高一化學(xué)必修二2.2《化學(xué)能與電能》課件(新人教版必修2

1、第二節(jié) 化學(xué)能與電能,2014年3月24日,水電站,直接從自然界取得的能源稱為一次能源,電能是現(xiàn)代社會中應(yīng)用最廣泛、使用最方便、污染最小的一種二次能源，又稱為電力,火電站,一次能源經(jīng)加工、轉(zhuǎn)換得到的能源稱為二次能源,2001年我國發(fā)電總量構(gòu)成圖,火力發(fā)電占據(jù)絕大部分,什么是火力發(fā)電？ 火電站的工作原理如何,1,火力發(fā)電原理及過程,燃燒,蒸汽,發(fā)電機,一、化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化,火力發(fā)電的原理分析,2、火力發(fā)電的化學(xué)深層本質(zhì)分析,燃燒,氧化還原反應(yīng),氧化劑與還原劑之間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移,火力發(fā)電,將化學(xué)能經(jīng)一系列能量轉(zhuǎn)化為電能,舊鍵斷裂和新鍵形成、體系能量變化,過程,關(guān)鍵,本質(zhì),本質(zhì),引起,火力發(fā)電

2、優(yōu)點,a.我國煤炭資源豐富,廉價方便. b.電能清潔安全,又快捷方便,火力發(fā)電缺點,a.排出大量的溫室效應(yīng)氣體. b.有廢氣可能導(dǎo)致酸雨 c.廢料廢水 d.儲量有限 e.能量轉(zhuǎn)換效率低,化學(xué)能 電能,1、當(dāng)氧化劑和還原劑直接接觸進行反應(yīng)時，化學(xué)能要經(jīng)過一系列能量轉(zhuǎn)換才能轉(zhuǎn)換為電能。 2、把氧化劑和還原劑分開，使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在兩個不同區(qū)域進行。 3、需要在氧化劑和還原劑之間架設(shè)橋梁使電子從氧化劑區(qū)域流向還原劑區(qū)域。 4、考慮氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)發(fā)生的條件和環(huán)境，化學(xué)物質(zhì)的選擇。 5、從電學(xué)角度考慮儀器選擇和組裝問題,鋅表面有氣泡產(chǎn)生，銅表面無明顯現(xiàn)象,1.反應(yīng)中，哪種物質(zhì)失電子，哪種物質(zhì)得電

3、子,用導(dǎo)線將鋅表面的電子引出來,Zn +2H+ = Zn 2+ +H2,什么方法可使Zn與H+分開，不讓H+直接在Zn表面得電子,原電池實驗視頻,演示探究,Cu起傳導(dǎo)電子的作用。 可用電流表測電流及方向,Zn + 2H+ = Zn 2+ +H2,大量氣泡從銅片逸出，鋅片部分溶解,1.H+得到的電子是Cu失去的嗎？ 2.在這個過程中Cu起什么作用？ 3.你怎樣才能知道導(dǎo)線中有電子通過,演示探究,化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,1.電子從Zn到H+經(jīng)歷了哪些途徑？ 2.你認(rèn)為這個過程能量是如何轉(zhuǎn)化的,鋅表面無氣泡， 銅表面有氣泡， 電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn),實驗現(xiàn)象：銅片上有氣泡產(chǎn)生，鋅片不斷溶 解，電流表的指針發(fā)生

4、偏轉(zhuǎn),實驗結(jié)論：導(dǎo)線中有電流通過,二.化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,1.原電池的概念、前提,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,概念,2.前提,能自發(fā)發(fā)生氧化還原反應(yīng),3.原電池的工作原理,能量轉(zhuǎn)變,化學(xué)反應(yīng),將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移 (負(fù)極失去電子經(jīng)過導(dǎo)線定向的流入正極,Zn-2e-=Zn2,2H+2e-=H2,Zn+2H+=Zn2+H2,負(fù)極,正極,還原反應(yīng),氧化反應(yīng),失,得,Zn2e- Zn2,2H+ + 2e-H2,負(fù)極,正極,Zn+2H+Zn2+H2,有氣體產(chǎn)生,Zn片溶解,鋅銅原電池原理,負(fù)極出電子，電子回正極,Zn2,負(fù)極,正極,Zn,Cu,電流表,4.原電池化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)：

5、較活潑的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從較活潑的金屬（負(fù)極）通過外電路流向較不活潑的金屬（正極,氧化還原反應(yīng),外電路：電子由負(fù)極流向正極， 電流由正極流向負(fù)極 內(nèi)電路：陰離子移向負(fù)極，陽離 子移向正極，電流由負(fù) 極流向正極,5.電荷流向電流流向,負(fù)極,正極,6.原電池形成條件,兩種活潑性不同的金屬（或其中一種為能導(dǎo)電的非金屬，如“碳棒”）作電極。 其中較活潑金屬為負(fù)極。較不活潑金屬（或非金屬）為正極（正極一般不參與電極反應(yīng)，只起導(dǎo)電作用）。 電解質(zhì)溶液 形成閉合電路 能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng),兩極一液一連線,試著說說原電池的構(gòu)成有什么條件,實驗探究,偏轉(zhuǎn),兩極材料不同,有兩種活潑性不同的金 屬（或非金

6、屬）作電極,不偏轉(zhuǎn),實驗探究,不偏轉(zhuǎn),溶液不同,電極材料均插入 電解質(zhì)溶液中,偏轉(zhuǎn),實驗探究,不偏轉(zhuǎn),電極材料不同,能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng),不偏轉(zhuǎn),容器不同,兩極相連形成閉合回路,實驗探究,C,H2SO4,不可以,不可以,可以,不可以,例2,條件一：有活潑性不同的兩種金屬或非金屬,可以,不可以,形成條件二：電極需插進電解質(zhì)溶液中,實驗探究形成原電池的條件,實驗探究形成原電池的條件,形成條件三：必須形成閉合回路,不可以,7.如何書寫電極反應(yīng)方程式,負(fù)極（鋅片）： Zn 2e - = Zn 2,負(fù)極（鋅片）： Zn 2e - = Zn 2,正極（石墨）： 2H+2e - = H2,正極（銅片）：

7、 Cu2+ + 2e - = Cu,總反應(yīng): Zn + 2H+ = Zn 2+ + H2,總反應(yīng): Zn + Cu2+ = Zn 2+ + Cu,電極反應(yīng)方程式的書寫方法,負(fù)極：較活潑金屬（a） 電極反應(yīng)：a-ne-=an+ (氧化反應(yīng)) 正極：較不活潑金屬或非金屬（b） 電極反應(yīng)： Cm+ + me- = C(還原反應(yīng)) 要求書寫時，正負(fù)極得失電子數(shù)相等,正極電極反應(yīng)式+負(fù)極電極反應(yīng)式=總反應(yīng)方程式 已知其中兩個可以求第三個 金屬陽離子放電順序： K+Ca2+Na+Mg2+Al3+(水中氫) H+ Zn2+Fe2+Sn2+Pb2+(酸中氫)H+Cu2+ Fe3+ Hg2+Ag,原電池中電極反

8、應(yīng)式的書寫,電化學(xué)學(xué)習(xí)中電極反應(yīng)式的書寫成為學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識的攔路虎，掌握電極反應(yīng)式的書寫規(guī)律和技巧是學(xué)好電化學(xué)的前提。筆者結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗和對近些年高考原題的研究，對電極反應(yīng)式的書寫歸納如下。一、原電池電極反應(yīng)式的書寫（一）原則：負(fù)極：失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)（一般是負(fù)極本身失電子）正極：得電子，發(fā)生還原反應(yīng)（一般是溶液中陽離子在正極上得電子，但也可能是O2在正極上得電子（吸氧腐蝕），或正極本身得電子）總反應(yīng)式（電池反應(yīng)）= 正極反應(yīng)式 + 負(fù)極反應(yīng)式對于可逆電池，一定要看清楚“充電、放電”的方向。放電的過程應(yīng)用原電池原理，充電的過程應(yīng)用電解池原理,二）具體分類判斷1.第一類原電池：兩個活潑

9、性不同的電極(金屬與金屬、金屬與石墨碳棒、金屬與難溶金屬氧化物)；電解質(zhì)溶液，至少要能與一個電極發(fā)生有電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)，一般是置換反應(yīng)；兩電極插入電解質(zhì)溶液中且用導(dǎo)線連接。方法：先找出兩極相對活潑性，相對活潑的金屬作負(fù)極，負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，形成陽離子進入溶液；較不活潑的金屬作正極，溶液中原有的陽離子按氧化性強弱順序在正極上得到電子還原反應(yīng)，析出金屬或氫氣，正極材料不參與反應(yīng)。如：MgAlHCl溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Mg。 但MgAlNaOH溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Al（Mg與NaOH溶液不反應(yīng)，Al是兩性金屬，可以與NaOH溶液反應(yīng)）。再分析進入溶液的微粒能否在電解質(zhì)環(huán)境中

10、存在 （得失電子不能同時在同極上發(fā)生），不能存在時應(yīng)考慮其與電解質(zhì)之間的后續(xù)反應(yīng),如：Mg、Al在堿性環(huán)境中構(gòu)成的原電池解析：在堿性環(huán)境中Al 比 Mg活潑，其反實質(zhì)為Al與堿溶液的反應(yīng)：2Al+2OH-+6H2O=2AlO2-+3H2+4H2O負(fù)極：2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O正極：6H2O + 6e- =3 H2 + 6OH-注意：Al-3e-=Al3+，此時Al3+在堿性環(huán)境不能穩(wěn)定存在，會與OH-（過量）結(jié)合轉(zhuǎn)化為AlO2-2.第二類原電池： 兩個活動性不同的電極； 任何電解質(zhì)溶液( 酸、堿、鹽皆可)； 形成回路。 這類原電池的特點是電極與電解質(zhì)溶液

11、不發(fā)生置換反應(yīng)，電解質(zhì)溶液只起導(dǎo)電作用。正極一般是吸氧腐蝕的電極反應(yīng)式：O22H2O4e- 4OH。微電池(即若干微小的原電池)為不正規(guī)的原電池。合金或不純的金屬在潮濕空氣中就能形成微電池。電化學(xué)腐蝕即微電池腐蝕，依然是原電池原理。一般原電池和微電池的區(qū)別在于前者中兩個電極不直接接觸，故前者電流是在導(dǎo)線中流動，而后者電流是在金屬體內(nèi)部流過。微電池腐蝕分為析氫腐蝕(發(fā)生在酸性較強的溶液里，正極上H+被還原)和吸氧腐蝕 (發(fā)生在中性、堿性或極弱酸性溶液里，正極上是氧氣被還原：O22H2O4e- 4OH,3.燃料電池：燃料電池的電極反應(yīng)（主要是負(fù)極的電極方程式）是一個難點。我們知道，一般的燃料電池大

12、多是可燃性物質(zhì)（主要是可燃性氣體）與氧氣及電解質(zhì)溶液共同組成的原電池，雖然可燃性物質(zhì)與氧氣在不同的電極反應(yīng)，但其總反應(yīng)方程式是可燃物在氧氣中燃燒。由于涉及電解質(zhì)溶液，所以燃燒產(chǎn)物可能還要與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，再寫出燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的方程式，從而得到總反應(yīng)方程式。由于在反應(yīng)中氧氣由0價變?yōu)?價，所以肯定是O2得電子，即O2作氧化劑是正極，即可寫出正極的電極反應(yīng)式：O2+4e+2H2O=4OH_ (該反應(yīng)式為常見的絕大多數(shù)燃料電池的正極反應(yīng)式)。若此時電解質(zhì)溶液為酸性，則反應(yīng)過程可以理解為：正極上首先發(fā)生： O2+4e-=2O2- 由于在酸性環(huán)境中大量存在H+ 故O2-會與H+結(jié)合成H20，故

13、正極反應(yīng)式應(yīng)為：O2+4 e-4H+2H2O 若電解質(zhì)為中性或堿性時，則正極反應(yīng)式就只是。此時負(fù)極反應(yīng)式就可由總電極方程式減去正極的電極方程式得到（注意要將方程式中的氧氣抵消掉,1）直接法書寫電極反應(yīng)式：（以氫氧燃料電池為例）解析：H2、O2燃料電池中反應(yīng)實質(zhì)為：2H2+O2=2HO電極上H2-2e-=2H+ O2+4e-=2O2+在不同環(huán)境中H+、O2-會與電解質(zhì)發(fā)生不同的反應(yīng)，故電極反應(yīng)也相應(yīng)不同：、酸性環(huán)境中：H+能穩(wěn)定存在，O2-會與H+結(jié)合成H20，負(fù)極：2H2-4e-=4H+ 正極：O2+4H+4e-=2H2O、堿性環(huán)境中：H+不能穩(wěn)定存在會與OH-結(jié)合成水，而O2-也不能穩(wěn)定存在

14、會與水結(jié)合形成OH-負(fù)極：2H2-4e-+4OH-=4H20 正極：O2+2H2O+4e-=4OH-、中性環(huán)境中：H+能穩(wěn)定存在：02-會與H20結(jié)合成OH-：負(fù)極：2H2-4e-=4H+ 正極：O2+2H20+4e-=4OH,在能傳導(dǎo)O2-的固體電解質(zhì)中：由于O2-能存在，而H+會與固體電解質(zhì)中O2-結(jié)合形成水負(fù)極：2H2-4e-+2O2-=2H2O 正極：O2+4e-=2O2-（2）加減法書寫電極方程式：由甲醇和氧氣以及強堿作電解質(zhì)溶液的新型手機電池。解析：CH3OH+O2CO2+H2O但：CO2在堿性環(huán)境中不存在，會與OH-反應(yīng)生成CO32-CO2+2OH_ =CO32-+H2O故將、式

15、進行疊加即為總反應(yīng)：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O,由于正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH_ 由于電解質(zhì)溶液為堿性，所以正極的產(chǎn)物不再進一步反應(yīng)，則負(fù)極的反應(yīng)式為總反應(yīng)方程式減去正極的反應(yīng)式得到：2CH3OH+3O24OH_ -3O2-6H2O -12e-=2CO32-+6H2O-12OH_調(diào)整之后得（負(fù)極）：CH3OH8OH_ 6e-CO32-6H2O二、電解池電極反應(yīng)式的書寫（一）原則：陽極：失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)（一般是溶液中陰離子在陽極上失電子，也可能是陽極材料本身失去電子）陰極：得電子，發(fā)生還原反應(yīng)（一般是溶液中陽離子在陰極上得電子,二）具體分類判斷1

16、.陽極為惰性電極（CPt）這類電解池的電極反應(yīng)式的書寫只需考慮電解質(zhì)溶液中的所有陰陽離子的放電，電極本身不參與放電。中學(xué)階段陰離子主要掌握I、Br、Cl、OH的放電，陽離子主要掌握Ag+,Cu2+,H+的放電。2.陽極為活性電極（如Fe、Cu、Ag等）這類電解池的陽極反應(yīng)為活性電極本身失去電子生成相應(yīng)的陽離子，陰極反應(yīng)為電解質(zhì)溶液中的陽離子得到電子生成相應(yīng)的單質(zhì),特例,鎂鋁原電池硫酸作電解質(zhì)的電極反應(yīng)式是什么？還有氫氧化鈉作電解質(zhì)又怎么寫？ 硫酸做電解質(zhì)：負(fù)極：Mg-2e-=Mg2+正極：2H+2e- =H2總反應(yīng)：Mg+ 2H+ =Mg2+ + H2 NaOH做電解質(zhì)：負(fù)極：2Al-6e-+

17、8OH- = 2AlO2-+4H2O正極：6H2O+6e-=3H2 + 6OH- 總反應(yīng)： 2Al+2OH- +2H2O = 2AlO2- + 3H2,Zn-Al原電池，誰做負(fù)極,小結(jié),化 學(xué) 能 與 電 能,間接,直接,裝置,原電池,概 念,構(gòu)成條件,工作原理,8.原電池電極名稱的確定方法,1）、根據(jù)電極材料的性質(zhì)確定,通常是活潑金屬是負(fù)極，不活潑金屬、碳棒、化合物是正極,2）、根據(jù)電極反應(yīng)的本身確定,失電子的反應(yīng)氧化反應(yīng)負(fù)極 得電子的反應(yīng)還原反應(yīng)正極,練習(xí)：銀鋅電池是廣泛用作各種電子儀器的電源，它的反應(yīng)可表示為：Ag2O+Zn+H2O 2Ag+2Zn(OH)2請判斷此電池中，負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)

18、的物質(zhì)是（ ） A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn,D,3）、根據(jù)電子或電流流動方向（外電路,e,e,4）、根據(jù)離子的定向移動（內(nèi)電路,陽離子向正極移動,陰離子向負(fù)極移動,5）、根據(jù)離子方程式判斷,負(fù)極,在正極,6）、負(fù)極往往會溶解，正極往往會產(chǎn)生氣泡或者增重,9. 原電池原理的應(yīng)用,制作化學(xué)電源：各種電池 加快反應(yīng)速率： 例如:實驗室制H2時，由于鋅太純，反應(yīng)一般較慢，可加入少量CuSO4以加快反應(yīng)速率。 判斷金屬活動性的強弱 揭示鋼鐵腐蝕的原因及防止鋼鐵的腐蝕。 因為鋼鐵中含有碳，可與Fe組成原電池，發(fā)生原電池反應(yīng)而使鋼鐵遭到腐蝕,鋼鐵的電化學(xué)腐蝕方程式：吸氧，析氫,析氫

19、腐蝕:條件:水膜酸性較強負(fù)極:Fe-2e -=Fe2+正極:2H+ +2e -=H2析氧腐蝕:條件:水膜酸性較弱或呈中性負(fù)極:Fe-2e- =Fe2+正極:2H2O+O2+4e-=4OH- Fe2+2OH-=Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O,10.原電池設(shè)計思路,釋放能量的氧化還原反應(yīng)（放熱反應(yīng),通常須兩活性不同的電極,電解質(zhì)溶液,還原劑在負(fù)極失電子，發(fā)生氧化反 應(yīng)；氧 化劑在正極得電子,發(fā)生還原反應(yīng),化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化,例：請根據(jù)反應(yīng): 2Fe3+ + Fe = 3 Fe 2+ 設(shè)計原電池，你有哪些可行方案,Fe-

20、Cu FeCl3,Fe-C Fe(NO3)3,Fe-Ag Fe2(SO4)3,根據(jù)反應(yīng)設(shè)計原電池，你有哪些可行方案? （ 2Fe3+ + Fe = 3 Fe 2+,Fe,Cu C Ag,FeCl3 Fe(NO3)3 Fe2(SO4)3,鋅片插入稀硫酸中，被腐蝕。（化學(xué)腐蝕,鋅片在鋅,銅（稀硫酸）原電池中作為負(fù)極，也被腐蝕。（電化學(xué)腐蝕,哪個更快,原電池的負(fù)極被腐蝕得更快,分析鋅,鐵（稀硫酸）原電池中的電極反應(yīng),你感受到作為正極，鐵被保護了嗎,原電池的金屬正極被保護,1.下列裝置中能組成原電池形成電流的是(,習(xí)題一,C,原電池的判斷,2.某金屬能跟稀鹽酸作用放出氫氣，該金屬與鋅組成原電池時，鋅為

21、負(fù)極，此金屬是( ) A.Mg B.Fe C.Al D.Cu,原電池的工作原理,B,3.由銅鋅和稀硫酸組成的原電池工作時，電解質(zhì)溶液的 PH( ) A.不 B先變大后變小 C逐漸變大 D.逐漸變小,C,習(xí)題二,習(xí)題三,5.一個電池反應(yīng)的離子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu, 該反應(yīng)的的原電池正確組合是(,C,原電池構(gòu)成條件,習(xí)題四,4.把a、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導(dǎo)線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時，a為負(fù)極；c、d相連時，電流由d到c；a、c相連時，c極上產(chǎn)生大量氣泡，b、d相連時，b上有大量氣泡產(chǎn)生，則四種金屬的活動性順序由強到弱的為( ) Aa b c d Ba

22、 c d b Cc a b d Db d c a,B,利用原電池電極判斷金屬性強弱,可是令她百思不解的是自從車禍后,她常常感到頭暈、頭痛、夜間失眠、心情煩躁醫(yī)生絞盡了腦汁，格林太太的病情仍未見好轉(zhuǎn) 一位年輕的化學(xué)家來看望格林太太時，為格林太太揭開了病因,請你當(dāng)醫(yī)生,病 例 分 析,你能為她開一個藥方嗎,三、發(fā)展中的化學(xué)電源,鋰電池,鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負(fù)極，跟用相同質(zhì)量的其他金屬作負(fù)極相比較，使用壽命大大延長,干電池,堿性電池,1、干電池結(jié)構(gòu)及電極反應(yīng)原理,1）干電池結(jié)構(gòu)及電極反應(yīng)原理,負(fù)極：Zn 2e- = Zn2,正極：2NH4+ + 2e- = 2NH3+H2,Zn + 2

23、NH4+ = Zn2+2NH3+H2,電池總反應(yīng)式,特點,a：一次性電池，不可逆 b：用KOH代替NH4Cl能提高 性能，延長壽命,汽車用蓄電池,鋰離子電池,鋰離子電池：它是新一代可充電的綠色電池，現(xiàn)已成為筆記本電腦、移動電話、攝像機等低功耗電器的主流,2.充電電池,2）充電電池(又稱二次電池,Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O (-) (,負(fù)極: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4,Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- = 2PbSO4 + 2H2O,正極:PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O,鉛蓄電池,特點,電池總反應(yīng)式,二次電池,可再次充電使用,鎳鉻電池,特點：比鉛蓄電池耐用，可密封反復(fù)使用,NiO2（S）+Cd（S）+2H2O（L） =Ni（OH）2（S）+Cd（OH）2（S,Ag2O（S）+Cd（S）+H2O