化学自习室移动版

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)(　 　)

【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。

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

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)

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%

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。