2022年高一化学人教版必修二《化学能与电能》知识点总结 .pdf

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1、第 2 节化学能与电能一、能源的分类按形成条件按利用历史按性质举例一次能源(直接从自然界取得的能源)常规能源可再生能源水能不可再生能源煤、石油、天然气等化石能源新能源可再生能源太阳能、风能、地热能、潮汐能、沼气不可再生能源核能二次能源(一次能源经过加工、转换得到的能源)电能(水电、火电、核电)、蒸汽、工业余热、酒精、汽油、焦炭等二、化学能转化为电能1.化学能间接转化为电能(在能量的转化过程中存在能量的损失)比如火力发电转化过程火力发电是通过化石燃料的燃烧,使化学能转化为热能,加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机,然后带动发电机发电.燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转化过程.化学能燃烧热能

2、蒸汽机械能发电机电能转化原理燃烧(氧化还原反应)是使化学能转化为电能的关键.因此燃烧一定发生氧化还原反应,氧化还原反应必定有电子的转移,电子的转移引起化学键的重新组合,同时伴随着体系能量的变化.拓展点 1:火力发电的优缺点优点:我国煤炭资源丰富投资少,技术成熟,安全性能高缺点:排出大量的能导致温室效应的气体CO2以及导致酸雨的含硫氧化物,比如 SO2消耗大量的不可再生的化石燃料资源 能量转化率低 产生大量的废渣、废水.2.化学能直接转化为电能(在能量的转化过程中不存在能量的损失)原电池(将氧化还原反应所释放的化学能直接转化为电能)(1)原电池的工作原理实验装置实验现象实验现象产生的原因实验结论

3、名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 11 页 -铜片上有无色气泡产生2H+2e-=H2(还原反应)将化学能直接转变为电能的装置称为原电池,该装置的总反应的离子方程式为:2H+Zn=H2+Zn2+(氧化还原反应)锌片逐渐溶解Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)电流表指针发生偏转并且指针偏向于Cu 片这一边.产生了电流实验现象产生的原因分析:由于 Zn 和 Cu 的活动性不同,Zn 容易失去电子,被氧化为 Zn2+迚入到溶液中,所以 Zn 片会逐渐溶解,而由 Zn 失去的电子则由Zn 片通过导线流向Cu 片,因此 Zn 片上会带有大量的正电荷,Cu 片上会带有大量的负电荷,

4、而电解质溶液中含有阳离子(H+、Zn2+)以及阴离子(OH-、SO42-),由于正负电荷相互吸引,所以电解质溶液中的阳离子会移向Cu 片去中和 Cu 片上带负电荷的电子,阴离子则移向Zn 片去中和 Zn 片上的正电荷,但是由于溶液中的H+得电子能力比Zn2+强,所以 H+就移向 Cu 片去获得Cu 片上由 Zn 片失去的电子而被还原为H 原子,H 原子再结合成H 分子即 H2从 Cu 片上逸出,因此 Cu 片上有无色气泡产生.通过电流表指针发生偏转并且指针偏向于 Cu片这一边,可以得出该装置产生了电流(而电流的形成是因为电子发生了定向移动),并且电流移动的方向与电子移动的方向相反,所以电流是从

5、Cu 片流出,Zn 片流迚,即 Cu 片作为正极;Zn 片作为负极.原电池工作原理的总结归纳:原电池中电流的流向:正极 负极原电池中电子的流向:负极 导线 正极(注意:在该过程中,电子是永进都不会迚入到电解质溶液中,因为电子只在金属内部运动并且电解质溶液中的自由移动的阴阳离子也不能在导线中通过)原电池中电解质溶液中阴、阳离子的移动方向:阳离子 正极阴离子 负极原电池工作原理的本质:发生自发的氧化还原反应即将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动,将化学能转化为电能的形式释放.(所谓自发就是指该氧化还原反应不需要借助外在的力量即本身就能够自己发生)原电池中的负极发生氧化反应,通常是电极材料或还

6、原性气体失去电子被氧化,电子从负极流出;原电池的正极发生还原反应,通常是溶液中的阳离子或O2等氧化剂得到电子被还原,电子流入正极.(2)原电池的构成条件(两极一液一回路,反应要自发)两极:正极和负极是两种活泼性不同的电极材料,包括由两种活泼性不同的金属材料构成的电极或者是由一种金属与一种非金属导体(如石墨)构成的电极,一般活泼性较强的金属作为负极.一液(电解质溶液):包括酸、碱、盐溶液.一回路(构成闭合的电路):即两电极由导线相连或直接接触以及两电极必须插入到同一种电解质溶液中或者分别插入到一般与电极材料相同的阳离子的两种盐溶液中,两盐溶液之间用盐桥相连形成闭合回路.比如以下装置:氧化还原反应

7、要自发:指电解质溶液至少要与作为负极的金属电极材料发生自发的氧化反应.(3)电极反应式定义:原电池中的正极和负极所发生的反应电极反应式的书写方法:名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 11 页 -补充:复杂电极反应式的书写如 CH4碱性燃料电池负极反应式的书写:CH42O22OH=CO233H2O 总反应式2O24H2O8e=8OH 正极反应式CH410OH8e=7H2OCO23 负极反应式注意:电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求,比如难溶物、弱电解质、气体等均应写成化学式形式.注意电解质溶液对正、负极反应产物的影响.如果负极反应生成的阳离子能与电解质溶液中的

8、阴离子反应,则电解质溶液中的阴离子应写入电极反应式中,例如 Fe与 Cu 在 NaOH 溶液中形成原电池,负极反应式为:Fe+2e-+2OH=Fe(OH)2.三、原电池的应用(1)比较金属的活动性强弱原理:一般原电池中活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属作正极.应用:比如 A、B 两种金属用导线连接或直接接触后插入到稀H2SO4电解质溶液中,若 A 极溶解,B 极有气泡产生,由此可判断A 是负极,B 是正极,活动性:AB.(2)加快氧化还原反应的速率原理:在原电池中,氧化反应与还原反应分别在两极迚行,溶液中的粒子运动时相互间的干扰小,从而使化学反应速率加快.应用:比如实验室中用Zn 和稀

9、H2SO4制取 H2时,通常滴入几滴CuSO4溶液,能够加快产生H2的速率.原因在于Zn 与置换出的Cu 构成了原电池,加快了反应的迚行.(3)防止金属被腐蚀(比如要保护一个铁闸,可用导线将其与一Zn 块相连,使 Zn 作原电池的负极,铁闸作正极)补充:金属腐蚀定义:指金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应,使金属失去电子变为阳离子而消耗的过程.金属腐蚀的分类:化学腐蚀和电化学腐蚀名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 11 页 -在金属腐蚀中,我们把直接发生氧化还原反应且不构成原电池的腐蚀称为化学腐蚀;而由不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电池反应而引起的腐蚀

10、称为电化学腐蚀,电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀:在潮湿的空气中,钢铁表面吸附一层薄薄的水膜,里面溶解了少量的O2、CO2等气体,含有少量的H和 OH从而形成电解质溶液.A.当电解质溶液呈中性、弱碱性或弱酸性时,它跟钢铁里的Fe 和少量的 C 形成了无数个微小的原电池,Fe 作负极,C 作正极,因此钢铁发生吸氧腐蚀.电极反应式为:负极(Fe):2Fe-4e-=2Fe2+正极(C):O2+2H2O+4e-=4OH总反应式为:2Fe+O2+2H2O=Fe(OH)2B.当电解质溶液的酸性较强时,钢铁则发生析氢腐蚀.电极反应式为:负极(Fe):Fe-2e-=Fe2+正极(C):2H+2e-=H2 总

11、反应式为:Fe+2H+=Fe2+H2(4)制作各种化学电源(比如制作干电池、铅蓄电池、新型高能电池等)(5)设计制作原电池设计电路原电池的设计要满足构成原电池的四个条件:(a)由两种活动性不同的金属或由一种金属与其他导电的材料(非金属或某些氧化物)作为电极材料;(b)两个电极必须浸在电解质溶液中;(c)两个电极之间要用导线连接形成闭合回路;(d)有自发迚行的氧化还原反应.电极材料的选择电池的电极必须导电.电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料.正极和负极之间只有产生电势差,电子才能定向移动,所以正极和负极一般不用同一种材料.电解质溶液的选择电解质是使负

12、极材料放电的物质.因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应,或电解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的O2).但是如果两个半反应分别在两个容器中迚行(中间连接盐桥),则左、右两个容器中的电解质溶液一般选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液.比如 Cu-Zn-硫酸盐原电池中,负极金属 Zn 浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中.设计示例设计思路实例以自发迚行的氧化还原反应为基础2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应氧化反应(负极):Cu-2e-=Cu2+还原反应(正极):2Fe3+2e-=2Fe2+以两极反应为原理,确定电

13、极材料以及电解质溶液负极材料:Cu 正极材料:石墨或铂电解质溶液:FeCl3溶液名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 11 页 -画出示意图拓展点 2:原电池的正、负极的判断方法(1)根据组成原电池两电极的材料判断:一般是活泼性较强的金属作为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属作为正极.(2)根据电流方向或电子流动的方向判断:电流方向(在外电路)是由正极流向负极,电子的流动方向是由负极流向正极.(3)根据原电池中电解质溶液内阴、阳离子的定向移动方向判断:在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极.(4)根据原电池两电极发生的反应类型判断:原电池的负极总是失

14、电子发生氧化反应,其正极总是得电子发生还原反应.(5)根据电极质量的变化判断:原电池工作后,X 极质量增加,说明溶液中的阳离子在X 极(正极)放电,X 极活动性弱;反之,X 极质量减少,说明 X 极金属溶解,X 极为负极,活动性强.(6)根据电池中的现象判断:若某电极上有气泡冒出,则是因为析出了H2,说明该电极为正极,活动性弱.上述判断方法可简记为:特别提醒:在判断原电池正、负极时,不能只根据金属活泼性的相对强弱判断,有时还要考虑电解质溶液,比如Mg、Al 和NaOH 溶液构成的原电池中,由于 Mg 不与 NaOH 溶液反应,虽然金属性MgAl,但是在该条件下却是Al 作负极.因此要根据具体情

15、况来判断正、负极.又比如说Fe、Cu 在稀 H2SO4溶液中,Fe 作负极,Cu 作正极;而 Fe、Cu 在浓HNO3溶液中,Fe作正极,Cu 作负极.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 11 页 -原电池的负极材料可以参加反应,表现为电极溶解,但有的原电池(比如燃料电池)负极材料不参加反应;原电池的正极材料通常不参加反应.四、发展中的化学电源1.化学电源的分类一次电池二次电池燃料电池活性物质(即发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度就不能再使用的电池,也就是一次电池只能放电不能充电,使用后即丢弃,因此会造成环境污染.比如普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等放电后

16、可以再充电使活性物质获得再生的电池,比如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等蓄电池利用燃料与氧化剂之间发生氧化还原反应,能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,比如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池等(1)一次电池锌锰干电池电池名称构造示意图电解质电极材料电极反应式电池反应特点普通的锌锰干电池NH4Cl和 ZnCl2石墨和锌负极:Zn-2e-=Zn2+正极:2NH4+2e-+2MnO2=2NH3+H2O+Mn2O3Zn+2NH4Cl+2MnO2=2NH3+H2O+Mn2O3+2ZnCl2制作简单,价栺便宜,存放时间短,放电后电流下降较快,可能发烧呢个气胀或漏液名师资料总结-精品资

17、料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 11 页 -碱性的锌锰干电池KOH Zn 和 MnO2负极:Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2 正极:2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnOOH 比能量和可储存时间均比普通的锌锰电池有所提高其他常见的一次电池锌银电池锂离子电池电极材料负极:Zn 正极:Ag2O 负极:锂正极:MnO2、CuO、FeS2等电解质KOH 溶液四 氯 化 铝 锂(LiAlCl4)溶 液 在 亚 硫 酰 氯(SOCl2)中组成电极反应式以及总反应式正极:Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-负极:Zn+2O

18、H-2e-=Zn(OH)2 总反应式:Ag2O+H2O+Zn=Zn(OH)2+2Ag正极:3SOCl2+8e-=SO32-+2S+6Cl-负极:8Li-8e-=8Li+总反应式:3SOCl2+8Li=6LiCl+Li2SO3+2S 特点使用过程中,电极负极区溶液的pH 减小.电池比能量大、电压稳定,储存时间长,适宜小电流连续放电比能量高、放电电压高、工作温度宽,可储存时间长拓展点 1:干电池的回收和利用干电池中有Zn、Cu、MnO2、NH4Cl、ZnCl2、炭黑、石墨等单质和化合物.Zn用剪刀去除废电池的外皮,洗净后剪碎晾干,即得锌片,可用于实验室制H2.如想得到锌粒,可将锌片放入铁坩埚中加强

19、热使之熔化,熔化时会有少量ZnO 白烟生成,熔化后除去浮渣,倒出冷却.Cu 片把废电池上的铜帽取下,用煮沸的稀H2SO4洗涤,洗净后晾干,得到紫红色铜片.碳棒从废电池中取出,洗净即可.可用于原电池或电解池的电极.NH4Cl洗涤干电池中黑色糊状物时,其中不溶于水的物质基本是MnO2,NH4Cl 则溶于水中,将溶液过滤得澄清溶液,经过加热、蒸发、浓缩、结晶,即得 NH4Cl 晶体.(2)二次电池二次电池又称充电电池或蓄电池,它在放电时所迚行的氧化还原反应,在充电时可以逆向迚行,使生成物恢复原状,如此充、放电可循环迚行.这类电池可以多次重复使用,如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等蓄电池.1

20、)铅蓄电池铅蓄电池的构造名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 11 页 -铅蓄电池的工作原理a.放电时的电极反应负极Pb+SO42-2e=PbSO4(氧化反应)正极PbO2+4H+SO42+2e=PbSO4+2H2O(还原反应)总反应式Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O b.充电时的电极反应阴极PbSO4+2e-=Pb+SO42-(还原反应)阳极PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H+SO42-(氧化反应)总反应式2PbSO4+2H2O=PbO2+2H2SO4+Pb 充电过程和放电过程可用方程式表示:Pb+PbO2+2H2SO4放电充电2PbSO

21、4+2H2O(3)锌银蓄电池锌银蓄电池的负极是锌,正极是 Ag2O,用 KOH 溶液作电解质溶液.放电时,电极反应:正极(Ag2O):Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-(还原反应)负极(Zn):Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2(氧化反应)充电时,电极反应:阴极:Zn(OH)2+2e-=Zn+2OH-(还原反应)阳极:2Ag+2OH-2e-=Ag2O+H2O(氧化反应)充电过程和放电过程可用方程式表示:Zn+Ag2O+H2O放电充电2Ag+Zn(OH)2五、燃料电池燃料电池是一种能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.燃料电池的最大优点在于能量转化率高,可以持续使用,

22、无噪音,不污染环境.燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应,只是一个催化转化元件.它工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地迚行反应,生成物不断地被排出,于是电池就连续不断地提供电能.(1)氢氧燃料电池名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 11 页 -装置电池总反应2H2+O2=2H2O 介质酸性(H+)负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+4H+4e-=2H2O 中性负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+2H2O+4e-=4OH-碱性(OH-)负极:2H2-4e-+4OH-=4H2O 正极:O2+2H2O+4e-=4OH-(2)其他常见的燃料电池电池名称

23、电解质电极反应式总反应式甲烷燃料电池碱性(OH-)正极(通入 O2):4H2O+2O2+8e-=8OH-负极(通入 CH4):CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O 酸性(H+)正极(通入 O2):2O2+8H+8e-=4H2O 负极(通入 CH4):CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+2O2+CH4=2H2O+CO2甲醇燃碱性(OH-)正极(通入 O2):3O2+12e-+6H2O=12OH负极(通入 CH3OH):2CH3OH-12e-+16OH-=2CO32-+12H2O 2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O

24、名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 11 页 -料电池酸性(H+)正极(通入 O2):3O2+12e-+12H+=6H2O 负极(通入 CH3OH):2CH3OH-12e-+2H2O=12H+2CO22CH3OH+3O2=2CO2+4H2O 肼燃料电池碱性(OH-)负极(通入 N2H4):N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O 正极(通入 O2):O2+4e-+2H2O=4OH-N2H4+O2=N2+2H2O酸性(H+)负极(通入 N2H4):N2H4-4e-=N2+4H+正极(通入 O2):O2+4e-+4H+=2H2O 拓展点 2:电极产物的确定首先应根据氧化

25、还原反应规律确定氧化还原产物中相应元素的价态,然后结合电解质的实际情况确定产物形态.H2失去电子后变为+1 价,若电解质溶液呈酸性或中性,则产生 H+;若电解质溶液呈碱性,则产生 H2O.O2得到电子后变为-2 价,若电解质溶液呈碱性或中性,则生成 OH-;若电解质溶液呈酸性,则产生 H2O;若为固体熔融电解质,则生成 O2-.含 C 物质为还原剂的燃料电池中,若电解质溶液呈酸性,则生成 CO2;若电解质溶液呈碱性,则生成 CO32-.总结:燃料电池电极反应式的书写:1)燃料电池正极反应式的书写因为燃料电池正极反应物一般是O2,即正极都是氧化剂O2得到电子的还原反应,故正极反应的基础都是O2+

26、4e-=2O2-,O2-的存在形式与燃料电池的电解质的状态以及电解质溶液的酸碱性有着密切的联系.电解质为酸性电解质溶液(如稀硫酸)在酸性环境中,O2-离子不能单独存在,可供 O2-离子结合的微粒有H+离子和 H2O,O2-离子优先结合H+离子生成H2O.这样在酸性电解质溶液中,正极反应式为O24H+4e-=2H2O.电解质为中性或碱性电解质溶液(如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液)在中性或碱性环境中,O2-离子也不能单独存在,O2-离子只能结合H2O 生成 OH-离子,故在中性或碱性电解质溶液中,正极反应式为O22H2O+4e-=4OH-.电解质为熔融的碳酸盐(如 Li2CO3和 Na2CO3熔融盐混

27、和物)在熔融的碳酸盐环境中,O2-离子也不能单独存在,O2-离子可结合CO2生成 CO32-离子,则其正极反应式为O22CO2+4e-=2CO32-.电解质为固体电解质(如固体氧化锆 氧化钇)该固体电解质在高温下可允许O2-在其间通过,故其正极反应为O2+4e-=2O2-.2)燃料电池负极反应式的书写燃料电池负极反应物种类比较繁多,可为氢气、水煤气、甲烷、丁烷、甲醇、乙醇等可燃性物质.不同的可燃物有不同的书写方式,要想先写出负极反应式相当困难.一般燃料电池的负极反应式都是采用间接方法书写,即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极反应式,然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负

28、极反应式.比如以 H2、C3H8为燃料的碱性电池为例说明如下:H2-2e-=2H+或 H2-2e-+2OH-=2H2O;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 11 页 -C3H8e203CO2OH63CO32-(3 个 C 整体从-8 价升高到+12 价,失去 20e-),则有:C3H8-20e-+aOH-=3CO32-+bH2O,由电荷守恒知a=26;由 H 原子守恒知b=17,所以电极反应式为C3H8-20e-+26OH-=3CO32-+17H2O(3)燃料电池与一次电池、二次电池的主要区别氧化剂与燃料在工作时不断地由外部供给.生成物不断地被排出.(4)废弃电池的处理废弃电池中含有重金属和酸碱等有害物质,随意丢弃,对生态环境和人体健康有很大的危害.若把它当作一种资源,加以回收利用,既可以减少对环境的污染,又可以节约资源.因此,应当重视废弃电池的回收.名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 11 页 -