1、第二节 化学能与电能,2014年3月24日,水电站,直接从自然界取得的能源称为一次能源,电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称为电力。,火电站,一次能源经加工、转换得到的能源称为二次能源,2001年我国发电总量构成图,火力发电占据绝大部分,什么是火力发电？ 火电站的工作原理如何?,1,火力发电原理及过程,燃烧,蒸汽,发电机,一、化学能与电能的相互转化,火力发电的原理分析。,2、火力发电的化学深层本质分析,燃烧,氧化还原反应,氧化剂与还原剂之间发生电子的转移,火力发电,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,过程,关键,本质,本质,引起,火
2、力发电优点:,a.我国煤炭资源丰富,廉价方便. b.电能清洁安全,又快捷方便.,火力发电缺点:,a.排出大量的温室效应气体. b.有废气可能导致酸雨 c.废料废水 d.储量有限 e.能量转换效率低,化学能 电能,？,1、当氧化剂和还原剂直接接触进行反应时，化学能要经过一系列能量转换才能转换为电能。 2、把氧化剂和还原剂分开，使氧化反应和还原反应在两个不同区域进行。 3、需要在氧化剂和还原剂之间架设桥梁使电子从氧化剂区域流向还原剂区域。 4、考虑氧化反应和还原反应发生的条件和环境，化学物质的选择。 5、从电学角度考虑仪器选择和组装问题。,锌表面有气泡产生，铜表面无明显现象,1.反应中，哪种物质失
3、电子，哪种物质得电子,用导线将锌表面的电子引出来,Zn +2H+ = Zn 2+ +H2,.什么方法可使Zn与H+分开，不让H+直接在Zn表面得电子？,原电池实验视频,演示探究,Cu起传导电子的作用。 可用电流表测电流及方向。,Zn + 2H+ = Zn 2+ +H2,大量气泡从铜片逸出，锌片部分溶解,1.H+得到的电子是Cu失去的吗？ 2.在这个过程中Cu起什么作用？ 3.你怎样才能知道导线中有电子通过？,演示探究,化学能直接转化为电能,1.电子从Zn到H+经历了哪些途径？ 2.你认为这个过程能量是如何转化的？,锌表面无气泡， 铜表面有气泡， 电流表发生偏转。,实验现象：铜片上有气泡产生，锌
4、片不断溶 解，电流表的指针发生偏转。,实验结论：导线中有电流通过,二.化学能直接转化为电能,1.原电池的概念、前提,将化学能转化为电能的装置,概念:,2.前提:,能自发发生氧化还原反应,3.原电池的工作原理,能量转变,化学反应,将化学能直接转化为电能,氧化还原反应中电子转移 (负极失去电子经过导线定向的流入正极),Zn-2e-=Zn2+,2H+2e-=H2,Zn+2H+=Zn2+H2,负极,正极,还原反应,氧化反应,失,得,Zn2e- Zn2+,2H+ + 2e-H2,负极,正极,Zn+2H+Zn2+H2,有气体产生,Zn片溶解,锌铜原电池原理,负极出电子，电子回正极,Zn2+,+,负极,正极
5、,-,Zn,Cu,电流表,4.原电池化学反应本质： 较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属（负极）通过外电路流向较不活泼的金属（正极）,氧化还原反应,外电路：电子由负极流向正极，电流由正极流向负极内电路：阴离子移向负极，阳离 子移向正极，电流由负极流向正极,5.电荷流向电流流向：,负极,正极,6.原电池形成条件：, 两种活泼性不同的金属（或其中一种为能导电的非金属，如“碳棒”）作电极。其中较活泼金属为负极。较不活泼金属（或非金属）为正极（正极一般不参与电极反应，只起导电作用）。 电解质溶液 形成闭合电路 能自发地发生氧化还原反应,两极一液一连线,试着说说原电池的构成有什么条件？,*,*,
6、 ,实验探究,偏转,两极材料不同,有两种活泼性不同的金 属（或非金属）作电极,不偏转,实验探究,不偏转,溶液不同,电极材料均插入 电解质溶液中,偏转,实验探究,不偏转,电极材料不同,能自发地发生氧化还原反应,不偏转,容器不同,两极相连形成闭合回路,实验探究,C,H2SO4,（不可以）,（不可以）,（可以）,（不可以）,例2,条件一：有活泼性不同的两种金属或非金属,（可以）,（不可以）,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,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,（不可以）,7.如何书写电极反应方程式,负极（锌片）： Zn 2e - = Zn 2+,负极
7、（锌片）： Zn 2e - = Zn 2+,正极（石墨）： 2H+2e - = H2 ,正极（铜片）： Cu2+ + 2e - = Cu,总反应: Zn + 2H+ = Zn 2+ + H2 ,总反应: Zn + Cu2+ = Zn 2+ + Cu,电极反应方程式的书写方法,负极：较活泼金属（a）电极反应：a-ne-=an+ (氧化反应) 正极：较不活泼金属或非金属（b）电极反应： Cm+ + me- = C(还原反应)要求书写时，正负极得失电子数相等。,正极电极反应式+负极电极反应式=总反应方程式 已知其中两个可以求第三个 金属阳离子放电顺序：K+Ca2+Na+Mg2+Al3+(水中氢) H
8、+ Zn2+Fe2+Sn2+Pb2+(酸中氢)H+Cu2+ Fe3+ Hg2+Ag +,原电池中电极反应式的书写,电化学学习中电极反应式的书写成为学生学习这部分知识的拦路虎，掌握电极反应式的书写规律和技巧是学好电化学的前提。笔者结合多年的教学经验和对近些年高考原题的研究，对电极反应式的书写归纳如下。 一、原电池电极反应式的书写 （一）原则： 负极：失电子，发生氧化反应（一般是负极本身失电子） 正极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在正极上得电子，但也可能是O2在正极上得电子（吸氧腐蚀），或正极本身得电子） 总反应式（电池反应）= 正极反应式 + 负极反应式 对于可逆电池，一定要看清楚“
9、充电、放电”的方向。放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解池原理。,（二）具体分类判断 1.第一类原电池：两个活泼性不同的电极(金属与金属、金属与石墨碳棒、金属与难溶金属氧化物)；电解质溶液，至少要能与一个电极发生有电子转移的氧化还原反应，一般是置换反应；两电极插入电解质溶液中且用导线连接。 方法：先找出两极相对活泼性，相对活泼的金属作负极，负极失去电子发生氧化反应，形成阳离子进入溶液；较不活泼的金属作正极，溶液中原有的阳离子按氧化性强弱顺序在正极上得到电子还原反应，析出金属或氢气，正极材料不参与反应。如：MgAlHCl溶液构成的原电池中，负极为Mg。 但MgAlNaOH溶液构成的原电池
10、中，负极为Al（Mg与NaOH溶液不反应，Al是两性金属，可以与NaOH溶液反应）。再分析进入溶液的微粒能否在电解质环境中存在 （得失电子不能同时在同极上发生），不能存在时应考虑其与电解质之间的后续反应。,如：Mg、Al在碱性环境中构成的原电池 解析：在碱性环境中Al 比 Mg活泼，其反实质为Al与碱溶液的反应：2Al+2OH-+6H2O=2AlO2-+3H2+4H2O 负极：2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O 正极：6H2O + 6e- =3 H2 + 6OH- 注意：Al-3e-=Al3+，此时Al3+在碱性环境不能稳定存在，会与OH-（过量）结合转化为AlO
11、2- 2.第二类原电池： 两个活动性不同的电极； 任何电解质溶液( 酸、碱、盐皆可)； 形成回路。 这类原电池的特点是电极与电解质溶液不发生置换反应，电解质溶液只起导电作用。正极一般是吸氧腐蚀的电极反应式：O22H2O4e- 4OH。微电池(即若干微小的原电池)为不正规的原电池。合金或不纯的金属在潮湿空气中就能形成微电池。电化学腐蚀即微电池腐蚀，依然是原电池原理。一般原电池和微电池的区别在于前者中两个电极不直接接触，故前者电流是在导线中流动，而后者电流是在金属体内部流过。微电池腐蚀分为析氢腐蚀(发生在酸性较强的溶液里，正极上H+被还原)和吸氧腐蚀 (发生在中性、碱性或极弱酸性溶液里，正极上是氧
12、气被还原：O22H2O4e- 4OH)。,3.燃料电池： 燃料电池的电极反应（主要是负极的电极方程式）是一个难点。我们知道，一般的燃料电池大多是可燃性物质（主要是可燃性气体）与氧气及电解质溶液共同组成的原电池，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应，但其总反应方程式是可燃物在氧气中燃烧。由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应，再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总反应方程式。由于在反应中氧气由0价变为2价，所以肯定是O2得电子，即O2作氧化剂是正极，即可写出正极的电极反应式：O2+4e+2H2O=4OH_ (该反应式为常见的绝大多数燃料电池的正极反应式)。若此时电解
13、质溶液为酸性，则反应过程可以理解为：正极上首先发生： O2+4e-=2O2- 由于在酸性环境中大量存在H+ 故O2-会与H+结合成H20，故正极反应式应为：O2+4 e-4H+2H2O 若电解质为中性或碱性时，则正极反应式就只是。此时负极反应式就可由总电极方程式减去正极的电极方程式得到（注意要将方程式中的氧气抵消掉）。,1）直接法书写电极反应式：（以氢氧燃料电池为例） 解析：H2、O2燃料电池中反应实质为：2H2+O2=2HO 电极上H2-2e-=2H+ O2+4e-=2O2+ 在不同环境中H+、O2-会与电解质发生不同的反应，故电极反应也相应不同： 、酸性环境中：H+能稳定存在，O2-会与H
14、+结合成H20， 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+4H+4e-=2H2O 、碱性环境中：H+不能稳定存在会与OH-结合成水，而O2-也不能稳定存在会与水结合形成OH- 负极：2H2-4e-+4OH-=4H20 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 、中性环境中：H+能稳定存在：02-会与H20结合成OH-： 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+2H20+4e-=4OH-,、在能传导O2-的固体电解质中：由于O2-能存在，而H+会与固体电解质中O2-结合形成水 负极：2H2-4e-+2O2-=2H2O 正极：O2+4e-=2O2- （2）加减法书写电极方程式： 由甲醇和氧气以及
15、强碱作电解质溶液的新型手机电池。 解析：CH3OH+O2CO2+H2O 但：CO2在碱性环境中不存在，会与OH-反应生成CO32- CO2+2OH_ =CO32-+H2O 故将、式进行叠加即为总反应： 2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O ,由于正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH_ 由于电解质溶液为碱性，所以正极的产物不再进一步反应，则负极的反应式为总反应方程式减去正极的反应式得到： 2CH3OH+3O24OH_ -3O2-6H2O -12e-=2CO32-+6H2O-12OH_ 调整之后得（负极）：CH3OH8OH_ 6e-CO32-6H2O 二、电解池电极反应式
16、的书写 （一）原则： 阳极：失电子，发生氧化反应（一般是溶液中阴离子在阳极上失电子，也可能是阳极材料本身失去电子） 阴极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在阴极上得电子）,（二）具体分类判断 1.阳极为惰性电极（CPt）这类电解池的电极反应式的书写只需考虑电解质溶液中的所有阴阳离子的放电，电极本身不参与放电。中学阶段阴离子主要掌握I、Br、Cl、OH的放电，阳离子主要掌握Ag+,Cu2+,H+的放电。 2.阳极为活性电极（如Fe、Cu、Ag等）这类电解池的阳极反应为活性电极本身失去电子生成相应的阳离子，阴极反应为电解质溶液中的阳离子得到电子生成相应的单质。,特例,镁铝原电池硫酸作电解质
17、的电极反应式是什么？还有氢氧化钠作电解质又怎么写？ 硫酸做电解质： 负极：Mg-2e-=Mg2+ 正极：2H+2e- =H2 总反应：Mg+ 2H+ =Mg2+ + H2 NaOH做电解质： 负极：2Al-6e-+8OH- = 2AlO2-+4H2O 正极：6H2O+6e-=3H2 + 6OH- 总反应： 2Al+2OH- +2H2O = 2AlO2- + 3H2 ,Zn-Al原电池，谁做负极？,小结,化 学 能 与 电 能,间接：,直接：,装置,原电池,概 念,构成条件,工作原理,8.原电池电极名称的确定方法,（1）、根据电极材料的性质确定。,通常是活泼金属是负极，不活泼金属、碳棒、化合物是
18、正极。,（2）、根据电极反应的本身确定。,失电子的反应氧化反应负极 得电子的反应还原反应正极,练习：银锌电池是广泛用作各种电子仪器的电源，它的反应可表示为：Ag2O+Zn+H2O 2Ag+2Zn(OH)2请判断此电池中，负极上发生反应的物质是（ ） A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn,D,（3）、根据电子或电流流动方向（外电路）：,e,e,（4）、根据离子的定向移动（内电路）,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,（5）、根据离子方程式判断,（负极）,（在正极）,（ 6）、负极往往会溶解，正极往往会产生气泡或者增重,9. 原电池原理的应用：,制作化学电源：各种电池 加快反应速率
19、：例如:实验室制H2时，由于锌太纯，反应一般较慢，可加入少量CuSO4以加快反应速率。 判断金属活动性的强弱 揭示钢铁腐蚀的原因及防止钢铁的腐蚀。因为钢铁中含有碳，可与Fe组成原电池，发生原电池反应而使钢铁遭到腐蚀。,钢铁的电化学腐蚀方程式：吸氧，析氢,析氢腐蚀: 条件:水膜酸性较强 负极:Fe-2e -=Fe2+ 正极:2H+ +2e -=H2 析氧腐蚀: 条件:水膜酸性较弱或呈中性 负极:Fe-2e- =Fe2+ 正极:2H2O+O2+4e-=4OH- Fe2+2OH-=Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O,10.原电池
20、设计思路：,释放能量的氧化还原反应（放热反应）, 通常须两活性不同的电极, 电解质溶液, 还原剂在负极失电子，发生氧化反 应；氧 化剂在正极得电子,发生还原反应,化学能与电能的相互转化,例：请根据反应: 2Fe3+ + Fe = 3 Fe 2+ 设计原电池，你有哪些可行方案?,Fe-Cu FeCl3,Fe-C Fe(NO3)3,Fe-Ag Fe2(SO4)3,根据反应设计原电池，你有哪些可行方案? （ 2Fe3+ + Fe = 3 Fe 2+ ）,Fe,Cu C Ag,FeCl3 Fe(NO3)3 Fe2(SO4)3,锌片插入稀硫酸中，被腐蚀。（化学腐蚀）,锌片在锌,铜（稀硫酸）原电池中作为负
21、极，也被腐蚀。（电化学腐蚀）,哪个更快？,原电池的负极被腐蚀得更快。,分析锌,铁（稀硫酸）原电池中的电极反应。,你感受到作为正极，铁被保护了吗？,原电池的金属正极被保护。,1.下列装置中能组成原电池形成电流的是( ),习题一：,C,原电池的判断,2.某金属能跟稀盐酸作用放出氢气，该金属与锌组成原电池时，锌为负极，此金属是( ) A.Mg B.Fe C.Al D.Cu,原电池的工作原理,B,3.由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的 PH( ) A.不 B先变大后变小 C逐渐变大 D.逐渐变小,C,习题二,习题三,5.一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu,该反应的
22、的原电池正确组合是( ),C,原电池构成条件,习题四,4.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡，b、d相连时，b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( )Aa b c d Ba c d b Cc a b d Db d c a,B,利用原电池电极判断金属性强弱,可是令她百思不解的是自从车祸后,她常常感到头晕、头痛、夜间失眠、心情烦躁医生绞尽了脑汁，格林太太的病情仍未见好转一位年轻的化学家来看望格林太太时，为格林太太揭开了病因！,请你当医生,病 例 分 析,你能为她开
23、一个药方吗？,三、发展中的化学电源,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。,干电池,碱性电池,1、干电池结构及电极反应原理,（1）干电池结构及电极反应原理,负极：Zn 2e- = Zn2+,正极：2NH4+ + 2e- = 2NH3+H2,Zn + 2NH4+ = Zn2+2NH3+H2,电池总反应式：,特点：,a：一次性电池，不可逆 b：用KOH代替NH4Cl能提高 性能，延长寿命,汽车用蓄电池,锂离子电池,锂离子电池：它是新一代可充电的绿色电池，现已成为笔记本电脑、移动电话、摄像机等低功耗电器的主流。,2.充电电池,（2）充电
24、电池(又称二次电池),Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O (-) (+),负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4,Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- = 2PbSO4 + 2H2O,正极:PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O,铅蓄电池,特点：,电池总反应式：,二次电池,可再次充电使用,镍铬电池,特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。,NiO2（S）+Cd（S）+2H2O（L） =Ni（OH）2（S）+Cd（OH）2（S）,Ag2O（S）+Cd（S）+H2O（L） =2Ag（S）+Cd（OH）2（
25、S）,3.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,高二化学氢氧燃料电池实验视频.mp4,氢氧燃料电池,燃料电池,氢氧燃料电池的电极反应式和总反应怎么写？,氢氧燃料电池（中性介质） 正极：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- 负极：2H2 - 4e- = 4H+ 总反应式：2H2 + O2 = 2H2O 氢氧燃料电池（酸性介质） 正极：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O 负极：2H2 - 4e- = 4H+ 总反应式：2H2 + O2 = 2H2O 氢氧燃料电池（碱性介质） 正极：O2 + 2H
26、2O + 4e- = 4OH- 负极：2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O 总反应式：2H2 + O2 = 2H2O,例2, 写出甲烷燃料电池（电解质溶液为氢氧 化钾溶液）的电极反应式及总方程式：,正极： 2O2 + 8e- + 4H2O = 8OH- 负极 CH4 + 10OH- -8e- = CO32- + 7H2O 总反应：CH4 + 2O2 + 2OH- = CO32- + 3H2O,反应后溶液的pH如何变化？,酸性介质： 正极：O2+4H+ +4e- =2H2O 负极：CH4+2H2O -8e-=CO2+8H+ 总反应： CH4+2O2=CO2+2H2O,甲醇燃料电池在碱性条件下和酸性条件下各电极的反应,酸性条件下 负极 ： CH3OH - e- H2O= CO2 正极 ： O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O. 总反应： CH3OH O2CO2H2O 碱性条件下 正极：O2 + 4e- +H2O= 负极：CH3OH - e-=CO32-H2O 总反应： 2CH3O242CO32-6H2O,其他电池,空气电池,
