高中化学必修2——化学能与电能

1授课教案学员姓名：授课教师：所授科目：_化学_学员年级：高一上课时间：教学标题原电池教学目标了解化学能与电能的相互转化、了解原电池的工作原理及其组成条件、能够写出原电池的电极反应式和总方程式、掌握原电池原理的应用、了解化学电源的分类、应用和发展前景教学内容（①温故而知新；②新课知识要点；③例题经典分析；④课堂作业（5—10分钟）；⑤家庭作业；○6下次课预授内容（和学生讨论下次课要上的内容））【新课内容】一、原电池的概念1．能量的转化原电池：将化学能转变为电能的装置。电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。2．工作原理设计一种装置，使氧化还原反应所释放的能量直接转变为电能，即将氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，并使电子转移经过导线，在一定条件下形成电流。电子从负极（较活泼金属）流向正极（较不活泼金属或碳棒），负极发生氧化反应，正极发生还原反应。电极电极材料反应类型电子流动方向负极还原性较强的金属氧化反应负极向外电路提供电子正极还原性较弱的金属或碳棒还原反应正极从外电路得到电子以下是锌铜原电池装置示意图：3．原电池的组成条件(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和还原反应。原电池中两极活泼性相差越大，电池电动势就越高。(2)电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。(3)导线将两电极连接，形成闭合回路。(4)有能自发进行的氧化还原反应。4．原电池的判断方法（1）先分析有无外接电池，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。（2）多池相连，但无外电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。25．原电池的正负极的判断方法判断依据负极正极电极材料活泼性较强的金属活泼性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电流方向电流流入极电流流出极电解质溶液中离子定向移动方向阴离子移向负极阳离子移向正极发生的反应氧化反应还原反应反应现象溶解的极增重或有气泡放出的极6．原电池中带电粒子的移动方向在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。在外电路上电子从负极经导线上流入正极；在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。具体情况见图：二、原电池原理的应用1．加快氧化还原反应的速率例如：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。2．比较金属活动性强弱例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。根据现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。3．用于金属的防护将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。例如：在钢（铁）闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。4.判断金属腐蚀的快慢（1）原电池腐蚀＞化学腐蚀＞有防护的腐蚀（2）对同意金属来说，金属腐蚀的快慢：离子浓度大的电解质溶液＞离子浓度小的电解质溶液＞非电解质溶液（3）活动性不同的两金属，活动性差别越大，腐蚀越快5．原电池的设计设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是：（1）首先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应；（2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液。①电极材料的选择在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液或其中溶解的物质反应。②电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜—锌—硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。（3）按要求画出原电池装置图。3三、几种常见的电池1、一次电池：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。干电池：一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。一次电池①碱性锌锰电池构成:负极是锌,正极是MnO2,正极是KOH工作原理:负极Zn+2OH—－2e－=Zn(OH)2；正极:2MnO2+2H2O+2e－=2MnOOH+2OH－总反应式:Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2特点:比能量较高,储存时间较长,可适用于大电流和连续放电。②纽扣式电池（也叫银锌电池）负极：Zn+2OH－－2e－===ZnO+H2O正极：Ag2O+H2O+2e－===2Ag+2OH－总反应式：Ag2O+Zn===2Ag+ZnO锌银电池的负极是Zn，正极是Ag20，电解质是KOH特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。③锂电池锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOC12)中组成。负极：10Li－10e—＝10Li+正极：4SOC12+10e—＝SO42－+3S+8Cl—总反应式为：10Li+34SOC12=8LiCl+Li2SO4+3S特点：锂电池是一种高能电池，质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。2、二次电池①铅蓄电池放电电极反应：负极：Pb(s)+SO42－(aq)－2e－＝PbSO4(s)；正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)+2e－＝PbSO4(s)+2H2O(l)总反应式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)＝2PbSO4(s)+2H2O(l)充电电极反应：阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e－=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)；阴极：PbSO4(s)+2e－=Pb(s)+SO42－(aq)总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)总反应方程式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)说明：A．负极阴极正极阳极4B．K1K2电池的正负极分别和电源的正负极相连C．各极的pH变化看各电极反应，电池的pH变化看电池总反应②镍一镉碱性蓄电池负极：Cd+2OH－－2e－=Cd(OH)2；正极：2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH－总反应式：Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)23、燃料电池电池电极反应酸性电解质碱性电解质氢氧燃料电池负极2H2－4e－＝4H+2H2+4OH－－4e－＝4H2O正极O2+4H++4e－＝2H2OO2+2H2O+4e－＝4OH－总反应2H2+O2＝2H2O2H2+O2＝2H2O甲烷燃料电池负极CH4+2H2O－8e－=CO2+8H+CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O正极2O2+8H++8e－＝4H2O2O2+4H2O+8e－=8OH－总反应CH4+2O2=CO2+2H2OCH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O甲醇燃料电池负极2CH3OH+2H2O－12e－=2CO2+12H+2CH3OH+16OH－－12e－=2CO32－+12H2O正极3O2+12H++12e－＝6H2O3O2+6H2O+12e－=12OH－总反应2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧气外，空气中的氧气也可作氧化剂。燃料电池的能量转化率高于80％，远高于燃烧过程（仅30％左右），有利于节约能源。燃料电池有广阔的发展前途。四、正确书写电极反应式1．列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。2．标明电子的得失。3．使质量守恒。电极反应式书写时注意：①负极反应生成物的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应该写入负极反应式；②若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式，且生成物为OH－；若电解液为酸性，则H+必须写入反应式中，生成物为H2O。③电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。4．正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。若能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。注意相加减时电子得失数目要相等。5【例题讲析】例1．铜锌原电池（如图）工作时，下列叙述正确的是A．正极反应为：Zn—2e-=Zn2+B．电池反应为：Zn+Cu2+=Zn2++CuC．在外电路中，电子从负极流向正极D．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液【答案】BC【解析】Zn是负极，故A错；电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同，故B正确；根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C正确；在溶液中，阳离子往正极移动，故D错误。例2．某同学根据离子反应方程式2Fe3++Fe==3Fe2+来设计原电池。下列设计方案中可行的是（）A．电极材料为铁和锌，电解质溶液为FeCl3溶液B．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液C．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液D．电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液【答案】B【解析】由离子反应方程式可知，设计的原电池中Fe为负极，不与电解质溶液反应的导体为正极，含Fe3+的溶液为电解质溶液，故B项可行。例3．X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是()A．X＞Z＞W＞YB．Z＞X＞Y＞WC．W＞X＞Y＞ZD．Y＞W＞Z＞X【答案】A【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性X＞Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z＞W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。例4．Zn-MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。（1）该电池的负极材料是。电池工作时，电子流向（填“正极”或“负极”）。（2）若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是。欲除去Cu2+，最好选用下列试剂中的（填代号）。a.NaOHb.Znc.Fed.NH3·H2O(3)MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是。若电解电路中通过2mol电子，MnO2的理论产量为。【答案】（1）Zn正极（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀b（3）2H++2e-=H2↑，87g【解析】（1）负极发生氧化反应，Zn失电子，做负极。电子由负极经外电路流向正极。（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。（3）阴极上得电子，发生还原反应，H+得电子生成氢气。因为MnSO4～MnO2～2e-，通过2mol电子产生1molMnO2，质量为87g。6例5．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H2＋O2＝2H2O，下列有关说法正确的是A．电子通过外电路从b极流向a极B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极【答案】D【解析】该氢氧燃料电池的a极通入H2，故为负极，b极通入O2，为正极。这样电子通过外电路应由a极流向b极，故