化学能与电能的转化知识详解.docx

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化学能与电能的转化知识详解

化学能与电能的转化知识详解

　　　　　　　　　　　　　原电池的概念

要点：

1、化学能转化为电能：

原电池的原理

　　　　（重点）　　　　　原电池的形成条件

　　　2、原电池的应用：

化学电源（了解）

　　概念

　　　3、电解池——电能转化为化学能原理

应用

我们知道化学能与多种形式的能量之间存在转化关系。

例如上一单元我们就学习了化学能与化学能与热能之间的转化。

首先，先来了解一下化学能是如何转化为电能的。

日常生活中各种常见的化学电源就是一种将化学能转化为电能的装置。

下面，我们先来看三个实验：

实验1：

把一块锌片和一块铜片分别插入盛有稀H2SO4的烧杯里，观察现象。

现象：

锌片上产生气泡而铜片上无气泡。

结论：

铜片不与稀硫酸反应，锌片与稀H2SO4发生反应。

实验2：

把一块锌片和一块铜片同时插入盛有稀H2SO4的烧杯里。

现象：

锌片上产生气泡，而铜片上无气泡。

结论：

铜片不与稀H2SO4反应，锌片与稀H2SO4发生转换反应。

这两个实验我们很熟悉，因为锌的金属活动性顺序在氢之前，因此，它能够转换出非氧化性酸中的氢，而铜的金属活动性顺序在氢之后，因此铜无法与酸反应生成H2。

实验3：

用导线把实验2中的锌片和铜片连接起来，并接上微电流计，观察现象。

现象：

铜片上有气泡，锌片上无气泡生成（实际过程中若片不纯，也会有气泡），电流计指针发生偏转。

结论：

电流计指针发生偏转，说明导线上有电流通过。

我们可以看到通过这个装置，可以将化学能转变为电能。

一、化学能转化为电能

1、原电池的概念：

将化学能转变为电能的装置称是原电池。

2、原电池的原理：

a.本质：

将化学能转变为电能

b.动力源：

自发进行的氧化还原反应

c.形成电流的过程

原电池形成电流实际上就是将一个氧化还原反应拆成两个半反应。

一个是氧化反应，一个是还原反应，下面就以Zn－Cu原电池为例说明电流形成的过程。

①锌片（负极）失电子形成锌离子，Zn2+进入溶液，而电子则从锌电极流出，流入导线（因为电子无法在电解质溶液中自由移动）

　　　　　Zn－Ze－===Zn2+

②流出锌电极的电子经导线流入铜电极。

③在铜片上（正极），流入铜电极的电子使H＋还原成H2

2H＋＋2e－====H2↑

④铜电极附近的溶液中，H＋减少而锌电极附近的Zn2+增多，H＋，Zn2+从浓度大的负极区向浓度小的正极区移动，形成电流回路。

总反应方程式：

Zn＋2H＋===Zn2+＋H2↑

那么要形成原电池究竟要符合哪些条件呢？

是不是任何情况下都能形成原电池，负极和正极又是如何来确定的呢？

3、原电池形成的条件

①有可自发进行的氧化还原反应

②两根导线（金属或非金属）材料作正、负电极

　负极：

电子流出的一极，有氧化反应发生　（还原剂在负极）

　正极：

电子流入的一极，有还原反应发生　（氧化剂在正极）

注：

两电极本身不一定参与反应，有时只起传转电子的作用。

若两金属材料作电极，则一般情况下，相对较活泼的作负极，相对较不活泼的作正极，这里的相对活动不仅仅指的是金属活动性顺序，而是指的在具体情况下两电极的活性，如以浓HNO3为电角质，Fe、Cu作电极，因为Fe遇冷硝酸会发生钝化，而Cu则在常温下能与浓HNO3反应，所以这种情况下，铜是相对活泼的金属，作负极，而铁则作正极。

③两电极要均插入电解质溶液中

④若要构成工作电池，则必须形成闭合回路。

构成原电池可加快反应速率。

4、原电池反应的书写

书写原电池反应时，要注明正极反应，负极反应，及总反应。

例1　以Cu－Zn为电极，稀H2SO4作电解质构成原电池，写出正极反应，负极反应及总反应。

正　极：

2H＋＋2e－===H2↑　（得电子的还原反应）

负　极：

Zn－2e－===Zn2+　　（失电子的氧化反应）

总反应：

Zn＋2H－===Zn2+＋H2↑　（两电极反应加和）

例2　下列各装置哪些能形成原电池，指出正极和负极。

①以Zn－Fe为电极，稀H2SO4作电解质。

　能形成原电池

　负　极：

Ze－2e－===Zn2+

　正　极：

2H＋＋2e－===H2↑

　总反应：

Zn＋2H＋===Zn2+＋H2↑

②以Cu－Cu为电极，稀H2SO4作电解质

不能形成原电池

③以Fe－Ag为电极，CuSO4溶液为电解质

能形成原电池：

负极　　Fe－2e－===Fe2+

正极Cu2+＋2e－===Cu

　　　总反应　Fe＋Cu2+===Fe2+＋Cu

5、金属的腐蚀（上学期已学过，复习）

金属腐蚀的实质是金属原子失电子被氧化

　　　　　　M－ne－===Mn+

　　　　　化学腐蚀——与化学物质直接接触发生腐蚀

金属腐蚀

　　　　　电化学腐蚀——形成原电池反应发生腐蚀

例如钢铁的腐蚀。

　钢铁是铁与碳的合金

强酸性溶液中：

负极：

Fe－2e－===Fe2+

（析氢腐蚀）　正极：

2H＋＋2e－===H2↑

　　　　　　　总反应：

Fe＋2H＋===Fe2+＋H2↑

中性或弱酸性溶液中：

负极：

2Fe－4e－===2Fe2+

（吸氧腐蚀）　　　　正极：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－

　　　　　　　　　　总反应：

2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2

Fe（OH）2会被空气中的O2氧化

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

2Fe（OH）3===Fe2O3＋3H2O（Fe2O3铁锈的主要成份）

二、化学电源

根据原电池原理，制造多种多样的化学电源。

1、自制燃料电池

（1）电极的制备

在纱布上铺上石墨粉，然后用该纱布将石墨电极包裹起来，用细线扎紧防止石墨粉流出。

制备两根这样的电极。

（2）按图示搭好装置

电解质溶液用0.5mol·L－1Na2SO4溶液，电源用3－6V直流电源，发生二极管起辉，电压为1.7V，电流为0.6mA。

（3）按下开关S1，接通电源，电解约半分钟，碳棒上产生明显的气泡。

与电源正极相连的一极上产生的是O2，与电源负极相连的碳棒上产生的是H2。

（4）断开开关S1，按下开关S2，接通二极管，二极管发光，说明产生了电流。

　负极：

2H2＋4OH――4e－===4H2O

　正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

总反应：

2H2＋O2===2H2O

石墨/H2电极作负极，石墨/O2电极作正极

2、化学电池根据能否多次使用可分为一次电池和二次电池

　一次电池——用过后不可复原

二次电池——可充电，且充电后能继续使用

3、常见的化学电源（教材P40表2－6）

①锌锰干电池

用锌制铜形外壳作负极，位于中央的顶盖和有铜冒的石墨作正极。

在石墨周围填充ZnCl2，NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2黑色粉末，吸收正极放出的H2。

②银锌纽扣电池

　负极：

锌

　正极：

氧化银

　电解质：

KOH溶液

③铅蓄电池

　负极：

铅

　正极：

二氧化铅

　电解质：

硫酸

④镍氢电池

　负极：

贮氢合金

　正极：

泡沫氧化镍

　电解质：

KOH溶液

⑤氢氧燃料电池

　电性或碱性溶液中：

负极（铂碳/氢气）：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

　　　　　　　　　　正极（铂碳/氧气）：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

　酸性溶液中：

负极（铂碳/氢气）：

2H2－4e－===4H＋

　　　　　　　正极（铂碳/氧气）：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

　　　　　　　总反应：

2H2＋O2===2H2O

⑥甲醇－空气燃料电池

　中性或碱性溶液中：

负极：

2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO32－＋12H2O

　　　　　　　　　　正极：

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

　　　　　　　　　　总反应：

CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO32－＋6H2O

　酸性溶液中：

负极：

2CH3OH－12e－＋2H2O===12H＋＋2CO2

　　　　　　　正极：

3O2＋12e－＋12H＋===6H2O

　　　　　　　总反应：

2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

三、电能转化为化学能

电解大家应该不是很陌生，在生产、生活实际中，许多化学反应是通过电解的方法来实现的。

比如在制燃料电池时先要电解水。

还有许多电解的实例，比电解饥饿和食盐水制Cl2，电解熔融的NaCl制备金属钠等。

这些在上学期都已学过。

那么在电解过程中，被电解物质是怎样转化为生成物的呢？

实验：

在U型管中，电解饱和CuCl2溶液。

现象：

与正极相连的一极产生能使湿润的淀粉KI试纸变蓝的气体，与负极相连的一极上出现一层红色金属。

这个装置就称为电解池。

1、电解的概念：

使电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而在阴阳两极发生氧化还原反应的过程。

2、电解池的原理：

借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电解转化为电能的装置。

3、电解的过程（以电解CuCl2溶液为例）

①规定：

与电源正极相连的一极称为阳极，阳极上发生氧化反应；与电源负极相连的一极称为阴极，阴极上发生还原反应。

②电极反应

　阳极：

（失电子）　2Cl－－2e－→Cl2↑

　阴极：

（得电子）　Cu2+＋2e－→Cu

总反应：

Cu2+＋Cl－

Cu＋Cl2↑

注：

阳极上发生失电子的氧化反应，阴极上发生得电子的还原反应，电子的流向从电源负极到电解池的阴极，通过电解质溶液（电解质溶液中靠阴、阳离子导电，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动。

），物质在阳极失电子，电子从阳极流到电源正极，形成电流回路。

4、电解池的形成条件

①有一个外加直流电源

②两个导电材料与电源正、负极相连。

注：

电极可根据材料不同分两类：

活性电极、惰性电极

　活性电极：

Ag以及金属活动性顺序在Ag之前的金属

　惰性电极：

pt，石墨

对阴极而言，两种电极无差别。

对阳极而言，若电极为活性电极，则电极本身失电子。

例如：

精炼铜就是利用这一点（教材P43）

将粗铜与电源正极相连，精铜与电源负极相连，发生如下反应：

阳极：

Cu－2e－→Cu2+

阴极：

Cu2+＋2e－→Cu

过一段时间后，粗铜变细，精铜变粗。

③两极材料均插入电解质溶液中（或熔融电解质中）

④形成闭合回路（在内电路<电解质溶液中>两电极不能接触）

5、电极产物的判断

如果用惰性电极分别电解饱和NaCl溶液和熔融NaCl，它们的产物是否相同？

电解饱和NaCl溶液　　　　　　　电解熔融NaCl

　阳极：

2Cl－－2e－==Cl2↑阳极：

2Cl－－2e－==Cl2↑

　阴极：

2H＋＋2e－==H2↑阴极：

2Na＋＋2e－==2Na

它们的阳极反应是相同的，但阴极反应不同，为什么电解饱和食盐水时，阴极不会是Na＋得电子生成Na，而在饱和NaCl溶液中H＋又来自何处？

因为在水溶液中存在H2O

H＋＋OH－　这个电离平衡，所以水溶液中存在少量H＋和OH－。

而在阴极，得电子能力强的物质优先反应。

在阳极，失电子能力强的物质优先反应。

我们称阴，阳两极上发生还原或氧化反应为放电。

阴离子的放电顺序：

S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－（H2O）＞含氧酸根

阳离子的放电顺序：

Ag＋＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞H＋（H2O）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+

∴　排在OH－（H2O）或H＋（H2O）之后的物质，在水溶液中不会放电。

6、电解反应的书写

例：

电解K2SO4溶液

根据放电顺序：

阴极：

4H＋＋4e－→2H2↑

　　　　　　　阳极：

4OH――4e－→O2↑＋2H2O

K2SO4溶液中的H＋和OH－是从水电离出来的。

　　　　　　　4H2O

4H＋＋4OH－

总反应是这三个方程的加和：

2H2O

2H2↑＋O2↑

∴　涉及到水电离的电解反应，在写总反应时，必须将水的电离方程也加上。

写出电解下列物质的电解反应：

①NaOH溶液

　阴极：

4H＋＋4e－→2H2↑

阳极：

4OH－－4e－→O2↑＋2H2O

　水的电离：

4H2O

4H＋＋4OH－

总反应：

2H2O

2H2↑＋O2↑

②CuSO4溶液

　阴极：

2Cu2+＋4e－→2Cu

阳极：

4OH－－4e－→O2↑＋2H2O

　水的电离：

4H2O

4H＋＋4OH－

总反应：

2Cu2+＋2H2O

4H＋＋2Cu＋O2↑

③KCl溶液

　阴极：

2H＋＋2e－→H2↑

阳极：

2Cl－－2e－→Cl2↑

　水的电离：

2H2O

2H＋＋2OH－

总反应：

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

④CuCl2溶液

　阴极：

Cu2+＋2e－→Cu

阳极：

2Cl－－2e－→Cl2↑

总反应：

Cu2+＋2Cl－

Cu＋Cl2↑

7、电解的应用

精炼铜，电渡，工业上制备活泼金属。

例如：

K、Na、Mg、Al都是通过电解制得的。

【配套练习】

一、选择题

1、氢氧燃料电池以H2为还原剂，O2为氧化剂，电极为多孔镍，电解液为30%的KOH溶液，下列有关叙述正确的是（　　）

①负极反应为4OH-－4ｅ-=O2＋2H2O

②负极反应为H2＋2OH-－2ｅ-==2H2O

③工作时正极区pH升高，负极区pH降低

④工作时溶液中阴离子移向正极

　　A、③④B、②③C、②④D、①④

2、用铁片与稀H2SO4反应制取氢气时，下列措施不能使氢气生成速率加快的是（　　）

　　A、对反应体系进行加热B、将稀H2SO4改用98％浓H2SO4

　　C、滴加少量CuSO4溶液D、不用铁片，改用铁粉

3、如图所示装置，电流计G发生偏转，同时A极逐渐变粗、B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的（　　）

　　A、A是Zn，B是Cu，C为稀H2SO4

　　B、A是Cu，B是Zn，C为稀H2SO4

　　C、A是Fe，B是Ag，C为AgNO3液

　　D、A是Ag，B是Fe，C为AgNO3液

4、可以将反应Zn+Br2=ZnBr2设计成蓄电池，下列4个电极反应（　　）

①Br2+2e-=2Br-②2Br-—2e-=Br2

③Zn-2e-=Zn2+④Zn2++2e-=Zn

　　其中表示放电时的负极反应和放电时的正极反应的分别是（　　）

　　A、②和③B、②和①C、③和①D、④和①

5、烧过菜的铁锅未及时洗涤（残液中含NaCl等），第二天便出现红棕色锈斑[

失水的产物]。

下列反应表示整个过程可能发生的变化，其中不符合事实的是（　　）

　　A、

B、

　　C、

D、

6、铁棒与石墨用导线连接后，浸入0.01mol/L的食盐溶液中，可能出现的现象是（　　）

　　A、铁棒附近产生OH－B、铁棒被腐蚀

　　C、石墨棒上放出Cl2D、石墨棒上放出O2

7、有A、B、C、D四种金属，将A、B用导线连接后浸在稀硫酸中，A上放出氢气，B逐渐溶解生成B2+；在电解含A2+和C2+的混合溶液时，阴极上先析出C；将D放入B2+的硝酸盐溶液中，D表面有B析出．这四种金属阳离子的氧化性由强到弱的顺序是（　　）．

　　A、D2+＞B2+＞A2+＞C2+B、A2+＞B2+＞C2+＞D2+

　　C、C2+＞A2+＞B2+＞D2+D、A2+＞C2+＞D2+＞B2+

8、将锌片和铜片用导线连接置于同一稀硫酸中，使两极相隔一段较长距离．下列叙述中正确的是（　　）．

　　A、正极附近

的浓度逐渐增大B、负极附近

的浓度逐渐增大

　　C、负极附近Zn2+浓度明显增大D、正极附近H+浓度明显减小

9、已知空气—锌电池的电极反应为：

锌片：

，石墨：

锌片是（　　）．

　　A、负极并被氧化B、负极并被还原

　　C、正极并被氧化D、正权并被还原

10．把锌片和铁片放在盛有稀食盐水和酚酞溶液的表面皿中，如下图所示．最先观察到酚酞变红现象的区域是（　　）．

　　A、Ⅰ和Ⅲ

B、Ⅰ和Ⅳ

C、Ⅱ和Ⅲ

D、Ⅱ和Ⅳ

11、下列关于金属腐蚀的叙述中正确的是（　　）．

　　A、金属腐蚀的本质是

　　B、金属化学腐蚀的本质是

，电子直接转移给氧化剂

　　C、金属的电化腐蚀必须在酸性条件下进行

　　D、马口铁发生电化腐蚀时，首先被腐蚀的是镀层

12、在钢铁腐蚀过程中，下列五种变化可能发生的是（　　）．

①

转化为

②

被还原③产生H2

④Fe（OH）3失水形成Fe2O3·H2O⑤杂质碳被氧化

　　A、只①②B．只②③④C、①②③④D、①②③④⑤

13．铅蓄电池放电时，发生下列变化

　　负极Pb+SO42-→PbSO4+2e-

　　正极PbO2+4H++SO42-+2e-→PbSO4+2H2O

　　使用该电池来电解NaCl熔融液，当电路中转移0.1mol电子时，这时铅蓄电池内消耗硫酸（　　）

　　A、0.025molB、0.05molC、0.1molD、0.2mol

二、填空题

1、铁皮在发生析氢腐蚀时，若有0.2mol电子发生转移，则被腐蚀的金属为______g，在标准状况下放出气体体积为______L．

2、如下图所示的装置，在盛有水的烧坏中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡．小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液．

（1）片刻后可观察到的现象是（　　）．（指悬吊的金属圈）

　　A、铁圈和银圈左右摇摆不定

　　B、保持平衡状态不变

　　C、铁圈向下倾斜

　　D、银圈向下倾斜

（2）产生上述现象的原因是___________________________________。

3、常温常压下，用惰性电极分别电解同浓度的过量的下列溶液：

①CuSO4、②AgNO3、③KOH、④H2SO4、⑤NaBr、⑥Na2SO4，通电相同的时间。

电解后溶液pH降低的有_________，pH升高的有_________。

4、常温下用Cu电极电解CuSO4溶液，阳极反应是_________，阴极反应是_________，通电一段时间后切断电源，有一个电极增重0.128g，则另一电极质量_________，溶液的pH值比电解前_________（填“增大”，“减小”，“不变”）

三、计算题

1、将1L含有0.4molCuSO4和0.2molNaCl的水溶液用惰性电极电解一段时间后，在一个电极上得到0.3molCu，另一电极上析出气体（在标准状况下）的体积是多少?

此时溶液中c（H+）为多少?

【参考答案】

一、1、B　2、B　3、D　4、C　5、B　6、B　　7、C

　　讲解：

因为浸在稀硫酸中的用导线连接的A上放出氢气，B逐渐溶解，所以B是原电池的负极，A是正极，说明B的还原性强于A，则A2+的氧化性比B2+强；电解合A2+和C2+的溶液时，阴极先析出C，说明C2+得电子能力比A2+强，即氧化性比A2+强；D能将B从其硝酸盐溶中置换出来，说明D的还原性比B强，则D2+的氧化性比B2+弱。

8、C、D

　　讲解：

锌、铜、稀硫酸构成的原电池中，锌为负极，发生反应

，

浓度增大；铜为正极，发生反应：

浓度减小。

9、选A。

　　讲解：

本题要来掌握原电池中电极的判断及每个电极上发生什么反应的判断．在该原电池中，锌被氧化，作为负极．

　　10、选B。

　　提示：

图中上边装置为一原电池，Zn为负极，电极反应式为：

，Fe为正极，电极反应式为：

，Fe极附近OH-聚积，所以Ⅰ区域先变红色．下边装置为一电解地，Fe为阳极，电极反应式为：

，Zn为阴极，电极反应式为：

，H+在阴极不断被还原，促使水不断电离，阴极附近有OH-聚积，所以Ⅳ首先变红。

　　11、选B。

　　讲解：

本题的关键在于清晰地掌握两种常见的金属腐蚀的原理。

12、C

13、C

二、1．讲解首先应正确写出电极反应，负极：

；正极：

　　答：

5.6g；2.24L。

2、讲解

（1）D

（2）加入CuSO4后，构成Fe－Ag原电池，Fe溶解，质量减轻，Cu2+在银圈上得电子，沉积在上面而增重．

3、①②④③⑤

4、阳极：

Cu－2e－→Cu2＋

阴极：

Cu2＋＋2e－→Cu

减小减小

三、1、另一电极上析出气体4.48L

溶液中H＋浓度为0.4mol/L

讲解：

阴极：

Cu2＋＋2e－→Cu

　　　　1mol2mol1mol

0.3mol0.6mol0.3mol

加入Cu2＋0.4mol，所以溶液中Cu2＋有剩余

根据得失电子总数相等

阳极：

2Cl－＋2e－→Cl2↑

2mol2mol1mol

0.6mol0.6mol

溶液中只含有0.2molCl－，说明Cl－完全反应，阳极还有其他物质失电子

阳极应该发生如下反应

阳极：

2Cl－＋2e－→Cl2↑

2mol2mol1mol

0.2mol0.2mol0.1mol

Cl－比H2O先放电，Cl－反应完，H2O反应

2H2O－4e－→O2↑＋4H＋

4mol1mol4mol

0.6mol－0.2mol0.1mol0.4mol

所以标准状况下，V（总）＝（0.1mol+0.1mol）*22.4L/mol

=4.48L

溶液中C（H＋）=0.4mol/1L=0.4mol/L