《化学能转化为电能—电池》课件1.ppt

第1章化学反应与能量转化第3节化学能转化为电能 电池 栏目链接 1 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 并理解电极反应的概念 2 了解原电池的实际应用 3 理解金属腐蚀的电化学原理以及了解相应的防护措施 栏目链接 栏目链接 一 原电池的工作原理 1 原电池的定义电化学上将 能转化为 能的装置称为原电池 化学 电 栏目链接 2 铜锌原电池装置及实验现象分析 1 装置 栏目链接 2 实现现象 减少 增加 减少 增加 栏目链接 3 实验分析 Zn 2e Zn2 Cu2 2e Cu 流出 流入 Zn CuSO4 ZnSO4 Cu 栏目链接 1 铜锌原电池中盐桥的作用是什么 思考应用 答案 盐桥可提供定向移动的阴阳离子 使由它连接的两溶液保持电中性 保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移 使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行 导线的作用是传递电子 沟通外电路 而盐桥的作用则是沟通内电路 栏目链接 3 原电池的工作原理外电路中电子由 极流向 极 内电路 电解质溶液 中阴离子移向 极 阳离子移向 极 电子发生定向移动从而形成电流 实现了 能向 能的转化 负 正 负 正 化学 电 栏目链接 4 原电池的构成条件 1 不同的两个电极 2 电极均与 接触 3 形成闭合回路 4 能自发地发生 反应 活泼性 电解质溶液 氧化还原 栏目链接 二 化学电源 1 化学电源的分类 1 一次电池 只能放电 不能充电 使用后弃去 可能造成 2 可充电电池 也称 可以反复充电和放电 放电时是一个 将 能转化为 充电时是一个 将 转化为 环境污染 二次电池 原电池 化学 电能 电解池 电能 化学能 栏目链接 3 燃料电池 电池负极输入燃料 发生 反应 正极输入 发生 反应 实现一个相当于燃烧反应的电池反应 将 转化为 氧化 氧气 还原 化学能 电能 栏目链接 2 常见化学电源 1 锌锰干电池 一次电池 负极 锌 发生的反应 正极 石墨 2NH 2e 2NH3 H2 电池反应 Zn 2e Zn2 Zn 2NH Zn2 2NH3 H2 栏目链接 2 铅蓄电池 二次电池 负极 正极 PbO2 SO 4H 2e PbSO4 2H2O 总反应为 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O Pb SO 2e PbSO4 栏目链接 3 氢氧燃料电池 电解质溶液是KOH溶液 在负极通入H2 正极通入O2 电极反应为 负极 正极 总反应 2H2 4OH 4e 4H2O O2 2H2O 4e 4OH 2H2 O2 2H2O 栏目链接 2 可充电电池充电时电极与外接电源的正 负极如何连接 思考应用 答案 可充电电池充电时的电极接法为 栏目链接 三 金属的腐蚀与防护 1 金属的腐蚀 1 定义 金属表面跟周围接触到的气体或液体发生化学反应或因 而遭到破坏 电化学作用 栏目链接 2 分类 金属腐蚀可分为 和 是指金属与其他物质直接接触发生 而发生的腐蚀 是指不纯的金属或合金接触电解质溶液 使较活泼的金属发生 而引起的腐蚀 现实生活中 两种腐蚀往往同时发生 但 更普遍 危害更严重 化学腐蚀 电化学腐蚀 化学腐蚀 化学反应 电化学腐蚀 电化学反应 电化学腐蚀 栏目链接 3 钢铁的腐蚀 较弱 呈中性 Fe 2e Fe2 Fe 2e Fe2 2H 2e H2 O2 2H2O 4e 4OH 2H Fe Fe2 H2 2Fe O2 2H2O 2Fe OH 2 栏目链接 3 化学腐蚀与电化学腐蚀的本质相同吗 两者有何区别 思考应用 答案 两者的本质相同 都是金属失去电子被氧化即A ne An 两者的区别是化学腐蚀没有电流产生 而电化学腐蚀有电流产生 栏目链接 2 金属的防护 1 改变金属内部结构 如制成合金等 2 加防护层 如在金属表面 等 3 电化学防腐蚀 1 牺牲阳极保护法 这种方法通常是在被保护的钢铁设备 如锅炉内壁 船体外壳等 上装上若干 作原电池的 不断遭受腐蚀 定期拆换 而作为 的钢铁被保护了下来 喷油漆 涂油脂 电镀 锌块 负极 正极 栏目链接 2 阴极电保护法 这种方法是将被保护的钢铁设备 如钢闸门 与外加直流电源的 极相连作为 极 而将直流电源的正极接到一些废铁上 使废铁成为 极 负 阴 阳 栏目链接 防腐效果由好到差的顺序为 外加电源的阴极电保护法防腐 牺牲阳极保护法防腐 有一般防护条件的防腐 无防护条件的防腐 温馨提示 栏目链接 1 下列说法正确的是 A 铅蓄电池在放电过程中 负极质量减小 正极质量增加B 氢氧燃料电池中负极的电极反应式为 O2 2H2O 4e 4OH C 甲醇燃料电池以酸性溶液为电解质溶液 其负极反应为 CH3OH H2OCO2 6H 6e D 电池工作时 电子由负极通过电解质溶液流向正极 活学活用 栏目链接 活学活用 解析 铅蓄电池在放电过程中 负极电极反应式Pb SO 2e PbSO4 负极质量增加 正极电极反应式为PbO2 4H SO 2e PbSO4 2H2O 正极质量增加 故A项错误 氢氧燃料电池中 负极上H2失去电子 故B项错误 该燃料电池的电解质溶液呈酸性 所以负极上甲醇失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子 电极反应式为 CH3OH 6e H2O CO2 6H 故C项正确 原电池中 电子从负极通过导线流向正极 故D项错误 答案 C 栏目链接 2 将纯锌片和纯铜片按如图所示方法插入相同浓度的稀硫酸中一段时间 以下叙述正确的是 活学活用 栏目链接 A 两烧杯中铜片表面均无气泡产生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 活学活用 栏目链接 活学活用 解析 因乙杯中锌片和铜片没有接触 故不能构成原电池 而甲烧杯中锌片与铜片构成原电池 且H2从铜片上析出 故铜片表面有气泡产生 A B两项皆错 又因甲烧杯中Zn Cu用导线连接后构成原电池 加快了Zn的溶解 故D项错 同时 两杯中的Zn都能与稀H2SO4反应产生H2而消耗H 故C项正确 答案 C 栏目链接 栏目链接 知识点一原电池 电解池的工作原理比较 栏目链接 栏目链接 栏目链接 例1铜锌原电池如图工作时 下列叙述正确的是 栏目链接 A 正极反应Zn 2e Zn2 B 电池反应 Zn Cu2 Zn2 CuC 在外电路中 电子从负极移向正极D 盐桥中K 移向ZnSO4溶液 栏目链接 解析 A项中 Zn是负极 故A错误 B项中 电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同 故B正确 C项中 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 D项中 在溶液中 阳离子往正极移动 K 移向CuSO4溶液 故D错误 答案 BC 栏目链接 变式应用 1 某小组为研究电化学原理 设计如图装置 下列叙述不正确的是 栏目链接 变式应用 A a和b不连接时 铁片上会有金属铜析出B a和b用导线连接时 铜片上发生的反应为 Cu2 2e CuC 无论a和b是否连接 铁片均会溶解 溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色D a和b分别连接直流电源正 负极 电压足够大时 Cu2 向铜电极移动 栏目链接 变式应用 解析 a和b不连接时 不能构成原电池 铁置换出的铜附着在铁片上 故A项正确 a和b用导线连接时 构成原电池 溶液中的Cu2 得到电子生成铜在铜片上析出 故B正确 无论a和b是否连接 都是铁片不断溶解生成Fe2 溶液中的Cu2 不断得到电子生成Cu 从溶液中析出 溶液颜色从蓝色逐渐变成浅绿色 故C项正确 a和b分别连接直流电源正 负极时 装置为电解池 铜电极为阳极 铁为阴极 电解质溶液中阳离子向阴极移动 因此 即使电压足够大 Cu2 也只能向阴极移动 故D项错误 答案 D 栏目链接 知识点二判断原电池的正负极及电极反应式的书写 1 判断原电池的正负极 1 由组成原电池的两极电极材料判断 一般是活泼性较强的金属为负极 活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极 注 一定要注意实际情况 如 Mg Al NaOH Al才是负极 Al Cu 浓硝酸 Cu才是负极 2 根据电流方向或电子流动方向判断 电流是由正极流向负极 电子流动方向是由负极流向正极 栏目链接 3 根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断 在原电池的电解质溶液内 阳离子移向的极是正极 阴离子移向的极是负极 4 根据原电池两极发生的变化来判断 原电池的负极总是失电子发生氧化反应 负失氧 其正极总是得电子发生还原反应 正得还 栏目链接 5 根据原电池的两极发生的现象判断 溶解或质量减轻的电极为负极 电极增重 有金属析出 或有气泡放出的一极为正极 此规则具有相当的局限性 可用于一些非常规的原电池的电极判定 如Al Cu 稀硫酸 但不适用于目前许多的新型燃料电池的电极的判定 学习中常犯的错误是原电池正负极的判断 不一定是较活泼的金属一定作负极 而要看是否发生氧化反应 如 铁 铜和浓硝酸组成的原电池 虽然铁的活泼性比较强 但不能与浓硝酸反应 而铜可以 因此铜作负极 铁作正极 栏目链接 2 电极反应式的书写 1 一般电极反应式的书写 栏目链接 2 复杂电极反应式的书写 如书写CH4在酸性燃料电池中总反应式为 CH4 2O2 CO2 2H2O正极反应式 2O2 8H 8e 4H2O负极反应式 CH4 2H2O 8e CO2 8H 栏目链接 3 注意问题 书写电极方程式时一定要考虑电解质溶液的酸碱性 如氢氧燃料电池 在酸性溶液中 负极反应 H2 2e 2H 在碱性溶液中负极反应为 2H2 4OH 4e 2H2O 原电池中正负极电极反应式 对于强弱电解质的书写形式 一般要求与离子方程式相同 栏目链接 例2 1 我国首创的海洋电池 以海水为电解质溶液 总反应为 4Al 3O2 6H2O 4Al OH 3 则该电池负极反应式为 正极反应式 2 如右图 若A为铜片 B为铁片 电解质为FeCl3溶液 则作铜片为 极 填正或负 写出电极反应式 正极 负极 栏目链接 栏目链接 解析 1 根据反应方程式知 正极为O2发生还原反应生成OH 负极是Al 负极失电子发生氧化反应生成Al3 2 根据正负极材料的活泼性知 铁片作负极 铜片作正极 正极上Fe3 得电子生成Fe2 答案 1 4Al 12e 4Al3 3O2 6H2O 12e 12OH 2 正2Fe3 2e 2Fe2 Fe 2e Fe2 栏目链接 变式应用 2 如图所示 试回答下列问题 栏目链接 变式应用 1 电解质溶液为稀H2SO4时 则负电极为 负极电极反应式为 2 电解质溶液为NaOH时 则负电极为 负极电极反应式为 栏目链接 变式应用 解析 1 当电解质溶液为稀H2SO4时 Mg Al都和稀硫酸反应 但Mg失电子的能力大于Al 所以Mg作负极 Al作正极 负极上Mg失电子变成离子进入溶液 所以负极电极反应式为 Mg 2e Mg2 2 当电解溶液为NaOH时 Al和氢氧化钠溶液反应 Mg和氢氧化钠溶液不反应 Al失电子和氢氧根离子生成偏铝酸根离子和水 即Al 3e 4OH AlO 2H2O 所以Al作负极发生氧化反应 Mg作正极 答案 1 镁 Mg Mg 2e Mg2 2 铝 Al Al 3e 4OH AlO 2H2O 栏目链接 知识点三化学电源 1 电池的分类 栏目链接 2 一次电池与二次电池的不同点 1 一次电池的活性物质 发生氧化还原反应的物质 消耗到一定程度就不能使用了 如普通的锌锰干电池 碱性锌锰干电池 2 二次电池又称充电电池或蓄电池 放电后可以再充电使活性物质获得再生 这类电池可以多次重复使用 如铅蓄电池等 栏目链接 3 可充电电池放电时是一个原电池 将化学能转化为电能 充电时是一个电解池 将电能转化为化学能 3 常见的化学电池 1 锌锰干电池 2 铅蓄电池 铅蓄电池的电极反应 栏目链接 放电时二氧化铅电极上发生还原反应 铅电极发生氧化反应 充电时二氧化铅电极上发生氧化反应 铅电极上发生还原反应 栏目链接 3 氢氧燃料电池 写电极反应时要考虑介质是否参与反应 下面分别为碱性 酸性 中性介质时的电极反应 a 电解质溶液为KOH溶液时 栏目链接 b 电解质溶液为稀H2SO4时 c 电解质溶液为Na2SO4溶液时 栏目链接 燃料电池的燃料除H2外 还有CH4 CH3OH和乙醇 C2H5OH 等 氢氧燃料电池因为产物只有水 不产生任何污染而备受关注 书写燃料电池的电极反应式应注意的问题 a 电池的负极一定是可燃性气体 失电子 发生氧化反应 也称阳极 电池的正极一定是助燃性气体 得电子 发生还原反应 也称阴极 b 电极材料一般不参加化学反应 只起传导电子的作用 栏目链接 c 电极反应式作为一种特殊的离子反应方程式 也必须遵循原子守恒 电荷守恒规律 d 写电极反应式时 一定要注意电解质是什么 其中的离子要和电极反应式中出现的离子相对应 在碱性电解质中 电极反应式中不能出现H 中性电解质溶液中H OH 不能出现在反应物中 e 正负极两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下 相加后的电池反应必是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式 栏目链接 如燃料电池 CH4 KOH aq O2 负极 CH4 10OH 8e CO 7H2O正极 2O2 4H2O 8e 8OH 总反应 CH4 2O2 2OH CO 3H2O 栏目链接 例3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 2H2OCd OH 2 2Ni OH 2 有关该电池的说法正确的是 栏目链接 A 充电时阳极反应 Ni OH 2 OH NiOOH H2O e 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 栏目链接 解析 充电时作为电解装置 电能转化为化学能 阳极发生氧化反应 电极反应为 Ni OH 2 OH NiOOH H2O e 故A正确 B错误 放电是一原电池装置 化学能转变为电能 Cd作负极 失去电子发生氧化反应 Cd 2OH Cd OH 2 2e Cd周围的 OH 下降 OH 向负极移动 故C D两项错误 答案 A 栏目链接 变式应用 3 2013 天津卷 为增强铝的耐腐蚀性 现以铅蓄电池为外电源 以Al作阳极 Pb作阴极 电解稀硫酸 使铝表面的氧化膜增厚 反应原理如下 电池 Pb s PbO2 s 2H2SO4 aq 2PbSO4 s 2H2O l 电解池 2Al 3H2OAl2O3 3H2 电解过程中 以下判断正确的是 栏目链接 通电 变式应用 栏目链接 变式应用 解析 电池中Pb电极是负极 PbO2电极是正极 H 移向PbO2电极 故A项错误 每消耗3molPb 电路中通过电子的物质的量为6mol 据电子守恒得n Al2O3 1mol 故B项错误 电池正极反应式应为PbO2 4H SO 2e PbSO4 2H2O 故C项错误 电池Pb电极的电极反应式为Pb SO 2e PbSO4 Pb电极质量增大 电解池Pb电极的电极反应式为2H 2e H2 电极质量不变 故D项正确 答案 D 栏目链接 知识点四金属的腐蚀与防护 1 金属的腐蚀 1 金属的腐蚀指的是金属及其合金跟周围接触到的气体或液体发生化学反应被氧化而损耗的过程 2 金属腐蚀的实质都是金属原子失去电子被氧化的过程 其反应方程式 M代表金属元素 为 M ne Mn 栏目链接 3 金属腐蚀的分类 栏目链接 4 化学腐蚀与电化学腐蚀的比较 栏目链接 2 钢铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较 栏目链接 续表 栏目链接 3 金属的防护 1 内因 改变内部组成和结构 如与铬 镍等形成不锈钢 2 外因 防止形成原电池 改变电解质溶液为非电解质 如涂上油漆 矿物性油脂等 栏目链接 镀上一层纯金属 锌 锡 铬 镍 以改变电极 使不存在活动性不同的两个电极 只有一极不形成原电池 如 表层镀锌的镀锌铁破损后 铁为正极 不腐蚀 锌为负极 被腐蚀 可以不断补充锌 保护铁 延长钢铁的使用期 而表层镀锡的镀锡铁 价格虽比镀锌铁低 但表层磨损后 锡为正极 铁为负极 加快了钢铁的腐蚀 此外 还可将铁钝化使之表面形成一层致密的Fe3O4氧化膜 栏目链接 3 电化学保护法 接锌块形成原电池 牺牲锌 负极 保护铁 正极 习惯上叫做牺牲阳极的阴极保护法 如下图 如船壳上打上锌块 钢铁外接电源负极形成电解池 使之成为阴极而被保护 习惯上叫做外加电流的阴极保护法 如钢闸门接低压直流作负极 石墨接电源正极作阳极 浸入水中 如下图 栏目链接 就防护效果而言 法优于 法 栏目链接 栏目链接 4 金属腐蚀的快慢的判断方法 1 电解原理引起的腐蚀 原电池原理引起的腐蚀 化学腐蚀 有防护措施的腐蚀 2 同一金属在不同溶液中的腐蚀速率 强电解质 弱电解质 非电解质 栏目链接 3 原电池原理引起的腐蚀速率 两极金属活动性相差越大 腐蚀越快 4 同一电解质溶液 电解质溶液浓度越大 腐蚀越快 5 常见金属防护的措施 1 改变金属的内部结构 2 在金属表面覆盖保护层 栏目链接 栏目链接 例4下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是 A 钢管与电源正极连接 钢管可被保护B 铁遇冷浓硝酸表面钝化 可保护内部不被腐蚀C 钢管与铜管露天堆放在一起时 钢管不易被腐蚀D 钢铁发生析氢腐蚀时 负极反应是Fe Fe3 3e 栏目链接 解析 A项中钢管与电源负极相连可被保护 C项中钢管和钢管堆放在一起时可构成原电池从而使钢管被腐蚀 D项中应生成Fe2 答案 B 栏目链接 变式应用 4 2013 北京卷 下列金属防腐的措施中 使用外加电流的阴极保护法的是 A 水中的钢闸门连接电源的负极B 金属护栏表面涂漆C 汽车底盘喷涂高分子膜D 地下钢管连接镁块 栏目链接 变式应用 解析 水中的钢闸门连接电源负极 阴极上得电子被保护 所以属于使用外加电流的阴极保护法 故A项正确 对金属护栏涂油漆使金属和空气 水等物质隔离而防止生锈 没有连接外加电源 故B项错误 汽车底盘喷涂高分子膜阻止了铁与空气 水的接触 从而防止金属铁防锈 没有连接外加电源 故C项错误 镁的活泼性大于铁 用牺牲镁块块的方法来保护船身而防止铁被腐蚀 属于牺牲阳极的阴极保护法 故D项错误 答案 A 栏目链接 知识点五原电池原理的应用 1 用于比较不同金属的活动性强弱根据原电池原理可知 在原电池反应过程中 一般活动性强的金属作负极 而活动性弱的金属 或碳棒 作正极 2 用于加快化学反应速率由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生 因而反应速率加快 栏目链接 如Zn与稀H2SO4反应制氢气时 可向溶液中滴加少量CuSO4溶液 形成Cu Zn原电池 加快反应进行 3 用于金属的防护要保护一个铁制闸门 可用导线将其与一锌块相连 使锌作原电池的负极 铁制闸门作正极 4 用于设计制作化学电源 1 首先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应 栏目链接 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 选择还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 栏目链接 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 栏目链接 例5 2013 广东卷 1 能量之间可以相互转化 电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能 而原电池可将化学能转化为电能 设计两种类型的原电池 探究其能量转化效率 限选材料 ZnSO4 aq F