高中化學(xué)必修2——化學(xué)能與電能

1、授 課 教 案學(xué)員姓名： 授課教師： 所授科目：_化學(xué)_學(xué)員年級： 高一 上課時間：教學(xué)標(biāo)題原電池教學(xué)目標(biāo)了解化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化、了解原電池的工作原理及其組成條件、能夠?qū)懗鲈姵氐碾姌O反應(yīng)式和總方程式、掌握原電池原理的應(yīng)用、了解化學(xué)電源的分類、應(yīng)用和發(fā)展前景教學(xué)內(nèi)容（溫故而知新；新課知識要點；例題經(jīng)典分析；課堂作業(yè)（510分鐘）；家庭作業(yè)；下次課預(yù)授內(nèi)容（和學(xué)生討論下次課要上的內(nèi)容）【新課內(nèi)容】一、原電池的概念1能量的轉(zhuǎn)化原電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。電能是現(xiàn)代社會應(yīng)用最廣泛、使用最方便、污染最小的一種二次能源，又稱電力。2工作原理設(shè)計一種裝置，使氧化還原反應(yīng)所釋放的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

2、，即將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個不同的區(qū)域進行，并使電子轉(zhuǎn)移經(jīng)過導(dǎo)線，在一定條件下形成電流。電子從負極（較活潑金屬）流向正極（較不活潑金屬或碳棒），負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。電極電極材料反應(yīng)類型電子流動方向負極還原性較強的金屬氧化反應(yīng)負極向外電路提供電子正極還原性較弱的金屬或碳棒還原反應(yīng)正極從外電路得到電子以下是鋅銅原電池裝置示意圖：3原電池的組成條件 (1)兩個活潑性不同的電極(材料可以是金屬或?qū)щ姷姆墙饘?，分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。原電池中兩極活潑性相差越大，電池電動勢就越高。(2)電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)中陰離子向負極方向移動，陽離子向正極方向移動，陰陽離子定向移動成內(nèi)電路。(3)

3、導(dǎo)線將兩電極連接，形成閉合回路。(4)有能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)。4原電池的判斷方法（1）先分析有無外接電池，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池。（2）多池相連，但無外電源時，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。5原電池的正負極的判斷方法判斷依據(jù)負極正極電極材料活潑性較強的金屬活潑性較弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬電子流動方向電子流出極電子流入極電流方向電流流入極電流流出極電解質(zhì)溶液中離子定向移動方向陰離子移向負極陽離子移向正極發(fā)生的反應(yīng)氧化反應(yīng)還原反應(yīng)反應(yīng)現(xiàn)象溶解的極增重或有氣泡放出的極6原電池中帶電粒子的移動方向在原電池構(gòu)成的閉合電路中，有帶電粒子的定向移動。在外

4、電路上電子從負極經(jīng)導(dǎo)線上流入正極；在內(nèi)電路上即在電解質(zhì)溶液中陰離子移向負極，陽離子移向正極。具體情況見圖： 二、原電池原理的應(yīng)用1加快氧化還原反應(yīng)的速率例如：在鋅與稀H2SO4反應(yīng)時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的速率加快。2比較金屬活動性強弱例如：有兩種金屬a和b，用導(dǎo)線連接后插入到稀H2SO4中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。根據(jù)現(xiàn)象判斷出a是負極，b是正極，由原電池原理可知，金屬活動性ab。3用于金屬的防護 將要保護的金屬設(shè)計成原電池的正極，得到保護。例如：在鋼（鐵）閘門上連接上鋅塊，由于鋅比鐵活潑，可使鋼閘門受到保護。4. 判斷金屬腐蝕的快慢（1）原電池腐蝕化學(xué)腐蝕有防護的腐蝕

5、（2）對同意金屬來說，金屬腐蝕的快慢：離子濃度大的電解質(zhì)溶液離子濃度小的電解質(zhì)溶液非電解質(zhì)溶液（3）活動性不同的兩金屬，活動性差別越大，腐蝕越快5原電池的設(shè)計設(shè)計原電池時要緊扣原電池的構(gòu)成條件。具體方法是：（1）首先將已知的氧化還原反應(yīng)拆分為兩個半反應(yīng)；（2）根據(jù)原電池的電極反應(yīng)特點，結(jié)合兩個半反應(yīng)找出正、負極材料及電解質(zhì)溶液。電極材料的選擇在原電池中，選擇還原性較強的物質(zhì)作為負極；氧化性較強的物質(zhì)作為正極。并且，原電池的電極必須導(dǎo)電。電池中的負極必須能夠與電解質(zhì)溶液或其中溶解的物質(zhì)反應(yīng)。電解質(zhì)溶液的選擇電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負極發(fā)生反應(yīng)（如空氣

6、中的氧氣）。但如果兩個半反應(yīng)分別在兩個容器中進行（中間連接鹽橋），則左右兩個容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)選擇與電極材料相同的陽離子。如在銅鋅硫酸銅構(gòu)成的原電池中，負極金屬鋅浸泡在含有Zn2+的電解質(zhì)溶液中，而正極銅浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中。（3）按要求畫出原電池裝置圖。三、幾種常見的電池1、一次電池：放電之后不能充電，內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)是不可逆的。干電池：一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀，不流動。一次電池堿性鋅錳電池 構(gòu)成:負極是鋅,正極是MnO2,正極是KOH工作原理:負極 Zn+2OH2e=Zn(OH)2；正極:2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH總反應(yīng)式:Zn+2MnO2+2H2

7、O=2MnOOH+Zn(OH)2特點:比能量較高,儲存時間較長,可適用于大電流和連續(xù)放電。紐扣式電池（也叫銀鋅電池）負極：Zn + 2OH 2e= ZnO + H2O 正極：Ag2O + H2O + 2e = 2Ag + 2OH 總反應(yīng)式：Ag2O + Zn = 2Ag + ZnO鋅銀電池的負極是Zn，正極是Ag20，電解質(zhì)是KOH 特點：此種電池比能量大，電壓穩(wěn)定，儲存時間長，適宜小電流連續(xù)放電。鋰電池 鋰電池用金屬鋰作負極，石墨作正極，電解質(zhì)溶液由四氯化鋁鋰(LiAlCl4)溶解在亞硫酰氯(SOC12)中組成。負極：10Li10e10Li+正極：4SOC12+10eSO42+3S+8Cl

8、總反應(yīng)式為：10Li+34SOC12=8LiCl+Li2SO4+3S特點：鋰電池是一種高能電池，質(zhì)量輕、電壓穩(wěn)定、工作效率高和貯存壽命長的優(yōu)點。2、二次電池鉛蓄電池放電電極反應(yīng)：負極：Pb(s)+SO42(aq)2ePbSO4(s)； 正極：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)+2ePbSO4(s)+2H2O(l)總反應(yīng)式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)充電電極反應(yīng)：陽極：PbSO4(s)+2H2O(l)2e=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)；陰極：PbSO4(s)+2e=Pb(s)+SO42(aq)總反應(yīng)：2Pb

9、SO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)總反應(yīng)方程式：Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) +2H2O(l)說明：A 負極陰極 正極陽極B 電池的正負極分別和電源的正負極相連C 各極的pH變化看各電極反應(yīng)，電池的pH變化看電池總反應(yīng)鎳一鎘堿性蓄電池負極：Cd+2OH2e=Cd(OH)2；正極：2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH總反應(yīng)式：Cd +2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2 3、燃料電池電池電極反應(yīng)酸性電解質(zhì)堿性電解質(zhì)氫氧燃料電池負極2H24e4H+2H2+4OH

10、4e4H2O正極O2+4H+4e2H2OO2+2H2O+4e4OH總反應(yīng)2H2+O22H2O2H2+O22H2O甲烷燃料電池負極CH4 + 2H2O8e=CO2 + 8H+CH4+10OH8e=CO32+7H2O正極2O2 + 8H+ + 8e4H2O2O2+4H2O+8e=8OH總反應(yīng)CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OCH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O甲醇燃料電池負極2CH3OH + 2H2O12e= 2CO2 + 12H+2CH3OH +16OH12e=2CO32+12H2O正極3O2 +12H+ +12e6H2O3O2+6H2O+12e=12OH總反應(yīng)2CH3OH

11、+ 3O2 = 2CO2 + 4H2O2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O除氫氣外，烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，均可作燃料電池的燃料；除純氧氣外，空氣中的氧氣也可作氧化劑。燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高于80，遠高于燃燒過程（僅30左右），有利于節(jié)約能源。燃料電池有廣闊的發(fā)展前途。四、正確書寫電極反應(yīng)式1 列出正、負電極上的反應(yīng)物質(zhì)，在等式的兩邊分別寫出反應(yīng)物和生成物。2 標(biāo)明電子的得失。3 使質(zhì)量守恒。電極反應(yīng)式書寫時注意：負極反應(yīng)生成物的陽離子與電解質(zhì)溶液中的陰離子是否共存。若不共存，則該電解質(zhì)溶液中的陰離子應(yīng)該寫入負極反應(yīng)式；若正極上的反應(yīng)物質(zhì)是O2，且電解質(zhì)溶液為中性

12、或堿性，則H2O必須寫入正極反應(yīng)式，且生成物為OH；若電解液為酸性，則H+必須寫入反應(yīng)式中，生成物為H2O。電極反應(yīng)式的書寫必須遵循離子方程式的書寫要求。4 正負極反應(yīng)式相加得到電池反應(yīng)的總的化學(xué)方程式。若能寫出總反應(yīng)式，可以減去較易寫出的電極反應(yīng)式，從而寫出較難書寫的電極方程式。注意相加減時電子得失數(shù)目要相等?！纠}講析】例1銅鋅原電池（如圖）工作時，下列敘述正確的是 A正極反應(yīng)為：Zn2e-=Zn2+ B電池反應(yīng)為：Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu C在外電路中，電子從負極流向正極 D鹽橋中的K+移向ZnSO4溶液 【答案】BC【解析】Zn是負極，故A錯；電池總反應(yīng)和沒有形成 原電池的氧化

13、還原反應(yīng)相同，故B正確；根據(jù)閉合回路的電流方向，在外電路中，電子由負極流向正極，故C正確；在溶液中，陽離子往正極移動，故D錯誤。例2某同學(xué)根據(jù)離子反應(yīng)方程式2Fe3+Fe=3Fe2+來設(shè)計原電池。下列設(shè)計方案中可行的是（ ） A電極材料為鐵和鋅，電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液 B電極材料為鐵和石墨，電解質(zhì)溶液為Fe(NO3)3溶液 C電極材料為鐵和石墨，電解質(zhì)溶液為FeCl2溶液 D電極材料為石墨，電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液【答案】B【解析】由離子反應(yīng)方程式可知，設(shè)計的原電池中Fe為負極，不與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的導(dǎo)體為正極，含F(xiàn)e3+的溶液為電解質(zhì)溶液，故B項可行。例3X、Y、Z、W四塊金屬分別用導(dǎo)線

14、兩兩相連浸入稀硫酸中，組成原電池。X、Y相連時，X為負極；Z、W相連時，電流方向是WZ；X、Z相連時，Z極上產(chǎn)生大量氣泡；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應(yīng)。據(jù)此判斷四種金屬的活潑性順序是( ) AXZWY BZXYW CWXYZ DYWZX 【答案】A【解析】在原電池中，活潑金屬作為電池的負極，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；不活潑的金屬作為電池的正極，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。電子由負極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，與電流的方向相反(物理學(xué)中規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向)。因此，X、Y相連時，X為負極，則活潑性XY；Z、W相連時，電流方向是WZ，則活潑性ZW；X、Z相連時，Z極上產(chǎn)生大量氣泡，則活潑性XZ；W、Y

15、相連時，W極發(fā)生氧化反應(yīng)，則活潑性WY。綜上所述，可以得出金屬的活潑性順序是XZWY。例4Zn-MnO2干電池應(yīng)用廣泛，其電解質(zhì)溶液是ZnCl2NH4Cl混合溶液。（1）該電池的負極材料是。電池工作時，電子流向（填“正極”或“負極”）。（2）若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有雜質(zhì)Cu2+，會加速某電極的腐蝕，其主要原因是。欲除去Cu2+，最好選用下列試劑中的（填代號）。a.NaOH b.Znc.Fe d.NH3·H2O(3)MnO2的生產(chǎn)方法之一是以石墨為電極，電解酸化的MnSO4溶液。陰極的電極反應(yīng)式是。若電解電路中通過2mol電子，MnO2的理論產(chǎn)量為?！敬鸢浮浚?）Zn 正

16、極 （2）鋅與還原出來的Cu構(gòu)成銅鋅原電池而加快鋅的腐蝕 b （3）2H+2e-=H2，87g【解析】（1）負極發(fā)生氧化反應(yīng)，Zn失電子，做負極。電子由負極經(jīng)外電路流向正極。（2）鋅與還原出來的Cu構(gòu)成銅鋅原電池而加快鋅的腐蝕。除雜的基本要求是不能引入新雜質(zhì)，所以應(yīng)選Zn將Cu2+ 置換為單質(zhì)而除去。（3）陰極上得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，H+得電子生成氫氣。因為MnSO4MnO22 e-，通過2mol電子產(chǎn)生1mol MnO2，質(zhì)量為87g。例5某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質(zhì)傳遞H+，其基本結(jié)構(gòu)見下圖，電池總反應(yīng)可表示為：2H2O22H2O，下列有關(guān)說法正確的是A電子通過外電路從b極流

17、向a極Bb極上的電極反應(yīng)式為：O22H2O4e4OHC每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，消耗1.12 L的H2DH由a極通過固體酸電解質(zhì)傳遞到b極【答案】D【解析】該氫氧燃料電池的a極通入H2，故為負極，b極通入O2，為正極。這樣電子通過外電路應(yīng)由a極流向b極，故A選項錯誤；酸性電解質(zhì)存在下，B選項中b極上的電極反應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O ；C選項沒有說明是標(biāo)準(zhǔn)狀況下；D選項是正確的，H2在a極失電子變成H+，由固體酸電解質(zhì)傳遞至b極。例6某燃料電池所用的原料為H2和空氣(含一定量的CO2)，電解質(zhì)為熔融的K2CO3。電池的總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O，負極反應(yīng)為：H2+CO32-2e=

18、 H2O+CO2。下列說法中正確的是A正極反應(yīng)為：4OH4e=2H2O+O2 B電池放電時，電解質(zhì)中CO32-的物質(zhì)的量將減小C放電時，電解質(zhì)中CO32向負極移動D電池工作時，電子從正極經(jīng)外電路流向負極【答案】C【解析】A項中正極反應(yīng)應(yīng)為：O2+4e+2 CO22CO32，B項中CO32-的物質(zhì)的量應(yīng)不變，D項中電池工作時，電子應(yīng)從負極經(jīng)外電路流向正極。要注意電解質(zhì)為熔融的K2CO3而不是水溶液?！井?dāng)堂練習(xí)】1、用銅片、銀片、Cu (NO3)2溶液、AgNO3溶液、導(dǎo)線和鹽橋（裝有瓊脂-KNO3的U型管）構(gòu)成一個原電池。以下有關(guān)該原電池的敘述正確的是在外電路中，電流由銅電極流向銀電極正極反應(yīng)為

19、：Ag+e-=Ag實驗過程中取出鹽橋，原電池仍繼續(xù)工作將銅片浸入AgNO3溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與該原電池反應(yīng)相同A. B.C.D.2、將純鋅片和純銅片按圖示方式插入同濃度的稀硫酸中一段時間，以下敘述正確的是( ) A兩燒杯中銅片表面均無氣泡產(chǎn)生B甲中銅片是正極，乙中銅片是負極C兩燒杯中溶液的pH均增大D產(chǎn)生氣泡的速率甲比乙慢3、依據(jù)氧化還原反應(yīng)：2Ag+ (aq)+Cu (s)=Cu2+ (aq)+2Ag (s)設(shè)計的原電池如圖所示。請回答下列問題： (1)電極X的材料是_；電解質(zhì)溶液Y是_； (2)銀電極為電池的_極，發(fā)生的電極反應(yīng)為_；X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)為_； (3)外電路中的電子是從

20、_電極流向_電極。4、根據(jù)下列實驗事實：(1) X+Y2+ = X2+ + Y(2) Z + 2H2O（冷水）=Z(OH)2 + H2(3)Z2+離子的氧化性比X2+弱(4)由Y、W作電極組成的原電池負極反應(yīng)為：Y2e=Y2+，由此可知，X、Y、Z、W的還原性由強到弱的順序是AX > Y > Z > W BY > X > W > ZCZ > X > Y > W DZ > Y > X > W5、堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應(yīng)用。鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為：Zn (s)+2MnO2

21、 (s)+2H2O (1)=Zn(OH)2 (s)+2MnOOH (s)下列說法錯誤的是（ ） A電池工作時，鋅失去電子B電池正極的電極反應(yīng)式為：2MnO2 (s)+2H2O (1)+2e=2MnOOH (s)+2OH (aq) C電池工作時，電子由正極通過外電路流向負極 D外電路中每通過0.2 mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減少6.5 g6、生產(chǎn)鉛蓄電池時，在兩極板上的鉛銻合金上均勻涂上膏狀的PbSO4，干燥后再安裝，充電后即可使用，發(fā)生的反應(yīng)是：2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4下列對鉛蓄電池的說法中錯誤的是( ) A需要定期補充硫酸 B工作時Pb是負極，PbO2是正極 c工作

22、時負極上發(fā)生的反應(yīng)是Pb2e+SO42=PbSO4 D工作時電解質(zhì)溶液的密度減小7、高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池能長時間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應(yīng)為 ：3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH，下列敘述不正確的是（ ） A放電時每轉(zhuǎn)移3 mol電子，正極有1mol K2FeO4被氧化B充電時陽極反應(yīng)為：2Fe(OH)36e+ 10 OH= 2FeO42+ 8H2OC放電時負極反應(yīng)為：3Zn6e +6OH= 3Zn(OH)2D放電時正極附近溶液的堿性增強8、鎳鎘（Ni-Cd）可充電電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用。已知某鎳鎘電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，其充、放電按下式進行：Cd + 2NiOOH + 2H2OCd(OH)2 + 2Ni(OH)2 有關(guān)該電池的說法正確的是A充電時陽極反應(yīng)：Ni(OH)2 e + OH- = NiOOH + H2OB充電過程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程C放電時負極附近溶液的堿性不變D放電時電解質(zhì)溶液中的OH-向正極移動9、用二根鉑絲作電極插入KOH溶液中，分別向兩極通入甲烷和氧氣，可作為一種燃料電池的模擬裝置。試