化学能与电能导学案

化学能与电能学案导学课前导航目标要求重点提示学习方略1通过对铜锌原电池的实验探究初步了解原电池的形成条件和工作原理2了解生活中常用的化学电源及其应用原电池的形成条件和工作原理。1.通过思考、实验、观察、归纳激发学生的学习积极性，培养学生由表及里分析问题的能力。2.自主预习理解原电池的形成条件及工作原理。3.交流讨论，掌握原电池正、负极的判断方法。情景诱思 生活中我们将化学能转化为热能，再通过发电机等将热能转化为电能。但火力发电的能量转化效率是比较低的，每一步转化都有能量损失。那么，有没有直接、高效地将化学能转化为电能的设计呢? 在今天我们基于原电池原理发明了各种各样的电池，如普通干电池、纽扣电池、铅蓄电池等，人们还在继续进行电池的发明和创造。这些电池的电能是如何转化来的?其工作原理是什么?带着这些问题我们来学习本节的内容。自主学习 知识导引：化学能转化为电能 1.间接转化。燃烧蒸汽发电机 在我国发电总量的构成上，火力发电居首位。燃煤发电过程中的能量转化过程为化学能 能 能 能。 2直接转化原电池。 原电池是将 能转变为 能的装置。在原电池中氧化反应和还原反应分別在两个不同的区域进行，使其间电子发生转移，在闭合回路下形成电流。由此可见原电池反应的本质是氧化还原反应。 3.铜锌原电池。 （1）装置（如图1所示）。 （2）现象：锌片 铜片上有 产生，电流计指针发生偏转。 （3）电子流向：由 导线 流向 。 （4）离子移向：电解质溶液中， 移向铜极， 移向锌极。 （5）电极反应。 负极（Zn）：Zn 电子，发生 反应，电极反应为Zn-2e-=Zn2+ 正极(Cu)：H+在铜极上 电子，发生 反应，电极反应为2H+2e-=H2 。 总反应的离子方程式： 4原电池的工作原理。 （1）原理：负极 电子，发生 反应，正极 电子，发生 反应。 （2）电子流向：从 极流出，通过导线流人 极。 （3）离子移向：阴离子移向 极，阳离子移向 极。 【交流与总结】（1）原电池的构成条件：有活泼性不同的两个电极；有电解质溶液（酸、碱、盐的溶液均可）；能构成闭合回路；能自发发生氧化还原反应。（2）原电池正负极的判断如下：【想一想】图3所示装置中能形成原电池的是 （填序号）。 知识导引二：常见的化学电源 1.干电池。 （1）最早使用的化学电池是 ，它是一种 电池，放完电后不能复原，其负极是 正极是二氧化锰，电解质为NH4Cl。 （2）为了延长电池寿命和提高其性能，将普通干电池中的电解质 （填化学式，下同）换成湿的 ，并在构造上作了改进，制成了 2.充电电池又称 电池，充电后可继续使用。二次电池在放电时所进行的 在充电时可以 进行，使电池恢复到 放电前的状态。这样可以实现化学能 电能 化学能的循环。如最早使用的铅蓄电池，其正极材料为PbO2，负极材料为 ，电解质为 锂离 子电池是新一代可充电的绿色电池。 3.燃料电池。 （1）原理：利用原电池原理将燃料和氧化剂反应所放出的 直接转化为 。（2）与其他电池的区別：由外设装备提供 和 等。 （3）氢氧燃料电池(如图4)是一种新型、高效、对环境友好的电池，它与干电池、蓄电池的主要区別在于反应物不是储存在电池内部，而是由外部装置提供燃料和氧化剂。它的优点有：能量转化率高，可持续使用，燃烧产物为水，不污染环境等。通人氢气的电极为极，通入氧气的电极为 极，电解质溶液为碱性溶液（如氢氧化钾溶液），电池的总反应为 。【交流与总结】燃料电池是特殊的电池，虽然燃料电池中两电极的材料相同，但由于两电极的材料特殊，负极通入的燃料能够失去电子；正极上的氧化剂得到电子，产物与电解质溶液不断发生反应。两电极通入的气体不断发生电子的得失，从而持续且平稳地产生电流。 【想一想】燃料电池內部是否有火焰?选择燃料电池的两电极材料时有什么要求?释疑解惑1.所有反应都能被设计成原电池吗?不是。原电池反应中存在电子的转移，故原电池反应的本质是氧化还原反应，只有自发发生的氧化还原反应才能被设计成原电池。2.在判断原电池正负极时，能不能只根据金属活动性的相对强弱进行判断?在判断原电池正负极时，不能只根据金属活动性的相对强弱进行判断，还要考虑电解质溶液的特点。一般来说，活泼金属是负极，但要注意特例：（1）Mg、Al和稀盐酸构成的原电池中，Mg作负极，Al作正极；若把稀盐酸换为NaOH溶液，则Al作负极，Mg作正极。（2）Al、Cu和NaOH溶液构成的原电池中，Al作负极；若把NaOH溶液换为浓硝酸，则Cu作负极。例析原电池原理的应用 原电池原理在化工、农业生产和科学研究中有极其重要的应用，在很大程度上改变了我们的生产和生活方式。因此，同学们在学习过程中应充分理解原电池原理，并掌握其应用。下面具体举例，就原电池原理的几个重要应用略加分析。 一、设计化学电源 【例1】科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池从而发电。这种细菌燃料电池的负极反应为 （ ）AH2+2OH-2e-=2H2OBO2+4H+4e-=2H2OCH2-2e-=2H+ DO2+2H2O+4e-=4OH-【解析】燃料电池的负极发生氧化反应，元素的化合价升高，所以氢气作负极，又因为电解质溶液为磷酸，故负极反应为H2-2e-=2H+。正极发生还原反应，元素的化合价降低，所以正极通人氧气，正极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-，又因为电解质溶液为磷酸，生成的OH-会继续发生反应：4H+4OH-=4H2O,所以正极上实际发生的反应为O2+4H+4e-=2H2O。答案C二、确定原电池的正、负极 【例2】将金属X、Y用导线连接后插入相应的电解质溶液中，发现Y电极的质量增加，则下列判断正确的是 （ ） A.X是负极，电解质溶液为CuSO4溶液 B.X是负极，电解质溶液为稀硫酸 C.X是正极，电解质溶液为CuSO4容液 D.X是正极，电解质溶液为稀硫酸 【解析】可以从电极材料、电子或电流的流向、离子的移向、反应现象等方面确定原电池的正、负极。一般情况下，原电池的负极会不断溶解，即质量不断减少，而正极的质量不断增加或有气泡产生。Y电极质量增加，说明它是原电池的正极，溶液中的阳离子在Y电极上得到电子而析出金属，只有A项符合题意。 【答案】A 三、加快氧化还原反应的速率【例3】有等质量的两份锌粉a、b，向其中分別加入过量的稀H2SO4，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，下列表示产生H2的体积(v)与时间(t)的关系图中正确的是 （ ） 【解析】因为锌与CuS04溶液反应置换出铜，锌的量减少了，所以放出氢气的量减少；锌与铜构成原电池，使电子能顺利发生转移，加快了产生H2的速率，使反应时间缩短。 【答案】D 四、比较金属的活泼性 【例4】现有A、B、C、D四种金属片，进行以下实验：把A、B用导线连接后同时放人稀硫酸中，A上有气泡产生；把C、D用导线连接后同时放入稀硫酸中，D上发生还原反应；把A、C用导线连接后同时放人稀硫酸中，电子的流动方向为A 导线 C。根据上述情况，回答下列问题。 (1)在实验中，金属片 发生氧化反应。 (2)在实验中，金属片 作