高中化學(xué) 第2章 第2節(jié) 化學(xué)能與電能學(xué)案 新人教版必修21

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化學(xué)能與電能 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．了解化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系。 2．初步了解化學(xué)電池的工作原理及應(yīng)用。 3．了解研制新型電池的重要性。 4．會(huì)書寫簡(jiǎn)單的電極反應(yīng)式。 【學(xué)習(xí)過程】 1．原電池 (1)概念：將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。 (2)構(gòu)成條件：理論上，能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計(jì)成原電池。構(gòu)成原電池需有兩個(gè)活潑性不同的電極,將電極插入電解質(zhì)溶液中,兩電極間用導(dǎo)線連接使之構(gòu)成閉合回路。電極的作用是導(dǎo)電,有些電池中電極材料會(huì)參加反應(yīng)；導(dǎo)線的作用是傳導(dǎo)電子；電解質(zhì)溶液的作用是通過自由離子的移動(dòng)傳導(dǎo)電荷。 (3)工作原理： ①反應(yīng)類型：負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。 ②電子的移動(dòng)方向：從負(fù)極流出，經(jīng)導(dǎo)線流向正極。 ③離子的移動(dòng)方向：陽離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)。 （4）電極判斷： ①根據(jù)電極材料的活動(dòng)性判斷：相對(duì)活潑的金屬為負(fù)極,相對(duì)穩(wěn)定的金屬或?qū)щ姷姆墙饘贋檎龢O。 ②根據(jù)電極反應(yīng)類型判斷：發(fā)生氧化反應(yīng)的是負(fù)極,可能是電極材料被氧化(溶解)也可能是溶液中的陰離子被氧化;發(fā)生還原反應(yīng)的是正極,一般是溶液中的陽離子被還原。 ③根據(jù)電子流向判斷：電子由負(fù)極沿導(dǎo)線流向正極。 ④根據(jù)溶液中的離子流向判斷：陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極。 溫馨提示：在判斷原電池正負(fù)極時(shí)，不要只根據(jù)金屬活動(dòng)性的相對(duì)強(qiáng)弱，還要考慮電解質(zhì)溶液的特點(diǎn)。 (1)Mg－Al和稀鹽酸構(gòu)成的原電池中，Mg作負(fù)極，Al作正極;而若把稀鹽酸換為NaOH溶液，Al作負(fù)極，Mg作正極。 (2)Al—Cu和NaOH溶液構(gòu)成的原電池中，Al作負(fù)極；而若把NaOH溶液換為濃硝酸，Cu作負(fù)極。 2.發(fā)展中的化學(xué)電源 （1）干電池——一次電池： ①特點(diǎn)：屬于一次性電池，放電后不能再充電。 ②實(shí)例——鋅錳電池：負(fù)極為鋅，正極為石墨棒，電解質(zhì)為氯化銨。 （2）充電電池——二次電池：利用化學(xué)反應(yīng)的可逆性,可以組建成一個(gè)新電池,即當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后,還可以用電能使化學(xué)體系修復(fù),然后再利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。 ①特點(diǎn)：在放電時(shí)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在充電時(shí)可以逆向進(jìn)行，使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。 ②實(shí)例： （3）燃料電池：一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。 ①特點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高,燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池,它直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,中間不經(jīng)過燃燒過程。 ②實(shí)例——?dú)溲跞剂想姵兀贺?fù)極為氫氣失電子，正極為氧氣得電子，電解質(zhì)是氫氧化鉀或硫酸。 溫馨提示：燃料電池正極上的反應(yīng)物質(zhì)一般是O2。 (1)電解質(zhì)溶液為中性或堿性，則H2O必須寫入正極反應(yīng)式中,且O2生成OH－，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－。 (2)電解質(zhì)溶液為酸性，則H＋必須寫入正極反應(yīng)式中，且O2生成H2O，電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O。 3.原電池原理的應(yīng)用 (1)比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱：原電池中，一般活動(dòng)性強(qiáng)的金屬為負(fù)極，活動(dòng)性弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬為正極。如有兩種金屬A和B，用導(dǎo)線連接后插入到稀硫酸中，觀察到A極溶解，B極上有氣泡產(chǎn)生，由原電池原理可知，金屬活動(dòng)性A>B。 （2）加快氧化還原反應(yīng)速率：如實(shí)驗(yàn)室用Zn和稀硫酸反應(yīng)制H2，常用粗鋅，它產(chǎn)生H2的速率快。原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了鋅的腐蝕，使產(chǎn)生H2的速率加快；如加入CuSO4溶液，Zn置換出Cu,附著在鋅片上形成原電池也可以加快反應(yīng)速率。 （3）設(shè)計(jì)原電池：已知一個(gè)氧化還原反應(yīng)，首先分析找出氧化劑、還原劑，一般還原劑為負(fù)極材料(或在負(fù)極上被氧化)，氧化劑(電解質(zhì)溶液中的陽離子)在正極上被還原。設(shè)計(jì)原電池時(shí)，如果給出的是具體的化學(xué)反應(yīng)方程式，電解質(zhì)溶液是確定的；如果給出的是離子方程式，如Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋，則電解質(zhì)不是確定的具體物質(zhì)，只要是含有Cu2＋的可溶鹽溶液即可，如CuCl2溶液、CuSO4溶液等。 【歸納總結(jié)】原電池的判斷方法 【當(dāng)堂檢測(cè)】 1. 下列關(guān)于銅—鋅—稀硫酸構(gòu)成的原電池的有關(guān)敘述，錯(cuò)誤的是(　　) A．鋅為負(fù)極，鋅發(fā)生氧化反應(yīng) B．銅為正極，銅不易失去電子而受到保護(hù) C．負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng) D．外電路電子流入的一極為正極，電子流出的一極為負(fù)極 2.如圖所示，兩電極一為石墨棒，一為鐵片。若電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且a極上有大量氣泡產(chǎn)生，則以下敘述中正確的是(　　) A．a(chǎn)為負(fù)極，是鐵片，燒杯中的溶液為硫酸 B．b為負(fù)極，是鐵片，燒杯中的溶液為硫酸銅溶液 C．a(chǎn)為正極，是石墨棒，燒杯中的溶液為硫酸 D．b為正極，是石墨棒，燒杯中的溶液為硫酸銅溶液 3.向等質(zhì)量的兩份鋅粉a、b中分別加入過量的稀硫酸，同時(shí)向a中加入少量的CuSO4溶液，下列各圖表示的是產(chǎn)生H2的體積V與時(shí)間t的關(guān)系，其中正確的是(　　) 4. 為了探究原電池的工作原理，某化學(xué)學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，其裝置如下圖，回答下列問題： (1)根據(jù)原電池原理填寫下表： 裝置序號(hào) 正極 負(fù)極反應(yīng)式 陽離子移動(dòng)方向 甲 乙 丙 丁 戊 (2)電極類型除與電極材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與________________有關(guān)。 (3)根據(jù)上述電池分析，負(fù)極材料是否一定參加電極反應(yīng)？________(填“是”、“否”或“不一定”)，請(qǐng)舉例說明：____________________________________。 (4)指出下列電池的放電過程中，電解質(zhì)溶液酸堿性的變化：甲____，丙______，戊____。 5. 氫氣是未來最理想的能源之一,科學(xué)家最近研制出利用太陽能產(chǎn)生激光,并在二氧化鈦(TiO2)表面作用使海水分解得到氫氣的新技術(shù)：2H2O2H2↑+O2↑。制得的氫氣可用于燃料電池。試回答下列問題： (1)海水分解生成的氫氣用于燃料電池時(shí),實(shí)現(xiàn)　　　　能轉(zhuǎn)變?yōu)開________能。水分解時(shí),斷裂的化學(xué)鍵為　　　　鍵,分解海水的反應(yīng)屬于　　　　反應(yīng)(填“放熱”或“吸熱”)。 (2)某種氫氧燃料電池是用固體金屬氧化物陶瓷作電解質(zhì),兩極上發(fā)生的電極反應(yīng)分別為 A極：2H2+2O2--4e-=2H2O;B極：O2+4e-=2O2-,則A極是電池的　　　　極;電子從該極　　　　(填“流入”或“流出”)。 (3)有人以化學(xué)反應(yīng)：2Zn+O2+4H+=2Zn2++2H2O為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出一種原電池,移入人體內(nèi)作為心臟起搏器的能源,它靠人體內(nèi)血液中溶有一定濃度的O2、H+進(jìn)行工作。則原電池的負(fù)極材料是　　　　,正極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為　 答案與解析 題號(hào) 答案 解析 1 C 在銅—鋅—稀硫酸構(gòu)成的原電池中，鋅是負(fù)極，銅是正極，所以鋅極發(fā)生氧化反應(yīng)；銅電極上是溶液中的陽離子H＋得電子，發(fā)生還原反應(yīng)；外電路電子的流向應(yīng)該是由負(fù)極流向正極 2 C 因?yàn)閍極上有大量氣泡生成，所以a為正極，是石墨棒，燒杯中的溶液為硫酸 3 A 向等質(zhì)量的兩份鋅粉中加入等體積等物質(zhì)的量濃度且均過量的稀硫酸，同時(shí)向a中加入少量CuSO4溶液，則a中發(fā)生的反應(yīng)有Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，由于置換出來的Cu與Zn在稀硫酸中構(gòu)成原電池，所以，a中的反應(yīng)速率比b中的反應(yīng)速率大，即反應(yīng)完成所需的時(shí)間短，但Cu2＋消耗了少量的Zn，a中產(chǎn)生的H2比b中產(chǎn)生的H2少。b中只發(fā)生如下反應(yīng)：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。符合這些條件的圖像是A 4 (1) (2)電解質(zhì)溶液的性質(zhì)(3)不一定　上述五個(gè)原電池中，戊裝置的負(fù)極材料沒有參與反應(yīng)，其他電池的負(fù)極發(fā)生了氧化反應(yīng)(4)酸性減弱　堿性減弱　堿性減弱 (1)甲電池：在稀硫酸中，鎂比鋁活潑，鎂為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，鋁為正極，H＋在鋁極上發(fā)生還原反應(yīng)；乙電池：鐵比鉑活潑，鐵為負(fù)極；丙電池：在氫氧化鈉溶液中，鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，鋁失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，鋁離子與氫氧化鈉反應(yīng)生成偏鋁酸根離子和水；丁電池：常溫下，濃硝酸使鋁鈍化，銅溶解，銅為負(fù)極；戊電池是燃料電池，甲烷與氧氣反應(yīng)，甲烷發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿中生成碳酸鹽和水，氧氣發(fā)生還原反應(yīng)。所以，在負(fù)極區(qū)通入甲烷，在正極區(qū)通入空氣。(2)通過比較甲、丙電池可知，電極都是鋁、鎂，由于電解質(zhì)溶液不同，故電極名稱不同，即電極類型與電極材料、電解質(zhì)溶液都有關(guān)。 (3)大多數(shù)電池的負(fù)極材料參與反應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，燃料電池的負(fù)極材料不參與反應(yīng)，可燃物如氫氣、一氧化碳、甲烷、乙醇等在負(fù)極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)。(4)根據(jù)溶液中離子參加反應(yīng)情況判斷溶液酸堿性的變化。 5 (1)化學(xué)　電　共價(jià)　吸熱 (2)負(fù)　流出 (3)Zn　O2+4H++4e-2H2O (1)海水分解生成的氫氣用于燃料電池時(shí),實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。水分解時(shí),斷裂的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵,分解海水的反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)。(2)根據(jù)電極反應(yīng)可知,A極發(fā)生氧化反應(yīng),應(yīng)該是電池的負(fù)極,電子從該極流出。(3)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),所以該原電池的負(fù)極材料是Zn,電極反應(yīng)式為Zn-2e-=Zn2+,則正極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為O2+4H++4e-=2H2O