2019-2020学年高中化学 专题2 化学反应与能量转化 第三单元 化学能与电能的转化 第1课时 化学能转化为电能 化学电源学案 苏教版必修2

1 第第 1 1 课时课时 化学能转化为电能化学能转化为电能 化学电源化学电源 1 通过实验探究认识化学能可以转化为电能 2 从电子转移的角度理解化学 能向电能转化的本质及原电池的构成条件 3 会书写简单的原电池的电极反应式及电池 总反应方程式 离子方程式 4 了解常见的化学电源以及它们在生产和生活中的应用 5 了解金属的电化学腐蚀 化学能转化为电能 原电池 一 原电池的定义 把将化学能转变为电能的装置称为原电池 二 原电池的构成条件 1 电极材料 两种活动性不同的金属或金属和其他导电的材料 非金属或某些氧化物 等 2 两电极必须浸在电解质溶液中 两电极之间要用导线连接 形成闭合回路 3 氧化还原反应自发进行 较活泼的金属电极材料能与电解质溶液发生氧化还原反应 三 原电池的工作原理 1 外电路中 较活泼金属材料作负极 失去电子 电子经外电路流向较不活泼金属或 导体 正极 而使外电路中产生电流 2 内电路中 电解质溶液内 阳离子向正极移动 阴离子向负极移动 使电流通过电 解质溶液 四 电极反应 以铜 锌 稀硫酸 原电池为例 如图所示 负极 锌 反应式 zn 2e zn2 发生氧化反应 现象 锌不断溶解 正极 铜 反应式 2h 2e h2 发生还原反应 现象 有气泡逸出 总反应式 zn h2so4 znso4 h2 五 金属的电化学腐蚀 1 电化学腐蚀 1 条件 不纯的金属跟电解质溶液接触 2 反应 发生原电池反应 3 结果 较活泼的金属失去电子而被氧化 2 2 钢铁的腐蚀 1 条件 电极 铁和少量碳形成两个电极 电解质溶液 水膜中含有少量 h 和 oh 及 o2等气体 2 电极反应 以吸氧腐蚀为例 负极 fe 反应式 2fe 4e 2fe2 正极 c 反应式 2h2o o2 4e 4oh 1 下列各装置露置在空气中 能在外电路获得电流的是 解析 选 b a 项 两极的材料相同 不能形成原电池 c 项 酒精是非电解质 不能 形成原电池 d 项 没有形成闭合回路 不能获得电流 2 已知锌 空气电池的电极反应如下 锌电极 zn 2oh 2e zno h2o 石墨电极 o2 h2o 2e 2oh 1 2 可以判断石墨电极是 a 负极 发生还原反应 b 正极 发生氧化反应 c 负极 发生氧化反应 d 正极 发生还原反应 解析 选 d 锌 空气电池中 失去电子的一极是负极 发生氧化反应 得到电子的一 极是正极 发生还原反应 3 家用炒菜铁锅用水清洗放置后 出现红棕色的锈斑 在此过程中不能发生的化学反 应是 a 4fe oh 2 o2 2h2o 4fe oh 3 b 2fe o2 2h2o 2fe oh 2 c o2 2h2o 4e 4oh d fe 3e fe3 解析 选 d 只考虑到 fe 与 o2在室温下不反应而错选 b 洗过的铁锅在空气中放置 可发生吸氧腐蚀 电极反应式分别为负极 2fe 4e 2fe2 正极 o2 2h2o 4e 4oh 总反应式 2fe o2 2h2o 2fe oh 2 而 fe oh 2在空气中又易 3 被氧化为 fe oh 3 1 构成原电池的必要条件 1 具有活泼性不同的两个电极 或者是金属与石墨构成的两个电极 而且要求其中较 活泼的金属能与电解质溶液发生氧化还原反应 2 电解质溶液 根据电极的性质选择合适的酸 碱或者盐作为电解质溶液 以利于电 极发生化学反应 电解质溶液的作用 一是参与氧化还原反应 二是在溶液中构成闭合回 路 起到导电的作用 3 形成闭合回路 外电路有导线导电 内电路有电解质溶液和电极导电 有时两个电 极直接接触可以省略外部导线 2 原电池正 负极的判断方法 1 根据组成原电池的两极材料判断 一般是活泼的金属为负极 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判断 在外电路中 电流是由正极流向负极 电子流动方向是由负极流向正极 3 根据原电池中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反应来判断 原电池的负极总是失电子发生氧化反应 正极总是得电子发生还原反应 5 根据现象判断 溶解的一极为负极 增重或有气泡放出的一极为正极 正确理解电极反应 1 负极 还原剂 ne 氧化产物 正极 氧化剂 ne 还原产物 2 正极上得电子发生还原反应的物质可能是溶液中的阳离子 也可能是电解质溶液中 溶解的 o2 而正极本身不损耗 3 负极上失电子的物质可能是电极本身 也可能是其他物质发生氧化反应 3 原电池的应用 1 加快氧化还原反应速率 如实验室用 zn 和稀硫酸 或稀盐酸 反应制 h2 常用粗锌 粗锌中的杂质和锌 稀硫 酸 或稀盐酸 形成原电池 加快了锌的氧化 使产生 h2的速率加快 2 比较金属的活动性强弱 4 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 3 判断金属腐蚀快慢 原电池原理引起的腐蚀 化学腐蚀 有防护措施的腐蚀 4 设计原电池 从理论上说 任何一个自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池 例如 利用 cu 2fecl3 2fecl2 cucl2的氧化还原反应就可设计成原电池 当原电池的负极材料与电解质溶液不能直接反应时 正极上发生的反应一般为溶解在 溶液中的氧气得电子生成氢氧根离子的反应 类似于钢铁的电化学腐蚀中的吸氧腐蚀 锌铜原电池装置如图所示 其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过 下 列有关叙述正确的是 a 铜电极上发生氧化反应 b 电池工作一段时间后 甲池的c so 减小 2 4 c 电池工作一段时间后 乙池溶液的总质量增加 d 阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动 保持溶液中电荷平衡 解析 a cu 作正极 电极上发生还原反应 错误 b 电池工作过程中 so不参 2 4 加电极反应 故甲池的c so 基本不变 错误 c 电池工作时 甲池反应为 2 4 zn 2e zn2 乙池反应为 cu2 2e cu 甲池中 zn2 会通过阳离子交换膜进入乙池 以维持溶液中电荷平衡 由电极反应式可知 乙池中每有 64 g cu 析出 则进入乙池的 zn2 为 65 g 溶液总质量略有增加 正确 d 由题干信息可知 阴离子不能通过阳离子交 换膜 错误 答案 c 1 上述例题的原电池装置中 znso4 aq 与 cuso4 aq 能否互换 2 上述例题的原电池装置中 电子如何流动 答案 1 不能 2 电子从 zn 电极经导线流向 cu 电极 5 原电池的工作原理 以铜锌原电池为例 工作过程中电解质溶液中阳离子向正极移动 如 h 向 cu 片定向移动 阴离子向负极 移动 如 so向 zn 片定向移动 与外电路构成闭合回路 2 4 原电池的工作原理 1 某原电池结构如图所示 下列有关该原电池的说法正确的是 a 总电池反应为 mg 2h mg2 h2 b 镁棒发生还原反应 c 电子从铜棒经外电路流向镁棒 d 铜棒为负极 解析 选 a a 镁比铜活泼 镁作负极 其总电池反应为 mg 2h mg2 h2 故 正确 b 镁失去电子 化合价升高 被氧化 发生氧化反应 故错误 c 根据原电池工作 原理 电子从镁经外电路流向铜 故错误 d 镁化合价升高 作负极 故错误 2 图 1 是铜锌原电池示意图 图 2 中 x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量 y轴表示 a 铜棒的质量 b c zn2 c c h d c so 2 4 解析 选 c 图 2 显示 在铜锌原电池中 随着流入正极的电子的物质的量 x 的增加 y逐渐减小 该铜锌原电池中发生的电池反应 负极 zn zn 2e zn2 正极 cu 2h 2e h2 6 随着流入正极的电子的物质的量的增加 铜棒质量不变 c zn2 增加 c h 减小 c so 不变 2 4 3 mg agcl 电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池 下列叙述错误的是 a 负极反应式为 mg 2e mg2 b 正极反应式为 ag e ag c 电池放电时 cl 由正极向负极迁移 d 负极会发生副反应 mg 2h2o mg oh 2 h2 解析 选 b 该电池中 mg 作负极 失去电子发生氧化反应 生成 mg2 a 项正确 正 极反应为 agcl e ag cl b 项错误 电池放电时 cl 从正极向负极移动 c 项正 确 在负极 mg 会发生副反应 mg 2h2o mg oh 2 h2 d 项正确 原电池的电极判断 4 下列关于原电池的说法 正确的是 a 在正极上发生氧化反应 b 一般化学性质较活泼的电极为负极 c 在外电路中电子流出的一极为正极 d 原电池中的阳离子向负极移动 解析 选 b 原电池负极发生氧化反应 a 错误 外电路中电子流出的一极为负极 c 错误 原电池中阳离子向正极移动 d 错误 5 如图所示装置均为原电池 下列说法错误的是 a 在金属活动性顺序中 mg 在 al 之前 b 电池 a 中 al 是负极 c 电池 b 中 al 是正极 d 电池 a 和 b 中 都是铝片上产生 h2 解析 选 d 在金属活动性顺序中 mg 排在 al 之前 在 b 中 镁为负极 但在 a 中 铝为负极 6 如图所示的装置中可观察到电流计的指针发生偏转 m 棒变粗 n 棒变细 由此判 断下表中所列 m n p 物质 其中可以成立的组合是 7 选项 mnp a 锌铜稀硫酸 b 铜铁稀盐酸 c 银锌agno3溶液 d 锌铁fe no3 3溶液 解析 选 c 该原电池中 m 棒变粗 n 棒变细 说明原电池反应时 n 棒溶解作负极 在 m 棒上有金属析出 m 棒作正极 a 选项中 负极为 m 棒且反应为 zn 2e zn2 没 有金属析出 b 选项中 电解质溶液为稀盐酸 原电池工作时 不会有金属析出 c 选项中 正极为 m 棒且反应为 ag e ag 符合题意 d 选项中 正极为 n 棒且反应为 fe3 e fe2 没有金属析出 原电池原理的应用 7 有 a b c d 四个金属电极 有关的反应装置图及部分反应现象如下 a 极质量减小 b 极 质量增大 b 极有气泡产生 c 极无变化 d 极溶解 c 极有气 泡产生 电流从 a 极流向 d 极 由此可判断这四种金属的活动性由强到弱的顺序是 a a b c d b b c d a c d a b c d a b d c 解析 选 c 装置甲中 a 极质量减小 b 极质量增大 a 极为负极 b 极为正极 所 以金属的活动性顺序 a b 装置乙中 b 极有气泡产生 c 极无变化 所以金属的活动性 顺序 b c 装置丁中 电流从 a 极流向 d 极 a 极为正极 d 极为负极 所以金属的活动 性顺序 d a 装置丙中 d 极溶解 所以 d 是负极 c 极有气泡产生 所以 c 是正极 所 以金属的活动性顺序 d c 故这四种金属的活动性顺序 d a b c 8 铁及铁的化合物应用广泛 如 fecl3可用作催化剂 印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止 血剂等 1 写出 fecl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式 8 2 若将 1 中的反应设计成原电池 请在方框内画出原电池的装置图 标出正 负极 并写出电极反应式 正极反应式 负极反应式 解析 首先分析 fe3 与 cu 反应中的氧化剂 还原剂 然后依据原电池原理 再设计 成原电池 依据反应 2fe3 cu 2fe2 cu2 cu 失电子 应为原电池的负极 正极 材料选用比铜不活泼的铂丝 或导电的非金属如石墨棒 电解质溶液选用 fecl3溶液 答案 1 2fe3 cu 2fe2 cu2 2 2fe3 2e 2fe2 cu 2e cu2 化学电源 1 化学电源 人们根据原电池的反应原理 发明并制造了多种多样的化学电源 在日常生活 高科 技领域 航天技术中化学电源是不可或缺的 化学电源具有能量转化率高 使用方便 用 途广泛等优点 化学电源可分为两类 一次电池 二次电池 其中一次电池又称为一次性电池 其特 点是用过之后不能复原 二次电池充电后可重复多次使用 常见的化学电源有锌锰干电池 银锌纽扣电池 铅蓄电池 镍氢电池 氢氧燃料电池 甲醇 空气燃料电池等 2 常见化学电源的组成与反应原理 电池 名称 电池组成电池反应特点与应用 锌锰 干电池 锌 碳棒 二氧化锰 氯化锌 氯化铵 zn 2nh4cl 2mno2 电压 1 5 v 用途广 泛 9 zn nh3 2cl2 2mno oh 银锌 纽扣 电池 锌 氧化银 氢氧化 钾溶液 zn ag2o h2o zn oh 2 2ag 放电 充电 电压 1 6 v 放电平 稳 电流大 铅蓄 电池 铅 二氧化铅 硫酸 pbo2 pb 2h2so4 放电 充电 2pbso4 2h2o 电压 2 0 v 广泛用 于机动车辆 镍氢 电池 贮氢合金 泡沫氧化 镍 氢氧化钾溶液 nio oh mhnio m 放电 充电 h2o mh 表示贮氢合金 m 中吸收结合的氢 电压 1 2 v 寿命长 性能好 比能量高 氢氧 燃料 电池 铂碳 氢气 铂碳 氧 气 氢氧化钾溶液 2h2 o2 2h2o 用于航天飞机 牵引 车等 甲醇 空气 燃料 电池 钯碳 甲醇 铂 烧结 镍 空气 氢氧化钾 溶液 2ch3oh 3o2 4oh 2co 6h2o 2 3 能量转换率高 1 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 解析 选 b 锂离子电池可以充电后再次使用 属于二次电池 a 项正确 铜锌原电池 中铜为正极 故电流为由铜流向锌 而电子是由锌流向铜 b 项错 电池的实质是把化学 能转化成电能 c 项正确 zn 失去电子生成 zn2 故作为负极 d 项正确 2 铅蓄电池的两极分别为 pb pbo2 电解质溶液为 h2so4 电池放电时的反应为 pb pbo2 2h2so4 2pbso4 2h2o 下列对电池放电时的分析正确的是 a pb 为正极被氧化 b 电子从 pbo2流向外电路 c so向 pbo2处移动 2 4 10 d 电解质溶液 ph 不断增大 解析 选 d 根据元素化合价变化知 铅失电子被氧化 作还原剂 则铅作负极 故 a 错误 该原电池中 电子从负极铅沿导线流向正极二氧化铅 故 b 错误 该原电池放电 时 硫酸根离子向负极铅移动 氢离子向正极二氧化铅移动 故 c 错误 根据电池反应式 知 硫酸参加原电池反应被消耗 则溶液中氢离子浓度逐渐减小 溶液的 ph 逐渐增大 故 d 正确 3 mg 条 al 条平行插入一定浓度的 naoh 溶液中 用导线 电流表连接 成原电池 此电池工作时 下列叙述中正确的是 a mg 比 al 活泼 mg 失去电子被氧化成 mg2 b 负极反应式为 al 3e 4oh alo 2h2o 2 c 该电池的内外电路中 电流均是由电子定向移动形成的 d al 是电池正极 开始工作时溶液中会立即有白色沉淀析出 解析 选 b 在碱性溶液中 铝作负极 al 3e al3 al3 继续和 oh 反应生成 alo 即 al 3e 4oh alo 2h2o 2 2 1 燃料电池及海水电池 1 氢氧燃料电池 铂碳 h2 koh 溶液 o2 铂碳 总反应式 2h2 o2 2h2o 负极 2h2 4e 4oh 4h2o 正极 o2 4e 2h2o 4oh 2 甲烷燃料电池 将两个 pt 电极插入 koh 溶液中 再分别通甲烷和氧气 可形成甲烷燃料电池 总反应式 ch4 2koh 2o2 k2co3 3h2o 负极 ch4 8e 10oh co 7h2o 2 3 正极 2o2 8e 4h2o 8oh 3 甲醇燃料电池 钯碳 甲醇 koh 溶液 空气 铂 烧结镍 总反应式 2ch3oh 3o2 4koh 2k2co3 6h2o 负极 2ch3oh 16oh 12e 2co 12h2o 2 3 正极 3o2 12e 6h2o 12oh 4 海水电池 该电池以取之不尽的海水为电解质 靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流 11 总反应式 4al 3o2 6h2o 4al oh 3 负极 4al 12e 4al3 正极 3o2 6h2o 12e 12oh 2 电极反应式的书写 1 负极反应式的书写 活泼金属作负极时 本身被氧化 若生成的阳离子不与电解质溶液反应 可直接写成的产物为金属阳离子 例如 zn 2e zn2 cu 2e cu2 若生成的金属阳离子与电解质溶液反应 应写成 金属失电子的反应式 与 阳离子 与电解质溶液反应的反应式 相叠加的形式 例如 mg al koh 原电池 负极反应式为 al 3e 4oh alo 2h2o 铅蓄电池负极反应式为 pb 2e so pbso4 22 4 负极材料本身不反应时 常见书写方法 h2 o2 h2so4 燃料电池 负极反应式为 h2 2e 2h h2 o2 koh 燃料电池 负极反应式为 h2 2e 2oh 2h2o 2 正极反应式的书写 首先根据化合价变化或氧化性强弱判断哪种微粒得电子 其次确定该微粒得电子后变 成哪种形式 例如 h2 o2 h2so4 原电池 正极反应式为 o2 4e 4h 2h2o h2 o2 koh 原电池 正极反应式为 o2 4e 2h2o 4oh 3 原电池总反应式的书写 两电极反应式 得失电子数相等时 将两电极反应式相加即得原电池总反应式 通常氢氧燃料电池有酸式 当电解质溶液为 h2so4溶液时 和碱式 当电解质溶液 为 naoh 溶液或 koh 溶液时 两种 如图所示的装置可形成氢氧燃料电池 试回答下列问题 1 酸式电池的电极反应 负极 正极 电池总反应 电解质溶液的 12 ph 填 变大 变小 或 不变 2 碱式电池的电极反应 负极 正极 电池 总反应 电解质溶液的 ph 填 变大 变小 或 不变 解析 燃料电池所用的介质不同 相应的电极反应就不同 但无论如何书写 两电 极反应相叠加始终等于燃料的燃烧反应 1 正极上 o2得电子变为 o2 溶液中 o2 不能 单独存在 酸性条件下与 h 结合生成 h2o 负极上 h2失电子变为 h h 进入电解质溶 液 电池总反应为 h2在 o2中的燃烧反应 由于有水生成 溶液将逐渐变稀 故 ph 增大 2 正极上 o2得电子变为 o2 溶液中 o2 不能单独存在 碱性条件下与 h2o 分子结合生 成 oh 负极上 h2失去电子变为 h 碱性条件下 h 不能大量存在 与 oh 结合生成水 电池总反应也是 h2在 o2中的燃烧反应 由于有水生成 c oh 变小 ph 变小 答案 1 2h2 4e 4h o2 4e 4h 2h2o 2h2 o2 2h2o 变大 2 2h2 4e 4oh 4h2o o2 4e 2h2o 4oh 2h2 o2 2h2o 变小 一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪 负极上的反应为 ch3ch2oh 4e h2o ch3cooh 4h 下列有关说法正确的是 a 检测时 电解质溶液中的 h 向负极移动 b 若有 0 4 mol 电子转移 则在标准状况下消耗 4 48 l 氧气 c 电池反应的化学方程式为 ch3ch2oh o2 ch3cooh h2o d 正极上发生的反应为 o2 4e 2h2o 4oh 解析 选 c 原电池中 h 移向电池的正极 a 项错误 该原电池的总反应为乙醇氧化 的化学方程式 c 项正确 用 c 项的化学方程式进行判断 若有 0 4 mol 电子转移时 消 耗氧气为 0 1 mol 即标准状况下为 2 24 l b 项错误 酸性电池中不可能存在 oh d 项错误 一般化学电源 1 下列电池工作时 o2在正极放电的是 a 碱性锌 锰干电池 b 氢燃 料电池 c 铅蓄 电池 d 镍镉 电池 解析 选 b 碱性锌锰干电池 正极反应 mno2 2h2o 2e mn oh 2 2oh mno2 在正极放电 a 错误 氢燃料电池 正极反应 酸性条件下 o2 4h 4e 2h2o o2在 正极放电 b 正确 铅蓄电池 正极反应 pbo2 4h so 2e pbso4 2h2o pbo2 2 4 13 在正极放电 c 错误 镍镉电池 正极反应 nio oh h2o e ni oh 2 oh nio oh 在 正极放电 d 错误 2 纽扣电池的两极材料分别为锌和氧化银 电解质溶液为 koh 溶液 放电时两个电极 反应分别为 zn 2oh 2e zn oh 2 ag2o h2o 2e 2ag 2oh 下列说法中正确 的是 a 锌是负极 发生还原反应 b 氧化银是正极 发生氧化反应 c 当电池中通过 0 2 mol 电子时 负极质量减少 6 5 g d 在电池放电过程中 电解质溶液的酸碱性基本保持不变 解析 选 c 根据电极反应可知 zn 为负极 发生氧化反应 ag2o 为正极 发生还原反 应 故 a b 两项错误 据 zn 2e 可知 当电池中通过 0 2 mol 电子时 溶解 0 1 mol zn 则负极质量减少 6 5 g 故 c 项正确 由电极反应式可知电池总反应式为 zn ag2o h2o 2ag zn oh 2 即电池放电过程中 水的量不断减小 c oh 不断增大 则电解质溶液的碱性增强 故 d 项错误 燃料电池 3 氢氧燃料电池是将 h2和 o2分别通到浸入 20 40 质量分数 的 koh 溶液的多孔石 墨电极上 其电池总反应为 2h2 o2 2h2o 则下列叙述正确的是 a 通入 h2的一极是正极 通入 o2的一极是负极 b 通入 o2的