資源簡介

(共46張PPT)
專題6
化學反應與能量變化
第三單元
化學能與電能的轉化
我們已經知道，化學反應伴有吸熱或放熱現象，這是化學能與熱能相互轉化的表現。除熱能以外，化學能還可以轉化為光能、機械能、電能等其他形式的能量。各種各樣的電池就是化學能與電能轉化的最好體現。
家用干電池
紐扣電池
手機電池
化學能轉化為電能
在現代生活中，化學電源發揮著越來越重要的作用。大到人造衛星、飛機、新能源汽車，小到電腦、手機、電子手表，都離不開化學電源。尤其是電子產品的日趨豐富，化學電源與人類生活的關系越來越密切。那么，化學電源是如何對外提供電能的呢
基礎實驗
完成下列實驗，將觀察到的實驗現象和得到的實驗結論填入下表。
化學能轉化為電能的實驗
1.把一塊鋅片和一塊銅片分別插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實驗現象。
2.把一塊鋅片和一塊銅片同時插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實驗現象。
3.用導線把步驟2中的鋅片和銅片連起來，觀察實驗現象。
4.在步驟3的導線中間連接一個靈敏電流計 (右圖)，觀察實驗現象。
原電池示意圖
通過步驟4的實驗可以看出，鋅片逐漸溶解，銅片表面有氣泡產生，電流計指針發生偏轉，說明這個裝置可以將化學能轉化為電能。
反應過程中的電流是這樣形成的：
1.在鋅片(負極)上，鋅失去電子形成鋅離子(Zn2+) 進入溶液：Zn - 2e- ===Zn2+。電子經鋅電極流向導線。
2.從鋅電極流出的電子經導線通過電流計流入銅電極。
3.在銅片(正極)上，流入銅電極的電子使溶液中的氫離子還原成氫氣：2H+ + 2e-===H2,
4.銅電極附近溶液中的氫離子減少，電解質溶液中的陽離子向銅電極附近發生定向遷移，使電極和溶液形成電流回路。
上述化學能轉化為電能的反應可表示為
Zn + 2H+ === Zn2++ H2
實驗步驟 實驗現象 實驗結論
步驟1
步驟2
步驟3
步驟4
銅片上沒有明顯現象，鋅片上有無色氣體產生
銅片與稀硫酸不反應，
2H++Zn=Zn2++H2
銅片上沒有明顯現象，鋅片上有無色氣體產生
銅片與稀硫酸不反應，
2H++Zn=Zn2++H2
銅片上有無色氣體產生，鋅片無明顯現象
H+在銅片上得到電子被還原成氫氣
銅片上有無色氣體產生，鋅片無明顯現象，電流計發生偏轉
H+在銅片上得到電子被還原成氫氣，說明有電子從鋅片流入到銅片
我們把將化學能轉變為電能的裝置稱為原電池。在原電池中，兩個電極上分別發生氧化反應和還原反應。還原劑在負極發生氧化反應，失去電子；電子通過導線由原電池的負極流向正極，氧化劑在正極得到電子發生還原反應。原電池就是這樣通過化學反應將化學能轉化為電能的。
原電池反應原理示意圖
1.你能確定原電池的正、負極嗎？原電池在工作時電流是如何移動的？
2.你能說出原電池的工作原理嗎？試寫出發生的在二個電極上的離子反應方程式。
鋅片為負極，銅片為正極。電子由鋅片經導線流向銅片，電流由銅片流出，從鋅片流入。
原電池的工作原理為：氧化還原反應。
Zn-2e=Zn2+ 2H++2e- =H2
銅鋅原電池原理
電極材料 電極反應 反應類型 原電池的電極
鋅片 Zn-2e=Zn2+ 氧化反應 負極
銅片 還原反應 正極
原電池總反應 Zn+2H+=Zn2++H2
2H++2e=H2
小結
一、原電池：將化學能轉變為電能的裝置
G
稀硫酸
鋅
銅
H+
H+
H+
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Zn：還原劑，失去電子發生氧化反應
電子從鋅極流出
負極
電子從鋅極流出
流入銅極
Cu：氧化劑，得去電子發生還原反應
二、原電池的工作原理
正極
三、原電池反應的本質
氧化還原反應
下列反應中，能夠形成原電池的是：
√
√
√
×
×
×
思考：
如果形成原電池需要滿足哪些條件？
形成原電池需要滿足的條件
1.活潑性不同的兩個電極（負極：較活潑的金屬；正極：較不活潑的金屬。）；
2.電極需插進電解質溶液中；
3.有自發的氧化還原反應；
4.必須形成閉合回路。
兩極一液成閉合
原電池電極的判斷
1.根據電極材料判斷
負極：較活潑的金屬；
正極：較不活潑的金屬或非金屬導體
2.根據電極反應判斷
失電子的反應 氧化反應 負極
得電子的反應 還原反應 正極
思考：如何判斷原電池的正、負極？
3.根據電子或電流流動方向判斷
電子從負極流出沿導線流入正極
電流從正極流出沿導線注入負極
原電池電極的判斷
4.根據離子的定向移動方向（溶液內）
陽離子向正極移動；陰離子向正極移動；
原電池的應用
在實驗室制氫氣時（Zn+2H+=Zn2++H2)，加入少量CuSO4溶液后，發現反應速率加快了。可能的原因是什么？
形成原電池，可以加快反應的速率
下列情況是否形成了原電池？若是，寫出兩極反應的方程式。
A
Fe
C
負極：2Fe-4e=2Fe2+
正極：2H2O+O2+4e=4OH-
思考：
為什么鋼鐵在潮濕的空氣中很容易被腐蝕。
原電池的應用小結
1.比較金屬活動性強弱（活潑的金屬作負極）；
2.比較反應速率（構成原電池反應一般比普通反應快）；
3.金屬的腐蝕與防護（腐蝕速度比一般快）。
拓展視野
鋼鐵的電化學腐蝕原理及其應用
鋼鐵在潮濕的空氣中很容易被腐蝕，因為在潮濕的空氣里，鋼鐵表面吸附了一層薄薄的水膜，水膜里含有少量H+、OH-和氧氣等，從而形成一層電解質溶液，它與鋼鐵里的鐵和少量碳形成了無數微小的原電池。在這些微小的原電池中，主要發生了下列反應：
負極(鐵): 2Fe - 4e- === 2Fe2+
正極(碳) : 2H2O+O2+ 4e- === 4OH-
鐵失去電子被氧化，Fe2+與OH -結合成Fe(OH)2，Fe(OH)2進一步被氧氣氧化為Fe(OH)3。
4Fe(OH)2+ O2 +2H2O === 4Fe(OH)3
鋼鐵的電化學腐蝕原理示意圖
Fe(OH)3在一定條件下發生脫水反應，生成紅色的鐵銹(主要成分為Fe2O3·nH2O)。
不純的金屬與電解質溶液接觸，發生原電池反應，比較活潑的金屬失去電子被氧化，這種腐蝕叫作電化學腐蝕。
鋼鐵電化學腐蝕的原理在生活中應用廣泛。例如，生活中常用的取暖產品——暖貼，就是以此原理制成的。暖貼的內部含有鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石、木粉的混合物。鐵粉、活性炭、食鹽一旦與空氣中的氧氣和水蒸氣接觸就會形成原電池，木粉能夠吸水并保持水分，蛭石能夠保溫。原電池的形成加快了鐵被氧氣氧化的速率，短時間內產生較多的熱，供人們取暖。
暖貼的內部結構示意圖
化學電源
依據原電池反應的原理，我們可以設計一個裝置，通過氧化還原反應即可實現化學能向電能的轉化。
實驗探究
利用銅片、鋅片 (可從廢舊干電池中拆取) 或鋁片、純堿溶液、白醋(或橙子、橘子) 等日常生活中的材料即可制作簡易電池。如圖所示，利用橘子、金屬片以及導線等制作的簡易電池能使電流計指針偏轉。
由橘子制成的簡易電池
簡易電池無法長久穩定地使用，于是人們發明并制造了多種多樣的能夠較長時間穩定持續供電的化學電源。化學電源的能量轉化率比燃料燃燒高得多。化學電源不僅在生活中得到了廣泛的應用，在高科技領域乃至航天技術中也是不可或缺的。
化學電源有一次電池、二次電池和燃料電池之分。一次電池用過之后不能復原，二次電池充電后能繼續使用
概念：將化學能變成電能的裝置
分類：
①一次電池：不可充電電池，如干電池
②二次電池：可充電電池，如蓄電池
③燃料電池
優點：
①能量轉化率高，供能穩定可靠
②可以制成各種形狀、大小，使用方便
③易維護
拓展視野
常見化學電源
化學電源在生產、生活中應用十分廣泛。常見化學電源主要有鋅錳干電池、銀鋅紐扣電池、鉛蓄電池等。它們的組成及反應原理如下表所示。
鉛蓄電池
常見化學電源的組成與反應原理
氫氧燃料電池反應原理示意圖
當電池與用電器相連時，電池中能轉化成電能的化學能是一定的，一旦電能耗盡后便無法繼續放電，此時一次電池需要更換電池，二次電池需連接電源充電。
拓展視野
簡易燃料電池的制備
1. 將碳電極放在高溫火焰上灼燒到紅熱，迅速浸入冷水中，制得多孔碳棒電極。選用0.5 mol·L-1的Na2SO4 溶液為電解質溶液。電源用3~6 V直流電源，發光二極管的起輝電壓為1.7 V，電流為0.6mA。將上述材料組裝成簡易的燃料電池裝置(下圖)。
2.按下開關S1，接通電源，電解溶液約半分鐘，碳棒上分別產生明顯的氣泡。
3. 斷開開關S1，按下開關S2，可以觀察到二極管的發光現象。
自制燃料電池裝置示意圖
隨著科技的發展，越來越多的新型電池面世，其中鋰離子電池是筆記本電腦、手機等數碼產品中使用最為廣泛的電池。它興起于20世紀90年代，具有供電穩定、可反復充放電、使用壽命長、便攜、無污染等優點，在一定程度上改變了人們的生活方式。
與原電池將化學能轉化為電能相反，電解池是將電能轉化為化學能的裝置。在生產、生活實際中，許多化學反應都是通過電解的方法來實現的。例如，電解水制得氫氣和氧氣：電解飽和食鹽水制備燒堿、氯氣和氫氣。在這些例子中，電能轉化為化學能。利用電解我們可以獲得普通化學方法難以制備的物質。
電解與電解池
電解：使電流通過電解質溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。
電解池：借助于電流引起氧化還原反應裝置。
構成條件：
1.與外加電源相連的電極；2.有電解質溶液；3.形成閉合回路。
能量轉化：電能轉化為化學能
用途：獲得普通化學方法難以制備的物質。
原電池、電解池的異同點
原電池 電解池
定義
形成條件
電極名稱
電極反應
化學能轉變成電能的裝置。自發的氧化還原反應。
將電能轉變成化學能的裝置。非自發氧化還原反應。
1.活性不同的兩電極；2.電解質溶液；3.形成閉合回路
1.兩極接直流電源；2.電極插入電解質溶液；3.形成閉合回路
負極：較活潑金屬；正極：較不活潑金屬（或能導電非金屬）
陽極：電源正極相連；陰極：電源負極相連
負極：氧化反應；正極：還原反應
陽極：氧化反應；陰極：還原反應
拓展視野
電解在物質制備中的應用
鈉、鎂、鋁、鈣等單質的化學性質很活潑，不能在自然界中穩定存在，用普通的化學方法難以將它們制備出來。工業上采用電解的方法制取這些金屬單質。以石墨作為電解池的兩個電極電解熔融的氧化鋁 (氧化鋁的熔點特別高，需要加入冰晶石以幫助其熔化) 可得到單質鋁。
在直流電作用下，鋁離子在陰極得到電子，被還原為單質鋁。
陰極：Al3+ + 3e- ===Al
氧離子在陽極失去電子，被氧化為氧原子，并結合成氧分子。
陽極：2O2-- 4e- === O2
上述反應可綜合表示為:
2Al2O3==== 4Al+3O2
通電
與電解熔融的氧化鋁類似，電解熔融的氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣可分別得到鈉、鎂、鈣的單質和氯氣。
電解的方法能使通常條件下無法自發進行的化學反應進行下去，在一些活潑單質的制取、金屬的精煉、某些有機化合物的合成中應用廣泛。
練習
1.有甲、乙、丙三種金屬，將它們放在稀硫酸中，只有乙無明顯現象。若用導線將甲、丙相連后放入稀硫酸，只有丙電極上產生大量氣泡，這三種金屬的活動性順序是（ ）
A. 甲＞丙＞乙 B. 甲＞乙＞丙 C. 丙＞乙＞甲 D. 乙＞甲＞丙
A
2.在鋅與銅組成的原電池中，下列說法正確的是( )
A．鋅是負極，發生還原反應 B．鋅是負極，發生氧化反應
C．銅是負極，發生還原反應 D．銅是負極，發生氧化反應
B
3.如圖所示裝置中，電流表A發生偏轉，a極逐漸變細，同時b極逐漸變粗，c為電解質溶液，則a、b、c應是下列各組中的 ( )
A．a是Fe、b是Ag、c為AgNO3溶液
B．a是Ag、b是Fe、c為AgNO3溶液
C．a是Zn、b是Cu、c為稀H2SO4
D．a是Cu、b是Zn、c為稀H2SO4
A
A B C D
電極材料 Cu、C Cu、Ag Cu、Zn Fe、Zn
電解質溶液 Fe(NO3)3(aq) FeSO4(aq) FeCl3(aq) CuSO4(aq)
4.按下列選項要求組成的原電池中，原電池的總反應為Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+的是( )
A.A B.B C.C D.D
A
5.少量鐵粉與100 mL 0.01 mol/L的硫酸反應，反應速率太慢。為了加快此反應速率而不改變H2的總量，可以使用如下方法中的（ ）
A．加入l00 mL0.02 mol/L的鹽酸 B．加入少量硫酸氫鈉固體
C．加入少量CuSO4固體 D．降低溫度
B
完成課后相關練習
謝謝觀看
謝謝觀看

展開更多......

收起↑