化學(xué)反應(yīng)與電能-高一化學(xué)下學(xué)期期中期末知識串講（人教版2019必修第二冊）

專題06化學(xué)反應(yīng)與電能

【知識串講】

一、火力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系

燃燒我也蒸汽、,π…發(fā)電機(jī)、,4匕

化學(xué)能熱能一>機(jī)械能一―7電能

火力發(fā)電的缺點(diǎn)：①化石燃料屬于不可再生資源，用化石燃料發(fā)電會造成資源的浪費(fèi)。

②火力發(fā)電的過程中，能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化，利用率低，能量損失大。

③化石燃料燃燒會產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)(如So2、CO、No2、粉塵等)，污染環(huán)境。

二、原電池的工作原理

I.原電池的構(gòu)成條件一兩極一液一線一反應(yīng)”

(1)兩極——兩種活潑性不同的金屬(或一種為能導(dǎo)電的非金屬)。

(2)一液——電解質(zhì)溶液。

(3)一線—形成閉合回路。

(4)一反應(yīng)——能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。

2.原電池工作原理：

(1)裝置示意圖：

(2)工作原理(以銅、鋅、稀硫酸原電池為例)

I______電子從負(fù)板選出，邊人正極

2+

Zn-2e-=Zn+

2H+2e-=H2↑

Zn負(fù)極正極I

外電路電子的定向移動

靜電作用

內(nèi)電路離子的定向移動

知識要點(diǎn)實(shí)例

電極負(fù)極：還原性相對較強(qiáng)的金屬鋅板——負(fù)極一

構(gòu)成正極：還原性相對較弱的金屬或?qū)щ姺墙饘巽~板——正極

電極負(fù)極：失去電子，氧化反應(yīng)負(fù)極：Zn-2e-=Zn2'

反應(yīng)正極：得到電子，還原反應(yīng)正極：2H+÷2e=H2

外電路：電子由負(fù)極流向正極，電流方向相

電子流外電路：電子由鋅板經(jīng)導(dǎo)線流向銅板

反；

向、電內(nèi)電路：SOr移向鋅板(負(fù)極)；ZM+移向銅

內(nèi)電路：陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極，

流方向板(正極)

電流由負(fù)極流向正極

電極反應(yīng)式與負(fù)極：Zn-2e=Zn2

總反應(yīng)式的關(guān)兩個電極反應(yīng)式相加，即得總反應(yīng)式正極：2H++2e~

系總反應(yīng)式：Zn÷2H+=Zn2τ÷Ho

3.原電池正負(fù)極的判斷方法：

較不活潑金

YT活潑金屬電極材料

II屬或非金屬

判判

鈍化反應(yīng)電極反閡還原反應(yīng)

斷I斷

為?T?.lll電子流向I電了流入為

負(fù)正

不斷溶解電極增重或

極電極現(xiàn)象極

質(zhì)吊:減小I質(zhì)吊:不變

〈陰離子移向離子移向

【點(diǎn)撥】

(1)構(gòu)成原電池的兩電極材料不一定都是金屬，正極材料可以為導(dǎo)電的非金屬，例如石墨。兩極材料可能參

與反應(yīng)，也可能不參與反應(yīng)。

(2)兩個活潑性不同的金屬電極用導(dǎo)線連接，共同插入電解質(zhì)溶液中不一定構(gòu)成原電池，必須有一個能自發(fā)

進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。

(3)在判斷原電池正負(fù)極時，既要考慮金屬活潑性的強(qiáng)弱也要考慮電解質(zhì)溶液性質(zhì)。如Mg-Al-HCl溶液構(gòu)

成的原電池中，負(fù)極為Mg；但是Mg-Al—NaoH溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Al,正極為Mg。

三、原電池原理的應(yīng)用

I.加快化學(xué)反應(yīng)速率

一個自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，設(shè)計成原電池可以加快反應(yīng)速率。

——原電池中，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行，使溶液中離子運(yùn)動時

原理一

相互的干擾減小，使反應(yīng)速率增大。

實(shí)驗(yàn)室用Zn和稀硫酸反應(yīng)制取氫氣時，可滴入幾滴硫酸銅溶液，形成

二j^2j原電池，加快反應(yīng)速率。

2.比較金屬活潑性強(qiáng)弱：

兩種金屬分別作原電池的兩極時，一般作負(fù)極的金屬比作正極的金屬活潑。

一般原電池中，活潑金屬作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，不活潑金屬作正極，

原理

.發(fā)生還原反應(yīng)。

有兩種金屬A和B,用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到A極溶解，

實(shí)例

B極上有氣泡產(chǎn)生。由原電池原理可知，金屬活動性A>B。

3.用于金屬保護(hù)

將被保護(hù)的金屬與比其活潑的金屬連接。

原理作原電池的正極的金屬材料不參與反應(yīng)

安的］要保護(hù)一個鐵制的輸水管道,可用導(dǎo)線將其與一塊鋅塊相連，使鋅作原電池的負(fù)極。

4.設(shè)計原電池

(1)依據(jù)：已知一個氧化還原反應(yīng)，首先分析找出氧化劑、還原劑，一般還原劑為負(fù)極材料(或在負(fù)極上被氧

化)，氧化劑為電解質(zhì)溶液中的陽離子(或在正極上被還原)。

(2)步驟：以Fe+CuSO4-FeSO4+Cu為例。

步驟實(shí)例

將反應(yīng)拆分負(fù)極反應(yīng)Fe-2e^Fe2+

為電極反應(yīng)正極反應(yīng)Cu2+÷2e=Cu

負(fù)極：較活潑金屬，一般為發(fā)生氧化反應(yīng)的

選擇電極Fe

金屬

材料

正極：活潑性弱于負(fù)極材料的金屬或石墨CU或C

選擇電解質(zhì)一般為與負(fù)極反應(yīng)的電解質(zhì)CUSO4溶液

?Fe

CuT

畫出裝置圖—

CuSO4

/溶液

四、化學(xué)電源

化一次電池

學(xué)

電二次電池

源

燃料電池

1.一次電池——鋅銃干電池

I

b—-石墨棒

—-MnO湖

構(gòu)造示意圖-NH￡1糊

?*-鋅編

5

負(fù)極鋅筒鋅被氧化，逐漸消耗

工作

電解質(zhì)氯化錢糊

原理

正極石墨棒二氧化缽被還原

放電后不能充電

特點(diǎn)

便于攜帶，價格低

2.二次電池（充電電池）

（1）常見類型：鉛酸蓄電池、銀氫電池、鋰離子電池等；

（2）特點(diǎn)

放電：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；

充電：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

放電時發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，在充電時逆向進(jìn)行，使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。

3.燃料電池

一種將燃料（如氫氣、甲烷、乙醇）和氧化劑（如氧氣）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置

特點(diǎn)：清潔、安全、高效；能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到80%以上；反應(yīng)物不是儲存在電池內(nèi)部，而是從外部提供，

供電量易于調(diào)節(jié)。

燃料電池與一般的電池不同的是，反應(yīng)物不是儲存在電池內(nèi)部，而是由外部提供，電池裝置起著類似

于試管、燒杯等反應(yīng)容器的作用。

工作原理：利用原電池的工作原理將燃料（如H2）和氧化劑（如02）分別在兩個電極上反應(yīng)所放出的化學(xué)能直

接轉(zhuǎn)化為電能。（實(shí)驗(yàn)裝置如下）

①氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分成酸性、堿性和中性三種。

酸性堿性中性

+2H+4OH-4e=4H^δ^^+

負(fù)極反應(yīng)式2H2-4e=4H22H2-4e=4H

+---

正極反應(yīng)式O2+4H+4e^=2H2OO2+2H2O+4e=40HO2+2H2O+4e=40H

電池總反應(yīng)式2H2+O2=2H2O

②中烷氧燃料電池

該電池用金屬銷片插入KOH溶液中作電極，又在兩極上分別通中烷和氧氣。電極反應(yīng)式為：

2-

負(fù)極：CH4+1OOH^=CO3"+7H2O+8e

正極：2θ2+4H2O+8e-=8OtΓ

電池總反應(yīng)式：CH」+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O

【注意】燃料電池的特點(diǎn)

(1)燃料燃燒是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，可以利用原電池的工作原理將燃料和氧化劑(如02)反應(yīng)所放出

的熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

(2)燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置。

(3)燃料電池如果以氫氣為燃料時，產(chǎn)物為水;以甲烷為燃料時，產(chǎn)物為水和二氧化碳。

(4)燃料電池與干電池和蓄電池的主要差別在于反應(yīng)物不是儲存在電池內(nèi)部，而是用外加的設(shè)備，源源不

斷地提供燃料和氧化劑，使反應(yīng)能連續(xù)進(jìn)行。

五、原電池電極反應(yīng)式的書寫

1.一般原電池電極反應(yīng)式的書寫

(1)首先確定電極名稱。

(2)負(fù)極上電極材料本身發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上溶液中的微粒發(fā)生還原反應(yīng)。

(3)根據(jù)電解質(zhì)溶液確定電極反應(yīng)后元素的存在形式。

(4)弱電解質(zhì)、氣體和難溶物均寫成化學(xué)式，其余的以離子符號表示。注意：電解質(zhì)溶液的成分對電極產(chǎn)物

的影響；燃料電池的電極材料本身不參與電極反應(yīng)。

(5)根據(jù)電子守恒，使正、負(fù)極上得失電子總數(shù)相等。

2.特定燃料電池電極反應(yīng)式的書寫

第一步：寫出電池總反應(yīng)式。

燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。

如甲烷燃料電池(電解質(zhì)：NaOH溶液)的反應(yīng)式為

CH4+2O2=CO2+2H2O①

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O②

①式+②式得燃料電池總反應(yīng)式為CH4+2θ2+2NaOH=Na2CO3+3H2CL

第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式。

根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是。2,電解質(zhì)溶液不同，其電極反應(yīng)有所

不同，其實(shí)，我們只要熟記以下四種情況：

常見介質(zhì)注意事項(xiàng)

中性溶液反應(yīng)物若是H+得電子或OH-失電子，則H-或OH-均來自于水的電離

酸性溶液反應(yīng)物或生成物中均沒有OH-

堿性溶液反應(yīng)物或生成物中均沒有PT

水溶液不能出現(xiàn)02—

(1)酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：

+

02+4H+4e^=2H200

(2)堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：O2+2H2O+4L=4OH,

(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O?)環(huán)境下電極反應(yīng)式：Q2+4e=202。

(4)熔融碳酸鹽(