人教版必修2 第2章第2节 化学能与电能——原电池 学案.doc

第2节 化学能与电能原电池【学习目标】1、了解常见化学能与电能转化方式及应用；2、掌握原电池的组成及反应原理；3、认识常见的几种化学电源和开发利用新型电池的意义。【要点梳理】要点一、原电池的工作原理1、原电池的定义燃煤发电的能量转换过程是 ，该过程虽然实现化学能与电能的转化，但是过程繁琐、复杂且能耗较大。在此过程中，燃烧(氧化还原反应)是使化学能转换为电能的关键。因此，需要设计一种装置使氧化还原反应释放的能量直接转变为电能，原电池就是这样的装置。将化学能转变为电能的装置叫做原电池。2、原电池的工作原理 实验1、如下图，把一锌片和一铜片插入稀h2so4中。现象：zn片上有气泡出现。反应：znh2so4znso4h2。zn失电子生成zn2+，h得电子生成h2。实验2、把上图中的zn、cu用一导线连接起来，中间接一电流计g。现象：zn片逐渐溶解，cu片上有气泡出现，电流计g指针发生偏转。结论：zn反应生成zn2+而溶解，cu片上有h2产生，有电流产生。该实验中，产生了电流，就构成了原电池。要点诠释：原电池工作原理相当于将氧化还原反应中电子通过用电器转移，产生电能，因此原电池的作用为将化学能转化成电能。要点二、原电池的组成条件组成原电池必须具备三个条件：(1)提供两个活泼性不同的电极，分别作负极和正极。要点诠释：a、负极：活泼性强的金属，该金属失电子，发生氧化反应。b、正极：活泼性弱的金属或非金属(常用碳棒、石墨)，该电极上得电子，发生还原反应。c、得失电子的反应为电极反应，上述原电池中的电极反应为：负极：zn2ezn2+正极：2h2eh2，总反应：znh2so4znso4h2(2)两个电极必须直接和电解质溶液接触，电解质溶液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。要点诠释：电源内部电解质溶液中，阳离子移动的方向即是电流的方向，所以阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。(3)必须有导线将两电极连接，形成闭合通路。要点诠释：在电源的外电路电流由正极流向负极，在电源的内电路电流由负极流向正极，从而形成闭合回路。要点三、原电池的正、负极的判断方法 原电池中正负极的判断方法如下：(1)根据电极材料：较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。(2)根据电流方向或电子流动方向：电流是由正极流向负极的，电子是由负极流向正极的。(3)根据离子移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。(4)根据电极反应类型：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。(5)根据电极上反应现象：如电极粗细的变化、质量的变化、是否有气泡产生等。要点诠释：在判断电流方向时，要注意电源的内电路和外电路的电流方向的不同：在电源的外电路电流由正极流向负极，在电源的内电路电流由负极流向正极。要点四、原电池电极反应式的书写书写电极反应式时需掌握以下要点： (1)需标出正负极及电极材料。(2)遵循三大守恒(电子得失守恒、质量守恒、电荷守恒)。(3)电池的电极反应书写要满足所处的电解质溶液的酸碱性环境。例如在氢氧燃料电池的电极反应书写中，在碱性环境中o2得电子后的产物写oh-比写h2o更合适，在传导o2-的固体电解质中，o2得电子后的产物写o2-比写oh-更合适。(4)电池的电极反应式可以直接写，也可以将总电池反应减去某一极反应得到另一极反应。减的时候要注意不要在负(正)极出现正(负)极得(失)电子的物质。以氢氧燃料电池为例：方法一：直接写。负极电极反应式书写：酸性介质中：h2失电子为负极，产物写成h+就可以。负极：2h2-4e-=4h+碱性介质中：h2失电子的产物写成h+就不合适了，写成h2o更合适，根据电荷守恒，左边补oh-。负极：2h2-4e-+4oh-=4h2o正极电极反应式书写：酸性介质中：o2得电子，根据电荷守恒再补4h+，产物写成h2o：正极：o2+4h+4e-=2h2o 碱性介质中：o2得电子，产物写成oh-更合适，根据元素守恒，左边以h2o来补。正极：o2+2h2o+4e-=4oh-方法二：用总反应。总反应：2h2+o2=2h2o 减去负极反应：2h2-4e-=4h+，将负极中失电子的h2抵消掉，可得酸性条件下的正极反应。要点诠释：书写的原则是：按照负极发生氧化反应、正极发生还原反应的规律，正确判断出两极物质反应生成的产物，然后结合电解质溶液所能提供的离子，结合质量守恒定律、电荷守恒配平各电极式，两电极反应式相加则得总反应式。结合具体的情况，我们可以概括为以下两种情况：a.根据两个电极反应式，写出总反应式，使两个电极式得失电子数相等后，将两式相加，消去相同的部分。若电解质为弱电解质，在相加时应把离子改为相应的弱电解质。b.根据总反应式，写电极反应式一般分四个步骤：列物质，标得失；选离子，配电荷；配个数，巧用水；两式加，验总式。写电极反应式时应注意：a.两极得失电子数相等。b.电极反应式常用“”，不用“”。c.电极反应式中若有气体生成，需加“”；若有固体生成，一般不标“”。要点五、原电池原理的应用1.作化学电源。人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能燃料电池等，以满足不同的需要。2.比较金属的活动性。原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。例如，有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，由原电池原理可知，a为负极，b为正极，金属活动性ab。3.加快氧化还原反应速率。实验室用zn和稀h2so4(或稀hcl)反应制h2，常用粗锌，它产生h2的速率快，原因是粗锌中的杂质和锌、稀h2so4的溶液形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生h2的速率加快。如果用纯锌，可以在稀h2so4溶液中加入少量的cuso4溶液，也同样会加快产生h2的速率，原因是cu2+zn=cu+zn2+，生成的cu和zn在稀h2so4溶液中形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生h2的速率加快。要点诠释：原电池为什么能加快化学反应速率？ 以fe与稀h2so4溶液的反应为例说明。如下图所示：甲中，fe失去e，变为fe2+，fe2+进入溶液，排斥了fe片周围的h+，h+欲得电子须突破fe2+形成的屏障，因而受到阻碍。乙中，fe失去e，e转移到cu片上，cu片一侧没有fe2+屏障，h+得e不受阻碍，故其化学反应速率较快。4.设计原电池从理论上说，任何一个氧化还原反应都可以设计成原电池。例如，利用cu+2fecl3=2fecl2+cucl2的氧化还原反应设计原电池，由反应式可知：cu失去电子作负极，fecl3(fe3+)在正极上得到电子，且作电解质溶液，正极为活泼性比cu弱的金属或导电的非金属等。如图该原电池的电极反应式为：负极(cu)：cucu2+2e(氧化反应)正极(c)：2fe3+2e2fe2+(还原反应)5.金属防腐蚀。金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应，使金属失去电子变为阳离子而损耗的过程。在金属腐蚀中，把不纯的金属跟电解质溶液接触时形成的原电池反应发生的腐蚀称为电化学腐蚀(区别于一般的化学腐蚀)。如钢铁的电化学腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表面吸附一层薄薄的水膜，里面溶解了氧气、co2，含有少量的h+和oh-，形成电解质溶液。它跟钢铁里的铁和少量的碳形成无数个微小的原电池。铁作负极，碳作正极：负极：2fe-4e-=2fe2+正极：o2+4e-+2h2o=4oh-电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。【典型例题】类型一：原电池的工作原理例1、原电池产生电流的本质原因是()a原电池中溶液能电离出自由移动的离子b有导线将两个活动性不同的电极连接c正极发生了氧化反应，而负极发生了还原反应d两电极上分别进行的氧化还原反应中有电子的转移【答案】d【解析】氧化还原反应是原电池产生电流的本质原因。【总结升华】抓住原电池产生电流的本质原因才能理解原电池的工作原理和应用。举一反三：【变式1】下面是四个化学反应，你认为理论上不可用于设计原电池的是()a2al+2naoh+2h2o=2naalo2+3h2b2h2+o2=2h2ocmg3n2+6h2o=3mg(oh)2+2nh3dch4+2o2=co2+2h2o【答案】c【解析】理论上反应类型为氧化还原反应的化学反应可用于设计原电池。只有选项c属于非氧化还原反应。类型二：原电池的组成条件例2、下图各装置中，不能构成原电池的是() 【答案】d 【解析】根据构成原电池的几个条件可以发现，d答案是错误的，没有构成闭合回路。【总结升华】本题是对构成原电池的条件的考查。构成原电池的条件必须同时满足：(1)要有活泼性不同的两个电极；(2)要有电解质溶液；(3)要有导线，能形成闭合回路。举一反三：【变式1】在下图的八个装置中，属于原电池的是哪几个？【答案】类型三：原电池的正、负极的判断方法例3、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铜片是正极，该电极周围溶液氢离子浓度不变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【答案】d【解析】如图所示装置是原电池，电极为正、负极，活泼的锌为负极，失去电子，发生氧化反应，本身质量逐渐减少。而铜极为正极，上面富集电子，h移向铜极，h浓度增大，h发生还原反应产生h2。举一反三：【变式1】关于下图所示的原电池，下列说法正确的是()a电子从锌电极通过检流计流向铜电极b盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移c锌电极发生还原反应，铜电极发生氧化反应d铜电极上发生的电极反应是：2h2e=h2【答案】a【解析】图示原电池中，zn为负极发生氧化反应，cu为正极发生还原反应，故a项正确，c项错；原电池工作时，znso4溶液中的zn 2浓度增大，所以盐桥中的阴离子向znso4溶液中迁移，b项错；铜电极上发生的反应是cu22ecu，d项错。类型四：原电池电极反应式的书写例4、如下图所示装置能否构成原电池？_。若不能，请说明理由_。若能，请确定两极名称并写出电极反应式和总反应式_，_。【答案】能al为负极：al4oh3e=alo2-2h2omg为正极：2h2o2e=h22oh总反应：2al2naoh2h2o=2naalo23h2【解析】装置满足原电池构成的条件，有活泼性不同的电极、有电解质溶液并且形成了闭合回路，所以能形成原电池。在naoh溶液中，al的活动性强，是负极，电极反应式为：al4oh3e=alo2h2o，mg为正极，电极反应式为：2h2o2e=h22oh【总结升华】如果对原电池的原理理解不透彻，仅根据电极材料的金属活泼性来写原电池的正负极，在解本题时就会出错。原电池能形成电流，是由于两极在电解质溶液中放电能力不同而造成的。电极材料在电解质溶液中的放电能力与金属的活泼性并不完全一致，即金属性强的不一定先放电。如mg比al活泼，在naoh溶液中al能反应，而mg不能。弄清这一点，本题就容易解决了。举一反三：【变式1】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，则下列说法中正确的是() 每消耗l mol ch4可以向外电路提供8mol e 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 a b c d 【答案】a 【解析】ch4在铂电极上发生类似于ch4在o2中燃烧的反应，即ch4co2，严格地讲生成的co2还与koh溶液反应生成k2co3，化合价升高，失去电子，作电池的负极，电极反应式为ch4+10oh8e=co32+7h2o，1 mol ch4参加反应有8 mol e发生转移，o2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为o2+2h2o+4e=4oh。虽然正极产生oh，负极消耗oh，但从总反应ch4+2o2+2koh=k2co3+3h2o可看出反应消耗了koh，所以电池放电时溶液的ph不断下降，故正确，错误。【变式2】写出下列原电池的电极反应式和总反应的化学方程式。负极正极电解质溶液（1）铁铜稀硫酸（2）铜银硝酸银溶液（3）铁石墨氯化钠溶液(1)负极：_；正极：_；总反应式：_。(2)负极：_；正极：_；总反应式：_。(3)负极：_；正极：_；总反应式：_。【答案】(1)fe2e=fe2 2h2e=h2 feh2so4=feso4h2(2)cu2e=cu2age=ag cu2agno3=2agcu(no3)2(3)fe2e=fe22h2oo24e=4oh 2fe2h2oo2=2fe(oh)2类型五：原电池原理的应用例5、根据下列实验事实：(1)xy2=x2y；(2)z2h2oz(oh)2h2；(3)z2的氧化性比x2弱；(4)由y、w电极组成原电池，电极反应为w22e=w，y2e=y2，可知x、y、z、w的还原性由强到弱的顺序是()axzyw bzwxyczxyw dzyxw【答案】c【解析】(1)中x能置换出y，说明还原性xy；(2)中z可与冷水反应，说明z是极活泼金属；(3)说明还原性zx；(4)中y、w形成原电池时，y作负极，说明还原性yw。综上所述，几种金属的还原性由强到弱的顺序为zxyw。【总结升华】原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。而负极是电子流出的一极，发生氧化反应，电流流入的一极，一般该电极不断溶解或质量不断减少。若某电极上有气体产生，电极的质量不断增加或不变，该