2022届高三化学二轮复习 第5讲：电子决定的能量转化——电化学原理及应用 课件

这是一份2022届高三化学二轮复习 第5讲：电子决定的能量转化——电化学原理及应用 课件，共54页。PPT课件主要包含了做题过程中的小思考，总结过程中的小反思，教学过程中的小故事，Part，还原电势，△G△H-T·△S，经典例题浓差电池，化学产品，功率PU·I，离子交换膜等内容，欢迎下载使用。
趣味认识电化学：公交车模型
Zn - 2e- = Zn2＋Cu2++ 2e- = Cu
存在问题：下车门上车怎么办？
阻隔氧化剂和还原剂 / 提高化学能的转化率 / 平衡电荷形成闭合回路
阻隔了氧化剂还原剂，如何发生反应？换言之：电子为什么在硫酸锌溶液中也会转移，不反应电子转移的动力是什么？
原电池反应一定可以加快反应速率吗？
热力学问题：能不能的问题
动力学问题：快不快的问题
热力学认识电化学：电极电势
水自发流动的动力来自于地势高低之差！
那电子的自由转移是否也存在这样势的模型呢？
高与低没有标准，是相对的
德国化学家能斯特提出了双电层理论：当金属放入溶液中时，一方面金属中处于热运动的金属离子在水分子的作用下，离开金属表面进入溶液。金属性质愈活泼，这种趋势就愈大；另一方面溶液中的金属离子，由于受到金属表面电子的吸引，而在金属表面沉积，溶液中金属离子的浓度愈大，这种趋势也愈大。在一定浓度的溶液中达到平衡后，在金属和溶液两相界面上形成了一个带相反电荷的双电层，双电层的厚度虽然很小(约为10-8厘米数量级), 但却在金属和溶液之间产生了电势差（电极电势）
电动势 = 电势 ⊕— 电势 ⊖
热力学认知电化学：电极电势
电势越小给出电子能力越强，还原性越强
电势越大得到电子能力越强，氧化性越强
（-）Zn|Zn2+（1ml/L）||H+（1ml/L）|H2（pΘ）|Pt（＋） E池=0.76V
（-）Pt|H2（pΘ）|H+（1ml/L）|| Cu2+（1ml/L）|Cu（＋） E池=0.34V
（-）Pt|H2（pΘ）|H+（1ml/L）|| Ag+（1ml/L）|Ag（＋） E池=0.80V
EΘ=0.34V-（-0.76V）= 1.10V＞0 可以发生
Zn ＋ Cu2＋ = Zn2＋ ＋ Cu
热力学认识电化学：电动势与自发性
热力学认知电化学：电动势与自发性
△G＜0 自发进行△G = 0 平衡状态（反应限度）△G＞0 非自发进行
Gibbs-Helmhltz方程
热力学第一定律：体系内能的变化等于体系与环境间传递的热量与做功之和 ∆U = Q + W 其中 W = We + W′，We 是体积功，如恒压过程气体膨胀做功We = − p ∆V = F·l = P·S·l
W′ 是非体积功，如电功。 所以 ∆U = Q − p ∆V + W′（2）焓的定义： H = U + pV移项得 U = H − pV若反应为恒温恒压，可得 ∆U = ∆H − p ∆V = Q − p ∆V + W′ ∆H = Q + W′
△G = W’= -qU = -nFE
△G＜0 自发进行→对环境最多做W’的非体积功（电功）△G = 0 平衡状态（反应限度）△G＞0 非自发进行→需要环境对体系做W’的非体积功（电功）→电解
热力学认知电化学：电动势与反应限度
EΘ=0.34V-（-0.76V）= 1.10V＞0
当T=298.15K，R=8.3145J·ml-1·K-1时
热力学认知电化学：电极电势的影响因素
标准状态下电极电势的Gibbs自由能变的关系已知
非标态△G与标态下△G的可用van’t Hff等温式表示
正极：Cu2++2e- = Cu负极：Zn2++2e- = Zn
E池 = E正 - E负
电极电势与金属的性质有关，金属越活泼，电极电势越低，越易给出电子，还与金属所处的溶液环境有关系(例如：浓度，酸碱度，温度等)例如：浓稀硫酸，浓稀盐酸，浓稀硝酸等 酸性高锰酸钾，酸性重铬酸钾等 温度越高，歧化反应程度越大
若是同一金属，则金属的性质相同。电极电极主要与溶液环境有关系。
关于D选项的一点思考……
①能斯特方程②能斯特双电层理论
实验认知电化学：盐桥的利与弊
实验认识电化学：盐桥的利与弊
单液电池 VS 双液电池——能量转化效率
盐桥的直接弊端：增大了内阻，减弱了输出！ 当然还有使用起来很麻烦！
应用电化学：从原理到产品
已有认知：两极极距离尽量近一些电解质水溶液导电性差内阻大
选择优良的电极材料选择串联的方式
改用离子迁移速率快的电解质，特殊电解质（固态电解质）缩短两极距离
电解质：液体→固体（糊状） 酸性→碱性
应用电化学：交换膜的功能分类
只允许阳离子和水分子通过阻止阴离子和气体通过
只允许阴离子和水分子通过阻止阳离子和气体通过
只允许质子和水分子通过
有效阻隔氧化剂和还原剂直接反应将单液原电池变为双液原电池，平衡电荷，形成闭合回路。膜表面积大利于离子的迁移，有效缩短两极距离，减小电阻提高放电寿命与效率！
应用电化学：膜在电解中的应用
减少副反应，提高产率分隔产物电解是将不可能变为可能，而膜则是将可能变为无限可能！
真实情境中电化学的应用
必背技能：电化学基础知识
泼负（燃必正，氧必负）正正负负负极：给出电子的一极（氧化反应）正极：电子流入的一极（还原反应）
与外接电源正极相连称阳极阴阳相吸阳极：强制给出电子的一极阴极：强制得到电子的一极
四步走搞定电极方程式的书写①搭框架 ②定得失 ③配电荷 ④元素守恒
得失电子看不见，全靠化合价来体现
根据电解质环境能传导的离子来平衡电荷
利用膜电解技术(装置如图所示)，以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为：4Na2CrO4+4H2O 2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。则Na2Cr2O7在 (填“阴”或“阳”)极室制得，电解时通过膜的离子主要为 。
双膜三室电解法放电离子判断离子移动方向（质量角度）电解方程式书写溶液酸碱性的变化
钴(C)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是（ ）
A. 工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B. 生成1mlC，Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC. 移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D. 电解总反应
镍镉电池是二次电池,其工作原理示意图如下(L为小灯泡，K1、K2为开关，a、b为直流电源的两极)。下列说法不正确的是（ ）
A.断开K2、合上K1，镍镉电池能量转化形式：化学能→电能B.断开K1、合上K2，电极A为阴极，发生还原反应 C.电极B发生氧化反应过程中，溶液中KOH浓度不变D.镍镉二次电池的总反应式:Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
能量转化形式电极判断反应类型判断电解质浓度变化电化学方程式书写
新型化学电源（燃料电池）
燃料电池产物判断离子移动方向电解质浓度的判断守恒计算陌生物质化合价判断
以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池，下列说法正确的是（ ）A. 放电过程中，K+均向负极移动B. 放电过程中，KOH物质的量均减小C. 消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大D. 消耗1mlO2时，理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L
新型化学电源（锂离子电池）
电极判断离子的移动复杂电极方程式的书写
某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li+得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCO2薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是（ ）
A. 充电时，集流体A与外接电源的负极相连B. 放电时，外电路通过aml电子时，LiPON薄膜电解质损失 amlLi+C. 放电时，电极B为正极，反应可表示为D. 电池总反应可表示为
离子的放电情况电极方程式书写转移电子（巧妙）离子移动方向
电化学基本原理陌生方程式的书写电荷守恒元素守恒
中国科学家研究Li—CO2电池，取得了重大科研成果，回答下列问题：①Li—CO2电池中，Li为单质锂片，则该电池中的CO2在__ _(填“正”或“负”)极发生电化学反应。研究表明，该电池反应产物为碳酸锂和单质碳，且CO2电还原后与锂离子结合形成碳酸锂按以下4个步骤进行，写出步骤Ⅲ的离子方程式。
研究表明，在电解质水溶液中，CO2气体可被电化学还原。Ⅰ.CO2在碱性介质中电还原为正丙醇(CH3CH2CH2OH)的电极反应方程式为_________。Ⅱ.在电解质水溶液中，三种不同催化剂(a、b、c)上CO2电还原为CO的反应进程中(H+被还原为H2的反应可同时发生)，相对能量变化如图.由此判断，CO2电还原为CO从易到难的顺序为_____________________(用a、b、c字母排序)。
陌生电极方程式的书写（四步走）电化学动力学问题（新）竞争型副反应
2021适应性考试河北
我国科学家最近发明了一种Zn-PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4和KOH，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下：
(4)此电池中，消耗6.5gZn，理论上可产生的容量(电量)为______毫安时(mAh )(1 ml电子的电量为1 F，F=96500C·ml-1，结果保留整数)
0.1×2×96500×1000 / 3600=5361
吉布斯自由能变热力学角度考查电化学
(5)已知E为电池电动势(电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，E=E(正)-E(负)），△G为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅酸蓄电池相比较， EZn-PbO2 EPb-PbO2△GZn-PbO2 △GPb-PbO2
金属越活泼给电子能力越强电极电势越负
锌溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌溴液流电池工作原理如图所：下列说法错误的是（ ）
电池的工作原理分析电池的结构及其作用（难）离子移动方向及电极周围的浓度变化
反思一：燃料电池电解质酸碱性的选择
产生气体的燃料电池中更多选择碱性燃料电池？
燃料电池的核心是电极。实际应用的燃料电池，需要有足够高的电流密度，因而应提高电极反应的速率。燃料电池中的反应发生在电极表面(严格说是电极、气体和电解质组成的三相界面)上，影响电极反应速率的主要因素是催化活性和电极表面积。燃料电池的电极不是简单的固体电极，而是所谓的多孔电极。多孔的表面积是电极几何面积的102一108倍。电极的催化活性对于低温燃料电池尤为重要，因为电极反应在低温时的速率很低。另外燃料电池的电极还要求导电性好，耐高温和耐腐蚀。
动力学优势：电极材料的吸附氢气分子的能力；电极表面积；电极的催化能力等
燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的工作不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整的燃料电池系统。
反思二：锂电池 VS 锂离子电池
20世纪50~60年代锂一次电池开始研究到迅速发展密度低比能量高电极电势高（放电能力强）
20世纪60~80年代锂二次电池功能齐全可放可充充电技术不成熟锂沉积不规则穿透隔膜短路易爆炸
20世纪末~21世纪钴酸锂（LiCO2）磷酸铁锂(LiFePO4)规则沉积没有最好只有更好
S8+2Li++2e- = Li2S83Li2S8+2Li++2e- = 4Li2S62Li2S6+2Li++2e- = 3Li2S4Li2S4+2Li++2e- = 2Li2S2
全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列说法错误的是（ ）
A．电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6+2Li++2e−=3Li2S4B．电池工作时，外电路中流过0.02 ml电子，负极材料减重0.14 gC．石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性D．电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多
钠离子电池具有储量丰富、成本较低、充电时间快的特点，有望取代锂离子电池。下图是常温钠离子全固态浓差电池工作示意图。正极材料为层状含钠过渡金属氧化物，负极为钠锡合金（Na15Sn4）。下列说法合理的是（ ）
A. 该电池工作时不发生氧化还原反应B. 放电时，负极的反应为：C. 充电时，Na＋会被吸附进入过渡金属氧化层D. 充电时，a极接电源的负极，b极接电源的正极
钠离子电池的工作原理是利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时Na＋从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na＋从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，在正常的充放电情况下钠离子在正负极间的嵌入脱出不破坏电极材料的基本化学结构。
反思三：放电顺序的问题
①铅在氢之前，对应离子得电子能力弱。②能斯特方程： 浓度，温度，酸碱度影响物质氧化性。
电解水（c(H+)=1ml/L的硫酸）
燃料电池（c(H+)=1ml/L的硫酸）
正极：O2＋4H+＋4e- = 2H2O EΘ=1.23V
负极：H2=2H＋＋2e- EΘ=0.00V
E池=E正-E负=1.23-0.00=1.23V
理论上外加1.23V的直流电即可完成电解反应当电压超过1.70V后，电流迅速增大，两极产物明显，电解明显发生。1.70V称分解电压。超电压：分解电压与理论电压之间的差值。
2H＋＋2e- = H2
影响析氢过(超)电位的各种因素
不同的金属对析氢反应有不同的催化能力，同时不同的金属对氢有不同的吸附能力，均会导致在不同电极上的析氢过电位的差异。
喷砂处理过的零件表面上比抛光处理过的零件表面上更容易析氢（铂黑电极）①金属本身的性质在析氢过电位方面有优越②黑：金属表面喷有小颗粒金属
困惑：铅蓄电池 and 白铁镀锌层？
①高过电位（1.0~1.5V），属于这类金属的有Pb，Zn，Hg等②中过电位（0.5~0.7V），属于这类金属的有Fe，C，Ni等③低过电位（0.1~0.3V），属于这类金属的主要是Pt和Pd等
得电子能力：H+＞ Pb2+＞Zn2+
应试教育下，我们最高效的方式莫过于模型认知。模型即我们掌握的规律或结论，但规律或结论往往依附于条件。当条件发生变化时，规律或结论也有可能随之发生改变。根据化学中的真实情境对已有认知模型进行再思考，时而满足、时而冲突，在冲突中敢于用批判性的思维去重新审视已有知识，用发展的思维去解决新的问题。这也许是我理解的自然科学所需要的学科思维！也许研究规律存在的条件，要比研究规律或结论本身对学科思维的培养更有价值。 ——老夏化学趣
四是通过提供新反应、新装置、新成果、新技术，考查学生提取、加工和整合信息的能力，形成自主学习、终身学习的意识和能力。
化学学科考试必须坚持引导教学。化学学科考试的考试内容、形式和结果直接影响教育资源的分配、教学内容的设置以及教育教学的形式等，通过内容设置、能力考查和形式创新，促进基础教育化学教学向更加合理的方向发展。引导教学主要从4个方面发力：
一是强化化学知识体系的构建，综合全面地考查符合学生认知特点的化学基础知识，促进学生从整体认识化学学科，形成一个相对完整的学科知识体系；
二是通过对实验知识和能力的考查，推动中学化学实验课程建设，培养学生的实践能力和探究意识；
三是通过对学科能力多维度多层次的考查，促进学生的批判性、缜密性和系统性思维品质的养成；
单旭峰：基于高考评价体系的化学学科考试内容改革实施路径
化学是一门以实验为基础的学科！