高中化学必修二优质学案222化学反应能量转化的重要应用化学电池.docx

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高中化学必修二优质学案222化学反应能量转化的重要应用化学电池

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池

学业要求

核心素养对接

1.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，以及判断原电池的正、负极。

2．会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。

3．记住干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。

4．认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

1.通过对原电池的学习培养学生证据推理与模型认知的能力。

2．通过对常见化学电源的学习培养学生证据推理与模型认知的能力。

3．通过认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性，培养学生科学态度与社会责任。

[知识梳理]

知识点一　化学能转化为电能

如图是电能的来源，哪些是化学能转化为电能呢？

如何转变为电能呢？

请完成下列知识点：

原电池

（1）氢氧燃料电池

①负极材料：

铂电极，负极反应物：

氢气

②正极材料：

铂电极，正极反应物：

氧气

③电子导体：

导线，离子导体：

稀硫酸。

（2）原电池的基本原理

原电池的基本原理是还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生氧化反应和还原反应，并通过能导电的物质构成闭合回路。

其中，还原剂在负极上失去电子，是负极反应物；氧化剂在正极上得到电子，是正极反应物；电极材料通常是能够导电的固体。

此外，还要有能传导电荷的电解质作为离子导体；而导线则作为电子导体，起到传导电子、构成闭合回路的作用。

（3）实验（设计简单原电池）

实验装置

注意图中电子与离子流向

实验现象

铜片：

有气泡产生

锌片：

逐渐溶解

电流表：

指针偏转

结论

有电流产生，装置中化学能转化为电能

（4）铜锌原电池工作原理：

电极材料

电子转移

电极反应式

反应类型

Zn

失电子

Zn－2e－===Zn2＋

氧化反应

Cu

得电子

2H＋＋2e－===H2↑

还原反应

电池总反应：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

（5）反应本质：

原电池反应的本质是氧化还原反应。

（6）构成原电池的条件

理论上，自发的氧化还原反应均可设计成原电池。

必须自发

①两个活泼性不同的金属（或一个为金属，一个为能导电的非金属）电极。

②具有电解质溶液。

③形成闭合回路。

知识点二　常见化学电源

如图是常用的化学电源，请完成下列知识点，以对它们有所了解：

1．干电池

干电池是一种一次电池，放电后不能再充电。

2．充电电池

充电电池又称为二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。

（1）铅蓄电池

（2）锂离子电池

3．燃料电池

（1）原理：

利用原电池工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接转化为电能。

（2）与其他电池的区别：

反应物由外设装备提供燃料和氧化剂。

微判断

（1）火力发电是化学能间接转化为电能的过程（　　）

（2）HCl＋KOH===KCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池（　　）

（3）将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转（　　）

（4）在铜—锌—稀硫酸原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液到达锌（　　）

（5）原电池中阳离子向正极移动（　　）

（6）原电池中的负极反应一定是电极材料失电子（　　）

（7）锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细（　　）

（8）氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能（　　）

（9）氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化（　　）

（10）太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅（　　）

[答案]　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）×　（9）√　（10）×

微训练

1．下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是（　　）

A．碱性锌锰电池　　　　B．手机用锂电池

C．汽车用铅蓄电池D．玩具用镍氢电池

[答案]　A

2．下列有关电池的说法不正确的是（　　）

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

[答案]　B

3．下列装置中能够组成原电池的是________。

[解析]　构成原电池的条件缺一不可：

①②缺少一个电极；③中电极相同；⑤中酒精为非电解质；⑧中不能形成闭合回路。

[答案]　④⑥⑦⑨

微思考

原电池是由哪几部分组成？

各起什么作用？

提示　构成原电池需有两个活泼性不同的电极，将电极插入电解质溶液中，两电极间用导线连接使之构成闭合回路。

电极的作用是导电，有些电池中电极材料会参加反应；导线的作用是传导电子；电解质溶液的作用是通过自由离子的移动传导电荷。

学习任务1　原电池的构成条件、工作原理及正、负极的判断

如图是原电池工作原理示意图，结合本图完成下列讨论：

1．在铜锌稀硫酸原电池中，电子是怎样移动的？

电子能否通过电解质溶液？

如果不能，电流是如何形成的？

提示　由于金属锌比金属铜活泼，锌失去电子，电子通过导线流向铜片。

电子不能通过电解质溶液，在稀硫酸中H＋移向铜片，SO

移向锌片，阴、阳离子定向移动形成电流。

2．

（1）若将铜片换作石墨棒，能否产生电流？

电极反应有无变化？

（2）若将稀硫酸换作硫酸铜溶液，能否产生电流？

电极反应有何不同？

（3）若将稀硫酸换为酒精，还能否产生电流？

提示　

（1）改为石墨棒后，仍然可以形成原电池，产生电流。

锌为负极，石墨棒为正极，电极反应及原电池反应均不变。

（2）将稀硫酸换作硫酸铜溶液，也可以形成原电池，产生电流。

锌为负极，发生氧化反应：

Zn－2e－===Zn2＋，铜为正极，发生还原反应：

Cu2＋＋2e－===Cu，总反应为：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。

（3）酒精是非电解质，此时不能构成原电池，因此不能产生电流。

1．原电池的工作原理

（1）反应类型：

负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

（2）电子的移动方向：

负极流出，经导线流向正极。

（3）离子的移动方向：

阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

2．原电池的判断方法

3．原电池正、负极的判断方法

易错提醒　

（1）构成原电池的两电极材料不一定都是金属，正极材料可以为导电的非金属，例如石墨。

两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。

（2）两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。

（3）在判断原电池正、负极时，既要考虑金属活泼性的强弱也要考虑电解质溶液性质。

如Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。

【例题1】　在如图所示装置中，观察到电流表指针发生偏转，M棒变粗，N棒变细，P为电解质溶液。

由此判断下列M、N、P所代表的物质可以成立的是（　　）

[解析]　经分析可知该装置是原电池，其中M棒作正极，有金属单质析出，N棒作负极，失电子溶解。

A项，锌、铜、稀硫酸构成原电池，则锌是负极，M棒变细，A项错误；B项，铁、铜、稀盐酸构成原电池，M棒上无金属单质析出，B项错误；C项，锌、银、硝酸银溶液构成原电池，则锌是负极，M棒上有银析出，C项正确；D项，铁离子得到电子转化为亚铁离子，不能析出金属，D项错误。

[答案]　C

变式训练1　如图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下，在卡片上描述合理的是（　　）

实验后的记录：

①Zn为正极，Cu为负极

②H＋向负极移动

③电子流动方向：

从Zn经外电路流向Cu

④Cu极上有H2产生

⑤若有1mol电子流过导线，则产生H2为0.5mol

⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

A．①②③B．③④⑤

C．④⑤⑥D．②③④

[解析]　在该原电池中，Zn比Cu活泼，故Zn作负极，Cu作正极，电子由Zn流出经导线流向Cu片，负极反应为：

Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为：

2H＋＋2e－===H2↑，故转移1mol电子时，产生H20.5mol，在溶液中H＋向正极移动，SO

向负极移动，故①②⑥错误，③④⑤正确，选B项。

[答案]　B

学习任务2　原电池原理的应用

如图，苹果插上两个不同电极可以构成原电池，那么怎样设计原电池呢？

请完成下列讨论：

1．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，这个反应能设计成原电池吗，为什么？

提示　不能，因为它不是氧化还原反应。

2．CO2＋C

2CO，这个反应能设计成原电池吗，为什么？

提示　不能，虽然它是氧化还原反应，但不是释放能量的氧化还原反应。

3．锌与稀H2SO4反应制H2时向溶液中加少量CuSO4后为什么反应速率加快？

提示　锌置换出铜构成原电池。

1．加快氧化还原反应的速率

（1）原理：

原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。

（2）实例：

实验室用Zn和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成原电池，加快反应速率。

2．比较金属活泼性强弱

（1）原理：

一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼金属作正极，发生还原反应。

（2）实例：

有两种金属A和B，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生。

由原电池原理可知，金属活动性：

A＞B。

3．设计原电池

（1）依据：

已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料（或在负极上被氧化），氧化剂（电解质溶液中的阳离子）在正极上被还原。

（2）选择合适的材料。

①电极材料：

电极材料必须导电。

负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料。

②电解质溶液：

电解质溶液一般能与负极反应。

（3）实例：

以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例

【例题2】　有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

实验

装置

部分实

验现象

a极质量减小，b极质量增大

b极有气体产生，c极无变化

d极溶解，c极有气体产生

电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是（　　）

A．a＞b＞c＞dB．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞cD．a＞b＞d＞c

[解析]　装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失去电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，可知b比c活泼，且c位于金属活动性顺序表中氢的后面；装置三和四均形成原电池，易知d比c活泼，d比a活泼。

因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，故选C。

[答案]　C

变式训练2　锌－空气电池（如图所示）适宜用作城市电动车的动力电源，该电池放电时Zn转化为ZnO。

则该电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．Zn电极是该电池的正极

B．Zn电极的电极反应式为Zn＋H2O－2e－===ZnO＋2H＋

C．OH－向石墨电极移动

D．氧气在石墨电极上发生还原反应

[解析]　氧气得电子发生还原反应，石墨电极是正极，锌电极是负极，A项错误，D项正确；锌作负极，碱性条件下，负极的电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，B项错误；原电池工作时，溶液中的阴离子向负极移动，即OH－向Zn极移动，C项错误。

[答案]　D

学习任务3　常见化学电源的特点

情境：

如图是干电池、铅蓄电池、氢氧燃料电池的构造图，请回答下列问题：

1．一次电池和二次电池是否指分别只能使用一次和两次的电池？

提示　一次电池是不可充电电池，电量一旦放完就无法再次使用；二次电池是可充电电池，电量放完后可进行充电，可反复使用多次。

2．结合所学知识判断：

干电池与充电电池的本质区别，燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别。

提示　干电池是一次电池，放电之后不能充电，即内部的氧化还原反应是不可逆的；充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。

燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等，这时电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。

　几种电池的特点

名称

干电池（一次电池）

充电电池（二次电池）

燃料电池

特点

①活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度后，不能再使用

②电解质溶液为胶状，不流动

①放电后可再充电使活性物质获得再生

②可以多次充电，重复使用

①电极本身不包含活性物质，只是一个催化转换元件

②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出

举例

普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等

铅蓄电池、锂电池、镍镉电池等

氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等

【例题3】　下列有关电池的叙述不正确的是（　　）

A．水果电池是方便实用的家用电池

B．铅蓄电池是一种常用的二次电池

C．氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置

D．锌锰干电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄

[解析]　水果电池产生的电流非常微弱且不能连续长时间放电，不能作为家用电池；铅蓄电池是一种常用的二次电池，氢氧燃料电池产物为水，无污染；锌锰干电池工作时，Zn放电被消耗，故工作一段时间后锌外壳会逐渐变薄，B、C、D正确，A错误。

[答案]　A

变式训练3　下列说法正确的是（　　）

A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池

B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池

C．化学电池的反应基础是氧化还原反应

D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2

[解析]　碱性锌锰干电池是一次电池；燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池；铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。

[答案]　C

学习任务4　（核心素养）常见化学电源电极反应式的书写

一、知识要点

电极反应方程式的书写方法

（1）负极反应式的书写

①活泼金属作负极（电极材料本身反应）

生成的阳离子与电解质溶液不反应时：

M－ne－===Mn＋。

若生成的阳离子与电解质溶液反应，应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解质溶液反应的反应式”叠加写出。

②燃料电池（电极材料本身不反应）

H2—O2（H2SO4）燃料电池负极反应式：

H2－2e－===2H＋。

H2—O2（KOH）燃料电池负极反应式：

H2－2e－＋2OH－===2H2O。

（2）正极反应式的书写

①首先判断在正极反应的物质

当负极材料与电解质溶液能反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解液中的某种粒子。

当负极材料与电解质溶液不反应时，在正极上发生电极反应的是溶解在电解液中的O2。

燃料电池中正极反应的物质是作氧化剂的物质。

②根据具体情况书写正极反应式（也要考虑是否与电解液反应）

H2—O2（H2SO4）的正极反应式：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O。

H2—O2（KOH）的正极反应式：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

二、核心素养

书写方法⇒培养学生证据推理与模型认知能力

【素养解题】

[典例示范]　LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4SOCl2。

电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：

（1）电池的负极材料为__________，发生的电极反应为

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________；

（2）电池正极发生的电极反应为_____________________________________

__________________________________________________________________；

（3）SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。

如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是______________________________，

反应的化学方程式为_____________________________________________；

（4）组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是

______________________________________________________________

_______________________________________________________________。

[解题模型]

正负极

材料

碳、锂

电解液

LiAlCl4—SOCl2

总反应

4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑

注意点

（1）正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。

（2）确认电极得失电子后的产物是否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。

（3）在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易，一律写离子符号（而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示）。

细分析

分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂，SOCl2为氧化剂。

（1）负极材料为Li（还原剂），发生反应：

Li－e－===Li＋。

（2）正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：

2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。

（3）题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液而用水吸收时的产物应为SO2和HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。

（4）因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。

[答案]　

（1）Li　Li－e－===Li＋

（2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑

（3）出现白雾，有刺激性气味的气体生成

SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑

（4）因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应

三、对点训练

1．据媒体报道，以氢氧燃料电池为动力的公交车在北京试运行。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）常作为电动汽车的动力源。

该燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，铂作催化剂，导电离子是H＋。

下列对该燃料电池的描述中正确的是（　　）

①正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O

②负极反应为2H2－4e－===4H＋

③总的化学反应为2H2＋O2

2H2O

④氢离子通过电解质向正极移动

A．①②③B．②③④

C．①②④D．①②③④

[解析]　此题考查了原电池的基本原理，包括燃料电池的电极反应、总反应及电解液中离子的移动等相关理论。

通过分析，③反应条件是点燃，显然是错误的，其余各项均正确。

[答案]　C

2．某科学探究小组为探究电化学原理，设计了如图所示的装置进行探究实验。

下列对实验中观察到的现象或相关结论的叙述错误的是（　　）

A．a和b不连接时，该装置不能形成原电池，铁片上有红色的铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片为负极，发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

C．无论a和b是否连接，铁片均会被氧化，溶液中均有Fe2＋生成

D．a和b用导线连接时，溶液中的Cu2＋向铜电极移动

[解析]　a和b不连接时，没有形成闭合回路，没有构成原电池，发生化学反应，铁把铜置换出来，A项正确；导线连接后，构成原电池，铁比铜活泼，铁作负极，发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋，B项错误；根据选项A、B分析可知，无论a和b是否连接，铁片均会被氧化，溶液中均有Fe2＋生成，C项正确；构成原电池时，阳离子向正极移动，铜作正极，D项正确。

[答案]　B

3．一种燃料电池中发生的化学反应为在酸性溶液中甲醇（CH3OH）与氧气作用生成水和二氧化碳。

该电池负极发生的反应是（　　）

A．CH3OH＋O2－2e－===H2O＋CO2＋2H＋

B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C．CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋

D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－

[解析]　该燃料电池的总反应为①2CH3OH＋3O2===4H2O＋2CO2，由于在酸性溶液中正极反应为②O2＋4H＋＋4e－===2H2O，根据得失电子守恒则负极反应为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋

[答案]　C

4．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高的优点受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。

某种锂电池的总反应式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法中正

确的是（　　）

A．Li是正极，电极反应式为Li－e－===Li＋

B．Li是负极，电极反应式为Li－e－===Li＋

C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－===MnO

D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－===Li2＋

[解析]　由总反应式Li＋MnO2===LiMnO2可知，锂元素在反应后化合价升高（0→＋1价），锰元素在反应后化合价降低（＋4价→＋3价）。

Li失电子被氧化，在电池中作负极，电极反应式为Li－e－===Li＋。

MnO2在正极上得电子被还原，电极反应式为MnO2＋e－===MnO

。

[答案]　B

5．试根据氧化还原反应：

2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计原电池，并画出装置图。

电解质溶液是________，负极是________，电极反应式为____________，正极是________，电极反应式为__________________________。

[解析]　氧化还原反应中的氧化剂在正极反应，还原剂在负极反应。

根据方程式可知，铜作负极，FeCl3为电解质，正极选用比Cu的活泼性差但能导电的物质。

[答案]　FeCl3溶液　Cu　Cu－2e－===Cu2＋　石墨（Pt、Ag等合理即可）　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋