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第六章
化學反應與能量
第一節(jié)
化學反應與能量變化
現(xiàn)代社會中，人類的一切活動(從衣食住行到文化娛樂，從社會生產(chǎn)到科學研究等)都離不開能量，而許多能量的利用與化學反應中的能量變化密切相關。
從煤、石油和天然氣等提供的熱能，到各種化學電池提供的電能，都是通過化學反應獲得的。
火的發(fā)現(xiàn)和使用使人類告別了茹毛飲血的時代，從野蠻走向文明。我們利用的正是燃燒過程中釋放的能量，化學反應不僅僅是物質(zhì)的變化，還伴隨有能量的變化。
化學能可以轉化為光能、熱能、電能等，
當能量以熱的形式表現(xiàn)時，化學反應就分
為吸熱反應和放熱反應。那么化學中都有
哪些放熱和吸熱反應。
一
化學反應與熱能
化石燃料燃燒會釋放大量的熱。 除了燃燒，其他化學反應也伴隨著放熱或吸熱現(xiàn)象。
【實驗 6－1】
在一支試管中加入2 mL 2 mol/L鹽酸，并用溫度計測量其溫度。再向試管中放入用砂紙打磨光亮的鎂條，觀察現(xiàn)象，并測量溶液溫度的變化。
實驗現(xiàn)象：
在實驗 6－1中，鎂條不斷溶解，有氣泡產(chǎn)生，同時觀察到溫度計溫度升高，說明反應放出了熱量。
反應方程式：
Mg＋2HCl ═══ MgCl2＋H2↑
【實驗 6－2】
將 20 g Ba(OH)2·8H2O晶體研細后與 10 g NH4Cl 晶體一起放入燒杯中，并將燒杯放在滴有幾滴水的木片上。用玻璃棒快速攪拌，聞到氣味后迅
速用玻璃片蓋上燒杯，用手觸摸杯
壁下部，試著用手拿起燒杯。觀察
現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象：
在實驗 6－2 中，用手觸摸燒杯壁下部，燒杯壁冰冷，拿起燒杯，木片上的水滴結冰，和燒杯底部粘結在一起，說明反應吸收了熱量。
反應方程式：
Ba(OH)2 8H2O＋2NH4Cl ══ NH3↑＋BaCl2＋10H2O
放熱反應和吸熱反應
化學上把釋放熱量的化學反應稱為放熱反應，如鎂條、鋁片和鹽酸的反應，木炭、氫氣、甲烷等在氧氣中的燃燒，氫氣與氯氣的化合等都是放熱反應。
把吸收熱量的化學反應稱為吸熱反應，如氫氧化鋇和氯化銨的反應，鹽酸和碳酸氫鈉的反應，灼熱的炭與二氧化碳的反應等都是吸熱反應。
化學反應過程中為什么會有能量變化 為什么有的化學反應釋放熱量，有的化學反應吸收熱量
常見放熱反應
所有的燃燒
中和反應
溶液里的置換
一般的化合反應
鋁熱反應
常見吸熱反應
電離
強堿與銨鹽
一般的分解反應
特殊的化合反應(C和CO2反應)
特殊的置換(C和水蒸氣、鐵和水蒸氣)
我們知道，物質(zhì)中的原子之間是通過化學鍵相結合的當化學反應發(fā)生時，反應物的化學鍵斷裂要吸收能量，而生成物的化學鍵形成要放出能量。以氫氣與氯氣化合生成氯化氫的反應為例：
H2 (g) ＋ Cl (g) ═══ 2HCl (g)
H2 (g) ＋ Cl (g) ═══ 2HCl (g)
在 25℃ 和 101 kPa 條件下，斷開 1 mol H2 中的化學鍵要吸收436 kJ的能量，斷開 1 mol Cl2，中的化學鍵要吸收243 kJ 的能量，反應中1 mol H2 和 1mol Cl2 中的化學鍵斷裂所需能量共為679 kJ；而形成 2 mol HCl 中的化學鍵要釋放 862 kJ 的能量。
在 H2 與 Cl2 的反應過程中，釋放的能量大于吸收的能量發(fā)生了放熱反應。
化學鍵的斷裂與形成是化學反應中能量變化的主要原因，化學反應中的物質(zhì)變化總會伴隨著能量變化，通常主要表現(xiàn)為熱量的釋放或吸收。
一般情況下，如果一個化學反應過程中放出的能量多于吸收的能量，則有能量向環(huán)境釋放，發(fā)生放熱反應；反之，放出的能量少于吸收的能量，則需從環(huán)境吸收能量，發(fā)生吸熱反應。
反應熱（焓變）
1. 化學反應過程中所釋放或吸收的能量，都可以用熱量(或換算成相應的熱量)來表述，叫做反應熱，在恒壓條件下又稱為焓變。
PS：
①符號：△H 單位： kJ/mol 或 kJ·mol－1
②反應熱描述的是化學反應前后的熱量變化
③反應熱描述的是一定溫度下的熱量變化
④ 任何化學反應都有反應熱，表現(xiàn)為吸熱反應或者放
熱反應
⑤ 反應體系的能量降低(即放熱反應)，則 H為“－”；
反應體系的能量升高(即 吸熱反應)，則 H為“＋”；
2. 熱化學方程式
① 我們已經(jīng)認識了反應熱，那么如何在化學方程式中正確反映其熱量的變化？——熱化學方程式
表示參加反應物質(zhì)的量和反應熱的關系的化學方程式，叫做熱化學方程式。
與化學方程式相比，熱化學方程式有哪些不同？
正確書寫熱化學方程式應注意哪幾點？
② 熱化學方程式
能表示參加反應物質(zhì)的量和反應熱的關系的化學方程式
H2(g)＋I2(g) ═════ 2HI(g) △H＝－14.9kJ/mol
200℃
101kPa
能量變化
(1) 熱化學方程式包含物質(zhì)變化和能量變化兩個部分，二者缺一不可。
普通化學方程式只包含物質(zhì)變化一個部分。
物質(zhì)變化
H2(g)＋I2(g) ═════ 2HI(g) △H＝－14.9kJ/mol
200℃
101kPa
H2(g)＋O2(g) ═════ H2O(g) △H═－241.8kJ/mol
200℃
101kPa
(2) 熱化學方程式需注明反應時的溫度和壓強。
對于 25℃、101kPa時進行的反應可不注明。
普通化學方程式不需注明溫度和壓強。
(3) 熱化學方程式需注明各物質(zhì)的狀態(tài)。
普通化學方程式不需注明物質(zhì)的狀態(tài)。
H2(g) ＋1/2 O2(g) ══ H2O(g) △H═－241.8kJ/mol
H2(g)＋1/2 O2(g) ══ H2O (1) △H═－285.8kJ/mol
H2(g) ＋1/2 O2(g) ══H2O(g) H═－241.8kJ/mol
2H2(g)＋O2(g) ══ 2H2O(g)
H═－483.6kJ/mol
(4) 熱化學方程式中化學計量數(shù)表示參加反應的各物質(zhì)的物質(zhì)的量，可為整數(shù)或分數(shù)，其 H與系數(shù)對應成比例。
普通化學方程式中化學計量數(shù)宏觀上表示各物質(zhì)的物質(zhì)的量，微觀上表示原子分子數(shù)目，只能為整數(shù)，不能為分數(shù)。
3. 書寫熱化學方程式的注意事項
①化學方程的右邊必須寫上 H，并用“空格”隔開， H：吸熱用“＋”，放熱用：“－”，單位是kJ/mol或J/mol
② 需注明反應的溫度和壓強，如不注明條件，即指：25℃ 1.01×105Pa；
③ 物質(zhì)后需注明物質(zhì)狀態(tài) ( s固體、l液體、g氣體、aq溶液中)
④ 熱化學方程式中各物質(zhì)化學式前面的化學計量數(shù)僅表示物質(zhì)的量并不能表示物質(zhì)的分子數(shù)或原子數(shù)，因此化學計量數(shù)可以是整數(shù)也可以是分數(shù)
⑤ 根據(jù)焓的性質(zhì)，若化學方程式中各物質(zhì)的系數(shù)加倍，則 H的數(shù)值也加倍；若反應逆向進行，則 H改變符號，但絕對值不變
⑥ 熱化學方程式一般不要寫反應條件。
反應熱的有關計算
各種物質(zhì)都具有能量，物質(zhì)的組成、結構與狀態(tài)不同所具有的能量也不同。
放熱反應可以看成是反應物所具有的化學能轉化為熱能釋放出來，吸熱反應可以看成是熱能轉化為化學能被生成物所“儲存”。
因此，一個化學反應是釋放熱量還是吸收熱量，與反應物總能量和生成物總能量的相對大小有關。
1. 由鍵能計算反應熱
化學鍵的斷裂和形成
舊鍵斷裂需要吸收能量，新鍵形成會放出能量。
鍵能 (通常指共價鍵) 斷開1mol共價鍵所吸收的能量或形成1mol共價鍵所放出的能量
舊鍵斷裂 －吸收能量 436＋243＝679kJ/mol
新鍵形成 － 放出能量 431＋431＝862 kJ/mol
反應放出熱量：862kJ/mol－679 kJ/mol＝183kJ/mol
所以：一個化學反應是放熱還是吸熱取決于
取決于所有斷鍵吸收的總能量與所有
形成新鍵放出的總能量的相對大小、與反應條件無關
H＝
E(反應物鍵能總和) － E(生成物鍵能總和)
2. 反應物和生成物的能量
如圖 6-3 所示，如果反應物的總能量高于生成物的總能量，發(fā)生反應時會向環(huán)境釋放能量；
如果反應物的總能量低于生成物的總能量，發(fā)生反應時需要從環(huán)境吸收能量。
反應過程中能量變化曲線圖：
ΔH＝生成物總能量－反應物總能量
生成物
反應物
吸收熱量
H＞0
吸熱反應
能量
ΔH＞0 或 ΔH 為“＋”
ΔH＜0 或 ΔH 為“－”
生成物
反應物
能量
H＜0
放出熱量
放熱反應
3. 反應熱（ ΔH ）的計算方法
(1) 由焓變計算：ΔH＝E(吸收的能量)－E(放出的能量)
(2) 由鍵能計算： ΔH＝E(反應物鍵能之和)－E(生成物的鍵能之和)
(3) 由物質(zhì)能量計算：
ΔH＝E(生成物的總能量)－E(反應物的總能量)
思考：物質(zhì)具有的能量與其穩(wěn)定性之間存在什么關系？
物質(zhì)具有的能量越低越穩(wěn)定。
一般原子間的化學鍵越牢固，鍵能越大，物質(zhì)越穩(wěn)定。
4. 放熱和吸熱反應對比
放熱反應 吸熱反應
H表現(xiàn)行式 H＜0或 H為“－” H＞0或 H為“＋”
物質(zhì)總能量變化 生成物的總能量小于反應物的總能量 生成物的總能量大于
反應物的總能量
鍵能 變化 生成物總鍵能大于反應物總鍵能 生成物總鍵能小于反應物總鍵能
聯(lián)系 鍵能越大，物質(zhì)能量越低，越穩(wěn)定，反之鍵 能越小，物質(zhì)能量越高，越不穩(wěn)定。
放熱反應和吸熱反應
人類利用化學反應中的熱能始于火的發(fā)現(xiàn)。從早期的以樹枝雜草為主要能源，到現(xiàn)代以煤、石油和天然氣為主要能源，人類獲取熱能的主要途徑都是通過物質(zhì)的燃燒。
隨著社會的進步和人類生活水平的提高，能源的消耗越來越多 (如圖6－4)。
而化石燃料作為人類利用最多的常規(guī)能源，其利用過程中面臨兩方面吸待解決的問題：
一是其短期內(nèi)不可再生，儲量有限，隨著能源消費需求的不斷增加能源消費量與儲量之間的矛盾日益突顯；
二是煤和石油產(chǎn)品燃燒排放的粉塵、SO2、NOx、CO 等是大氣污染物的主要來源。
為了改善人類的生存環(huán)境，促進社會可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能和尋找清潔的新能源成為人類的必然選擇。
資料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
表6－1 2015年我國能源消費總量和構成
節(jié)能一方面是減少能源使用，另一方面則要提高能源的利用率。
例如，在燃料利用過程中，節(jié)能的主要環(huán)節(jié)一個是燃料燃燒階段，可通過改進鍋爐的爐型和燃料空氣比、清理積灰等方法提高燃料的燃燒效率；
另一個環(huán)節(jié)是能量利用階段，可通過使用節(jié)能燈，改進電動機的材料和結構，以及發(fā)電廠、鋼鐵廠余熱與城市供熱聯(lián)產(chǎn)等措施促進能源循環(huán)利用，有效提高能源利用率。
理想的新能源應具有資源豐富、可以再生、對環(huán)境無污染等特點。
目前，人們比較關注的新能源有太陽能、風能、地熱能、海洋能和氫能等。
思考與討論
煤、汽油和柴油等作為燃料大量使用會造成空氣污染，但不使用它們又會嚴重影響現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活。對此，請從社會不同人群的角度，提出你的想法或建議，并與同學討論。
答案提示：讓學生從工廠、工人、司機、生活等角度自由發(fā)揮
信息搜索
(1) 利用互聯(lián)網(wǎng) (如國家統(tǒng)計局網(wǎng)站)搜索近10年我國每年的能源消費總量和能源礦產(chǎn)儲量的數(shù)據(jù)及變化趨勢，體會節(jié)能的重要性和必要性，
(2) 通過查閱書刊或互聯(lián)網(wǎng)搜索，了解煤和石油產(chǎn)品的燃燒排放物對環(huán)境和氣候的影響，以及人類正在采取的應對措施。
信息搜索~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
(1) 利用互聯(lián)網(wǎng) (如國家統(tǒng)計局網(wǎng)站) 搜索近10年我國每年的能源消費總量和能源礦產(chǎn)儲量的數(shù)據(jù)及變化趨勢，體會節(jié)能的重要性和必要性。
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隨堂練習
1. (課本41頁第1題) 化學反應的本質(zhì)是有新物質(zhì)生成，物質(zhì)的變化是化學反應的基本特征之一，化學反應的另一基本特征是 ________________________ ，通常表現(xiàn)為 _________ 的釋放或吸收。
化學鍵的斷裂和形成
能量
2. (課本41頁第3題) 下列說法錯誤的是( )
A. 化學反應必然伴隨發(fā)生能量變化
B. 化學反應中能量變化的大小與反應物的質(zhì)量多少無關
C. 能量變化必然伴隨發(fā)生化學變化
D. 化學反應中的能量變化主要是由化學鍵變化引起的
C
解 析
【解析】
A、化學反應必然伴隨能量變化，故A正確；
B、焓變的數(shù)值與化學計量數(shù)對應，故B正確；
C、能量變化不一定伴隨化學反應，比如濃硫酸溶于水放熱，故C錯誤；
D、化學反應中的能量變化主要是由化學鍵的斷裂和形成引起的，故D正確；
3. (課本41頁第4題)在一定條件下，石墨轉化為金剛石要吸收能量，在該條件下，下列結論正確的是 ( )
A. 金剛石比石墨穩(wěn)定
B. 等質(zhì)量的金剛石和石墨完全燃燒釋放的熱量相同
C. 金剛石轉化為石墨是吸熱反應
D. 1mol C (金剛石)比1mol (石墨)的總能量高
D
解 析
【解析】
A、石墨能量低，能量越低越穩(wěn)定，A錯誤；
B、金剛石和石墨能量不同，等質(zhì)量時，放出的熱量不同，B錯誤；
C、金剛石轉化為石墨要放出熱量，C錯誤；
D、石墨轉化為金剛石吸收熱量，所以金剛石能量高，D正確。
4. 已知鍵能：N≡N： 946KJ/mol，H-H：436KJ/mol， H-N：391KJ/mol。N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，從理論上計算 H為 ( )
A. ＋1800KJ/mol B. ＋92KJ/mol
C. －92KJ/mol D. －46KJ/mol
C
【解析】 H ＝ 946kJ/mol＋3×436kJ/mol－6×391kJ/mol
＝ －92kJ/mol
解 析
5. 已知反應A＋B＝C＋D為放熱反應，對該反應的下列說法中正確的是 ( )
A. A的能量一定高于C
B. B的能量一定高于D
C. A和B的總能量一定高于C和D的總能量
D. 該反應為放熱反應，故不必加熱就一定能發(fā)生
C
【解析】該反應放熱，說明反應物的能量和高于生成物的能量和。
解 析
6. 下列各圖中，表示正反應是吸熱反應的圖是 ( )。
A
解 析
【解析】
放熱反應，生成物的能量高于反應物的能量；吸熱反應，生成物的能量低于反應物的能量。
二
化學反應與電能
普通鋅錳電池
堿性電池
鎳
鎘
電
池
鎳氫電池
在我們生活中由很多的電池，那么大家知道這些電池都是怎么工作的嗎？
一、化學能與電能的相互轉化
我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔苤饕獊碜曰鹆Πl(fā)電。火力發(fā)電是通過化石燃料燃燒時發(fā)生的氧化還原反應，使化學能轉化為熱能，加熱水使之汽化為蒸汽以推動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。
火力發(fā)電的原理
那怎么把化學能直接轉化為電能的？
火力發(fā)電過程中，化學能經(jīng)過一系列能量轉化過程，間接轉化為電能。其中，燃燒(氧化還原反應)是關鍵。
化學能
燃料燃燒
熱能
蒸汽輪機
機械能
發(fā)電機
電 能
要想使氧化還原反應釋放的能量直接轉化為電能，就要設計一種裝置，使反應中的電子轉移在一定條件下形成電流。
化學電池就是這樣一種裝置。
二、原電池
【實驗 6－3】
(1) 將鋅片和銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象：鋅片上有氣泡，銅片無反應。
Zn＋2H＋═══ Zn2＋＋H2↑
失2e－
得2e－
(2) 用導線連接鋅片和銅片，觀察、比較導線連接前后的現(xiàn)象。
實驗現(xiàn)象：Cu片上有氣體逸出
原因分析：Zn片上的電子通過上端導線轉移給了Cu片，Cu片將電子傳遞給了H＋，那么如何驗證？
(3) 如圖 6-6所示，用導線在鋅片和銅片之間串聯(lián)一個電流表，觀察電流表的指針是否偏轉。
實驗現(xiàn)象：(1) 電流表指針有偏轉；
(2) 銅片上有氣泡產(chǎn)生；
(3) 鋅片不斷溶解.
如圖6-7所示，上述實驗中，當插入稀硫酸的鋅片和銅片用導線連接時，由于鋅比銅活潑，與稀硫酸作用容易失去電子，被氧化成鋅離子而進入溶液。
鋅片：Zn－2e－ ══ Zn2＋ (氧化反應)
電子由鋅片通過導線流向銅片，溶液中的氫離子從銅片獲得電子，被還原成氫原子，氫原子結合成氫分子從銅片上放出。
銅片：2H＋＋2e－ ══ H2↑ (還原反應 )
上述實驗和分析表明，通過特定的裝置使氧化反應與還原反應分別在兩個不同的區(qū)域進行，可以使氧化還原反應中轉移的電子通過導體發(fā)生定向移動，形成電流從而實現(xiàn)化學能向電能的轉化。
總反應：_________________________________
Zn＋2H＋ ══ Zn2＋＋H2↑
原電池：把化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置.
在原電池中，電子流出的一極是負極 (如鋅片，電極被氧化)，電子流入的一極是正極 (如銅片，H＋ 在正極上被還原)。
負極：一般活潑金屬 → 向外線路提供電子 → 發(fā)生氧化反應；
正極： 一般不活潑金屬(或石墨) → 接受外線路提供的電子 → 該電極上發(fā)生還原反應。
原電池的構成條件
① 兩種活潑性不同電極.
(活潑性不同的金屬或一種金屬和另一種非金屬導體)
② 電極必須插入電解質(zhì)溶液 。
③ 能自發(fā)的發(fā)生氧化還原反應。
④ 電極用導線相連構成閉合回路。
兩極一液成回路
本質(zhì)：氧化還原反應
探究
簡易電池的設計與制作
[目的]
根據(jù)原電池原理，設計和制作簡易電池，體會原電池的構成要素。
[用品]
水果 (蘋果、柑橘或檸檬等 )，食鹽水，濾紙，銅片、鐵片、鋁片等金屬片，石黑棒，導線，小型用電器 (發(fā)光二極管、電子音樂卡或小電動機等 )，電流表。
[實驗]
(1) 水果電池
參考圖 6-8 所示水果電池，自選水果及相關用品，制作水果電池。
(2) 簡易電池
參考圖6-9，制作簡易電池，并試驗和比較不同材料作電極的效果。
(3) 設計演示原電池的趣味實驗
利用發(fā)光二極管、電子音樂卡或小電動機等設計一個演示原電池的趣味實驗 (如電壓不足可將幾個電池串聯(lián)起來 )。
[問題和討論 ]
(1) 水果電池中，水果的作用是什么
水果起到了電解質(zhì)溶液的作用。
(2) 通過比較不同材料作電極的簡易電池你是否發(fā)現(xiàn)電極材料的選擇有一些值得注意的問題 請與同學交流你的經(jīng)驗。
a. 活潑性不同的金屬；
b. 金屬和非金屬(非金屬必須能導電)；
c. 金屬與化合物；
d. 惰性電極—氫氧燃料電池，電極均為鉑。
電解液的選擇：負極材料一般要能與電解液自行發(fā)生氧化還原反應。
(3) 在以上實驗中，電池不可或缺的構成部分有哪些
電解質(zhì)溶液、活潑性不同的電極、電流表，水果必須具有一定的酸堿性并且必須可以和電極發(fā)生反應。
三、常見的化學電池
1. 鋅錳干電池 (一次性電池)
石墨棒作正極，氯化銨糊作電解質(zhì)溶液，鋅筒作負極。
在使用過程中，電子由鋅筒(負極) 流向石墨棒 (正極)，鋅逐漸消耗，二氧化錳不斷被還原，電池電壓逐漸降低，最后失效。
電極方程式：
負極 (Zn)：Zn－2e－＝Zn2＋
正極(C)：2MnO2＋2NH4＋＋2e－═ Mn2O3＋2NH3＋H2O
這種電池放電之后不能充電 (內(nèi)部的氧化還原反應無法逆向進行)，屬于一次電池。
總反應方程式：________________________________
______________________________________________
4NH4Cl＋2Zn＋2MnO2 ═══
[Zn(NH3)4]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O
缺點：使用壽命短，易泄露
2、充電電池—鉛酸蓄電池（二次電池）
有些電池放電時所進行的氧化還原反應，在充電時可以逆向進行，使電池恢復到放電前的狀態(tài)，從而實現(xiàn)放電 (化學能轉化為電能) 與充電 (電能轉化為化學能) 的循環(huán)。
這種充電電池屬于二次電池。
鉛酸蓄電池(原電池) 工作時，
總反應為 Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O，
(1) 原電池的電極材料：
電解質(zhì)__________
正極為__________
負極為__________
充電
放電
PbO2
Pb
H2SO4
(2) 兩極的電極反應式：
正極：______________________________________
負極：_________________________
PbO2＋2e－＋SO42－＋4H＋ ═ PbSO4＋2H2O
Pb－2e－＋SO42－═ PbSO4
特點：電壓高穩(wěn)定，可反復使用，安全、方便、可靠。鉛易產(chǎn)生氫氣損耗，充電時需加水。
用途：目前汽車上使用的大多是鉛酸蓄電池 (如圖 6-11)。
它還廣泛用于國防、生產(chǎn)、生活等領域。
其他蓄電池：鎳-氫蓄電池、鋰離子電池等
3、燃料電池——高效、環(huán)境友好的化學電池
化學電池是新能源和可再生能源的重要組成部分。科學技術的進步加速了電池技術的發(fā)展，鋅錳電池、鉛酸蓄電池等傳統(tǒng)電池的性能有了明顯提高；各種高效、安全環(huán)保的新型化學電池不斷涌現(xiàn)，其中鯉離子電池和燃料電池發(fā)展較快。
手機、筆記本計算機、照相機和攝像機等申器所用的電池大多為鉀離子電池。
介質(zhì) H-O燃料電池反應： 2H2＋O2 ═ 2H2O
酸性 負極
正極
中性 負極
正極
堿性 負極
正極
H-O燃料電池曾在1967年首次被用作阿波羅宇宙飛船的電源
2H2－4e－ ═ 4H＋
O2＋4H＋＋4e－ ═ 2H2O
2H2－4e－ ═ 4H＋
O2＋2H2O＋4e－═ 4OH－
2H2＋4OH－－4e－ ═ 4H2O
O2＋2H2O＋4e－═ 4OH－
甲烷燃料電池
一、堿性介質(zhì)下的
1. 負極：_____________________________________
2. 正極：____________________________________
3. 總反應方程式為： _______________________________________________　
CH4＋10OH－－8e－ ══ CO32－＋7H2O 　　
2O2＋8e－＋4H2O ══ 8OH－ 　　
CH4＋2O2＋2KOH ══ K2CO3＋3H2O 　
二、酸性介質(zhì)下
1.負極：_________________________________
2. 正極：________________________________ 　　
3. 總反應方程式為：_______________________
CH4－8e－＋2H2O ══ CO2＋8H＋ 　　
2O2＋8e－＋8H＋ ══ 4H2O
2O2＋CH4 ══ 2H2O＋CO2
信息搜索 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
通過網(wǎng)絡、書籍等渠道，調(diào)查了解不同類型電池的性能、構成、特點、應用范圍及發(fā)展歷史，選2~3類列表比較，并結合其發(fā)展的前景，談談你對研發(fā)新型電池意義的理解。
發(fā)展中的燃料電池
燃料電池是一種將燃料 (如氫氣、甲烷乙醇) 和氧化劑 (如氧氣) 的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置，具有清潔、安全、高效等特點。燃料電池的能量轉化率可以超過80%。當以氫氣為燃料時，產(chǎn)物為水；以甲烷為燃料時，產(chǎn)物為水和二氧化碳。
科學·技術·社會 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
與常規(guī)發(fā)電廠相比，其二氧化碳排放量明顯降低。燃料電池與干電池或蓄電池的主要差別在于反應物不是儲存在電池內(nèi)部，而是從外部提供，這時電池起著類似試管、燒杯等反應器的作用。
燃料電池的供電量易于調(diào)節(jié)，能適應用電器負載的變化，而且不需要很長的充電時間，在航天、軍事和交通等領域有廣闊的應用前景。
大有發(fā)展前景的燃料電池
燃料電池不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是在工作時，不斷從外界輸入，同時將電極反應產(chǎn)物不斷排出電池。目前燃料電池的能量轉化率可達近80%，約為火力發(fā)電的2倍。這是因為火力發(fā)電中放出的廢熱太多。燃料電池的噪聲及硫氧化物、氮氧化物等廢氣污染都接近0。
問題討論：
作為一個電池的消費者，你希望使用怎樣的電池？假如你是一個電池的研究生產(chǎn)者，你應該開發(fā)生產(chǎn)怎樣的電池？
化學與職業(yè)~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
電池研發(fā)人員
電池研發(fā)與生產(chǎn)、生活和軍事等領域的發(fā)展密切相關。電池研發(fā)人員的工作包括電池構成材料的研制、電池性能的改進和應用的拓展等。以燃料電池為例，研發(fā)中需要研究電極、電解質(zhì)等電池基本構成材料的性質(zhì)和材料之間的相容性；研究不同類型的電池構成材料在不同用途時對溫度、濕度等環(huán)境因素的適應性；
還要研究使用什么樣的電池材料使電池的容量更大；等等。這些研究工作關系著電池的效率、壽命、安全性、適用性和制造成本。在許多科研機構和生產(chǎn)企業(yè)中，都有具備著扎實的化學基礎的研究人員從事電池研發(fā)工作。
~~~~~~~~~~~~~~~ 研究與實踐 ~~~~~~~~~~~~~~~
了解車用能源
[ 研究目的 ]
人們?yōu)榻o汽車提供動力，提高能源利用率，減少環(huán)境污染，在不斷開發(fā)新的車用能源.通過以下活動，從不同角度分析和比較不同燃料和能量轉化方式的優(yōu)劣，體會開發(fā)新的車用能源的重要意義。
[研究任務]
(1) 汽車發(fā)展至今，在能源使用上經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。查閱資料，了解汽車發(fā)展的過程和車用能源的種類。
(2)以氫氣、甲烷(CH4)、辛烷(C8H18) 和乙醇 (C2H6O) 為例(你也可以嘗試分析其他燃料)，為汽車選擇燃料。
① 寫出不同燃料發(fā)生能量轉化時涉及的主要化學反應。
H2熱值123KJ/g _______________________________
CH4熱值56KJ/g _______________________________
C8H18熱值48KJ/g ______________________________
C2H5OH熱值26.9KJ/g
____________________________________
2H2＋O2 ════ 2H2O
點燃
CH4＋2O2 ════ CO2＋2H2O
點燃
2C8H18＋25O2 ════ 16CO2＋18H2O
點燃
C2H5OH＋3O2 ════ 2CO2↑＋3H2O
點燃
② 查閱資料，比較相同質(zhì)量的燃料燃燒時放出熱量的多少，并結合燃料的物質(zhì)狀態(tài)分析其優(yōu)劣。
③ 從來源、環(huán)保等其他角度分析不同燃料的優(yōu)劣。
從反應和熱值來考慮：H2放出熱量最多，而且不會產(chǎn)生溫室氣體CO2，是最理想的能源。
(3)了解蒸汽機、內(nèi)燃機和燃料電池等的能量轉化方式，從轉化效率、技術可行性等角度進行比較。
[結果與討論]
(1) 你最終選擇了哪種燃料和哪種能量轉化方式 你在選擇時重點考慮了哪些因素
(2) 通過了解車用能源的發(fā)展過程，你得到什么啟示 請與同學討論。
隨堂練習
1. 利用反應 Zn＋CuSO4 ══ ZnSO4＋Cu 設計一個原電池。在圖中方格內(nèi)畫出實驗裝置圖，并指出正極為__________________，電極反應式為_________________________；負極為_______________，電極反應式為________________________。
碳棒、Cu、鉑
Cu2＋＋ 2e－ ═ Cu
Zn
Zn－2e－＝ Zn2＋
2. (課本41頁第5題)下列關于如圖所示裝置的敘述，錯誤的是 ( )
A、鋅是負極、其質(zhì)量逐漸減小
B、氫離子在銅表面被還原，產(chǎn)生氣泡
C、電流從鋅片經(jīng)導線流向銅片
D、電子從鋅片經(jīng)導線流向銅片
C
【解析】鋅銅稀硫酸原電池中，鋅為負極，銅為正極，電流由銅經(jīng)導線流向鋅，電子從鋅經(jīng)導線流向銅，故C錯誤
解 析
3. (課本41頁第6題)下列說法正確的是 ( )。
A. 圖1所示裝置能將化學能轉化為電能
B. 圖2所示反應為吸熱反應
C. 鋅錳干電池中，鋅筒作正極
D. 蓄電池充電時也發(fā)生了氧化還原反應
D
解 析
【解析】
A、圖1不能形成閉合回路，不能構成原電池；
B、圖2反應物能量高于生成物，為放熱反應；
C、鋅錳干電池中，鋅作負極；
D、蓄電池放電和充電均發(fā)生了氧化還原反應。
D正確
4. 如圖裝置，電流表G發(fā)生偏轉，同時A極逐漸變粗，B極逐漸變細，C為電解質(zhì)溶液，則A、B、C應是下列各組中的哪一組 ( )。
A. A是鋅，B是銅，C為稀H2SO4
B. A是銅，B是鋅，C為稀硫酸
C. A是鐵，B是銀，C為AgNO3溶液
D. A是Ag，B是鐵，C為AgNO3溶液
D
5. 下列圖片可構成原電池的是 ( )。
C、D
6. 寫出電極反應式和總反應式
正極 ：(C) ___________________________
負極 ：(Zn) __________________________
總反應：____________________________
Zn－2e－═ Zn2＋ (氧化反應)
Cu2＋＋2e－ ═ Cu (還原反應)
Zn＋Cu2＋ ═ Zn2＋＋Cu
正極 ：(Cu) __________________________
負極 ：(Fe) __________________________
總反應：____________________________
2Ag＋＋2e－═ Ag (還原反應)
Fe －2e－═ Fe2＋ (氧化反應)
Fe＋2Ag＋ ═ Fe2＋＋2Ag
練習與應用
2. 原電池是一種可將_________直接轉化為________的裝置，其中發(fā)生的化學反應屬于_________________。原電池的必要組成部分有_________________________ _______________________________________________。
化學能
電能
氧化還原反應
兩個活潑性不同的電極、電解質(zhì)溶液和形成閉合回路。
7. 幾位同學以相同大小的銅片和鋅片為電極研究水果電池，得到的實驗數(shù)據(jù)如下表所示：
實驗編號 水果種類 電極間距離/cm 電流/μA
1 番茄 1 98.7
2 番茄 2 72.5
3 蘋果 2 27.2
(1) 該實驗的目的是探究水果種類和________________
對水果電池電流的影響。
電極間距離
(2) 該實驗所用裝置中，負極的材料是______________，
該裝置將_____________轉化為電能。
(3) 能表明水果種類對電流有影響的實驗編號是_______，
和____________。
(4) 請你再提出一個可能影響水果電池電流的因素：
______________________________________。
鋅片
化學
①
③
電極插入水果中的深度
8. 我國將落實創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，全面推進節(jié)能減排和低碳發(fā)展，邁向生態(tài)文明新時代。為此，如果從不同能源對環(huán)境的影響考慮，你認為我國在煤、石油等傳統(tǒng)能源和新能源的利用及發(fā)展上應采取哪些措施
減少或淘汰傳統(tǒng)能源，大力發(fā)展新能源。
9. 便攜式化學電池使用方便，但仍然存在一些不足，如電樂較低，壽金較短，處理不當可能會造成環(huán)境污染。有人認為這些不足是由其制造技術不完善造成的，也有人認為是由其工作原理決定的。你的看法和依據(jù)是什么 請查閱資料，與老師和同學交流、討論。
化學電池電壓是其固有特征，無法改變，采用串聯(lián)的方法可以增大電壓；
一次電池放電結束，壽命即告終，充電電池壽命比一次電池的長，燃料電池的壽命最長；
化學電池在存放過程中，極容易變質(zhì)或發(fā)生氧化還原反應，一般低溫、干燥保存。
本課結束
This lesson is over
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