2022年高中化学必修——化学能与电能 .pdf

1 授 课 教 案学员：授课教师：所授科目： _化学 _学员年级：高一上课时间：教学标题原电池教学目标了解化学能与电能的相互转化、了解原电池的工作原理及其组成条件、能够写出原电池的电极反应式和总方程式、掌握原电池原理的应用、了解化学电源的分类、应用和发展前景教学内容温故而知新；新课知识要点；例题经典分析；课堂作业510 分钟；家庭作业；6 下次课预授内容和学生讨论下次课要上的内容【新课内容】一、原电池的概念1能量的转化原电池：将化学能转变为电能的装置。电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。2工作原理设计一种装置， 使氧化复原反应所释放的能量直接转变为电能，即将氧化反应和复原反应分别在两个不同的区域进行，并使电子转移经过导线，在一定条件下形成电流。电子从负极较活泼金属流向正极较不活泼金属或碳棒，负极发生氧化反应，正极发生复原反应。电极电极材料反应类型电子流动方向负极复原性较强的金属氧化反应负极向外电路提供电子正极复原性较弱的金属或碳棒复原反应正极从外电路得到电子以下是锌铜原电池装置示意图：3原电池的组成条件(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和复原反应。原电池中两极活泼性相差越大，电池电动势就越高。(2)电解质溶液， 电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。(3)导线将两电极连接，形成闭合回路。(4)有能自发进行的氧化复原反应。4原电池的判断方法1先分析有无外接电池，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。2多池相连，但无外电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 2 5原电池的正负极的判断方法判断依据负极正极电极材料活泼性较强的金属活泼性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电流方向电流流入极电流流出极电解质溶液中离子定向移动方向阴离子移向负极阳离子移向正极发生的反应氧化反应复原反应反应现象溶解的极增重或有气泡放出的极6原电池中带电粒子的移动方向在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。在外电路上电子从负极经导线上流入正极；在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。具体情况见图：二、原电池原理的应用1加快氧化复原反应的速率例如：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。2比较金属活动性强弱例如：有两种金属a 和 b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a 极溶解， b 极上有气泡产生。根据现象判断出a 是负极， b 是正极，由原电池原理可知，金属活动性ab。3用于金属的防护将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。例如：在钢铁闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。4. 判断金属腐蚀的快慢1原电池腐蚀化学腐蚀有防护的腐蚀2对同意金属来说，金属腐蚀的快慢：离子浓度大的电解质溶液离子浓度小的电解质溶液非电解质溶液3活动性不同的两金属，活动性差异越大，腐蚀越快5原电池的设计设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是：1首先将已知的氧化复原反应拆分为两个半反应；2根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液。电极材料的选择在原电池中，选择复原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液或其中溶解的物质反应。电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应如空气中的氧气 。但如果两个半反应分别在两个容器中进行中间连接盐桥，则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜锌硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。3按要求画出原电池装置图。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 3 三、几种常见的电池1、一次电池：放电之后不能充电，内部的氧化复原反应是不可逆的。干电池：一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。一次电池碱性锌锰电池构成 : 负极是锌 ,正极是 MnO2,正极是 KOH 工作原理 :负极Zn+2OH2e=Zn(OH)2；正极 :2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH总反应式 :Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2特点 :比能量较高 ,储存时间较长 ,可适用于大电流和连续放电。纽扣式电池也叫银锌电池负极： Zn + 2OH2e= ZnO + H2O 正极： Ag2O + H2O + 2e= 2Ag + 2OH总反应式： Ag2O + Zn = 2Ag + ZnO 锌银电池的负极是Zn，正极是 Ag20，电解质是KOH 特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。锂电池锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOC12)中组成。负极： 10Li10e10Li+正极： 4SOC12+10eSO42+3S+8Cl总反应式为： 10Li+34SOC12=8LiCl+Li2SO4+3S 特点：锂电池是一种高能电池，质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。2、二次电池铅蓄电池放电电极反应：负极： Pb(s)+SO42(aq)2ePbSO4(s)；正极： PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)+2ePbSO4(s)+2H2O(l) 总反应式： Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l) 充电电极反应：阳极： PbSO4(s)+2H2O(l)2e=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)；阴极： PbSO4(s)+2e=Pb(s)+SO42(aq) 总反应： 2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 总反应方程式：Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) +2H2O(l) 说明：A负极阴极正极阳极名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 4 BK1K2电池的正负极分别和电源的正负极相连C各极的 pH 变化看各电极反应，电池的pH 变化看电池总反应镍一镉碱性蓄电池负极： Cd+2OH2e=Cd(OH)2；正极： 2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH总反应式： Cd +2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+ Cd(OH)23、燃料电池电池电极反应酸性电解质碱性电解质氢氧燃料电池负极2H24e4H+2H2+4OH4e4H2O 正极O2+4H+4e2H2O O2+2H2O+4e4OH总反应2H2+O22H2O 2H2+O22H2O 甲烷燃料电池负极CH4 + 2H2O8e=CO2 + 8H+CH4+10OH8e=CO32+7H2O 正极2O2 + 8H+ + 8e4H2O 2O2+4H2O+8e=8OH总反应CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O 甲醇燃料电池负极2CH3OH + 2H2O12e= 2CO2 + 12H+2CH3OH +16OH12e=2CO32+12H2O 正极3O2 +12H+ +12e6H2O 3O2+6H2O+12e=12OH总反应2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O 2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O 除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧气外，空气中的氧气也可作氧化剂。燃料电池的能量转化率高于80，远高于燃烧过程仅30左右，有利于节约能源。燃料电池有广阔的发展前途。四、正确书写电极反应式1 列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。2 标明电子的得失。3 使质量守恒。电极反应式书写时注意：负极反应生成物的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。假设不共存， 则该电解质溶液中的阴离子应该写入负极反应式；假设正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则H2O 必须写入正极反应式，且生成物为 OH；假设电解液为酸性，则H+必须写入反应式中，生成物为H2O。电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。4 正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。假设能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。注意相加减时电子得失数目要相等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 5 【例题讲析】例 1铜锌原电池如图工作时，以下表达正确的选项是A正极反应为：Zn2e-=Zn2+B电池反应为：Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu C在外电路中，电子从负极流向正极D盐桥中的K+移向 ZnSO4溶液【答案】 BC 【解析】 Zn 是负极，故A 错；电池总反应和没有形成原电池的氧化复原反应相同，故B 正确；根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C 正确；在溶液中，阳离子往正极移动，故 D 错误。例 2某同学根据离子反应方程式2Fe3+Fe=3Fe2+来设计原电池。以下设计方案中可行的是A电极材料为铁和锌，电解质溶液为FeCl3溶液B电极材料为铁和石墨，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液C电极材料为铁和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液D电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液【答案】 B 【解析】由离子反应方程式可知，设计的原电池中Fe 为负极，不与电解质溶液反应的导体为正极，含 Fe3+的溶液为电解质溶液，故B项可行。例 3X、Y、Z、W 四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。X、Y相连时， X为负极； Z、W 相连时，电流方向是WZ；X、Z 相连时， Z极上产生大量气泡；W、Y相连时， W 极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( ) AXZWY BZXYW CWX Y Z DYWZX 【答案】 A 【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生复原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此， X、Y 相连时， X 为负极，则活泼性XY；Z、W 相连时，电流方向是 WZ，则活泼性ZW；X、Z 相连时， Z 极上产生大量气泡，则活泼性XZ；W、Y 相连时， W 极发生氧化反应，则活泼性WY。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是XZWY。例 4Zn-MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2NH4Cl混合溶液。1该电池的负极材料是。电池工作时，电子流向填“正极”或“负极” 。2假设 ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是。欲除去Cu2+，最好选用以下试剂中的填代号。a.NaOH b.Znc.Fe d.NH3H2O (3)MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是。假设电解电路中通过2mol 电子， MnO2的理论产量为。【答案】 1Zn 正极2锌与复原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀b 32H+2e-=H2，87g 【解析】1负极发生氧化反应，Zn 失电子，做负极。电子由负极经外电路流向正极。2锌与复原出来的Cu 构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选 Zn 将 Cu2+ 置换为单质而除去。 3阴极上得电子，发生复原反应，H+得电子生成氢气。因为MnSO4MnO22 e-，通过 2mol 电子产生1mol MnO2，质量为 87g。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 6 例 5某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+，其基本结构见以下图，电池总反应可表示为：2H2O22H2O，以下有关说法正确的选项是A电子通过外电路从b 极流向 a 极Bb 极上的电极反应式为：O22H2O4e4OHC每转移 0.1 mol 电子，消耗1.12 L 的 H2DH由 a极通过固体酸电解质传递到b 极【答案】 D 【解析】该氢氧燃料电池的a 极通入 H2，故为负极， b 极通入O2，为正极。这样电子通过外电路应由 a极流向 b 极，故 A 选项错误；酸性电解质存在下，B选项中 b 极上的电极反应为O2+4e-+4H+=2H2O ；C选项没有说明是标准状况下；D 选项是正确的，H2在 a 极失电子变成H+，由固体酸电解质传递至b 极。例 6某燃料电池所用的原料为H2和空气 (含一定量的CO2)，电解质为熔融的K2CO3。电池的总反应为：2H2+O2=2H2O，负极反应为：H2+CO32-2e= H2O+CO2。以下说法中正确的选项是A正极反应为：4OH4e=2H2O+O2 B电池放电时，电解质中CO32-的物质的量将减小C放电时，电解质中CO32向负极移动D电池工作时，电子从正极经外电路流向负极【答案】 C 【解析】 A 项中正极反应应为：O2+4e+2 CO22CO32，B项中 CO32-的物质的量应不变，D 项中电池工作时，电子应从负极经外电路流向正极。要注意电解质为熔融的K2CO3而不是水溶液。【当堂练习】1、用铜片、银片、Cu (NO3)2溶液、 AgNO3溶液、导线和盐桥装有琼脂-KNO3的 U 型管构成一个原电池。以下有关该原电池的表达正确的选项是在外电路中，电流由铜电极流向银电极正极反应为：Ag+e-=Ag 实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A. B.C.D.2、将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下表达正确的选项是( ) A两烧杯中铜片外表均无气泡产生B甲中铜片是正极，乙中铜片是负极C两烧杯中溶液的pH 均增大D产生气泡的速率甲比乙慢3、依据氧化复原反应：2Ag+ (aq)+Cu (s)=Cu2+ (aq)+2Ag (s)设计的原电池如下图。请答复以下问题：(1)电极 X的材料是 _；电解质溶液Y是_；(2)银电极为电池的_极，发生的电极反应为_；X 电极上发生的电极反应为_；(3)外电路中的电子是从_电极流向 _电极。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 7 4、根据以下实验事实：(1) X+Y2+ = X2+ + Y (2) Z + 2H2O冷水 =Z(OH)2 + H2(3)Z2+离子的氧化性比X2+弱(4)由 Y、W 作电极组成的原电池负极反应为：Y2e=Y2+，由此可知， X、 Y、Z、W 的复原性由强到弱的顺序是AX Y Z W BY X W Z CZ X Y W DZ Y X W 5、碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn (s)+2MnO2 (s)+2H2O (1)=Zn(OH)2 (s)+2MnOOH (s) 以下说法错误的选项是A电池工作时，锌失去电子B电池正极的电极反应式为：2MnO2 (s)+2H2O (1)+2e=2MnOOH (s)+2OH(aq) C电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D外电路中每通过0.2 mol 电子，锌的质量理论上减少6.5 g 6、生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：2PbSO4+2H2O充电放电PbO2+Pb+2H2SO4以下对铅蓄电池的说法中错误的选项是( ) A需要定期补充硫酸B工作时Pb是负极， PbO2是正极c工作时负极上发生的反应是Pb2e+SO42=PbSO4D工作时电解质溶液的密度减小7、高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH ，以下表达不正确的选项是A放电时每转移3 mol 电子，正极有1mol K2FeO4被氧化B充电时阳极反应为：2Fe(OH)36e+ 10 OH= 2FeO42+ 8H2O C放电时负极反应为：3Zn6e+6OH= 3Zn(OH)2D放电时正极附近溶液的碱性增强8、镍镉Ni-Cd可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd + 2NiOOH + 2H2O放电充电Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 有关该电池的说法正确的选项是A充电时阳极反应：Ni(OH)2e+ OH- = NiOOH + H2O B充电过程是化学能转化为电能的过程C放电时负极附近溶液的碱性不变D放电时电解质溶液中的OH-向正极移动9、用二根铂丝作电极插入KOH溶液中，分别向两极通入甲烷和氧气，可作为一种燃料电池的模拟装置。试判断以下说法正确的选项是( ) A通氧气的铂极为负极B此电池反应为CH4+2O2 = CO2+2H2O C此电池放电时，KOH浓度减小D此电池放电时，KOH浓度不变10、有人设计出利用CH4和 O2反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在 O2中燃烧的反应，则以下说法中正确的选项是( ) 每消耗 l mol CH4可以向外电路提供8 mol e名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 8 负极上 CH4失去电子，电极反应式为CH4+10OH8e=CO32+7H2O 负极上 O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e=4OH电池放电时，溶液pH 不断升高ABCD11、一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是ACH3OH (g)+O2 (g)=H2O (l)+CO2 (g)+2H+(aq)+2eBO2 (g)+4H+(aq)+4e=2H2O (l) CCH3OH (g)+H2O (l) 6e=CO2 (g)+6H+(aq) DO2 (g)+2H2O (l)+4e=4OH【课堂小结】装置特点：化学能转化为电能形 两个活泼性不同的电极成 电解质溶液一般与活泼性强的电极发生氧化复原反应条 形成闭合回路或在溶液中接触件 能自发进行的氧化复原反应负极：原电池中电子流出的一极，负极一定发生氧化反应正、负极正极：原电池中电子流入的一极，正极一定发生复原反应失电子沿导线传递，有电流产生反应原 氧化反应负极铜锌原电池正极复原反应理电解质溶液主 加快化学反应速率要 判断金属活动性的强弱应制备各种干电池、蓄电池等实用电池用化学腐蚀 金属腐蚀析氢腐蚀电化学腐蚀条件、现象、本质、联系吸氧腐蚀授 课 教 案附页阳离子移动不断溶解名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -