1、疱丁巧解牛知识巧学一、化学能与电能的相互转化1.一次能源和二次能源 一次能源是指直接从自然界取得的能源。包括:水能、风能、太阳能、石油、煤、天然气等。 二次能源是指由一次能源经过加工转化的能源。如电能、蒸汽等。要点提示 石油、煤、天然气又被称为化石燃料。化石燃料是现代主要能源，其中在我国仍以煤为主导燃料，而在欧美多以石油和天然气为主要燃料。2.我国的能源构成与火电站工作原理 火电站工作原理：煤的燃烧将化学能转化为热能；煤燃烧产生的热能将水加热变成气态水蒸气；水蒸气驱动涡轮发电机进行发电，发电过程中的能量转化如下:化学能热能机械能电能要点提示 在我国发电总量中，火力发电占首位，其次是水力发电，而
2、其他形式的发电非常少。3.燃烧的实质 燃烧是一种发光、发热的剧烈氧化还原反应。要点提示 燃烧是典型的氧化还原反应，其本质是还原剂(燃料)被氧化失去电子给氧化剂(O2)，氧化剂得到电子被还原，电子的转移引发新物质生成，同时伴随能量的变化。4.原电池装置 一套完整的原电池装置包括：两个不同的电极、电解质溶液并用导线连接电极，放入电解质溶液中形成闭合电路。实验探究：铜锌原电池（1）将锌片和铜片用导线连接起来(导线中间接入一个电流表)，平行插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象。现象铜片铜片上有气泡产生锌片锌片不断溶解电流表电流表的指针发生偏转要点提示 实验中应注意:实验中所用的酸是稀硫酸，也可以用稀盐酸，
3、但不能用浓硫酸或硝酸。实验中所用电极表面积要大，并且要清洁。如果Zn片和Cu片上有杂质，会形成许许多多的微电池，现象就会不明显。实验前最好用酸将Zn片和Cu片洗几遍，然后再用水冲洗干净。锌片应该用纯锌，若用粗锌会观察到Zn片上也会放出气泡。（2）原电池中的电子流向与正负极的判断 当把用导线连接的锌片和铜片一同浸入稀硫酸中时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片。由于电子的流向与电流的流向恰好相反，所以电流由铜片（正极）流出，经过导线流向锌片（负极）。5.原电池 原电池:将化学能转化成电能的装置。要点提示 原电池是用来研究电池工作原理的。我们常用
4、的电池是作电源用来供电的。它们结构不同，但原理相同，都是根据氧化还原反应原理设计而成的。理论上每个能自发进行的氧化还原反应都能设计为原电池。（1）原电池的设计 目标：根据已具备的氧化还原反应知识和电学知识，利用提供的实验用品，设计一套电池装置。 用品:镁条、铜片、铁片、导线、金属夹、手电筒用小灯泡（或发光二极管）、果汁(橙汁、苹果汁、柠檬汁等)、500 mL烧杯。 方式：最好先独立设计，并动手实验，边做边改进；也可以与邻座同学相互讨论和观摩，或请教师指导。 设计及记录：实验用品及操作实验现象结论实验用品：Mg、Cu、橙汁等；或Mg、Fe、苹果汁等；或Fe、Cu、柠檬汁等。实验操作：用导线分别将
5、三种方案中的金属片连接到金属夹上，分别将金属片两两插入到盛有果汁的三个500 mL的烧杯中，用发光二极管两端分别接触三种方案中金属活动性不同的金属夹。灯泡发光有电流产生规律总结 设计原电池的步骤可分三步：确定原电池的电极。依据原电池的反应原理(原电池的总反应)，使在反应中作还原剂的金属作负极，较稳定金属(或非金属)作正极。确定电解质溶液。一般选含有能与负极反应的离子的电解质溶液。用导线连接形成闭合回路。（2）化学电池的构成电极:两种活泼性不同的金属，其中活泼金属作负极，发生氧化反应；较稳定的金属作正极。或者金属与非金属作电极，其中金属作负极失去电子，非金属作正极。电解质溶液:要求电解质溶液中存
6、在与电池负极(活泼金属)发生氧化还原反应的物质。闭合电路:用导线连接电极，放入电解质溶液中形成闭合电路。要点提示 原电池是依据一个自发的氧化还原反应设计的，因此原电池反应实质就是氧化还原反应，即化学能电能。二、常见的化学电池1.干电池（1）锌锰电池的工作原理 常见的锌锰电池的工作原理是: 负极:Zn-2e-=Zn2+(氧化反应) 正极:+2e-=2NH3+H2(还原反应) 总反应:Zn+2MnO2+2NH4Cl=2MnO(OH)2+Zn(NH3)2Cl2（2）干电池的构造 普通干电池由正极(碳棒)，MnO2糊、NH4Cl糊作为电解质溶液，锌筒作负极三部分构成。它是一次性电池，即不能重复使用的电
7、池，简称为“一次电池”。（3）锌锰干电池的使用和保存保存时放在低温和干燥的环境中，防止与金属接触。使用时不要把电池对接。不宜保存过久，购置要检查生产日期。（4）延长电池寿命的方法 将电池中NH4Cl换成湿的KOH，由酸性干电池制成碱性电池，使锌筒不再被腐蚀，从而延长了使用寿命。2.充电电池（1）充电电池的工作原理 充电电池作为电源，在使用时是放电过程，发生自发的氧化还原反应，其原理与原电池相同。而充电时，在电压作用下发生与放电时相反的氧化还原反应。（2）蓄电池的示意图 铅蓄电池:正极材料是氧化物，且参加电极反应。它的正极材料是PbO2,负极材料是Pb，电解质溶液是硫酸溶液。目前汽车用的电瓶也是
8、铅蓄电池。（3）镍镉电池 优点:体积小、寿命长、便于携带。缺点:易造成环境污染，镉可致癌。废弃电池中的镉可造成土壤和水体的严重污染，应注意回收。（4）锂离子电池 锂离子电池是新一代环保型充电电池。目前已成为笔记本电脑、移动电话、摄像机等低功耗电器的主流电源。3.燃料电池（1）燃料电池 燃料电池是依据燃烧这一剧烈氧化还原反应设计的。将燃料燃烧这一剧烈反应，通过装置变成缓慢进行的氧化还原反应，将大量化学能转化成电能。（2）氢氧燃料电池的构造 氢氧燃料电池：负极燃料被氧化，发生氧化反应：2H2+4OH-4e-=4H2O；正极氧化剂被还原，发生还原反应，O2+2H2O+4e-=4OH-。总反应为:2H
9、2+O2=2H2O。 燃料电池是一种高效、环保的发电装置。其能量转化率可达85%90%，现已达到40%60%。要点提示 燃料电池的原料可持续供给，因而可长时间持续工作，这是一次电池、二次电池不能比拟的，所以燃料电池是现在化学电源的发展趋势，是较理想的电源。问题探究问题1 原电池的电极反应与总反应有什么关系？思路:任何一个氧化还原反应都可以看成是两个半反应所构成的，所以从理论上说，任何一个氧化还原反应都可以设计成一个原电池。由上述知识就可以根据总反应电极反应或根据电极反应写出总反应。探究:原电池的电极反应是两个半反应，其中负极上发生的是失去电子被氧化的反应，正极上发生的是得到电子被还原的反应，而
10、原电池的总反应则是两个半反应之和一个完整的氧化还原反应。问题2 原电池原理有哪些具体的应用？思路:日常生活中的金属腐蚀现象大多属于氧化还原反应，而其中的绝大部分都是由于形成了原电池而发生的腐蚀，所以要保护这些金属不被腐蚀，可以把它们与更活泼的金属连接起来。探究:原电池原理最主要的用途是把化学能转变为电能。利用原电池原理还可以比较金属的活泼性，在锌铜原电池中活泼金属锌作负极，即负极金属活泼性强于正极金属。利用原电池原理还可以加快反应的进行，如用含杂质铜的锌与硫酸反应制氢气，要比纯锌快。典题热题例1 近年来，有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被
11、开发利用，关于其有利因素的下列说法中你认为不妥当的是（ ）A.硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料B.硅的来源丰富，易于开采，且可再生C.硅燃料放出的热量多，且燃料产物对环境污染较低，容易有效控制D.寻找高效催化剂，使二氧化硅分解产生硅的同时释放能量，是硅能源大规模开发利用的一项关键技术解析：二氧化硅中的共价键很难被破坏，不易分解，所以通过二氧化硅分解产生硅的说法不妥当。答案：D深化升华 由于自然界中的能量是守恒的，所以当一个反应正向进行放出热量时，那么当它逆向进行时必定会吸收能量。例2 能够组成原电池装置的是（ ）解析：形成原电池必须具备的条件是：（1）用导线连接的活泼性不同的两
12、种金属（或金属与碳棒等）；（2）有电解质溶液；（3）形成闭合电路。三者缺一不可。A选项可组成原电池。Zn比Cu活泼，Zn是负极，Cu是正极。负极：Zn-2e-=Zn2+；正极：2H+2e-=H2。这样，外电路中，电子由负极流向正极；内电路中，等移向Zn极，H+移向Cu极。B选项可组成原电池。Cu比Ag活泼，Cu是负极，Ag是正极。负极：Cu-2e-=Cu2+，正极：2Ag+2e-=2Ag，外电路中，电子由负极流向正极；内电路中，Ag+等移向Ag极，等移向Cu极。C选项不能形成原电池，因为甘油不导电。D选项不能形成原电池，因为两只烧杯中的H2SO4没能联系在一起，即内电路断路。答案：AB深化升华
13、 在原电池的工作过程中必定发生了化学反应，通过这个反应使化学能转变为电能。因为反应过程中必定存在电子的转移，所以原电池反应必定是氧化还原反应。例3 燃料电池是一种新型的无污染、无噪音、高效率的汽车动力和发电设备。试完成下列问题：（1）宇宙飞船上的氢氧燃料电池，其电极反应式为2H2-4e-+4OH-=4H2O，O2+2H2O+4e-=4OH-，正极发生的是_（填“氧化”或“还原”）反应，总反应方程式是_。（2）燃料电池在发电的同时还合成了水，这正好解决了宇航员在太空中饮水的问题。若电池输出的电流为533 A，则每小时能合成多少水？解析：（1）原电池的供电原理是利用氧化还原反应，且正极是物质得电子的反应，一定是还原反应，负极则为氧化反应，正极电极反应式一定要找准得电子物质。（2）电池每小时输出的电量：Q=It=533 A3 600 s=1.918 8106 C,则电池每小时转移的电子n(e-)=19.92 mol。每工作一小时合成水m(水)=18 gmol-1=179.3 g答案：(1)还原 2H2O+O2=2H2O (2)每小时合成水179.3 g深化升华 燃料电池的总反应为燃烧反应，但在电极反应中得到的产物往往和溶液的酸碱性有关。如在利用甲烷的燃烧反应形成的燃料电池，在碱性溶液中产物为碳酸根，在酸性溶液中为二氧化碳。