(OH)2Ni(OH)2 下列有关爱迪生蓄电池的推断错误的是()A放电时，Fe是负极，NiO2是正极B蓄电池的电极可以浸入某种酸性电解质溶液中C充电时，阴极上的电极反应为：Fe(OH)22eFe2OHD放电时，电解质溶液中的阴离子向正极方向移动现在学习的是第36页，共59页解析蓄电池放电时起原电池作用，原电池的负极是较活泼的金属，A正确。放电时，Fe是原电池的负极，Fe失电子被氧化成Fe2离子。由于负极Fe的附近聚集较多的Fe2离子，电解质溶液中的阴离子向负极移动，D不正确。充电时蓄电池起电解池作用，充电时电源的负极应与蓄电池的负极(Fe，此时作为电解池的阴极)相连接，发生还原反应：Fe(OH)22eFe2OH，C正确。现在学习的是第37页，共59页该蓄电池的放电和充电时的电极反应分别是：放电：负极Fe2e2OHFe(OH)2正极：NiO22e2H2O(l)Ni(OH)22OH充电：阴极Fe(OH)22eFe2OH阳极：Ni(OH)22e2OHNiO22H2O(l)可见反应是在碱性溶液中进行的，B不正确。答案BD点评蓄电池在放电时发生原电池反应，把化学能转变成电能。在充电时发生电解池反应，将电能转变为化学能。反应方程式的左右各物质互为反应物和生成物。现在学习的是第38页，共59页氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式为 H2NiO(OH)Ni(OH)2。根据此反应式判断，下列叙述中正确的是()A电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大B电池放电时，镍元素被氧化C电池充电时，氢元素被还原D电池放电时，H2是负极现在学习的是第39页，共59页解析放电时该装置作为原电池，氢元素由0价升高为1价，H2在负极反应，H原子失电子变成H离子，负极周围溶液的pH不断减小。镍元素由3价降低为2价，镍元素被还原。因此A、B不正确，D正确。充电时该装置作为电解池，氢元素由1价降低为0价，氢元素被还原，C正确。答案CD点评蓄电池充电时，电池的负极与电源的负极相连，电池的正极与电源的正极相连。即正正相接、负负相接。现在学习的是第40页，共59页燃料电池的特点：能量转化高，可持续使用，无噪音，不污染环境。1氢氧燃料电池氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。该电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，可用酸性电解质(如稀H2SO4)，也可用碱性电解质(如KOH溶液)。氢氧燃料电池的构造：现在学习的是第41页，共59页当用碱性电解质时，电极反应为：负极：2H24OH4e4H2O(氧化反应)正极：O22H2O4e4OH(还原反应)总反应：2H2O22H2O现在学习的是第42页，共59页2甲烷燃料电池该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气：负极：CH410OH8eCO 7H2O正极：2O24H2O8e8OH离子方程式为：CH42O22OHCO 3H2O总反应方程式为：CH42O22KOHK2CO33H2O现在学习的是第43页，共59页3CH3OH燃料电池用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入CH3OH和O2，则发生了原电池反应。负极：2CH3OH16OH12e2CO 12H2O正极：3O26H2O12e12OH离子方程式为：2CH3OH3O24OH2CO 6H2O总反应方程式为：2CH3OH3O24KOH2K2CO36H2O现在学习的是第44页，共59页案例精析【例3】飞船上使用的氢氧燃料电池的两个电极均由多孔性碳制成。通入的气体由空隙中逸出，并在电极表面放电，总反应式为：2H2O22H2O(1)以KOH溶液为电解质构成燃料电池，则负极通入_，电极反应式为_，正极通入_，电极反应式为_现在学习的是第45页，共59页(2)如把KOH溶液改为稀H2SO4作电解质则电极反应为负极_，正极_。(3)如把KOH溶液改为NaCl溶液作电解质则电极反应为负极_，正极_。(4)飞船上宇航员的生活用水由燃料电池供给。已知电池每发1度电能生成350 g H2O。请根据反应：2H2(g)O2(g)2H2O(l)H572 kJ/mol 计算能量转化率。(5)该电池输出电压为1.2 V，要使标示电压1.2 V、功率1.5 W的灯泡连续发光1 h，应消耗标准状况下的氢气体积为_L。现在学习的是第46页，共59页解析根据原电池的反应原理，氢氧燃料电池总反应式为2H2O22H2O，因负极氧化，正极还原，即H2被氧化，通入H2的电极为负极；O2被还原，即通入O2的电极为正极，在碱性溶液中H2失去电子生成的H要与OH反应，在酸性溶液中O2得电子生成的O2要与H反应，中性溶液中O2要与H2O反应。每生成350 gH2O放出的能量为(350 g/18 gmol1)(572 kJmol1/2)5561.1kJ能量转化率(3.6103 kJ/5561.11 kJ)100%64.73%发光1 h消耗的电能：1.5 W3600 s5400 J；生成m(H2O)(5.4 kJ36 g)(572 kJmol164.73%)，V(H2)(5.4 kJ36 g22.4 Lmol1)(572 kJmol164.73%18 gmol1)0.654 L。现在学习的是第47页，共59页答案(1)H22H24OH4e4H2OO2O22H2O4e4OH(2)2H24e4HO24H4e2H2O(3)2H24e4HO22H2O4e4OH(4)64.73%(5)0.654现在学习的是第48页，共59页点评原电池两极的判断：先分析电池反应中有关物质元素化合价的变化，确定原电池的正极和负极，然后根据两极所处介质分析其他指定物质的变化。书写电极反应时，要将总化学反应与正、负极反应联系在一起考虑，它们具有加和性：化学反应方程式正极反应负极反应。在原电池反应中，必须遵循得失电子守恒。介质参与电极反应的原则：原电池的两极反应若均在一定介质中进行，介质常常参与电极反应。在酸性介质中，H参与正极反应；在中性介质中，H2O参与正极反应；在碱性介质中，OH参与负极反应。第(4)、(5)题考查内容涉及原电池、能量转换是化学和物理知识理科综合问题，对能力层次有较高要求。现在学习的是第49页，共59页燃料电池是使气体燃料氧化直接产生电流的装置，燃料电池的研究是本世纪最具挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池：一个电极通入空气，另一个电极通入丁烷，电池的电解质是掺杂了Y2O3(三氧化二钇)的ZrO2(二氧化锆)晶体，它在高温下能传导O2，试回答下列问题：(1)该电池放电时的化学反应方程式为：_。现在学习的是第50页，共59页(2)该燃料电池的电极反应式为：正极：13O252e26O2负极：2C4H1026O252e8CO210H2O则固体电解质中的O2向_极移动。(填“正”或“负”)(3)某金属的相对原子质量为52.00，用上述电池电解该金属的一种含氧酸盐的酸性水溶液时，阳极每放出3360 mL(标准状况)氧气，阴极析出金属10.4 g，在该含氧酸盐中金属的化合价为_，在该实验中，若不考虑能量的损失，电池中消耗丁烷的质量最少是_g。(结果精确至0.01 g)现在学习的是第51页，共59页解析(1)2C4H1013O 8CO210H2O；(2)根据电极反应式可知，氧离子由正极移向负极；(3)设金属的化合价为x，则根据得失电子守恒关系可得：4 x，所以可得x3，故此过程中转移的电子的物质的量为0.6 mol，所以消耗的丁烷的质量为1.34 g。答案(1)2C4H1013O28CO210H2O(2)负(3)3；1.34现在学习的是第52页，共59页1电池电极反应式的书写方法书写电极反应式前，我们应首先明确电池的正负极、电极材料和电解质溶液的性质，对于二次电池还要注意放电或充电的方向。(1)电极的判断对于普通电池，我们通常比较两个电极的金属活动性，通常金属活动性强的电极为电池的负极，金属活动性弱的电极或非金属(通常为石墨)为电池的正极。现在学习的是第53页，共59页对于燃料电池，两个电极的材料通常相同，所以从电极材料上很难判断电池的正负极。判断电池正负极的方法，通常是利用电池总反应式，含化合价升高元素的反应物为电池的负极反应物，此电极为负极；含化合价降低元素的反应物通常为电池的正极反应物，此电极为电池的正极。(2)电极反应书写步骤例如，铅蓄电池其总反应式为：PbO2(s)Pb(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)其电极反应式的书写步骤为：放电时，为原电池原理，总反应式中已指明放电方向从左向右的过程，即可逆符号左边为反应物，右边为生成物。现在学习的是第54页，共59页由化合价的升降判断负、正极的反应物负极：Pb正极：PbO2主产物负极：PbSO4正极：PbSO4由化合价升降确定电子得失的数目负极：2e正极：2e电极反应关系式负极：Pb2ePbSO4正极：PbO22ePbSO4考虑电解质溶液，再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式负极：Pb2eSO42-PbSO4正极：PbO22e4HSO42-PbSO42H2O现在学习的是第55页，共59页充电时，是总反应式的逆向过程，氧化剂、还原剂都为PbSO4分析反应过程阴极(发生还原反应或与外电源负极相连)反应过程：PbSO4 阳极(发生氧化反应或与外电源正极相连)反应过程：PbSO4 充电时电极反应阴极：PbSO42ePbSO 阳极：PbSO42H2O2ePbO24HSO 现在学习的是第56页，共59页2常见的一次电池常见的一次电池电池负极反应正极反应总反应式普通干电池Zn2eZn22NH 2e2NH3H22NH Zn2NH3H2Zn2铝空气海水电池4Al12e4Al33O212e6H2O12OH4Al3O26H2O4Al(OH)3心脏起搏器电池2Zn4e2Zn2O24e4H2H2O2ZnO24H2Zn22H2O现在学习的是第57页，共59页电池负极反应正极反应总反应式碱性锌锰电池(Zn|KOH|MnO2)Zn2e2OHZn(OH)22MnO22H2O2e2MnOOH2OHZn2MnO22H2O2MnOOHZn(OH)2银锌电池(Zn|KOH|Ag2O)Zn2e2OHZnOH2OAg2OH2O2e2Ag2OHZnAg2OZnO2Ag锂电池(Li|LiAlCl4，SOCl2|C)8Li8e8Li3SOCl28eSO 2S6Cl8Li3SOCl26LiClLi2SO32S现在学习的是第58页，共59页3.常见的二次电池常见的二次电池电池负极反应正极反应总反应式铅蓄电池(Pb|H2SO4|PbO2)Pb2eSO PbSO4PbO22e4HSO PbSO42H2OPbPbO22H2SO4 2PbSO4 2H2O氢镍电池H2|OH|NiOOHH22e2H2O2H2ONiOOHH2OeNi(OH)2OH2NiOOHH2 2Ni(OH)2现在学习的是第59页，共59页