选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化教学ppt课件

这是一份选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化教学ppt课件，共31页。PPT课件主要包含了课前导入，原电池的工作原理，离子方程式，设计原电池，化学电源，二次电池，铅蓄电池，燃料电池，课堂练习等内容，欢迎下载使用。
能源的利用过程，实质上是能量的转换和传递过程。化学能与电能的相互转化，是能量转化的重要形式之一。这种能量转化形式在生产、生活和科学研究中应用十分广泛，如电解、电镀、电池的应用等。因此，认识和研究化学能与电能相互转化的原理和所遵循的规律具有重要意义。
在必修第二册中已经学习了原电池基本的工作原理，首先让我们来回顾一下，再继续进行新的探究。
完成下列实验探究活动，分析锌与硫酸铜溶液反应中的能量转化。【实验1】向一只烧杯中加入1.0 ml·L－1CuSO4溶液30 mL，再加入适量锌粉，用温度计测量溶液的温度，观察温度的变化。【实验2】如图，向两只烧杯中分别加入30 mL 1.0 ml·L-1CuSO4溶液和30 mL 1.0 ml·L－1 ZnSO4溶液，将用导线与电流计相连接的锌片和铜片分别插入ZnSO4和CuSO4溶液中，将盐桥（注：盐桥中通常是装有含KCl饱和溶液的琼脂，离子在盐桥中能移动）两端分别插入两只烧杯内的电解质溶液中，观察实验现象。取出盐桥，再观察实验现象。
实验 2 中发生反应为铜离子得电子，锌失电子的氧化还原反应，化学方程式为：
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu
实验 1 中，锌与硫酸铜溶液反应，溶液温度升高，主要是化学能转化为热能。实验 2 中形成了原电池，将化学能转化为电能，电流计指针发生偏转，说明有电流产生。
金属锌与硫酸铜溶液的反应为：
Zn(s)＋Cu2＋(aq) =Zn2＋(aq) ＋Cu(s) ΔH=－216.81 kJ·ml－1
在通常情况下，该反应过程中化学能转化为热能。如果该反应在原电池中进行，化学能将转化为电能。
在如图1-8的铜锌原电池中，锌片为负极，Zn失去电子，被氧化成Zn2＋进入ZnSO4溶液，锌片逐渐溶解。负极的电极反应式如下：
Zn－2e－= Zn2＋
铜片为正极，锌片上释放的电子经过导线流向铜片，CuSO4溶液中的Cu2＋从铜片上得到电子，被还原成金属铜并沉积在铜片上。正极的电极反应式如下：
Cu2＋＋2e－=Cu
在反应中，盐桥中的Cl－移向ZnSO4溶液，K＋移CuSO4溶液，使两电解质溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行。铜锌原电池中发生的电池总反应式为：
负极：Zn － 2e－= Zn2＋
正极：Cu2＋＋2e－= Cu
电池反应：Cu2＋＋Zn=Cu＋Zn2＋
从上述实验可以看出，原电池由两个半电池组成。半电池包括电极材料和电解质溶液，两个隔离的半电池通过盐桥连接起来。在原电池中，负极上发生氧化反应，给出电子；正极上发生还原反应，得到电子。电流通过导线由原电池的正极流向负极，即电子由负极流向正极。
根据离子反应Cu2＋＋Fe=Cu＋Fe2＋设计一个原电池，并与同学讨论解决下列问题。1. 请在下面的方框中画出原电池构造示意图，并指出正、负极。2. 写出该原电池的电极反应式。负极： 正极： 3. 参考画出的示意图，制作原电池并检测电流。4. 你还能设计其他原电池吗？将你的设计方案与同学交流
根据原电池的反应原理，人们设计和生产出了形形色色的化学电源，包括一次电池、二次电池和燃料电池等。它们在生产、生活和国防等诸多领域得到了广泛的应用。在化学电源中，常见的是一次电池。一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用。使用最广泛的一次电池是干电池，如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等。
普通锌锰干电池是最早进入市场的实用电池，其构造如图所示。普通锌锰干电池制作简单、价格便宜，但存在放电时间短、放电后电压下降较快等缺点。碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能优越，它的比能量［电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位为（W·h）/kg或（W·h）/L］大，能提供较大电流并连续放电。目前，在我国碱性锌锰电池正在逐渐代替普通锌锰干电池。碱性锌锰电池的构造如图所示，其电池总反应式为：
2MnO2 ＋ Zn ＋ 2H2O= 2MnOOH ＋ Zn(OH)2 氢氧化氧锰
请指出该电池的正、负极，并写出该电池的电极反应式。
确定正负极：在碱性锌锰电池中，锌为负极，二氧化锰为正极。2.写出电极反应式：
负极锌失去电子，在碱性条件下与氢氧根离子结合生成氢氧化锌；正极二氧化锰得电子，与水作用生成氢氧化氧锰和氢氧根离子。
负极反应式：Zn + 20H--2e-=Zn(OH)2
正极反应式：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+20H-
确定正负极：在银锌纽扣电池中，Ag2O为正极，Zn为负极。
负极反应式：Zn + 20H- -2e- = ZnO + H2O。
正极反应式：Ag2O + H2O + 2e- = 2Ag + 20H-。
电池总反应式为Zn + Ag20 = ZnO + 2Ag。
负极锌失去电子，在碱性条件下与氢氧根离子结合生成氧化锌和水；正极氧化银得电子，与水作用生成银和氢氧根离子。两者相加得到电池总反应式。
二次电池又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，因此二次电池可以多次重复使用。铅蓄电池是最常见的二次电池。由于铅蓄电池的性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电，所以在生产和生活中使用广泛，如汽车等机动车辆多数使用这种蓄电池。铅蓄电池的缺点是比能量低，废弃后会污染环境等。
铅蓄电池由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2，负极 板上覆盖Pb，电解质是硫酸。 铅蓄电池的放电反应是原电池反应，其电极反应式和电池总反应式为：
负极：Pb＋SO42－－2e－=PbSO4
正极：PbO2＋SO42－ ＋ 4H＋ ＋ 2e－=PbSO4＋2H2O
电池反应：Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO42－=2PbSO4＋2H2O
铅蓄电池的充电反应是上述反应的逆过程：
阴极：PbSO4＋2e－=Pb ＋ SO42－
阳极：PbSO4＋2H2O－ 2e－=PbO2＋4H＋＋SO42－
总反应：2PbSO4＋2H2O=Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO42－
铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示：
Pb＋PbO2 ＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
由铅蓄电池的电池反应可以看出，随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，人们常常根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电。
随着信息技术的发展，为了适应移动通信、便携式电脑和各种电子产品等的广泛使用，科研工作者不断研制出小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。目前已开发出镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等新型二次电池。
锂离子电池的构成及工作原理
与其他化学电池一样，锂离子电池也是由正极、负极和电解质溶液三部分组成的。正极材料多采用磷酸铁（LiFePO4，也称磷酸亚铁锂）或钴酸锂（LiCO2）等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌（即可逆嵌脱）结构的化合物。负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。研究表明，将纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在传统的石墨、纳米碳管里面，可以极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。电解质溶液是锂离子的载体，是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中制成的，其作用是在电池内部正、负极之间形成良好的离子移动通道。
在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。
以钴酸锂-石墨锂电池为例，放电时的电极反应式可表示如下：
负极：LixC6－xe －=6C＋xLi＋
正极：Li(1－x)CO2＋xLi＋＋xe－=LiCO2
电池反应：LixC6＋Li(1－x)CO2=LiCO2＋6C
燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。燃料电池的氧化剂和还原剂不是储藏在电池内部，而是在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此燃料电池能连续不断地提供电能。燃料电池种类很多。氢氧燃料电池是以氢气为燃料，氧气为氧化剂的燃料电池，其工作原理如图所示。氢气、氧气分别在多孔金属电极上发生氧化、还原反应，其反应可表示如下：
负极：2H2＋4OH－－4e－=4H2O
正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－
电池反应：2H2＋O2=2H2O
除氢气外，甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作为燃料电池的燃料。燃料电池的能量转换效率远高于普通燃料燃烧的能量转换效率，应用燃料电池的发电站，具有能量转换效率高、废弃物排放少、运行噪音小等优点。因此，燃料电池具有广阔的发展前景。
火力发电是我国电力的主要来源。我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右，发电效率约40%。同时，全国大约90%的二氧化硫和80%的二氧化碳的排放量也是由煤燃烧产生的。20世纪末，各国热门研究的整体煤气化联合循环（IGCC）发电技术（煤气化是把固体的煤变成可燃烧的气体燃料的技术），可以使总发电效率达到50%~60%。目前，我国正在开展整体煤气化熔融碳酸盐燃料电池（IG-MCFC）发电系统的开发研究，将燃料电池发电技术与整体煤气化联合循环发电技术相结合，该技术是21世纪洁净煤发电技术的一个重要方向。请查阅有关资料和数据，从能量转化、资源的合理利用、环境保护等角度评价该技术发展能否在解决能源问题中发挥作用。
1．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是 (　　)
A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－= 6OH－＋3H2↑C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－= Fe2＋D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－= H2↑
2. 有A，B，C，D，E五块金属片，进行如下实验：①A，B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应；⑤ B、E相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，B极质量减小。据此，判断五种金属的活动性顺序是 ( )A．A>B>C>D>E　　　 B．A>C>D>B>EC．C>A>B>D>E　 D．B>D>C>A>E
3．下列说法正确的是 (　　)A．构成原电池的两个电极必须是活泼性不同的两种金属B．如图原电池中，电流由锌棒经外电路流向铜棒C．通过构成原电池，能将反应的化学能全部转化为电能D．银锌纽扣电池的放电反应：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag， 其中Ag2O作正极，发生还原反应