化学反应能量转化的重要应用——化学电池PPT课件

第2章化学键化学反应规律第2节化学反应与能量转化第2课时化学反应能量转化的重要应用——化学电池.-.一、原电池的构造及原理1.原电池原理(1)原电池:一种利用_____________将______________________的装置。氧化还原反应化学能直接转化成电能(2)原电池原理①氢氧燃料电池②原电池原理(以氢氧燃料电池为例)实验装置原电池原理还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生_____反应和_____反应,并通过能导电的物质形成_________产生_____两极反应负极氢气_______,发生_____反应正极氧气_______,发生_____反应电子转移电子由___极通过导线流向___极,形成电流氧化还原闭合回路电流失电子氧化得电子还原负正2.原电池的构造【做一做】如图为由锌、石墨棒和硫酸铜溶液组成的原电池(1)负极反应物是___,___电子发生_____反应;(2)正极反应物是____,___电子发生_____反应;(3)工作时以上原电池中_____能转化为___能。Zn氧化Cu2+还原化学电失得二、原电池的设计1.基本思路2.具体流程3.实例(1)原电池设计依据Zn+2H+====Zn2++H2↑实验现象确定负极选择负极反应物:_____锌片__________;正极材料_________________。选择负极材料:_____确定正极选择正极反应物:_______选择正极材料:___________构成闭合回路选择离子导体:_______________选择电子导体:_____锌片锌片氢离子石墨或铜片稀硫酸或稀盐酸导线逐渐溶解表面有气泡生成(2)装置①装置②电极反应负极反应:______________,_____反应;正极反应:2H++2e-====H2↑,还原反应。Zn-2e-====Zn2+氧化【巧判断】(1)原电池中电子由负极通过导线到正极,然后由正极经溶液再到负极,形成闭合回路。()提示:×。导电时溶液中没有电子的移动,只有阴阳离子的定向移动。(2)原电池中两电极如果都是金属,一般活泼的金属作负极。()提示:√。活泼的金属容易失电子,原电池中失电子的一极为负极。(3)铜、锌、稀硫酸组成的原电池中,如果把稀硫酸换成乙醇溶液,也能形成原电池。()提示:×。原电池中的溶液需要为电解质溶液,乙醇是非电解质。三、原电池的分类【微思考】燃料电池中燃料是负极反应物还是正极反应物?提示:负极。在燃料电池中燃料燃烧失电子作负极反应物。氧气得电子作正极反应物。【情境·思考】现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池,因为铅酸蓄电池成本低,性价比高。1860年,法国的普朗泰发明出用铅作电极的电池。这种电池的独特之处是,当电池使用一段时间后电压下降时,可以给它通以反向电流,使电池电压回升。因为这种电池能充电,可以反复使用,所以称它为“铅酸蓄电池”。蓄电池是一种可充电的电池,广泛应用于电动车、汽车等行业。蓄电池放电时和充电时能量转化是否一样?提示:不一样。放电时是化学能转化为电能,充电时是电能转化为化学能。知识点一原电池的原理及电极判断【重点释疑】1.原理(以铜锌原电池为例)2.正负极的判断【易错提醒】判断正负极时应注意的几个问题(1)活泼性强的不一定是负极,如镁和铝放入氢氧化钠溶液中形成原电池,铝是负极;铜和铝放入浓硝酸中形成原电池,由于铝的钝化,铜是负极。(2)燃料电池中电极不参与反应,通入燃料的一极为负极,通入助燃剂(一般为氧气)的一极为正极。(3)如果给了电池反应,正负极还可以根据化合价的改变来判断,化合价升高的物质失电子,为负极;化合价降低的物质得电子,为正极。【思考·讨论】(1)原电池原理中的“闭合回路”,其含义是什么?提示:原电池在工作时,带电粒子是按照一定的规律,沿一定方向运动的,应当从两方面掌握:一是溶液中的阴离子向负极方向运动,而阳离子向正极方向运动;二是导线上电子从负极流向正极(电流从正极流向负极)。整个回路上带同种电荷的粒子沿一个方向不停地运动。(2)电池的负极只能是金属材料吗?提示:不是。燃料电池的负极就不是金属如氢氧燃料电池负极材料为石墨。【案例示范】【典例】(2019·临沂高一检测)如图所示是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡上的记录如下,则卡片上的描述合理的是()A.①②③B.②④C.②③④D.③④⑤【思维建模】解答原电池原理型试题的思维流程如下:【解析】选B。铜锌形成原电池的时候,锌是负极,铜为正极;由于锌失去电子变成锌离子进入溶液中,电子通过外电路流向正极,溶液中的氢离子在正极上得到电子,变成氢气,发生还原反应;阳离子向正极移动,阴离子硫酸根离子向负极移动;若有0.5mol电子流经导线,由于正极的电极反应式为2H++2e-====H2↑,所以会产生0.25mol的氢气;电子的流向是由负极流向正极,所以应该是由Zn→Cu;正极反应式是2H++2e-====H2↑,发生还原反应。【母题追问】(1)若将上题图示中的电解质溶液变成硫酸铜溶液,能否形成原电池?若能,请写出电极反应式;若不能,请说明理由。提示:可以形成,只不过是溶液里的氢离子参加反应变成铜离子参加反应。其电极反应如下:负极(Zn):Zn-2e-====Zn2+;正极(Cu):Cu2++2e-====Cu。(2)若此原电池有0.5mol电子流经导线,此时锌电极的质量将如何变化?提示:由原电池原理可知,锌电极的质量将减少,由Zn-2e-====Zn2+可知,有0.5mol电子流经导线时减少的质量为16.25g。【迁移·应用】1.(2019·聊城高一检测)一种新型的电池,总反应:3Zn+2+8H2O====2Fe(OH)3↓+3Zn(OH)2↓+4OH-,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是()24FeOA.Zn极是负极,发生氧化反应B.随着反应的进行,溶液的pH增大C.电子由Zn极流出到石墨电极,再经过溶液回到Zn极,形成回路D.石墨电极上发生的反应为+3e-+4H2O====Fe(OH)3↓+5OH-24FeO【解析】选C。根据电池总反应,Zn的化合价升高,根据原电池的工作原理,即锌作负极,发生氧化反应,故A说法正确;根据电池总反应方程式,生成OH-,溶液的pH增大,故B说法正确;根据原电池的工作原理,电子从Zn电极流出经外电路流向石墨,电解质溶液应是阴阳离子定向移动,没有电子通过,故C说法错误;负极电极反应式为Zn+2OH--2e-====Zn(OH)2↓,正极反应式为+4H2O+3e-====Fe(OH)3↓+5OH-,故D说法正确。24FeO2.番茄是人们爱吃的水果,也是餐桌上的美食,你能想到利用番茄来制作番茄电池吗?如图为某兴趣小组制作的番茄电池,但电路接通后,检流计的指针发生了偏转。下列说法正确的是()A.电子由铜通过导线流向锌B.该装置是将电能转化为化学能的装置C.锌电极发生氧化反应D.电流由锌通过导线流向铜【解析】选C。A项,铜作正极,锌作负极,因此电子由锌通过导线流向铜,故错误;B项,该装置将化学能转化为电能,故错误;C项,锌作负极失去电子,发生氧化反应,故正确;D项,电子与电流的方向相反,因此电流由铜极通过导线流向锌极,故错误。【补偿训练】(2019·廊坊高一检测)下列说法中正确的是()A.原电池是把电能转化为化学能的装置B.原电池中电子流出的一极是正极,发生氧化反应C.原电池中电流从负极流出,从正极流入D.原电池中的阳离子向正极移动【解析】选D。原电池是把化学能转化为电能的装置;原电池中电子流出的一极是负极,发生氧化反应;电流从正极流出,从负极流入;原电池中的阳离子向正极移动,发生还原反应。【素养提升】1.如图是铅蓄电池的结构示意图,电池反应的总方程式:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4↓+2H2O,则原电池放电时负极反应物和正极反应物分别是什么?提示:根据化合价变化判断,Pb的化合价升高,发生氧化反应,作负极材料和反应物;PbO2中铅元素化合价降低,作正极材料和反应物。2.如图是酸性和碱性锌锰干电池示意图。酸性和碱性电池的负极材料、负极反应是否一样?提示:负极材料都是锌,发生的反应不一样。酸性条件下为Zn-2e-====Zn2+,碱性条件下为Zn-2e-+2OH-====Zn(OH)2。3.以下是酸性、碱性氢氧燃料电池的示意图。电池工作时,负极反应物氢气和正极反应物氧气在两种电池中分别生成什么物质?提示:氢气在酸性氢氧燃料电池中变为氢离子,在碱性氢氧燃料电池中变为水;氧气在酸性氢氧燃料电池中变为水,在碱性氢氧燃料电池中变为氢氧根离子。知识点二原电池原理的应用【重点释疑】【思考·讨论】(1)所有化学反应,都能设计成原电池吗?提示:不是。原电池的工作原理是使氧化还原反应中转移的电子作定向移动,故只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池。(2)原电池中一定是较活泼金属作负极,较不活泼金属作正极吗?提示:不一定,如镁条、铝条连接,插入氢氧化钠溶液中,形成的原电池铝作负极,镁作正极。【案例示范】【典例1】利用生活或实验室中常用物品,根据氧化还原反应知识和电学知识,自己动手设计一个原电池。实验原理:Fe+2H+====Fe2++H2↑。(1)如何选择电池的正负极材料?(宏观辨识与微观探析)(2)如何选择离子导体?除了以上物质还缺少什么实验用品(已有耳机)?(证据推理与模型认知)(3)实验装置如图:(科学探究与创新意识)①按如图所示连接好实验仪器,注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出,如果没有,可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意:接触的同时耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的),这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是在原电池中,由化学能转化为什么能?②如果将装置中的耳机改为电流计,则铁钉应该接电流计的什么极?电极反应是什么?另一极应该接电流计的什么极,发生氧化反应还是还原反应?【解析】(1)原电池的构成条件是电极、导线、电解质溶液。负极应用铁钉或铁条,正极可选铜棒、铜钉或石墨(如铅笔芯)等;(2)离子导体可以选择稀硫酸溶液,应盛放在烧杯中,电子导体应用导线。(3)原电池是将化学能转化为电能的装置,电流计的负极应与电源负极相连,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。答案:(1)负极:铁钉或铁条正极:铜钉(其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确)(2)稀硫酸烧杯、导线(3)①电能②负极Fe-2e-====Fe2+正极还原反应【规律方法】原电池的设计一般思路:设计原电池时,首先要根据所提供的氧化还原反应的特点进行设计。原电池的设计要紧扣原电池的构成条件。具体方法是(1)以自发进行的氧化还原反应为基础。(2)分析氧化还原反应,从中找出氧化剂和还原剂,并把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应。(3)以电极反应为基础,根据原电池的工作原理确定电极材料和电解质溶液。通常还原剂即为负极材料,氧化剂为电解质溶液中的某种阳离子,正极材料必须比负极材料的活泼性弱或选石墨作电极。【典例2】(2019·巢湖高一检测)①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。据此判断这四种金属活泼性由大到小的顺序是()A.①③②④B.①③④②C.③④②①D.③①②④【思维建模】利用原电池判断金属性强弱的一般思路为【解析】选B。由题意知:①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①,则金属活泼性①大于②;①③相连时,③为正极,则金属活泼性①大于③;②④相连时,②上有气泡逸出,则金属活泼性④大于②;③④相连时,③的质量减少,则金属活泼性③大于④,故正确顺序为①③④②。【迁移·应用】1.(2019·滨州高一检测)下面是四个化学反应,你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是()A.2Al+2NaOH+6H2O====2Na[Al(OH)4]+3H2↑B.2H2+O22H2OC.Zn+CuSO4====Cu+