化学能转化为电能电池

关于化学能转化为电能电池第1页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三第2页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三1780年11月的一天，意大利生物学家伽伐尼教授正在厨房里做菜，今天他准备做的菜是烩蛙腿——这是一道传统的波洛尼亚名菜。伽伐尼教授是位解剖专家，当用铜钩将剥光了皮的青蛙勾住挂在铁制架子上时，他发现蛙腿抽搐了几下，这使他大为惊奇，难道青蛙又复活了？1791年伽伐尼发表了一篇关于蛙腿抽搐的论文，错误地指出：使蛙腿抽搐的电流来自青蛙本身，并称之为“动物电”。第3页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三著名科学家伏特教授通过多次的反复对比实验发现，在铜制解剖盘里做实验，蛙腿出现抽搐现象，在木板上实验时蛙腿不再出现抽搐现象了，终于找到了一个重要的事实：只有用活泼性不同的两种金属同时接触蛙腿时才会产生抽搐现象，由此伏特得出一个重要的结论，并据此设计出了世界上第一个将化学能转化为电能的装置——伏打电池(伏打曾叫它伽伐尼电池)。问题：伏特得出的一个重要的结论是什么？提示：蛙腿的抽搐是两种不同的金属与蛙腿组织液(电解质溶液)之间相互作用产生的电流刺激造成的。第4页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三第5页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三一、原电池的工作原理1．原电池是将________能转化为________能的装置。2．原电池的工作原理(以铜锌原电池为例进行研究)：Zn为________极，Cu为________极；负极上发生________反应，电极反应式为_________________，正极上发生________反应，电极反应式为________________；电子流出的极是________极，电子流入的极是________极；电流方向________________。电解质溶液中离子定向移动方向：阳离子→________，阴离子→________。该原电池工作一段时间后，两电极的质量将会____________________________。化学电负正氧化ZnZn2＋＋2e－还原Cu2＋＋2e－Cu负正从正极流向负极正极负极负极质量减小，正极质量增加第6页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三3．组成原电池的条件(1)________不同的两块电极材料(金属和金属或金属和非金属)；(2)电极均与_____________接触；(3)两极用导线相连或组成闭合电路；(4)能自发地发生_____________反应。所以在铜锌原电池中，铜片的作用：一是形成电势差，二是导电。不仅铜，任何比锌活泼性差的金属，都能起到铜的两个作用，在电解质溶液中也都能与锌形成原电池，还可以用导电的碳棒(石墨)来替代铜片，作为原电池的正极。活动性电解质溶液氧化还原第7页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三二、化学电源1．根据原电池的反应原理，人们设计和生产了多种化学电源，包括________、可充电电池和燃料电池等。可充电电池也称为________。可充电电池放电时是一个________，充电时是一个________。锂电池是一种________电池。2．目前常见的一次锌锰干电池分为________和________两种。碱性锌锰池比普通锌锰干电池性能优越，它单位质量所输出的电能多，能提供较大电流并________。碱性锌锰电池的负极是________，正极是________，电解质是________。其电极反应为：负极：____________________________，正极：__________________________________，总反应式为：_________________________________。一次电池二次原电池电解池高能酸性碱性连续放电ZnMnO2KOHZn＋2OH－ZnO＋H2O＋2e－MnO2＋2H2O＋2e－Mn(OH)2＋2OH－Zn＋MnO2＋H2OMn(OH)2＋ZnO第8页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三3．铅蓄电池是常见的________。它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有________，负极板上覆盖有________，电解质是________。放电时电极反应：负极：______________________，正极：________________________________________，放电时总反应式：________________________________。铅蓄电池充电时电极反应：阴极：_______________________________，阳极：_____________________________________________，充电时总反应式：____________________________。可见充电过程和放电过程是可逆的，可用一个反应式表示为__________________________________。随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，人们常常根据__________________的大小来判断铅蓄电池是否需要充电。二次电池PbO2PbH2SO4Pb＋SO→PbSO4＋2e－PbO2＋4H＋＋SO＋2e－PbSO4＋2H2OPb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2OPbSO4＋2e－→Pb＋SO(还原反应)PbSO4＋2H2OPbO2＋4H＋＋SO＋2e－(氧化反应)硫酸溶液的密度Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O第9页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三4．氢氧燃料电池正极通入________，负极通入________。其电极反应为负极：____________，正极：____________，总反应：____________。燃料电池的能量转换效率远高于普通燃料的燃烧的能量转换效率。氧气氢气2H2＋4OH－4H2O＋4e－O2＋2H2O＋4e－4OH－2H2＋O22H2O第10页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三三、金属的腐蚀1．金属腐蚀是指金属表面跟周围接触到的气体或液体发生化学反应或因________反应而遭到破坏。金属的腐蚀可分为________与________两种。化学腐蚀是指金属与其他物质直接触发生________而引起的腐蚀。在现实生活中主要的金属腐蚀是________。电化学(或原电池)化学腐蚀电化学腐蚀氧化还原反应电化学腐蚀第11页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三2．电化学腐蚀是指不纯的金属或合金发生________，使较活泼的金属________而引起的腐蚀。钢铁在潮湿的空气中生锈就是最典型的电化学腐蚀。3．钢铁表面的电解质溶液不同，发生的电化学腐蚀也不同，分为________和________。(1)钢铁的析氢腐蚀：当钢铁表面的电解质溶液酸性较强时，将发生析氢腐蚀。发生的电极反应为：负极：______________；正极：______________。2．原电池反应失去电子被氧化3．析氢腐蚀吸氧腐蚀(1)FeFe2＋＋2e－2H＋＋2e－H2↑第12页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(2)钢铁的吸氧腐蚀：当钢铁表面的电解质溶液________或呈________并溶有________时，将会发生吸氧腐蚀。负极反应为：________；正极反应为：________。总反应的方程式为：______________。生成的Fe(OH)2在空气中发生变化的化学方程式是：________________________________________________________________________。酸性很弱中性一定量的氧气FeFe2＋＋2e－O2＋2H2O＋4e－4OH－2Fe＋O2＋2H2O2Fe(OH)2↓4Fe(OH)2＋2H2O＋O24Fe(OH)3第13页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三四、金属的防护1．防止金属锈蚀最常用的方法是________，通过种种措施使金属与外界隔开，以达到防止金属锈蚀的目的。常见方式有：涂油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等；也可以在表面镀上一层耐腐蚀的金属(锌、锡、铬、镍)或合金，但是当金属镀层部分损坏时，镀层金属与被保护金属会形成________，如：表层镀锌的镀锌铁破损后，________为正极，不腐蚀；________为负极，被腐蚀，可以不断补充锌，保护铁，延长钢铁的使用期。而表层镀锡的镀锡铁表层磨损后，________为正极，________为负极，却加快了钢铁的腐蚀。在金属的表面覆盖保护层原电池铁锌锡铁第14页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三2．电化学防腐蚀(1)牺牲阳极保护法这种方法通常是在被保护的钢铁设备(如锅炉内壁、船体外壳等)上装上若干________，作原电池的________，不断遭受腐蚀，定期拆换，而作为________的钢铁被保护了下来。(2)阴极电保护法这种方法是将被保护的钢铁设备(如钢闸门)与外加直流电源的________极相连作为________极，而将直流电源的正极接到一些废铁上，使废铁成为________极。(1)锌块负极正极(2)负阴阳第15页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三注意：防腐效果由好到差的顺序为：外加电源的阴极电保护法防腐＞牺牲阳极保护法防腐＞有一般防护条件的防腐＞无防护条件的防腐。第16页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三第17页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三原电池及原电池工作原理1．原电池(1)概念：把化学能转化为电能的装置。(2)实质：利用自发进行的氧化还原反应把化学能转化为电能。(3)电池反应：原电池的两个电极反应组成电池的总反应，这个总反应叫做电池反应。(4)构成原电池的条件①两种活动性不同的金属(或一种是非金属导体)作电极。②电极材料均插入电解质溶液中。③两极相连形成闭合回路。第18页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三注意：(1)原电池反应是建立在自发的氧化还原反应基础上的。(2)原电池中失电子的一极为负极，得电子的一极为正极。一般说来，负极的金属性比正极的金属性强。(3)原电池中，电极可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。如下图：第19页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(4)形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极接触。如下图：第20页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三2．原电池工作原理的实验探究(1)实验设计如下，按照下列两图所示装置进行实验：铜锌原电池装置示意图(Ⅰ)第21页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三请观察图Ⅰ、图Ⅱ两个金属片插入溶液后电流计指针位置的变化，金属电极表面的变化，分析是否有电流产生，测定溶液温度的变化。第22页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三下列各组电极材料和电解液，不能组成原电池的是()A．铜片、石墨棒、稀硫酸B．铜片、石墨棒、硝酸银溶液C．锌片、铜片、稀盐酸D．铜片、银片、FeCl3溶液解析：自发的氧化还原反应是形成原电池的关键，铜片、石墨棒、稀硫酸三者没有氧化还原反应发生。选项B、C、D对应的氧化还原反应分别是：Cu＋2AgNO3Cu(NO3)2＋2Ag，Zn＋2HClZnCl2＋H2↑，Cu＋2FeCl3CuCl2＋2FeCl2，这些反应都是能够自发进行的。答案：A第23页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三在盛有稀H2SO4的烧杯中放入导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是()A．正极附近的SO离子浓度逐渐增大B．电子通过导线由铜片流向锌片C．正极有O2逸出D．铜片上有H2逸出解析：本题符合铜锌原电池的形成条件，原电池工作时，电子由负极(锌)经外电路(导线)流向正极(铜)。负极锌片：ZnZn2＋＋2e－；正极铜片：2H＋＋2e－H2↑，总反应为：Zn＋2H＋Zn2＋＋H2↑，原电池中没有产生O2。没有参与反应的SO，离子浓度不会逐渐增大。答案：D第24页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三判断原电池的正负极及电极反应式的书写1．判断原电池的正负极(1)由组成原电池的两极电极材料判断。一般是活动性较强的金属为负极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极(注：一定要注意实际情况，如：Mg—Al—NaOH，Al才是负极；Al—Cu—浓硝酸，Cu才是负极)。第25页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(2)根据电流方向或电子流动方向判断。电流是由正极流向负极；电子流动方向是由负极流向正极。(3)根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。在原电池的电解质溶液内，阳离子移向的极是正极，阴离子移向的极是负极。(4)根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的负极总是失电子发生氧化反应(负失氧)，其正极总是得电子发生还原反应(正得还)。第26页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(5)根据原电池的两极发生的现象判断。溶解或质量减轻的电极为负极，电极增重(有金属析出)或有气泡放出的一极为正极(此规则具有相当的局限性，可用于一些非常规的原电池的电极判定，如Al—Cu—稀硫酸，但不适用于目前许多的新型燃料电池的电极的判定)。第27页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三学习中常犯的错误是原电池正负极的判断，不一定是较活泼的金属一定作负极，而要看是否发生氧化反应。如：铁、铜和浓硝酸组成的原电池，虽然铁的活泼性比较强，但不能与浓硝酸反应，而铜可以，因此铜作负极，铁作正极。第28页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三2．电极反应式的书写(1)如果题目给定的是图示装置，先分析正、负极，再根据正、负极反应规律去写电极反应式。(2)如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)，建议选择一个简单变化情况去写电极反应式。另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式即可(加、减法)。加减法书写电极反应式归纳：第29页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三电池总反应：还原剂＋氧化剂＋介质氧化产物＋还原产物＋其他负极：还原剂＋介质氧化产物＋ne－(还原剂失去电子，发生氧化反应)正极：氧化剂＋ne－＋介质还原产物(氧化剂得到电子，发生还原反应)介质通常是定向移动到该电极附近的导电离子如H＋、OH－、H2O等等，若氧化(或还原)产物能与之发生复分解反应，则其一般书写在电极方程式中。第30页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三两个电极反应式相加即得电池总反应离子方程式，用电池总反应离子方程式减去较简单电极的反应式即为较复杂电极的反应式。原电池反应式一般都可以用加、减法书写。书写时，无论是总反应式还是电极反应式都既要满足电子转移守恒、电荷守恒、又要满足质量守恒。第31页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三我国首创以铝—空气—海水电池作为能源的新型海水标志灯，它以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。则该电源负极材料为________，正极材料为________，正、负极反应式分别为________________________________________________________________________。第32页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三解析：Al、O2(空气)之间的氧化还原反应为：2Al2O3将该反应与原电池的原理、Al的导电性等知识进行综合分析可知，铝既是负极反应物，又是负极材料，O2是正极反应物，正极材料应该选择还原性比Al弱的导电性强的材料，如石墨等。Al、O2的氧化反应、还原反应分别为：答案：铝石墨负极反应：4Al－12e－4Al3＋；正极反应：3O2＋6H2O＋12e－12OH－第33页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三化学电源第34页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三2．一次电池与二次电池的不同点(1)一次电池的活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度就不能使用了，如普通的锌锰干电池、碱性锌锰干电池。(2)二次电池又称充电电池或蓄电池。放电后可以再充电使活性物质获得再生。这类电池可以多次重复使用，如铅蓄电池等。(3)可充电电池放电时是一个原电池，将化学能转化为电能；充电时是一个电解池，将电能转化为化学能。第35页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三放电时二氧化铅电极上发生还原反应，铅电极发生氧化反应。充电时二氧化铅电极上发生氧化反应，铅电极上发生还原反应。3．常见的化学电池(1)锌锰干电池(2)铅蓄电池铅蓄电池的电极反应负极：Pb＋SOPbSO4＋2e－正极：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－PbSO4＋2H2O电极总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O第36页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(3)氢氧燃料电池①写电极反应时要考虑介质是否参与反应，下面分别为碱性、酸性、中性介质时的电极反应。a．电解质溶液为KOH溶液时：电池总反应式：2H2＋O22H2O第37页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三第38页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三②燃料电池的燃料除H2外，还有CH4、CH3OH和乙醇(C2H5OH)等。氢氧燃料电池因为产物只有水，不产生任何污染而备受关注。③书写燃料电池的电极反应式应注意的问题：a．电池的负极一定是可燃性气体，失电子，发生氧化反应，也称阳极。电池的正极一定是助燃性气体，得电子，发生还原反应，也称阴极。第39页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三b．电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。c．电极反应式作为一种特殊的离子反应方程式，也必须遵循原子守恒、电荷守恒规律。d．写电极反应式时，一定要注意电解质是什么，其中的离子要和电极反应式中出现的离子相对应，在碱性电解质中，电极反应式中不能出现H＋，中酸性电解质溶液中，电极反应式中不能出现OH－。第40页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三e．正负极两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下，相加后的电池反应必是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式。第41页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三镍镉(Ni－Cd)可充电电池，在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池的说法正确的是()A．充电时阳极反应：Ni(OH)2＋OH－NiOOH＋H2O＋e－B．充电过程是化学能转化为电能的过程C．放电时负极附近溶液的碱性不变D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动第42页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三解析：充电时作为电解装置，电能转化为化学能，阳极发生氧化反应，电极反应为：Ni(OH)2＋OH－NiOOH＋H2O＋e－，A正确，B错误。放电是一原电池装置，化学能转变为电能，Cd作负极，失去电子发生氧化反应，Cd＋2OH－Cd(OH)2＋2e－，Cd周围的[OH－]下降，OH－向负极移动。所以C、D错误。答案：A第43页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三金属的腐蚀与防护1．金属的腐蚀(1)金属的腐蚀指的是金属及其合金跟周围接触到的气体或液体发生化学反应被氧化而损耗的过程。(2)金属腐蚀的实质都是金属原子失去电子被氧化的过程，其反应方程式(M代表金属元素)为：M－ne－Mn＋第44页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(3)金属腐蚀的分类第45页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(4)化学腐蚀与电化学腐蚀的比较化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与非电解质等直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触现象无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化的过程较活泼金属被氧化的过程相互关系化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍，危害更严重第46页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三2.钢铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较类型析氢腐蚀吸氧腐蚀形成条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或呈中性电解质溶液溶有CO2的水溶液溶有O2的水溶液负极反应Fe－2e－Fe2＋正极反应2H＋＋2e－

H22H2O＋O2＋4e－

4OH－电子如何流动形成电通路Fe失去2e－，成为Fe2＋进入溶液，Fe失去的e－流入C极，H＋趋向于C极，在C极上得到e－生成H2析出溶液Fe失去e－成为Fe2＋进入溶液，Fe失去的e－流入C极，在C极O2获得e－成为OH－进入溶液第47页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三其他反应及产物Fe2＋＋2OH－Fe(OH)22Fe＋O2＋2H2O2Fe(OH)24Fe(OH)2＋O2＋2H2O4Fe(OH)3

2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O普遍性吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍第48页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三3.金属的防护(1)内因：改变内部组成和结构。如与铬、镍形成不锈钢。(2)外因：防止形成原电池。①改变电解质溶液为非电解质：如涂上油漆、矿物性油脂等。②镀上一层纯金属(锌、锡、铬、镍)以改变电极，使不存在活动性不同的两个电极，只有一极不形成原电池。如：表层镀锌的镀锌铁破损后，铁为正极，不腐蚀；锌为负极，被腐蚀，可以不断补充锌，保护铁，延长钢铁的使用期。而表层镀锡的镀锡铁，价格虽比镀锌铁低，但表层磨损后，锡为正极，铁为负极，加快了钢铁的腐蚀。此外，还可将铁钝化使之表面形成一层致密的Fe3O4氧化膜。第49页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三(3)电化学保护法：①接锌块形成原电池，牺牲锌(负极)保护铁(正极)，习惯上叫做牺牲阳极的阴极保护法(如图)。如船壳上打上锌块；②钢铁外接电源负极形成电解池，使之成为阴极而被保护，习惯上叫做外加电流的阴极保护法。如钢闸门接低压直流作负极，石墨接电源正极作阳极，浸入水中(如图)。就防护效果而言：②法优于①法。第50页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三第51页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三4．金属腐蚀的快慢的判断方法(1)电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀。(2)同一金属在不同溶液中的腐蚀速率：强电解质＞弱电解质＞非电解质。(3)原电池原理引起的腐蚀速率：两极金属活动性相差越大，腐蚀越快。(4)同一电解质溶液，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。第52页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三5．常见金属防护的措施(1)改变金属的内部结构。(2)在金属表面覆盖保护层。第53页，讲稿共61页，2023年5月2日，星期三家用炒菜铁锅用水清洗放置后，出现红棕色的锈斑，在此变化过程中不发生的化学反应是()A．4Fe(OH)2＋O2＋2H2O4Fe(OH)3B．2Fe＋2H2O＋O22Fe(OH)2C．O