6.3化学能与电能的转化 课件-2025-2026学年高一下学期化学苏教版必修第二册

第三单元　化学能与电能的转化 专题6 化学反应与能量变化 原电池的工作原理 将化学能转变为电能的装置称为原电池。在原电池中，两个电极上分别发生氧化反应和还原反应。还原剂在负极发生氧化反应，失去电子；电子通过导线由原电池的负极流向正极，氧化剂在正极得到电子发生还原反应。 以Cu－Zn－H2SO4原电池为例，Cu电极上H＋得电子，发生还原反应，作正极，Zn失电子，发生氧化反应，作负极，稀硫酸作电解质溶液。电解质溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极。 书写电极反应式时，先判断负极材料，若是金属，则失电子而变为相应的阳离子，若是其他被氧化的物质（如氢氧燃料电池中的H2），则失电子变为相应的氧化产物，再结合电池总反应式推断正极反应。 原电池的形成条件 （1）金属活动性不同的两种金属电极材料（或金属与导电非金属，燃料电池除外）； （2）电解质溶液（或熔融状态的电解质）； （3）“两极”“一液”形成闭合回路； （4）能自发进行的氧化还原反应。 原电池原理的应用 1.比较金属活动性强弱 两种金属分别作原电池的两极时，一般相对活泼的金属作负极，相对不活泼的金属作正极。 2.设计制作原电池 （1）将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应，即氧化反应和还原反应； （2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液（负极材料一般是失电子的物质，正极选用比负极相对不活泼的金属，也可以是石墨）； （3）按要求画出原电池装置图。 3.金属腐蚀的防护 待保护金属作原电池的正极而得到保护。例如船体是钢铁材料，铁在海水中易被腐蚀，在船体外壳上焊接比铁活泼的金属，如Zn，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn作负极被消耗，Fe得到保护。 4.加快氧化还原反应的速率 一个自发进行的氧化还原反应，当存在原电池反应时，反应速率会加快。如Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，会在锌表面形成无数微小的Cu－Zn－H2SO4原电池，从而使产生H2的速率加快。 不同类型的电池的特点对比 化学电源可分为一次电池、二次电池和燃料电池。一次电池用过之后不能复原，二次电池充电后能继续使用。 名称 干电池（一次电池） 可充电电池（二次电池） 燃料电池 特点 活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度后，不能再使用 ①放电后可充电，使活性物质获得再生 ②可以多次充放电，重复使用 ①电极本身不包含活性物质 ②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部提供，在电极上不断反应，生成物不断排出 举例 普通锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌纽扣电池等 铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等 氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等 原电池与电解池的判断 （1）若无外接电源，可能是原电池，可根据原电池的构成条件判定；若有外接直流电源，两极插入电解质溶液（或熔融状态的电解质）中形成闭合回路，则是电解池。 （2）若是多个装置串联且无外加电源，则其中只有一个是原电池，其余为电解池。一般情况下，电极的金属活动性相差最大的装置为原电池。 原电池正、负极的判断方法 （1）根据电极材料判断 一般情况下，活动性相对较强的金属是负极，活动性相对较弱的金属或导电非金属是正极。 （2）根据电子流向或电流方向判断 电子流出的电极是负极，电子流入的电极是正极。电流的方向与电子的流向相反。 （3）根据电解质（或电解质溶液）里离子的移动方向判断 电解质（或电解质溶液）里阴离子流向的电极是负极，阳离子流向的电极是正极。 （4）根据两极的反应性质判断 发生失电子氧化反应的是负极，发生得电子还原反应的是正极。 （5）根据两极的现象判断 一般情况下，溶解的电极是负极，有气体生成或质量增加的电极是正极。 （2025·江苏镇江丹阳高一期末）利用电化学原理消除污染，同时获得电能。一种处理垃圾渗透液的装置工作原理如图所示。下列说法正确的是（　　） A.X是正极，N发生氧化反应 B.盐桥内K＋移向X电极 C.Y极的电极反应：2N＋10e－＋12H＋N2↑＋6H2O D.当电路中通过5 mol电子时，电池共释放14 g气体 C 该装置为原电池装置，X电极附近N元素化合价升高，故X为负极，电极反应为2N－6e－N2↑＋8H＋，Y为正极，电极反应为2N＋10e－＋12H＋N2 ↑ ＋6H2O。根据分析，X为负极，N发生氧化反应，A错误；盐桥内K＋移向正极，即Y电极，B错误；根据分析，Y为正极，电极反应为2N＋10e－＋12H＋N2↑＋6H2O，C正确；当电路中通过5 mol电子时，负极产生 mol N2，正极产生0.5 mol N2，电池共释放g≈37.3 g气体，D错误。 判断原电池正、负极时，不能只根据金属活动性的相对强弱判定，有时还与电解质溶液的性质有关，如例题中的选项B，要根据具体情况来判断正、负极。 控制变量方法的应用 草酸与高锰酸钾在酸性条件下能够发生如下反应：Mn＋H2C2O4＋H＋Mn2＋＋CO2↑＋H2O（未配平）。用4mL 0.001 mol·L－1 KMnO4溶液与2 mL 0.01mol·L－1 H2C2O4溶液研究不同条件对化学反应速率的影响。改变的条件如下： 组别 10％硫酸体积/mL 温度/℃ 其他物质 Ⅰ 2 20 － Ⅱ 2 20 10滴饱和MnSO4溶液 Ⅲ 2 30 － Ⅳ 1 20 1mL蒸馏水 （1）该反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为　　　　。 2∶5　 反应Mn＋H2C2O4＋H＋Mn2＋＋CO2↑＋H2O中，锰元素的化合价由＋7价降至＋2价，Mn为氧化剂，1 mol Mn得到5 mol电子，碳元素的化合价由＋3价升至＋4价，H2C2O4为还原剂，1 mol H2C2O4失去2 mol电子，根据得失电子守恒，氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶5。 （2）若要研究催化剂对化学反应速率的影响，应选择实验　　　　（用Ⅰ～Ⅳ表示，下同）和　　　　；若要研究温度对化学反应速率的影响，应选择实验　　　　和　　　　。 Ⅰ　Ⅱ　Ⅰ　Ⅲ 研究催化剂对化学反应速率的影响，应保证温度、浓度相同，则选实验Ⅰ和Ⅱ；研究温度对化学反应速率的影响，应保证浓度相同，不使用催化剂，则选实验Ⅰ和Ⅲ。 （3）对比实验Ⅰ和Ⅳ，可以研究　　　　　　　对化学反应速率的影响，实验Ⅳ中加入1mL蒸馏水的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 c（H＋）（或硫酸溶液的浓度）　确保对比实验中溶液总体积相同，c（KMnO4）、c（H2C2O4）相同 实验Ⅰ和Ⅳ，硫酸的浓度不同，可研究硫酸浓度对反应速率的影响，实验Ⅳ中加入1mL蒸馏水的目的是稀释硫酸，确保实验中溶液总体积相同，c（KMnO4）、c（H2C2O4）相同。 化学平衡状态的判断 利用压强p、密度ρ、相对分子质量M等判断化学平衡时要“三看”： （1）一看外界条件，容器的体积是固定的还是可变的； （2）二看反应中是否全为气体物质，即气体的质量是否守恒； （3）三看反应前后气体的体积是否发生变化。 （1）下列方法中，可以证明2HI（g）H2（g）＋I2（g）已达平衡状态的是　　　　（填序号，下同）。 ①单位时间内生成n mol H2的同时生成n mol HI ②一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂 ③百分组成：w（H2）＝w（I2） ④反应速率：v（H2）＝v（I2）＝ ⑤c（HI）∶c（H2）∶c（I2）＝2∶1∶1 ⑥温度和体积一定时，某一生成物浓度不再变化 ⑦温度和体积一定时，容器内压强不再变化 ⑧条件一定时，混合气体的平均相对分子质量不再变化 ⑨温度和体积一定时，混合气体的颜色不再变化 ⑩温度和压强一定时，混合气体的密度不再变化 ②⑥⑨ 观察反应的特征可知，此反应在反应前后气体分子数目不发生变化，即在反应的任何一个阶段，容器内压强不发生改变，气体的总质量不变、总物质的量不变，因此混合气体的密度、平均相对分子质量均不发生改变。 （2）上述⑥～⑩的说法中，能说明2NO2（g）N2O4（g）达到平衡状态的是　　　　　　　。 ⑥⑦⑧⑨⑩ 观察反应的特征可知，此反应在反应前后气体分子数目发生改变，因此混合气体的平均相对分子质量、密度（压强一定时）都发生改变，当反应处于平衡状态时，这些都不再改变，此时c（NO2）恒定，混合气体颜色不再变化。 化学反应速率与平衡图像 化学反应速率及化学平衡的图像能直观描述反应进行的快慢、反应进行的程度等问题。解答化学反应速率图像题的三步骤：“一看”“二想”“三判断”。 “一看”——看图像 ①看坐标轴：弄清横、纵坐标表示的含义；②看线：弄清线的走向、趋势；③看点：弄清曲线上的点的含义，特别是一些特殊点，如曲线的折点、交点、最高点与最低点等；④看量的变化：弄清是物质的量的变化、浓度的变化还是转化率的变化。 “二想”——想规律 如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系、各物质的反应速率之比与化学计量数之比的关系等。 “三判断”——利用有关规律，结合图像，通过对比分析，做出正确判断。 （2024·江苏常州溧阳高一期末）温度一定时，在某恒压容器中发生反应：2C（s）＋2NO2（g）N2（g）＋2CO2（g），部分反应物和生成物的物质的量随时间的变化如图所示（曲线m、n）。下列说法正确的是（　　） A.t2 min时，反应达平衡状态 B.t1 min时反应速率：v正（NO2）＞2v逆（N2） C.反应过程中，容器内气体的质量保持不变 D.平衡后充入1 mol Ar，此时化学反应速率增大 B 根据图像可知，t2 min后，反应物、生成物的物质的量还在发生改变，说明此时反应未达到平衡状态，A错误；根据图像可知，t1min时，Δn（m）∶Δn（n）＝（2.0－1.2） mol∶（0.4－0） mol＝0.8 mol∶0.4 mol＝2∶1，结合反应的化学方程式中物质的转化关系可知，m表示NO2的物质的量随时间变化的曲线，n表示N2的物质的量随时间变化的曲线，此时反应正向进行，未达到平衡状态，因此v正（NO2）＞v逆（NO2），结合反应计量关系可知，v逆（NO2）＝2v逆（N2），故存在关系：v正（NO2）＞2v逆（N2），B正确；反应物C是固体物质，反应正向进行时，气体的质量增大，反应逆向进行时，气体的质量减小，故反应过程中，容器内气体的质量发生改变，C错误；恒压容器内，平衡后充入1 mol Ar，容器体积变大，则各组分的浓度变小，因此此时化学反应速率减小，D错误。 热化学方程式中ΔH的常用计算方法 （1）根据热化学方程式计算 热化学方程式中各物质化学式前面的化学计量数表示物质的量，化学计量数加倍，ΔH的数值亦加倍，因此，热化学方程式中各物质的物质的量与ΔH的数值成正比。 （2）根据键能估算 键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可用于估算化学反应的反应热（ΔH），化学反应的反应热等于反应中断裂的旧化学键的键能之和与反应中形成的新化学键的键能之和的差，即ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和。 （3）根据反应物、生成物的总能量计算 任何化学反应都要遵循能量守恒，即反应物的总能量＋断键时吸收的总能量＝生成物的总能量＋成键时释放的总能量，由此可得计算公式：ΔH＝E生成物－E反应物。 （2025·江苏苏州昆山经济技术开发区高级中学高二月考）已知 1 mol下列物质分解为气态原子消耗的能量与热化学方程式的信息如下表： 则CO2中碳氧双键的键能为（　　） A.432 kJ·mol－1 B.1 606 kJ·mol－1 C.803 kJ·mol－1 D.864 kJ·mol－1 物质 NO CO N2 能量/（kJ·mol－1） 632 1 076 946 热化学方程式 2NO（g）＋2CO（g）2CO2（g）＋N2（g）　ΔH＝－742 kJ·mol－1 C 1 mol物质分解为气态原子消耗的能量即该物质的键能，设CO2中碳氧双键的键能为xkJ·mol－1，由ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能＝（2×632＋2×1 076） kJ·mol－1－（946＋2×2x） kJ·mol－1＝－742 kJ·mol－1，解得x＝803。故选C。 燃料电池及电极反应式的书写 （1）燃料电池的分析模板 （2）解答燃料电池题目的几个关键点 ①通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气； ②注意介质的成分，是电解质溶液还是熔融盐或氧化物； ③通过介质中离子的移动方向，可以判断电池的正、负极，同时考虑该离子是否参与靠近一极的电极反应。 （2025·山东济南第一中学高一期中）NO2、O2和熔融KNO3可作燃料电池，其原理如图所示。该电池在放电过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，Y可循环使用。下列说法错误的是（　　） A.放电时，N向石墨Ⅰ电极迁移 B.电池总反应为4NO2＋O22N2O5 C.石墨Ⅱ附近发生的反应为2N2O5＋O2＋4e－4N D.当外电路通过4 mol e－时，负极上共产生2mol N2O5 D NO2、O2和熔融KNO3可作燃料电池，NO2作燃料，O2作氧化剂，所以石墨Ⅰ为负极、石墨Ⅱ为正极，石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，因为负极上失电子，所以Y是五氧化二氮，则石墨Ⅰ的电极反应式为NO2＋N－e－N2O5，石墨Ⅱ的电极反应式为2N2O5＋O2＋4e－4N，电池的总反应为4NO2＋O22N2O5。放电时，电解质中阴离子向负极移动，则N向石墨Ⅰ电极迁移，A正确；由分析可知，电池的总反应为4NO2＋O22N2O5，B正确；石墨Ⅱ为正极，附近发生还原反应：2N2O5＋O2＋4e－4N，C正确；根据NO2＋N－e－N2O5，当外电路通过4 mol e－时，负极上共产生4 mol N2O5，D错误。 $