第四讲化学能转化为电能.docx

第四讲化学能转化为电能.docx

《第四讲化学能转化为电能.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四讲化学能转化为电能.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第四讲化学能转化为电能

第四讲化学能转化为电能——电池

知识与技能：

通过对铜锌原电池的分析，了解原电池的工作原理，根据电流的方向判断原电池的正极和负极的方法，以及电池反应的概念；通过学习、了解常见化学电池的种类及其工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用；

通过分析铜-铁接触处形成原电池的例子，理解金属腐蚀的电化学原理以及防护的原理。

过程与方法：

通过原电池装置的设计实验，培养学生动手、动脑的能力，以及分析、处理实验数据的能力；通过交流讨论，训练学生的思维能力，培养学生获取分析处理、归纳信息的能力。

情感态度与价值观：

通过学习，使学生从能量的角度比较深刻的了解化学学科学对人类的贡献，从而赞赏化学的作用。

教学重点：

原电池的工作原理，写出简单的电极反应及电池反应，金属腐蚀的电化学原理以及据此而设计的防护原理。

教学难点：

原电池的工作原理，金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。

课时安排：

共五课时

第一课时

【活动探究1】

将锌粉加入CuSO4溶液中，测量温度的变化，分析能量变化情况。

现象：

发生的反应为：

在这个反应中，锌电子，直接给了与它接触的铜离子。

该反应将能转化为了能。

【活动探究2】

注意分析溶液中的阴阳离子的移向问题

如果锌粉加入CuSO4溶液的反应是放热反应，试设计试验将反应释放的能量转化为电能。

【现象】

（1）电流表指针发生偏转；

（2）锌片溶解

（3）CuSO4溶液颜色变浅；

（4）铜表面也出现一层红色的固体物质；

（5）溶液温度略有升高。

【分析】

电流计的指针发生　　　，说明有　　　产生，即发生了　　　能转化为　　能的过程。

由电流的方向可知，电子由　　　通过导线流向　　　，由此判断　　　是负极、　　　　是正极。

锌片上有　　　流出发生了　　　反应，即：

　　　　　　　　　　；锌原子　　　电子通过导线流向　　　　　，　　　进入溶液，溶液中的　　　在铜片上　　　电子发生　　　反应，即：

　　　　　　　　　，生成的　　沉积在铜片上。

两极之间溶液中　　　的定向移动和外部导线中　　　的定向移动构成闭合的回路，使两个电极反应持续进行，发生有序的电子转移过程，产生电流。

其总反应式为：

　　　　　　　　　　　　　　。

一、原电池的工作原理

1、定义：

原电池：

2、原电池的构成：

（1）

（2）

（3）

（4）

3、【小结】正负极的判断

（1）负极：

发生反应的电极

电子的电极，电流的极

较活泼的电极

阴离子移向负极

常见溶解的电极

（2）正极：

发生反应的电极

电子的电极，电流的极

较不活泼的电极

阳离子移向负极

常见由气泡冒出或由金属析出的电极

【观察思考】P21的双液原电池

1mol/LZnSO4溶液1mol/LCuSO4溶液

【问题】

1.在盐桥插入之前，检流计指针是否发生偏转？

2.在盐桥插入之后，是否有电流产生？

实验现象是什么？

3.与图1-3-2所示的原电池相比，该原电池具有什么特点？

[要点强化指导]

A、盐桥的作用：

通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流传导。

将副反应降低至最小程度，这样，更彻底的将反应所释放的能量转化为电能。

B、通过盐桥，阴离子SO42－和Cl－向锌盐溶液移动，阳离子Zn2＋和K＋向铜盐溶液移动，使电流继续流通，形成闭合的回路。

C、锌片和铜片用导线连接构成电子流动的电路（电池的外部电路）；ZnSO4溶液和CuSO4溶液用盐桥连接，构成离子移动的电路（电池的内部电路）

5、原电池的电极方程式和总方程式的书写

（1）没给总方程式

【举例】

CuSO4溶液

①判断正负极（根据定义（主要依据）或金属的活泼性）

②写出电解反应式（注意生成的新离子能不能稳定存在电解质溶液中，若不能，在写反应式时应写出最稳定的物质）

③写出总方程式（电子守恒）

【例题1】将镁片和铝片用导线相连，插入H2SO4溶液中，写出两池中的电极反应式和电池反应式。

【解答】①Mg—Al—稀H2SO4原电池：

负极（Mg）：

Mg=Mg2++2e—（氧化反应）

正极（Al）：

2H++2e—=H2↑（还原反应）

电池反应：

Mg+2H+=Mg2++H2↑

【练习2】将镁片和铝片用导线相连，插入NaOH溶液中，写出两池中的电极反应式和电池反应式

②Al—Mg—NaOH原电池：

负极（）：

正极（）：

电池反应：

（2）给出总方程式

【例题3】甲烷燃料电池：

CH4+O2+2OH—=CO32—+3H2O

①判断正负极（把总反应式拆成氧化反应和还原反应）

②写出电解反应式（注意生成的新离子能不能稳定存在电解质溶液中，若不能，在写反应式时应写出最稳定的物质）

③两式加，验总式

注意：

若只能写出较简单一极反应式，在遵循电子守恒的条件下，可将总反应式减去阳极反应式，即得另一极反应式

【解答】正极好写：

4H2O+2O2+8e-→8OH-

负极：

CH4+10OH—→CO32-+7H2O+8e-（总—正）

说明碱液的作用：

消除CO2对CH4吸收的影响。

重点强调：

电解质溶液有时候也会参与电极的反应

【巩固】电极反应式的书写：

⑴原电池反应一般都是自发进行的　　　　　　　　　，因而在写电极反应时，首先将总反应变换成　　　　反应（负极）和　　　　　反应（正极）。

如：

2FeCl3＋Cu＝2FeCl2＋CuCl2，正极：

　　　　　　　　　　　；负极：

　　　　　　　　　　。

其中，Fe电极为负极时，被氧化为　　　　离子。

⑵正极反应与负极反应的得失电子数要　　　　　　　　　。

⑶正极反应与负极反应直接相加可得原电池的　　　　　　　　　。

⑷电极产物是否与电解质溶液中的有关成分作用，若有作用则要一块写出。

⑸每个反应之前均须标明电极的属性。

[要点强化指导]1．原电池是将化学能原转化为的热能而改转化为电能，并不是放热反应就能设计成原电池，而是能自发的氧化还原反应理论上可设计成原电池。

2．电极材料有时并不一定是金属（如石墨碳棒），有时还可以是相同的金属（如金属铂），但电极反应一定是氧化还原反应。

如：

氢氧燃料电池。

3．负极与电解质溶液的溶质不一定要求发生反应，但负极上一定有物质失去电子变成阳离子或消耗阴离子。

【问题分析示例】

例题4：

如下图装置能组成原电池的是（）

[针对性练习]

5．某电池的总反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe＝3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是（）

正极负极电解质溶液

A．CuFeFeCl3

B．CFeFe（NO3）3

C．FeZnFe2（SO4）3

D．AgFeCuSO4

6．把铝片和镁片用导线连接成两组，分别依次插入到NaOH溶液、稀H2SO4溶液中，下列说法正确的是（）

A．都不能形成原电池B．负极材料依次为镁片、铝片

C．负极材料依次为铝片、镁片D．负极材料都是镁片

【课堂练习达标】

7．关于原电池的说法正确的是（）

A．在正极上发生氧化反应B．化学性质较活泼的金属为负极

C．在外电路正极电子流出D．在负极上发生还原反应

8．下列说法不正确的是（）

Ａ．原电池中电子由负极流向正极Ｂ．原电池中发生还原反应的电极是正极

Ｃ．电解池中发生还原反应的电极是阳极Ｄ．电解池中质量增加的电极是阴极

9．原电池产生电流的本质原因是（）

A．电解质溶液中有电离出的自由移动的离子B．有导线将两个活泼性不同的电极连接

C．在不同金属的两极间存在电势差D．在原电池中发生了氧化还原反应

10．下列反应中，在原理上可以设计成原电池的是（）

A．Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应B．铝与盐酸的反应

C．石灰石的分解D．甲烷与氧气的反应

11.由铜、锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的pH怎样变化（）

A.不变B.先变小后变大C.逐渐变大D.逐渐变小

12.在原电池和电解质的电极上所发生的反应，同属氧化反应或同属还原反应的是（）

A.原电池的正极和电解池的阳极所发生的反应

B.原电池的正极和电解池的阴极所发生的反应

C.原电池的负极和电解池的阳极所发生的反应

D.原电池的负极和电解池的阴极所发生的反应

13.下列各反应中，属于原电池反应的是（）

A.氧化铝膜破坏后，金属铝被迅速氧化B.白铁镀锌层破损后，还能阻止铁被氧化

C.红热的铁与水接触表面上形成蓝黑色的保护层D.铁丝在氯气中燃烧产生大量棕黄色的烟

14.某原电池，将两金属X、Y用导线连接，同时插入相应的电解质溶液中，发现Y电极质量增加，则可能是下列情况中的（）

A.X是负极，电解质溶液为CuSO4溶液

B.X是负极，电解质溶液为稀H2SO4溶液

C.X是正极，电解质溶液为CuSO4溶液

D.X是正极，电解质溶液为稀H2SO4溶液

15.埋在地下的输油铸铁管道，在下列各种情况下，被腐蚀速度最慢的是（）

A.在含铁元素较多的酸性土壤中

B.在潮湿输送透气的土壤中

C.在干燥致密不透气的土壤中

D.在含碳粒较多，潮湿透气的土壤中

16.将铂丝插入KOH溶液做电极，然后向两个电极上分别通入甲烷和氧气，可以形成原电池，由于发生的反应类似于甲烷的燃烧，所以称做燃料电池，根据两极上反应的实质判断，通入甲烷的一极为电池的____极，这一极的电极反应式为__________________.

17.熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视。

可用Li2CO3和Na2CO3的.熔融盐混合物做电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气体为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。

完成上述有关的电池反应式：

正极反应式：

____________________________________________

负极反应式：

____________________________________________

总电池反应式：

__________________________________________

第二课时

【复习提问】什么是原电池？

构成原电池要有哪些条件？

【课堂练习1】（99理综）熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视.可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在1500℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：

阴极反应式：

O2+2CO2+4e—→2CO32—

阳极反应式：

　　　　；

总电池反应式:

。

二、常见的化学电源

一次电池

放电时——原电池反应

（一）分类二次电池（可充电电池）

充电时——电解池反应

燃料电池

【阅读】指导学生阅读课本P23——P25。

【自主学习】1．常见的锌锰干电池

（1）酸性锌锰干电池

A、结构：

负极为、正极为

B、反应原理

负极：

正极：

总方程式：

C、缺点：

（2）碱性锌锰干电池

A、优点：

B、结构：

C、反应原理：

负极：

正极：

总方程式：

[要点强化指导]酸性锌锰干电池中发生还原反应的物质有NH4＋和MnO2，但电池正极得电子的是NH4＋，MnO2是固体粉末，未与电解质溶液接触，其作用可理解为通过氧化还原反应吸收H2，使电池能持续工作。

MnO2不能认为参与了电极反应。

2．铅蓄电池：

放电时：

负极：

H2SO4溶液

正极：

总方程式：

充电时：

阴极（电池的负极）：

阳极（电池的正极）：

总方程式：

[要点强化指导]二次电池在充电时是电解池，虽然作电池时正、负极上的反应与作电解池时阴、阳极上的反应相反，但二次电池的正极应与充电电源的正极相连，二次电池的负极应与充电电源的负极相连。

3．燃料电池

（1）结构：

（2）常见的燃料电池注意：

电解质溶液对反应的影响

A、氢氧燃料电池

碱性电解液：

正极：

负极：

酸性电解液：

正极：

负极：

中性电解液：

正极：

负极：

B、乙醇燃料电池（类似甲烷燃料电池）

【课堂练习2】（1999年全国高考化学题）氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。

氢镍电池的总反应式是：

1/2H2+NiO（OH）

Ni（OH）2根据此反应式判断下列叙述中正确的是（）

A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大　B．电池放电时，镍元素被氧化

C．电池充电时，氢元素被还原　　　　D．电池放电时，H2是负极

[要点强化指导]H2和O2在不同介质中的电极反应式

1．H2在不同介质中的电极反应式：

⑴在碱性条件下负极：

H2＋2OH－→2H2O＋2e－；

⑵在酸性或中性条件下负极：

H2→2H＋＋2e－。

2．O2在不同介质中的电极反应式：

⑴在碱性、中性或弱酸性条件下正极：

O2＋2H2O＋4e－→4OH－；

⑵在较强酸性条件下正极：

O2＋4H＋＋4e－→2H2O；

⑶在熔融的金属氧化物中正极：

O2＋4e－→2O2－；

⑷在其它介质中的电极反应式。

如：

在熔融的碳酸盐中，正极反应物是O2和CO2时，正极电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－→2CO32－。

【问题分析示例】

【例3】航天技术中使用的氢—氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环境等优点。

氢—氧燃料电池酸式和碱式两种，它们放电时的电池总反应方程式都可表示为2H2+O2==2H2O,酸式氢—氧燃料电池的电解质是酸，其负极反应可表示为：

2H2–4e--==4H+,则其正极反应表示为_____________________；碱式氢—氧燃料电池的电解质是碱，其正极反应表示为O2+2H2O+4e--==4OH--,则其负极反应可表示为_______________________。

【针对性练习】

4．某蓄电池放电、充电时的反应式为：

Fe＋Ni2O3＋3H2O

Fe（OH）2＋2Ni（OH）2下列推断中正确的是（）

①放电时，Fe为正极，Ni2O3为负极；②充电时，阴极上的电极反应式是：

Fe（OH）2＋2e－＝Fe＋2OH－；③充电时，Ni（OH）2为阳极；④蓄电池的电极必须是浸在某中碱性溶液中。

A．①②③B．①②④C．①③④D．②③④

【课堂练习达标】

5．下列说法正确的是（）

A．碱性锌锰干电池是二次电池

B．铅蓄电池是一次电池

C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生

D．燃料电池的活性物质没有储存在电池内部

6、（2006广东）某可充电的锂离子电池以LiMn2O2为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li+导电固体为电解质。

放电时的电池反应为：

Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4。

下列说法正确的是（）

A.放电时，LiMn2O4发生氧化反应

B.放电时，正极反应为：

Li++LiMn2O4+e—=Li2Mn2O4

C.充电时，LiMn2O4发生氧化反应

D.充电时，阳极反应为：

Li++e—=Li

7、如图是2004年批量生产的笔记本电脑所用的甲醇燃料电池的结构示意图。

甲醇在催化剂作用下提供质子

（H）和电子。

电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应。

电池总反应式为：

2CH3OH＋3O2＝2CO2

＋4H2O。

下列说法中正确的是（）

A．左边的电极为电池的负极，a处通入的是甲醇

B．右边的电极为电池的负极，b处通入的是空气

C．电池负极的反应式为：

CH3OH+H2O→CO2+6H++6e—

D．电池的正极反应式为：

O2+2H2O+4e—→4OH—

8.常见铅蓄电池是二次电池，其电极材料分别为Pb和PbO2，电解液为稀H2SO4溶液，工作时的总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

请依据上述情况判断：

⑴铅蓄电池的负极材料是。

⑵请依据两极材料和总反应，写出放电时正极反应是。

⑶请依据总反应式和正极反应式，写出放电时负极反应是。

⑷放电时，电解质溶液中阴离子移向极；电流方向从极流向极。

⑸放电时，电解质溶液的酸性（填“增强”、“减弱”或“不变”）。

9．镍-镉（Ni—Cd）可充电电池，可以发生如下反应：

充电

放电

Cd（OH）2+2Ni（OH）2

Cd+2NiO（OH）+2H2O，

由此可知，该电池的负极材料是（）

A.CdB.NiO（OH）C.Cd（OH）2D.Ni（OH）2

10.下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是（）

A.a电极是负极

B.b电极的电极反应为：

C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置

【拓展提高】

11．氢—氧燃料电池是将H2和O2分别通入电池，穿过浸入20%--40%的KOH溶液的多孔碳电极，其电极反应式为：

2H2+4OH–-4e–==4H2O和O2+2H2O+4e–==4OH–则下列叙述正确的是（）

A.通H2的一极是正极，通O2的一极是负极

B.通O2的一极是正极，通H2的一极是负极

C.工作一段时间后电解质溶液的pH增大

D.工作时负极区附近pH增大

12.已知电解饱和食盐水可制得Cl2，又已知铅蓄电池放电时发生如下反应：

正极：

PbO2+4H++SO42–+2e--==PbSO4+2H2O

负极：

Pb+SO42–+2e--==PbSO4

现拟用铅蓄电池做电源电解饱和食盐水制氯气0.05mol，电池内H2SO4的消耗量至少是（）

A.0.025molB.0.05molC.0.10molD.0.20mol

第三课时

【复习提问】

1、有人设计出利用CH4和O2的反应，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，则下列说法正确的是（）

①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-

②负极上CH4失去电子，电极反应式：

CH4+10OH—→CO32—+7H2O+8e—

③负极上是O2获得电子，电极反应式为：

O2+2H2O+4e—→4OH—

④电池放电后，溶液PH不断升高

A.①②B.①③C.①④D.③④

（一）金属腐蚀

1、定义：

2、分类：

3、本质：

（二）金属电化学腐蚀的原理

1、吸氧腐蚀

（1）条件：

（2）原理：

（—）（+）

总：

用方程式表示铁锈的形成

2、析氢腐蚀

（1）条件：

（2）原理：

（—）

（+）

【投影】

化学腐蚀

电化学腐蚀

条件

现象

本质

联系

【强调】如何判断是吸氧腐蚀还是析氢腐蚀呢？

最主要的还是看电解质溶液的酸碱性。

要抓住这一点，切记！

（三）金属的防护措施

金属的防护就是依据电化学腐蚀的原理，要防止金属发生腐蚀，关键在于阻止金属成为原电池的极，避免发生阳极反应而溶解。

即其本质就是阻止。

因此常用的方法有：

⑴在金属表面覆盖。

如：

可以在其表面加耐腐蚀的、、、、橡胶等，也可以通过电镀而覆盖于被保护金属表面的耐腐蚀性较强的。

⑵改变金属的内部。

如：

、等。

⑶牺牲阳极阴极保护法。

如：

镶嵌的闸门、航海船底、铁塔以及底下铁管道等。

⑷外加电源的保护法。

如：

化工厂中盛酸性溶液的容器或管道。

⑸经、外加电源的极等方法进行钝化。

如：

合成氨厂中防止反应塔腐蚀。

防腐措施的效果由好到差的顺序如下：

外接电源的阴极保护法牺牲阳极的阴极保护法有一般防腐条件的腐蚀无防腐条件的腐蚀

【练习2】下列各情况，在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是（）

[合作探究]：

金属腐蚀快慢规律探究？

外接电源的阴极保护法牺牲阳极的阴极保护法有一般防腐条件的腐蚀无防腐条件的腐蚀

[要点强化指导]1．在原电池中，电源正极在溶液的部分因发生还原反应，而被称为阴极；电源负极在溶液的部分因发生氧化反应，而被称为阳极。

在牺牲“阳极”“阴极”保护法中，实质是首先构成原电池，使被保护的金属作原电池的正极（阴极），牺牲的金属作原电池的负极（阳极）。

2．外加电源往往应用电解的原理，被保护的金属连接在电源的负极上。

若被保护的金属连接在电源的正极上也被保护，其理由是使金属发生钝化作用。

【问题分析示例】

例题3：

将纯锌片和纯铜片按图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（）

A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生B．甲中的铜片是正极，乙中的铜片是负极

C．两烧杯中溶液的PH值均增大D．产生气泡的速度甲比乙慢

[针对性练习]

4．如图所示，电流表G发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的哪一组（）

A．A是Zn、B是Cu、C为稀H2SO4溶液

B．A是Cu、B是Zn、C为稀H2SO4溶液

C．A是Fe、B是Ag、C为AgNO3溶液

D．A是Ag、B是Fe、C为AgNO3溶液

5．关于如图所示装置的叙述正确的是（）

A．铜是阳极，铜片上有气泡产生

B．铜片的质量逐渐减少

C．电流从锌片经导线流向铜片

D．氢离子在铜片表面被还原

例题6：

X、Y、Z、M代表四种金属元素。

金属X和Z用导线连接放入稀硫酸中时，X溶解，Z极上有氢气放出；若电解Y2+和Z2+共存的溶液时，Y先析出；又知M2+的氧化性强于Y2+。

则这四种金属的活动性由强到弱的顺序为（）

A．X＞Z＞Y＞M　　　　　　Ｂ．X＞Y＞Z＞M

C．M＞Z＞X＞Y　　　　　　D．X＞Z＞M＞Y

[针对性练习]

7．把a、b、c、d四块金属浸入稀硫酸中，用导线两两连接组成多个原电池，若a、b相连，a为负极；c、d相连，d上有气泡逸出；a、c相连，a极减轻；b、d相连，b为正极。

则四种金属的活泼性顺序为（）

A．a＞b＞c＞dB．a＞c＞b＞d

C．a＞c＞d＞bD．b＞d＞c＞a

例题8：

如图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天观察：

⑴铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于腐蚀。

⑵若试管内液面上升，则原溶液是性，发生

腐蚀，电极反应：

负极：

，正极：

。

⑶若试管内液面下降，则原溶液是性，发生腐蚀，电极反应：

负极：

，正极：

。

⑷若溶液甲为水，溶液乙为海水，则铁钉在（填“甲”或“乙”）溶液中腐蚀的速度快。

[针对性练习]

9．如图所示，装置中都盛有0.1mol/L的NaCl溶液，放置一定时间后，装置中的四块相同的锌片腐蚀速率由快到慢的正确顺序是（）

A．①②③④　　　B．①②④③C．③①④②　　　D．②①④③

10．家用炒菜铁锅用水清洗后，放置一会出现红棕色的铁锈，在此变化过程中不会发生的化学变化是（）

A．2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe（OH）2

B．4Fe（OH）2＋O2＋2H2O＝4Fe（OH）3

C．O2＋2H2O＋4e－→4OH－

D．Fe→Fe3＋＋3e－

【课堂练习达标】

11．下列说法正确的是（）