化学反应与能量变化(二)
看清反应中能量从哪里来、到哪里去——键能、焓变与盖斯定律的来龙去脉
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化学反应与能量变化(二)
看清反应中能量从哪里来、到哪里去——键能、焓变与盖斯定律的来龙去脉
原电池中的正极和负极
手机没电时,电池把储存的化学能变成电能;前页看到反应伴随电子转移,接着看电子从哪一极出发、到哪一极被接收。
交棒者对应负极,接棒者对应正极;交棒方向就是电子在外电路的流向。
锌-铜-稀硫酸原电池反应
上一页我们知道了正负极的定义。这一页,把锌扔进稀硫酸这个反应「拆」成两半,让电子被迫走远路——这就是锌-铜-稀硫酸原电池。
高处水=Zn(电势高);必经水轮机=必走外电路;推动发电机=电流做功
化学电池
上页锌-铜原电池让电子从锌流向铜点亮小灯——这是化学电池的'最小演示'。但电池家族远不止于此:有的能反复充电,有的只要通入燃料就持续发电。今天我们把这个家族摊开来看。
电势差=水位差;两电极=上下游水池;导线=水渠;电子=水流
锌锰干电池
锌锰干电池:定义、要点与典型应用
一次电池
上页讲到锌锰干电池,它电用完了只能扔掉——这就是一次电池的典型特征。今天系统来看:什么是一次电池,它和可充电电池本质区别在哪。
火柴一擦就烧完,反应物烧没了无法复原
二次电池
上节我们认识了锌锰干电池——电用完就报废,这叫一次电池。可手机电池能反复充放几百次,它凭什么能『倒回去』?
挤出水(放电释能)后能再吸水(充电储能),关键是过程可反复进行
铅酸蓄电池
上一页我们认识到二次电池的充放电是可逆反应。最典型、最古老的二次电池是 1859 年普兰特发明的铅酸蓄电池——它至今仍是汽车启动电池的主力,也是产量最大的化学电源。
放电时两端都'坐下去'生成PbSO₄;充电通电后又把两端'推回'Pb和PbO₂的原位
锂离子电池
上一页讲到铅酸蓄电池可以反复充放电,但太重、容量有限。手机、笔记本、电动车需要更轻、储能更多的电池——这就是锂离子电池的舞台。
书本在两馆间搬运,Li⁺在正负极层间嵌入脱嵌
燃料电池
锌锰干电池、锂离子电池——反应物都封在内部,用完即止或需要充电。如果反应物改成从外部连续通入,产物连续排出,装置就能持续发电——这就是燃料电池的核心思路。
瓶装水喝完见底,水龙头不断水源就持续出水;电池的'水源'是外部持续供给的燃料
燃料电池与普通电池的区别
前页讲了燃料电池的工作原理——燃料持续通入、产物不断排出。那它和我们熟悉的锌锰干电池、锂离子电池到底有什么本质不同?为什么电动车几乎不用它,而火箭、潜艇却离不开它?
充电宝自带电量,用完得插电;燃气灶靠外部通气持续工作,燃料电池同理
车用能源与能量转化方式
前几页我们拆了各种电池和燃料电池的内部反应。现在往后退一步,看整辆车:为什么需要换能源?能量到底怎么从化学物质变成车轮的转动?
燃油车像修水渠直送,沿途渗漏蒸发损耗大;电动车像泵站+管道,环节多但总效率更高
放热反应
锌-铜原电池、燃料电池,这些能对外供电的反应本身都伴随热量释放。这页回到更基础的问题——什么叫放热反应?
势能差就是释放的热量;滚得快慢只对应反应快慢
吸热反应
上一页说到放热反应把能量'送出去'。但并非所有反应都慷慨——有些反应反而要从环境里抢走热量才能发生。掰开冰敷袋的瞬间它变冷,就是吸热反应。
充电把电能塞进电池化学键;吸热把热能塞进生成物的键里,都是'能量存款'
化石燃料
上节我们学过放热反应——燃料燃烧就是典型的放热。煤、石油、天然气为什么叫「化石」燃料?它们又是怎么来的?
远古植物用光合作用把太阳能「存进」身体,地质作用「保管」亿万年,我们燃烧时才能取出
新能源
煤、石油、天然气烧了几百年,储量告急、二氧化碳还在加剧温室效应。于是我们把目光投向『新能源』——它具体指什么、和化石能源的边界在哪里?
森林年年生长可不断利用对应可再生;煤挖完就没了对应化石能源不可再生
本节要点
- ✓原电池本质:把自发氧化还原反应拆到两极,电子定向流动生电流
- ✓一次电池封死反应物即用即弃,二次电池靠反应可逆反复充放
- ✓燃料电池持续供给燃料,电极仅作反应场所而非储能载体
- ✓化学能转电能需三要素:自发氧化还原、两极隔离、电解质导通
- ✓选电池要看能量密度、循环寿命、安全环保的综合权衡
课后思考
先遮住参考答案独立思考 30 秒,再对照思路提示。
参考答案燃料电池是能量转化装置——燃料和氧气反应时直接转化为电能,电极本身不储存能量;锂离子电池则靠电极材料内部储存的化学能。
参考答案温度下降→锂离子在电极中扩散变慢→电解液电导率降低→电池内反应速率减慢→可用容量和放电电流均下降。
参考答案电解水制氢能耗大,"绿氢"成本高;氢气泄漏的温室效应远超 CO₂,储运易燃易爆。氢的"清洁"完全取决于制氢路径。