6.3化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化 課件 高一下學(xué)期化學(xué)蘇教版（2019）必修第二冊

專題6

化學(xué)反應(yīng)與能量變化

第三單元

化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化我們已經(jīng)知道，化學(xué)反應(yīng)伴有吸熱或放熱現(xiàn)象，這是化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)。除熱能以外，化學(xué)能還可以轉(zhuǎn)化為光能、機(jī)械能、電能等其他形式的能量。各種各樣的電池就是化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的最好體現(xiàn)。家用干電池紐扣電池手機(jī)電池化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能在現(xiàn)代生活中，化學(xué)電源發(fā)揮著越來越重要的作用。大到人造衛(wèi)星、飛機(jī)、新能源汽車，小到電腦、手機(jī)、電子手表，都離不開化學(xué)電源。尤其是電子產(chǎn)品的日趨豐富，化學(xué)電源與人類生活的關(guān)系越來越密切。那么，化學(xué)電源是如何對外提供電能的呢?基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成下列實(shí)驗(yàn)，將觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論填入下表?；瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2.把一塊鋅片和一塊銅片同時(shí)插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3.用導(dǎo)線把步驟2中的鋅片和銅片連起來，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。4.在步驟3的導(dǎo)線中間連接一個(gè)靈敏電流計(jì)(右圖)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。原電池示意圖通過步驟4的實(shí)驗(yàn)可以看出，鋅片逐漸溶解，銅片表面有氣泡產(chǎn)生，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明這個(gè)裝置可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。反應(yīng)過程中的電流是這樣形成的：1.在鋅片(負(fù)極)上，鋅失去電子形成鋅離子(Zn2+)進(jìn)入溶液：Zn-2e-

===Zn2+。電子經(jīng)鋅電極流向?qū)Ь€。2.從鋅電極流出的電子經(jīng)導(dǎo)線通過電流計(jì)流入銅電極。

實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)論步驟1步驟2步驟3步驟4銅片上沒有明顯現(xiàn)象，鋅片上有無色氣體產(chǎn)生銅片與稀硫酸不反應(yīng)，2H++Zn=Zn2++H2銅片上沒有明顯現(xiàn)象，鋅片上有無色氣體產(chǎn)生銅片與稀硫酸不反應(yīng)，2H++Zn=Zn2++H2銅片上有無色氣體產(chǎn)生，鋅片無明顯現(xiàn)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(chǎn)生，鋅片無明顯現(xiàn)象，電流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池。在原電池中，兩個(gè)電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。還原劑在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子；電子通過導(dǎo)線由原電池的負(fù)極流向正極，氧化劑在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。原電池就是這樣通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的。原電池反應(yīng)原理示意圖1.你能確定原電池的正、負(fù)極嗎？原電池在工作時(shí)電流是如何移動(dòng)的？2.你能說出原電池的工作原理嗎？試寫出發(fā)生的在二個(gè)電極上的離子反應(yīng)方程式。鋅片為負(fù)極，銅片為正極。電子由鋅片經(jīng)導(dǎo)線流向銅片，電流由銅片流出，從鋅片流入。

銅鋅原電池原理電極材料電極反應(yīng)反應(yīng)類型原電池的電極鋅片Zn-2e=Zn2+

氧化反應(yīng)負(fù)極銅片還原反應(yīng)正極原電池總反應(yīng)

小結(jié)一、原電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b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(fā)生氧化反應(yīng)電子從鋅極流出負(fù)極電子從鋅極流出流入銅極Cu：氧化劑，得去電子發(fā)生還原反應(yīng)二、原電池的工作原理正極三、原電池反應(yīng)的本質(zhì)氧化還原反應(yīng)下列反應(yīng)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(gè)電極（負(fù)極：較活潑的金屬；正極：較不活潑的金屬。）；2.電極需插進(jìn)電解質(zhì)溶液中；3.有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)；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(jù)電極材料判斷負(fù)極：較活潑的金屬；正極：較不活潑的金屬或非金屬導(dǎo)體2.根據(jù)電極反應(yīng)判斷失電子的反應(yīng)氧化反應(yīng)負(fù)極得電子的反應(yīng)

還原反應(yīng)正極思考：如何判斷原電池的正、負(fù)極？3.根據(jù)電子或電流流動(dòng)方向判斷電子從負(fù)極流出沿導(dǎo)線流入正極電流從正極流出沿導(dǎo)線注入負(fù)極原電池電極的判斷4.根據(jù)離子的定向移動(dòng)方向（溶液內(nèi)）陽離子向正極移動(dòng)；陰離子向正極移動(dòng)；原電池的應(yīng)用

形成原電池，可以加快反應(yīng)的速率下列情況是否形成了原電池？若是，寫出兩極反應(yīng)的方程式。AFeC負(fù)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(yīng)用小結(jié)1.比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱（活潑的金屬作負(fù)極）；2.比較反應(yīng)速率（構(gòu)成原電池反應(yīng)一般比普通反應(yīng)快）；3.金屬的腐蝕與防護(hù)（腐蝕速度比一般快）。拓展視野鋼鐵的電化學(xué)腐蝕原理及其應(yīng)用鋼鐵在潮濕的空氣中很容易被腐蝕，因?yàn)樵诔睗竦目諝饫?，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(zhì)溶液，它與鋼鐵里的鐵和少量碳形成了無數(shù)微小的原電池。在這些微小的原電池中，主要發(fā)生了下列反應(yīng)：負(fù)極(鐵):2Fe-4e-

===2Fe2+正極(碳):2H2O+O2+4e-

===4OH-鐵失去電子被氧化，F(xiàn)e2+與OH-結(jié)合成Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2進(jìn)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(xué)腐蝕原理示意圖Fe(OH)3在一定條件下發(fā)生脫水反應(yīng)，生成紅色的鐵銹(主要成分為Fe2O3·nH2O)。不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸，發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子被氧化，這種腐蝕叫作電化學(xué)腐蝕。鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理在生活中應(yīng)用廣泛。例如，生活中常用的取暖產(chǎn)品——暖貼，就是以此原理制成的。暖貼的內(nèi)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(huì)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多的熱，供人們?nèi)∨?。暖貼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖化學(xué)電源依據(jù)原電池反應(yīng)的原理，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，通過氧化還原反應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)線等制作的簡易電池能使電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)。由橘子制成的簡易電池簡易電池?zé)o法長久穩(wěn)定地使用，于是人們發(fā)明并制造了多種多樣的能夠較長時(shí)間穩(wěn)定持續(xù)供電的化學(xué)電源。化學(xué)電源的能量轉(zhuǎn)化率比燃料燃燒高得多。化學(xué)電源不僅在生活中得到了廣泛的應(yīng)用，在高科技領(lǐng)域乃至航天技術(shù)中也是不可或缺的?；瘜W(xué)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(fù)原，二次電池充電后能繼續(xù)使用概念：將化學(xué)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(yōu)點(diǎn)：①能量轉(zhuǎn)化率高，供能穩(wěn)定可靠②可以制成各種形狀、大小，使用方便③易維護(hù)拓展視野常見化學(xué)電源化學(xué)電源在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用十分廣泛。常見化學(xué)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(yīng)原理如下表所示。鉛蓄電池常見化學(xué)電源的組成與反應(yīng)原理氫氧燃料電池反應(yīng)原理示意圖當(dāng)電池與用電器相連時(shí)，電池中能轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)能是一定的，一旦電能耗盡后便無法繼續(xù)放電，此時(shí)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0.5mol·L-1的Na2SO4

溶液為電解質(zhì)溶液。電源用3~6V直流電源，發(fā)光二極管的起輝電壓為1.7V，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(guān)S1，接通電源，電解溶液約半分鐘，碳棒上分別產(chǎn)生明顯的氣泡。3.斷開開關(guān)S1，按下開關(guān)S2，可以觀察到二極管的發(fā)光現(xiàn)象。自制燃料電池裝置示意圖隨著科技的發(fā)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(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品中使用最為廣泛的電池。它興起于20世紀(jì)90年代，具有供電穩(wěn)定、可反復(fù)充放電、使用壽命長、便攜、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上改變了人們的生活方式。與原電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能相反，電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。在生產(chǎn)、生活實(shí)際中，許多化學(xué)反應(yīng)都是通過電解的方法來實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化為化學(xué)能。利用電解我們可以獲得普通化學(xué)方法難以制備的物質(zhì)。電解與電解池電解：使電流通過電解質(zhì)溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應(yīng)的過程。電解池：借助于電流引起氧化還原反應(yīng)裝置。構(gòu)成條件：1.與外加電源相連的電極；2.有電解質(zhì)溶液；3.形成閉合回路。能量轉(zhuǎn)化：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能用途：獲得普通化學(xué)方法難以制備的物質(zhì)。原電池、電解池的異同點(diǎn)原電池電解池定義形成條件電極名稱電極反應(yīng)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能的裝置。非自發(fā)氧化還原反應(yīng)。1.活性不同的兩電極；2.電解質(zhì)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(zhì)溶液；3.形成閉合回路負(fù)極：較活潑金屬；正極：較不活潑金屬（或能導(dǎo)電非金屬）陽極：電源正極相連；陰極：電源負(fù)極相連負(fù)極：氧化反應(yīng)；正極：還原反應(yīng)陽極：氧化反應(yīng)；陰極：還原反應(yīng)拓展視野電解在物質(zhì)制備中的應(yīng)用鈉、鎂、鋁、鈣等單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)很活潑，不能在自然界中穩(wěn)定存在，用普通的化學(xué)方法難以將它們制備出來。工業(yè)上采用電解的方法制取這些金屬單質(zhì)。以石墨作為電解池的兩個(gè)電極電解熔融的氧化鋁(氧化鋁的熔點(diǎn)特別高，需要加入冰晶石以幫助其熔化)可得到單質(zhì)鋁。在直流電作用下，鋁離子在陰極得到電子，被還原為單質(zhì)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(jié)合成氧分子。

上述反應(yīng)可綜合表示為:

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(zhì)和氯氣。電解的方法能使通常條件下無法自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行下去，在一些活潑單質(zhì)的制取、金屬的精煉、某些有機(jī)化合物的合成中應(yīng)用廣泛。練習(xí)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(xiàn)象。若用導(dǎo)線將甲、丙相連后放入稀硫酸，只有丙電極上產(chǎn)生大量氣泡，這三種金屬的活動(dòng)性順序是（）A.甲＞丙＞乙 B.甲＞乙＞丙

C.丙＞乙＞甲

D.乙＞甲＞丙A2.在鋅與銅組成的原電池中，下列說法正確的是(

)A．鋅是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng) B．鋅是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)C．銅是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng) D．銅是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)B3.如圖所示裝置中，電流表A發(fā)生偏轉(zhuǎn)，a極逐漸變細(xì)，同時(shí)b極逐漸變粗，c為電解質(zhì)溶液，則a、b、c應(yīng)是下列各組中的(

)A．a(chǎn)是Fe、b是Ag、c為AgNO3溶液B．a(chǎn)是Ag、b是Fe、c為AgNO3溶液C．a(chǎn)是Zn、b是Cu、c為稀H2SO4

D．a(chǎn)是Cu、b是Zn、c為稀H2SO4A

ABCD電極材料Cu、CCu、AgCu、ZnFe、Zn電解質(zhì)溶液Fe(NO3)3(aq)FeSO4(aq)FeCl3(aq)CuSO4(aq)4.按下列選項(xiàng)要求組成的原電池中，原電池的總反應(yīng)為Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+的是(

)A.A