2018年高一化学人教版必修二第二章第二节《化学能与电能》知识点总结

2018年高一化学人教版必修二第二章第二节《化学能与电能》知识点总结一、能源的分类能源可以按照形成条件、利用历史和性质进行分类。根据形成条件，能源可以分为一次能源和二次能源。一次能源是直接从自然界获取的能源，包括不可再生能源和新能源。二次能源是经过加工和转换得到的能源，包括电能、蒸汽、工业余热、酒精、汽油和焦炭等。另外，根据利用历史，能源可以分为常规能源和新能源。根据性质，能源可以分为可再生能源和不可再生能源，例如水能和化石能源。二、化学能与电能的关系1.化学能间接转化为电能化学能可以通过燃烧转化为热能，然后加热水蒸发为蒸汽，利用蒸汽推动蒸汽轮机，最终带动发电机发电。这就是火力发电的过程。燃烧是化学能转化为电能的关键，因为燃烧会发生氧化还原反应，这个反应会导致电子转移和化学键的重新组合，同时伴随着体系能量的变化。燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转化过程。2.化学能直接转化为电能原电池可以将氧化还原反应所释放的化学能直接转化为电能。原电池的工作原理是将两种金属片分别浸泡在电解质溶液中，从而形成两个半电池。在这两个半电池中，金属片和电解质之间发生氧化还原反应，产生电子流动，最终形成电流。原电池是将化学能直接转变为电能的装置。由于正负电荷相互吸引，电解质溶液中的阳离子会移向Cu片中和Cu片上带负电荷的电子，阴离子则移向Zn片中和Zn片上的正电荷。但在燃烧蒸汽发电机中，由于溶液中的H+得电子能力比Zn2+强，所以H+会移向Cu片获得Cu片上由Zn片失去的电子，被还原为H原子，再结合成H2从Cu片上逸出，因此Cu片上会产生无色气泡。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。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片流入，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如下：①原电池中电流的流向为正极→负极；②原电池中电子的流向为负极→导线→正极。在该过程中，电子是永远不会进入到电解质溶液中的，因为电子只在金属内部运动。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、阳离子的移动方向为阳离子→正极，阴离子→负极。④原电池工作原理的本质是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。原电池的构成条件包括两极、一液、一回路和反应要自发。两极包括正极和负极，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。一液为电解质溶液，包括酸、碱、盐溶液。一回路为构成闭合的电路，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。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。电极反应式是指原电池中的正极和负极所发生的反应。电极反应式的书写方法为：负极反应式写在左边，正极反应式写在右边，中间用“||”隔开。对于复杂电极反应式的书写，需要先将反应式简化为单个电子转移的反应式，然后再将其扩展到完整的反应式。例如，对于CH4碱性燃料电池负极反应式的书写，需要先将其简化为CH4+4OH-→4H2O+4e-，然后再将其扩展为完整的反应式。+2H2O=2Fe(OH)2③防腐方法:①涂漆、镀层等物理方法;②阳极保护、阴极保护等电化学方法;③合金化、材料改性等化学方法.其中,电化学方法是目前最常用的方法之一,通过在金属表面形成保护层,防止金属与外界接触,从而达到防腐的目的.当电解质溶液的酸性较强时，钢铁会发生析氢腐蚀，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↑。制作各种化学电源有许多应用，比如制作干电池、铅蓄电池、新型高能电池等。设计制作原电池需要满足构成原电池的四个条件：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；两个电极必须浸在电解质溶液中；两个电极之间要用导线连接形成闭合回路；有自发进行的氧化还原反应。电池的电极必须导电，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。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)。如果两个半反应分别在两个容器中进行，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。设计原电池需要根据氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应氧化反应(负极)和还原反应(正极)。负极材料一般是活泼性较强的金属，以两极反应为原理，确定电极材料以及电解质溶液。拓展点2中，原电池的正、负极的判断方法有三种：根据组成原电池两电极的材料判断、根据电流方向或电子流动的方向判断、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。4.判断电池正负极的方法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。根据电极质量的变化判断：原电池工作后，X极质量增加，说明溶液中的阳离子在X极（正极）放电，X极活动性弱；反之，X极质量减少，说明X极金属溶解，X极为负极，活动性强。根据电池中的现象判断：若某电极上有气泡冒出，则是因为析出了H2，说明该电极为正极，活动性弱。上述判断方法可简记为：负极氧化，正极还原，重量增加为负极，重量减少为正极。特别提醒：①在判断原电池正、负极时，不能只根据金属活泼性的相对强弱判断，有时还要考虑电解质溶液。比如，Mg、Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属性Mg>Al，但在该条件下却是Al作负极。因此要根据具体情况来判断正、负极。又比如，Fe、Cu在稀H2SO4溶液中，Fe作负极，Cu作正极；而Fe、Cu在浓HNO3溶液中，Fe作正极，Cu作负极。②原电池的负极材料可以参加反应，表现为电极溶解，但有的原电池（比如燃料电池）负极材料不参加反应；原电池的正极材料通常不参加反应。四、发展中的化学电源1.化学电源的分类一次电池是一种活性物质消耗到一定程度就不能再使用的电池，也就是一次电池只能放电不能充电，使用后即丢弃，因此会造成环境污染。常见的一次电池有普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等。二次电池是放电后可以再充电使活性物质获得再生的电池，比如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等蓄电池。燃料电池利用燃料与氧化剂之间发生氧化还原反应，能连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池，比如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池等。(1)一次电池常见的一次电池有锌锰干电池和其他常见的一次电池。锌锰干电池的电极材料为石墨和锌，电解质为NH4Cl和ZnCl2。负极反应式为Zn-2e-=Zn2+，正极反应式为2NH4++2e-+2MnO2=2NH3↑+H2O+Mn2O3。电池反应式为Zn+2NH4Cl+2MnO2=2NH3↑+H2O+Mn2O3+2ZnCl2。锌锰干电池制作简单，价格便宜，存放时间短，放电后电流下降。在判断原电池正、负极时，不能只根据金属活泼性的相对强弱判断，有时还要考虑电解质溶液。判断电池正负极的方法有根据原电池两电极发生的反应类型判断，根据电极质量的变化判断和根据电池中的现象判断。发展中的化学电源包括一次电池、二次电池和燃料电池。其中，锌锰干电池是一种制作简单、价格便宜、存放时间短的一次电池。较快的放电速率、可能的发烧、气胀或漏液等问题是普通锌锰电池的缺点。但是，Zn和MnO2负极的反应可以提高比能量和可储存时间。具体来说，负极反应为Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2，正极反应为2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-，总反应式为Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnOOH。锌银电池的负极为Zn，正极为Ag2O，使用KOH溶液。而锂离子电池的负极为锂，正极则可以是MnO2、CuO、FeS2等物质。这种电池使用四氯化铝锂(LiAlCl4)溶液在亚硫酰氯(SOCl2)中组成，正极反应为3SOCl2+8e-=SO32-+2S+6Cl-，负极反应为8Li-8e-=8Li+，总反应式为3SOCl2+8Li=6LiCl+Li2SO3+2S。与普通锌锰电池相比，锌银电池和锂离子电池具有比能量高、放电电压高、工作温度宽、储存时间长等优点。锌银电池的正极反应为Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-，负极反应为Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2，总反应式为Ag2O+H2O+Zn=Zn(OH)2+2Ag。电极负极区溶液的pH减小是其使用过程中的特点。干电池中含有Zn、Cu、MnO2、NH4Cl、ZnCl2、炭黑、石墨等单质和化合物。这些材料可以回收和利用。例如，废电池中的Zn可以用剪刀去除外皮后剪碎晾干得到锌片，也可以放入铁坩埚中加热使之熔化得到锌粒。废电池中的Cu片可以通过取下铜帽并用稀H2SO4洗涤后得到。碳棒可以直接从废电池中取出洗净后使用。废电池中的黑色糊状物中的MnO2不溶于水，而NH4Cl溶于水，可以通过过滤、加热、蒸发、浓缩、结晶等步骤得到NH4Cl晶体。二次电池可以多次重复使用，如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等。以铅蓄电池为例，其构造包括正极板、负极板、电解液和隔膜等部分。放电时，负极反应为Pb+SO42--2e-=PbSO4+2H+，正极反应为PbO2+SO42-+4H++2e-=PbSO4+2H2O，总反应式为Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。充电时，反应过程逆向进行。阴极(通入H2):2H2O+2e-=H2+2OH-总反应式:2H2+O2=2H2O酸性质子交换膜燃料电池负极:2H2-4e-=4H+正极:O2+4H++4e-=2H2O碱性离子交换膜燃料电池负极:2H2+4OH--4e-=4H2O正极:O2+2H2O+4e-=4OH-燃料电池是一种高效、持续、无噪音、无污染的化学电池。它的电极不直接参与氧化还原反应，而是作为催化转化元件。在燃料和氧化剂不断地由外部供给的情况下，电极上不断地进行反应，生成物被排出，从而提供电能。其中，氢氧燃料电池是一种常见的燃料电池，它的总反应式为2H2+O2=2H2O，电解质可以是酸性、中性或碱性。除此之外，还有质子交换膜燃料电池和离子交换膜燃料电池等其他常见的燃料电池。。在酸性电解质中,正极反应产生的产物是H2O;在碱性电解质中,产物是OH-。2)燃料电池负极反应式的书写负极反应物一般是燃料,如CH4或CH3OH等,即负极都是还原剂,参与氧化反应。在酸性电解质中,产物是CO2和H+;在碱性电解质中,产物是CO32-和H2O。3)电极反应产物的确定根据氧化还原反应规律,确定氧化还原产物中相应元素的价态,然后结合电解质的实际情况确定产物形态。例如,在燃料电池中,含C物质为还原剂的情况下,酸性电解质中产生CO2,碱性电解质中产生CO32-。燃料电池中O2-离子的存在形式与电解质的酸碱性和状态密切相关。在酸性电解质溶液中，O2-离子结合H+离子生成H2O，正极反应式为O2+4H++4e-=2H2O。在中性或碱性环境中，O2-离子结合H2O生成OH-离子，正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-。在熔融的碳酸盐环境中，O2-离子结合CO2生成CO32-离子，正极反应式为O2+2CO2+4e-=2CO32-。在固体电解质中，正极反应为O2+4e-=2O2-，只有在高温下才能允许O2-在其中通过。燃料电池负极反应式的书写比较困难，一般采用间接方法。先正确写出总反应式和正极反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应