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理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 比能量 电化学计算

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装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车,作为电化学重要组成的效率问题,教材中出现了比能量和比功率的定义,但很少引起关注。 最近一些模考出现了这类题型,很多学生被考了个措手不及,有必要及时修复知识体系的漏洞,对避免失分是非常重要的。 策略一:厘清法拉第常

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装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车,作为电化学重要组成的效率问题,教材中出现了比能量和比功率的定义,但很少引起关注。最近一些模考出现了这类题型,很多学生被考了个措手不及,有必要及时修复知识体系的漏洞,对避免失分是非常重要的。

策略一:厘清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系

1个电子电量是1.6×10-19C,1 mol电子数约为6.02×1023,1 mol电子所带电量的绝对值即F=6.02×1023 mol-1×1.6×10-19 C=96320 C/mol,试题中经常提供的数值为F=96500 C/mol。

电源或电池提供电量Q=I·t(注意单位:电流强度为A,时间为s),

若试题中没有提供法拉第常数,可以将电量除以1个电子所带的电量得到电子个数,再除以阿伏加德罗常数得到电子物质的量,

理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算

[例1] 以石墨为电极,用电流强度为I(安培)的直流电电解足量RCly的水溶液,t min后,精确测得电极上析出n g金属R,设金属R的摩尔质量为M g/mol,则阿伏加德罗常数的计算式可表示为(每个电子电量:1.6×10-19C)(    ) 


理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算

策略二:利用题中新定义信息逆向求解

1.比能量:电池单位质量或单位体积所输出电能的多少[单位:(W·h)/kg或(W·h)/L]。

单位质量或体积指表达式中质量或体积处在分母位置,从单位看是kg或L。电池理论产生的电能处在表达式的分子位置,计算公式W=U×I×t=U×Q=P×t,其中W是电功,单位为焦耳(J);U是电压,单位为伏特(V);I是电流,单位为安培(A);t是时间,单位为秒(s);Q是电量,单位为库仑(C),P是功率,单位为瓦(W),1kW·h=3.6×106 J。

2.比功率:电池单位质量或单位体积所输出功率的大小[单位:(W)/kg或(W)/L],P=UI。

3.电流利用效率=理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算×100%,负载利用电量是通过电解计算出转移电子物质的量,电池输出电量是电流表和钟表测定值Q=I·t,再通过法拉第常数将Q转化为电子物质的量。

[例2] 二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg-1)。电解质为酸性,该电池的理论输出电压为1.20 V,能量密度E=________。

(列式计算。能量密度=理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算,已知F=96 500 C/mol,1 kW·h=3.6×106 J)。

[解析] 由能量密度定义表达式和单位可知,求解的关键问题是求出电池输出电能即电功。假设消耗1 kg的CH3OCH3,依据W=U×Q,1 molCH3OCH3中2NA个-2价碳被氧化为+4价CO2,转移12 mol电子,1 kg CH3OCH3反应产生的电量理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算×12×96500 C/mol,W=U×Q=1.2 V××12×96500 C/mol,所得电功单位是J,需要换算成kW·h,W=1.2 V××12×96500 C/mol÷3.6×106 J/(kW·h),

能量密度=理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算=8.39(kW·h)/kg。


[答案]8.39(kW·h)/kg

策略三:两类相关能量转化效率的计算

类型一:理论物质消耗和析出的相关计算

[例3] 有一个铅蓄电池最初有100 g Pb和100 g PbO2,加入过量的硫酸,发生如下反应:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。理论上,一个电池可以放电到其中一个电极完全耗尽为止。假如不再充电,电池工作到反应完全,若该电池放电电流为1.00 A。通过计算求:

(1)正、负极的电极材料中,________极先消耗完。

(2)理论上该电池放电最长时间是多少小时?(已知F=96 500 C/mol)

[解析]

理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算

[答案](1)正 (2)22.41 h

类型二:能量转化效率的相关计算

[例4] 若用放电电流强度I=2.0 A的电池工作10min,电解精炼铜得到铜0.32 g,则电流利用效率为________(保留小数点后一位)。(已知:F=96 500 C/mol,电流利用效率=×100%)

[解析]通过电流利用效率表达式可知,负载利用电量用来电解精炼铜,电池输出电量是电流表和钟表测定值。电解精炼铜得到铜0.32 g时,n(Cu)==0.005 mol,电解消耗的电量Q=2×0.005mol×96 500 C/mol=965C。据放电的电流强度I=2.0A,电池工作10 min,计算得电池的输出电量Q=I·t=2.0 A×10×60 s=1 200 C,电流利用效率=理清电化学中比能量、比功率相关概念以及重要计算×100% ≈80.4%。

[答案]80.4%

(责任编辑:化学自习室)
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