化学反应与能量变化(二)

三、化学能与电能

1.间接转化（火力发电）：

化学能→热能→机械能→电能

煤燃烧，释放出热量→水吸收热量转变为水蒸气→水蒸气推动涡轮机叶片旋转→涡轮机叶片切割磁感线产生电流

2.直接转化（原电池）：

化学能→原电池

①定义

将化学能直接转化为电能的装置

②原理

将氧化还原反应中的氧化反应和还原反应分区域进行。

在一个区域失去电子，在另一个区域消耗电子，电子在转移的过程中定向移动产生电流。

在电子流经途中加以用电器，则可以利用电能。（注意：利用电能时，电子的数目不发生变化）

③形成条件

首先需要有自发进行的氧化还原反应；

其次要有相连的两电极将电子的得、失分区域进行；

最后得有“容纳”两电极反应物离子或生成物离子的环境，即电解质溶液或熔融的电解质。

④装置

⑤工作原理

	简单原电池Ⅰ	带盐桥的原电池Ⅱ
装置图
总反应	Zn+2H+=Zn2++H2↑
电极 反应	锌片：Zn-2e-= Zn2+ 铜片：2H++2e-=H2↑
电极 名称	锌片：负极（电子流出的电极）     铜片：正极（电子流入的电极）
反应 类型	锌片：氧化反应 铜片：还原反应
电子 流向	外电路中，电子由Zn沿导线方向流向Cu
离子 移向	装置Ⅰ中电解质溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极； 装置Ⅱ盐桥中包含KCl溶液，K+移向正极，Cl-移向负极。
两装置的比较	装置Ⅰ中部分Zn会与Cu2+直接反应，化学能和电能的转化效率低，而且反应时电极附近电解液不是呈电中性，使得电子在外电路迁移困难，电流不断减小；装置Ⅱ盐桥原电池中，电流较大，且持续时间较长。

⑥分类

一次电池（锌锰干电池等）

二次电池（铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等）

燃料电池

 

附1：原电池的应用

①可比较金属的活动性强弱

原电池中活动性较强的金属一般作负极，活动性较弱的金属(或导电的非金属)一般作正极。 

 

②加快化学反应速率

氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。

③用于金属的防护

将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。

如要保护一个铁质的输水管道不被腐蚀，可用导线将其与一块锌块相连，锌块作原电池的负极。 

 

附2：原电池电极反应式书写程序及注意事项

①根据总反应确定正、负极反应物及产物，并配平得失电子

②依据电解质溶液的溶质，适当在电极反应方程式两边添加H⁺、OH^-、H₂O等，以遵循电荷守恒和质量守恒。

 

附3：原电池设计原则

① 能设计成原电池的反应一定是自发的氧化还原反应。

② 将氧化还原反应分成两个半反应。

③ 根据原电池的反应特点，结合两个半反应确定正、负极材料和电解质溶液。电极材料可选用不活泼金属Pt或石墨。

 

附4：燃料电池电极反应书写技巧

第一步：写出燃料电池反应的总反应式

燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。

例：甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O①

CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O②

①式+②式得燃料电池总反应式为：

CH₄+2O₂+2NaOH=Na₂CO₃+3H₂O。

第二步：写出电池的正极反应式

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O₂，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：

①酸性电解质溶液环境下的电极反应式：

O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O

②碱性电解质溶液环境下的电极反应式：

O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

③固体电解质(高温下能传导O^2-)环境下的电极反应式：

O₂+4e^-=2O^2-

④熔融碳酸盐(如熔融K₂CO₃)环境下的电极反应式：

O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-

第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式

电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O₂不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O₂。