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化關系。 2．初步了解化學電池的工作原理及應用。 3．了解研制新型電池的重要性。 4．會書寫簡單的電極反應式。 【學習過程】 1．原電池 (1)概念：將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置。 (2)構成條件：理論上，能自發(fā)進行的氧化還原反應都可設計成原電池。構成原電池需有兩個活潑性不同的電極,將電極插入電解質溶液中,兩電極間用導線連接使之構成閉合回路。電極的作用是導電,有些電池中電極材料會參加反應；導線的作用是傳導電子；電解質溶液的作用是通過自由離子的移動傳導電荷。 (3)工作原理： ①反應類型：負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應。 ②電子的移動方向：從負極流出，經(jīng)導線流向正極。 ③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： ①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)定的金屬或導電的非金屬為正極。 ②根據(jù)電極反應類型判斷：發(fā)生氧化反應的是負極,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：電子由負極沿導線流向正極。 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，還要考慮電解質溶液的特點。 (1)Mg－Al和稀鹽酸構成的原電池中，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)Al—Cu和NaOH溶液構成的原電池中，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： ①特點：屬于一次性電池，放電后不能再充電。 ②實例——鋅錳電池：負極為鋅，正極為石墨棒，電解質為氯化銨。 （2）充電電池——二次電池：利用化學反應的可逆性,可以組建成一個新電池,即當一個化學反應轉化為電能之后,還可以用電能使化學體系修復,然后再利用化學反應轉化為電能。 ①特點：在放電時進行的氧化還原反應，在充電時可以逆向進行，使電池恢復到放電前的狀態(tài)。 ②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化為電能的發(fā)電裝置。 ①特點：能量轉化效率高,燃料和空氣分別送進燃料電池,它直接將燃料的化學能轉化為電能,中間不經(jīng)過燃燒過程。 ②實例——氫氧燃料電池：負極為氫氣失電子，正極為氧氣得電子，電解質是氫氧化鉀或硫酸。 溫馨提示：燃料電池正極上的反應物質一般是O2。 (1)電解質溶液為中性或堿性，則H2O必須寫入正極反應式中,且O2生成OH－，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－。 (2)電解質溶液為酸性，則H＋必須寫入正極反應式中，且O2生成H2O，電極反應式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O。 3.原電池原理的應用 (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A>B。 （2）加快氧化還原反應速率：如實驗室用Zn和稀硫酸反應制H2，常用粗鋅，它產(chǎn)生H2的速率快。原因是粗鋅中的雜質和鋅、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速率。 （3）設計原電池：已知一個氧化還原反應，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(電解質溶液中的陽離子)在正極上被還原。設計原電池時，如果給出的是具體的化學反應方程式，電解質溶液是確定的；如果給出的是離子方程式，如Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋，則電解質不是確定的具體物質，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】原電池的判斷方法 【當堂檢測】 1. 下列關于銅—鋅—稀硫酸構成的原電池的有關敘述，錯誤的是(　　) A．鋅為負極，鋅發(fā)生氧化反應 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，正極發(fā)生氧化反應 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，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)為負極，是鐵片，燒杯中的溶液為硫酸 B．b為負極，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有關外，還與________________有關。 (3)根據(jù)上述電池分析，負極材料是否一定參加電極反應？________(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：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)　　　　能轉變?yōu)開________能。水分解時,斷裂的化學鍵為　　　　鍵,分解海水的反應屬于　　　　反應(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,兩極上發(fā)生的電極反應分別為 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：2Zn+O2+4H+=2Zn2++2H2O為基礎設計出一種原電池,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)生反應的電極反應式為　 答案與解析 題號 答案 解析 1 C 在銅—鋅—稀硫酸構成的原電池中，鋅是負極，銅是正極，所以鋅極發(fā)生氧化反應；銅電極上是溶液中的陽離子H＋得電子，發(fā)生還原反應；外電路電子的流向應該是由負極流向正極 2 C 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 3 A 向等質量的兩份鋅粉中加入等體積等物質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在稀硫酸中構成原電池，所以，a中的反應速率比b中的反應速率大，即反應完成所需的時間短，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：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。符合這些條件的圖像是A 4 (1) (2)電解質溶液的性質(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，其他電池的負極發(fā)生了氧化反應(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，鋁為正極，H＋在鋁極上發(fā)生還原反應；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，鋁失去電子，發(fā)生氧化反應，鋁離子與氫氧化鈉反應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，甲烷發(fā)生氧化反應，在堿中生成碳酸鹽和水，氧氣發(fā)生還原反應。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，由于電解質溶液不同，故電極名稱不同，即電極類型與電極材料、電解質溶液都有關。 (3)大多數(shù)電池的負極材料參與反應發(fā)生氧化反應，燃料電池的負極材料不參與反應，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。(4)根據(jù)溶液中離子參加反應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)Zn　O2+4H++4e-2H2O (1)海水分解生成的氫氣用于燃料電池時,實現(xiàn)了化學能轉變?yōu)殡娔?。水分解時,斷裂的化學鍵為共價鍵,分解海水的反應屬于吸熱反應。(2)根據(jù)電極反應可知,A極發(fā)生氧化反應,應該是電池的負極,電子從該極流出。(3)負極發(fā)生氧化反應,所以該原電池的負極材料是Zn,電極反應式為Zn-2e-=Zn2+,則正極上發(fā)生反應的電極反應式為O2+4H++4e-=2H2O