第2节 化学能与电能
一、能源的分类
按形成条件 一次能源(直接从自然界取得的能源) 新能源 按利用历史 常规能源 按性质 可再生能源 不可再生能源 举例 水能 煤、石油、天然气等化石能源 可再生能源 不可再生能源 太阳能、风能、地热能、潮汐能、沼气 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 ①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????热能????机械能????电能 ②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:①我国煤炭资源丰富②投资少,技术成熟,安全性能高
缺点:①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SO2②消耗大量的不可再生的化石燃料资源③能量转化率低④产生大量的废渣、废水.
燃烧蒸汽发电机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 铜片上有无色气泡产生 锌片逐渐溶解 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 2H++Zn=H2↑+Zn2+(氧化还原反应) 实验现象产生的原因 2H++2e-=H2↑(还原反应) Zn-2e=Zn(氧化反应) -2+实验结论 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: 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+进入到溶液中,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,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Cu片流出,Zn片流进,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: ①原电池中电流的流向:正极→负极
②原电池中电子的流向:负极→导线→正极(注意:在该过程中,电子是永远都不会进入到电解质溶液中,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) ③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
④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) ⑤原电池中的负极发生氧化反应,通常是电极材料或还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)
①两极: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. ②一液(电解质溶液):包括酸、碱、盐溶液.
③一回路(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:
④氧化还原反应要自发: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
①定义:原电池中的正极和负极所发生的反应 ②电极反应式的书写方法:
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:
－CH4＋2O2＋2OH－===CO23＋3H2O……总反应式
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－……正极反应式
－CH4＋10OH－－8e－===7H2O＋CO23……负极反应式
注意:
①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. ②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
①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.
②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:A>B. (2)加快氧化还原反应的速率
①原理:在原电池中,氧化反应与还原反应分别在两极进行,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.
②应用:比如实验室中用Zn和稀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,加快了反应的进行.
(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
①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. ②金属腐蚀的分类:化学腐蚀和电化学腐蚀
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)2 B.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 ①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)有自发进行的氧化还原反应. ②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. ③电解质溶液的选择
电解质是使负极材料放电的物质.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进行(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. ④设计示例
设计思路 以自发进行的氧化还原反应为基础 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 实例 2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2 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 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电子发生氧化反应,其正极总是得电子发生还原反应.
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