【หนังสือเรียนฉบับพื้นฐาน สำหรับมัธยมปลาย วิชาเคมี ภาคเรียนที่ 1 หัวข้อเลือกเพิ่มเติม】: แหล่งพลังงานของอารยธรรมสมัยใหม่: การแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า

ลองนึกภาพในพื้นผิวดาวอังคารที่เงียบสงบZhurongยานสำรวจทำงานอย่างไรในคืนที่หนาวเย็นจัด? คำตอบซ่อนอยู่ในความเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนในระดับไมโคร ——เคมีไฟฟ้า។

เคมีไฟฟ้าคือศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับกฎเกณฑ์การเปลี่ยนแปลงพลังงานระหว่างพลังงานเคมีและพลังงานไฟฟ้า โดยอาศัยการเคลื่อนที่อย่างมีทิศทางของอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน เพื่อควบคุมการปลดปล่อยและการเก็บพลังงาน ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยี ในระบบพลังงานสมัยใหม่ การเปลี่ยนแปลงนี้แสดงออกมาในรูปแบบพื้นฐานสองแบบ:

หลักการและตรรกะหลัก

การเกิดเองและควบคุมได้เซลล์อิเล็กโทรเคมีใช้ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันที่เกิดเองได้ แปลงพลังงานพันธะเคมีโดยตรงเป็นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน (พลังงานไฟฟ้า) ทำให้พลังงานถูกปลดปล่อยอย่างฉับพลัน
การขับเคลื่อนและการเก็บพลังงานในขณะที่เซลล์ไฟฟ้าใช้กระแสไฟฟ้าภายนอกผลักดันปฏิกิริยาที่ไม่เกิดเองได้ นำพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนกลับไปเก็บไว้ในพันธะเคมี จึงสามารถเก็บพลังงานได้สำเร็จ
ระบบนิเวศแบบปิดการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างพันธะเคมีกับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน ไม่เพียงแต่เป็นแรงขับเคลื่อนให้โทรศัพท์มือถือและรถยนต์ไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังเป็นพื้นฐานของอุตสาหกรรมการหลอมโลหะด้วยไฟฟ้า การป้องกันการกัดกร่อนของโลหะ และเศรษฐกิจไฮโดรเจนในอนาคต

คำถามที่ 1

[คำถามเชิงอธิบายสั้น] ใช้ของเสียที่มีตะกั่วจากแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเก่าและ $H_2SO_4$ เป็นวัตถุดิบในการผลิต $PbO$ ที่มีความบริสุทธิ์สูง กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาสองขั้นตอนดังนี้:
① $2Fe^{2+} + PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} = 2Fe^{3+} + PbSO_4 + 2H_2O$
② $2Fe^{3+} + Pb + SO_4^{2-} = 2Fe^{2+} + PbSO_4$
(1) เขียนสมการเคมีของการปฏิกิริยาระหว่าง Pb กับ $PbO_2$ เพื่อสร้าง $PbSO_4$
(2) บทบาทของ $Fe^{2+}$ ในกระบวนการนี้คืออะไร?
(3) กรุณาออกแบบแผนการทดลองเพื่อยืนยันบทบาทของ $Fe^{2+}$

คำถามที่ 2

[คำถามเชิงอธิบายสั้น] ความเข้าใจเกี่ยวกับการกัดกร่อนของโลหะแบบเคมีคืออะไร? ความเข้าใจเกี่ยวกับการกัดกร่อนของโลหะแบบไฟฟ้าคืออะไร? ยกตัวอย่างเพื่ออธิบายผลกระทบที่เกิดจากการกัดกร่อนของโลหะ

คำถามที่ 3

[คำถามหลายข้อ] ในอุปกรณ์ตามภาพด้านล่าง แก้วทั้งหมดมีน้ำทะเล ข้อใดสามารถป้องกันเหล็กไม่ให้เกิดการกัดกร่อนได้ ( )
A. Fe และ C สัมผัสกันโดยตรง
B. Fe และ C ต่อสายไฟ
C. Fe และ Sn ต่อรวมกัน
D. Fe 和 Zn 连接

คำถามที่ 4

[คำถามหลายข้อ] ปฏิกิริยาโดยรวมของแบตเตอรี่ลิเธียมแมงกานีสเบสิกคือ: $Zn + 2MnO_2 + 2H_2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2$ ข้อใดต่อไปนี้เป็นคำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับแบตเตอรี่นี้ ( )

Zn เป็นขั้วบวก เกิดปฏิกิริยาการรีดักชัน

MnO2 เป็นขั้วบวก เกิดปฏิกิริยาการรีดักชัน

เมื่อทำงาน อิเล็กตรอนจะไหลจาก MnO2 ผ่านวงจรภายนอกไปยัง Zn

แบตเตอรี่นี้เป็นแบตเตอรี่ประเภทที่สอง สามารถชาร์จและปล่อยไฟได้หลายครั้ง

การศึกษาเชิงลึก: กฎการดำรงชีวิตด้วยพลังงานของ Zhurong

ใช้หลักการเคมีไฟฟ้าเพื่อแก้ไขปัญหาการดำรงชีวิตในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว

คืนบนดาวอังคารยาวเกิน 12 ชั่วโมง และอุณหภูมิสุดต่ำ ยานสำรวจ Zhurong ใช้แผงโซลาร์เซลล์ในตอนกลางวันเก็บพลังงานไว้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กรุณาวิเคราะห์ระบบดังกล่าวโดยใช้หลักการเคมีไฟฟ้า

คำถาม

1. เมื่อแผงโซลาร์เซลล์ชาร์จแบตเตอรี่ แบตเตอรี่จะทำหน้าที่เหมือนเซลล์อิเล็กโทรเคมีหรือเซลล์ไฟฟ้าในวงจร? เขียนรูปแบบการแปลงพลังงาน

คำตอบ:
เทียบเท่ากับเซลล์ไฟฟ้า รูปแบบการแปลงพลังงานคือ: พลังงานแสงอาทิตย์ $\rightarrow$ พลังงานไฟฟ้า $\rightarrow$ พลังงานเคมี

คำถาม

2. รวมกับกฎการกัดกร่อนของโลหะ ถ้าฝาครอบแบตเตอรี่ที่เป็นโลหะเกิดสนิม ในสภาพแวดล้อมที่มีฝุ่นกรด กับสภาพแวดล้อมเป็นกลาง ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมีความแตกต่างกันอย่างไร?

คำตอบ:
ในสภาพแวดล้อมกรด หลักการที่เกิดคือการกัดกร่อนด้วยการปลดปล่อยไฮโดรเจน โลหะขั้วลบสูญเสียอิเล็กตรอน ขั้วบวกได้รับอิเล็กตรอนจาก $H^+$ แล้วปล่อย $H_2$ ออก ในสภาพแวดล้อมเป็นกลาง เกิดการกัดกร่อนด้วยการดูดซับออกซิเจน ขั้วบวกได้รับอิเล็กตรอนจาก $O_2$ สร้าง $OH^-$ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายมักเป็นไฮดรอกไซด์เหล็กสีแดงน้ำตาลหรือออกไซด์เหล็กที่มีน้ำ