高中化學 第2章 第2節(jié) 化學能與電能學案 新人教版必修21

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化學能與電能【學習目標】1了解化學能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系。2初步了解化學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會書寫簡單的電極反應(yīng)式?！緦W習過程】1原電池(1)概念：將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。(2)構(gòu)成條件：理論上，能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計成原電池。構(gòu)成原電池需有兩個活潑性不同的電極,將電極插入電解質(zhì)溶液中,兩電極間用導線連接使之構(gòu)成閉合回路。電極的作用是導電,有些電池中電極材料會參加反應(yīng)；導線的作用是傳導電子；電解質(zhì)溶液的作用是通過自由離子的移動傳導電荷。(3)工作原理：反應(yīng)類型：負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。電子的移動方向：從負極流出，經(jīng)導線流向正極。離子的移動方向：陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。（4）電極判斷：根據(jù)電極材料的活動性判斷：相對活潑的金屬為負極,相對穩(wěn)定的金屬或?qū)щ姷姆墙饘贋檎龢O。根據(jù)電極反應(yīng)類型判斷：發(fā)生氧化反應(yīng)的是負極,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。根據(jù)電子流向判斷：電子由負極沿導線流向正極。根據(jù)溶液中的離子流向判斷：陽離子移向正極,陰離子移向負極。溫馨提示：在判斷原電池正負極時，不要只根據(jù)金屬活動性的相對強弱，還要考慮電解質(zhì)溶液的特點。(1)MgAl和稀鹽酸構(gòu)成的原電池中，Mg作負極，Al作正極;而若把稀鹽酸換為NaOH溶液，Al作負極，Mg作正極。(2)AlCu和NaOH溶液構(gòu)成的原電池中，Al作負極；而若把NaOH溶液換為濃硝酸，Cu作負極。2.發(fā)展中的化學電源（1）干電池一次電池：特點：屬于一次性電池，放電后不能再充電。實例鋅錳電池：負極為鋅，正極為石墨棒，電解質(zhì)為氯化銨。（2）充電電池二次電池：利用化學反應(yīng)的可逆性,可以組建成一個新電池,即當一個化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后,還可以用電能使化學體系修復,然后再利用化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。特點：在放電時進行的氧化還原反應(yīng)，在充電時可以逆向進行，使電池恢復到放電前的狀態(tài)。實例：（3）燃料電池：一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。特點：能量轉(zhuǎn)化效率高,燃料和空氣分別送進燃料電池,它直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能,中間不經(jīng)過燃燒過程。實例氫氧燃料電池：負極為氫氣失電子，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O22H2O4e=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O24H4e=2H2O。3.原電池原理的應(yīng)用(1)比較金屬的活動性強弱：原電池中，一般活動性強的金屬為負極，活動性弱的金屬或能導電的非金屬為正極。如有兩種金屬A和B，用導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，金屬活動性AB。（2）加快氧化還原反應(yīng)速率：如實驗室用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)計原電池：已知一個氧化還原反應(yīng)，首先分析找出氧化劑、還原劑，一般還原劑為負極材料(或在負極上被氧化)，氧化劑(電解質(zhì)溶液中的陽離子)在正極上被還原。設(shè)計原電池時，如果給出的是具體的化學反應(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FeCu2=CuFe2，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?！練w納總結(jié)】原電池的判斷方法【當堂檢測】1. 下列關(guān)于銅鋅稀硫酸構(gòu)成的原電池的有關(guān)敘述，錯誤的是()A鋅為負極，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C負極發(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() Aa為負極，是鐵片，燒杯中的溶液為硫酸Bb為負極，是鐵片，燒杯中的溶液為硫酸銅溶液Ca為正極，是石墨棒，燒杯中的溶液為硫酸Db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，某化學學習小組設(shè)計了一組實驗，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：裝置序號正極負極反應(yīng)式陽離子移動方向甲乙丙丁戊(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，負極材料是否一定參加電極反應(yīng)？_(填“是”、“否”或“不一定”)，請舉例說明：_。(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,實現(xiàn)能轉(zhuǎn)變?yōu)開能。水分解時,斷裂的化學鍵為鍵,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)有人以化學反應(yīng)：2Zn+O2+4H+=2Zn2+2H2O為基礎(chǔ)設(shè)計出一種原電池,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+進行工作。則原電池的負極材料是,正極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為 答案與解析題號答案解析1C在銅鋅稀硫酸構(gòu)成的原電池中，鋅是負極，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)該是由負極流向正極2C因為a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3A 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，同時向a中加入少量CuSO4溶液，則a中發(fā)生的反應(yīng)有ZnCu2=Zn2Cu，Zn2H=Zn2H2，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)：Zn2H=Zn2H2。符合這些條件的圖像是A4(1)(2)電解質(zhì)溶液的性質(zhì)(3)不一定上述五個原電池中，戊裝置的負極材料沒有參與反應(yīng)，其他電池的負極發(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)電池的負極材料參與反應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，燃料電池的負極材料不參與反應(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)化學電共價吸熱(2)負流出(3)ZnO2+4H+4e-2H2O(1)海水分解生成的氫氣用于燃料電池時,實現(xiàn)了化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ纸鈺r,斷裂的化學鍵為共價鍵,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)該是電池的負極,電子從該極流出。(3)負極發(fā)生氧化反應(yīng),所以該原電池的負極材料是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