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电化学命题中转化效率的突破技巧

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 能量转化效率
研究电化学的命题,可以发现电化学装置、电化学相关反应原理和电化学转化效率是其三大热点,作为电化学命题重要组成的效率问题,教材中出现了比能量和比功率的概念,但却很少引起关注,凡事预则立,有备无患,及时补充知识体系的盲点,是避免失分非常重要的举措。 一、

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研究电化学的命题,可以发现电化学装置、电化学相关反应原理和电化学转化效率是其三大热点,作为电化学命题重要组成的效率问题,教材中出现了比能量和比功率的概念,但却很少引起关注,凡事预则立,有备无患,及时补充知识体系的盲点,是避免失分非常重要的举措。

一、比能量

1.含义:比能量为单位质量或单位体积电池对外输出的能量,又称能量密度。从活性电极材料的角度而言,是指参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小。

2.单位:(W·h)/kg或(W·h)/L。

Wh是能量的单位,W是瓦,h是小时,kg是千克,L是升。如5号镍镉电池的额定电压为1.2V,其容量为800mAh,其能量则为0.96Wh,即1.2V×0.8Ah;同样尺寸的5号锂-二氧化锰电池的额定电压为3V,其容量为1200mAh,其能量则为3V×1.2Ah=3.6Wh。这两种电池的体积是相同的,但锂-二氧化锰电池的能量密度是镍镉电池的3.6Wh/0.96Wh=3.75倍。

二、比功率

1.含义:单位时间电池的比能量。

比功率代表了电池能承受的工作电流的大小。比功率较大,则可用较大的电流放电。例如银锌电池在中等电流密度下放电时,比功率可达100W/kg以上;而锌锰干电池在小电流密度下工作时,比功率只能达到10W/kg。

电池的实际比能量远小于理论比能量。这是因为计算比能量时所用的电动势数值只适用于平衡状态,当电流通过时电池的电压会下降;而且实际上使用的电池还有容器、集电极等辅助材料。从一些常见电池的能量看,锌银电池和碱性锌空气电池具有较大的比能量。

2.影响因素

比功率与内阻有关,电池的内阻越大,比功率越小。电池比功率越大,说明电池内阻越小,可以承受的电流越大。

典例剖析

典例1.理清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系

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)(   )

电化学命题中转化效率的突破技巧

【解题宝典】电化学中传递电子的数量是计算的核心,宏观测量的电流强度和时间,通过法拉第常数或阿伏加德罗常数都能获得电子的物质的量。

电化学命题中转化效率的突破技巧

典例2.利用题中信息逆向突破

 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=电池输出电能燃料质量,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 mol CH3OCH3中-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

电化学命题中转化效率的突破技巧

答案: 8.39(kW·h)/kg

【解题宝典】1.根据比能量的含义: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。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),1 kW·h=3.6×106J。

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

3.电流利用效率=(负载利用电量/电池输出电量)×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。

典例3.有关理论消耗量或析出量的计算

酸性锌锰干电池是一种一次性电池,外壳为金属锌,中间是碳棒,其周围是由碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物。该电池在放电过程产生MnOOH,维持电流强度为0.5 A,电池工作5 min,理论消耗Zn    g。(已知F=96 500 C/mol)

电化学命题中转化效率的突破技巧

典例4.有关能量转化效率的计算

若用放电电流强度I=2.0 A的电池工作10 min,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=(负载利用电量/电池输出电量)×100%

电化学命题中转化效率的突破技巧

答案: 80.4%

【名师点拨】化学变化过程同时存在着物质和能量变化,同时遵守质量守恒和能量守恒。原电池和电解池电极反应式直接计算属于理想状态,不考虑效率问题,若用实际析出物质数据计算,因存在其他副反应,要考虑电流效率问题。

(责任编辑:化学自习室)
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