高中化学化学能与电能学案人教版

化学能与电能

【学习目标】

1．了解化学能与电能的转化关系。

2．初步了解化学电池的工作原理及应用。

3．了解研制新型电池的重要性。

4．会书写简单的电极反应式。

【学习过程】

1．原电池

(1)概念：将化学能转变为电能的装置。

(2)构成条件：理论上，能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池。构成原电池需有两个活泼性不同的电极,将电极插入电解质溶液中,两电极间用导线连接使之构成闭合回路。电极的作用是导电,有些电池中电极材料会参加反应；导线的作用是传导电子；电解质溶液的作用是通过自由离子的移动传导电荷。

(3)工作原理：

①反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

②电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。

③离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

（4）电极判断：

①根据电极材料的活动性判断：相对活泼的金属为负极,相对稳定的金属或导电的非金属为正极。

②根据电极反应类型判断：发生氧化反应的是负极,可能是电极材料被氧化(溶解)也可能是溶液中的阴离子被氧化;发生还原反应的是正极,一般是溶液中的阳离子被还原。

③根据电子流向判断：电子由负极沿导线流向正极。

④根据溶液中的离子流向判断：阳离子移向正极,阴离子移向负极。

温馨提示：在判断原电池正负极时，不要只根据金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液的特点。

(1)Mg－Al和稀盐酸构成的原电池中，Mg作负极，Al作正极;而若把稀盐酸换为NaOH溶液，Al作负极，Mg作正极。

(2)Al—Cu和NaOH溶液构成的原电池中，Al作负极；而若把NaOH溶液换为浓硝酸，Cu作负极。

2.发展中的化学电源

（1）干电池——一次电池：

①特点：属于一次性电池，放电后不能再充电。

②实例——锌锰电池：负极为锌，正极为石墨棒，电解质为氯化铵。

（2）充电电池——二次电池：利用化学反应的可逆性,可以组建成一个新电池,即当一个化学反应转化为电能之后,还可以用电能使化学体系修复,然后再利用化学反应转化为电能。

①特点：在放电时进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。

②实例：

（3）燃料电池：一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

①特点：能量转化效率高,燃料和空气分别送进燃料电池,它直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程。

②实例——氢氧燃料电池：负极为氢气失电子，正极为氧气得电子，电解质是氢氧化钾或硫酸。

温馨提示：燃料电池正极上的反应物质一般是O2。

(1)电解质溶液为中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式中,且O2生成OH－，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－。

(2)电解质溶液为酸性，则H＋必须写入正极反应式中，且O2生成H2O，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－=2H2O。

3.原电池原理的应用

(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属或能导电的非金属为正极。如有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活动性A>B。

（2）加快氧化还原反应速率：如实验室用Zn和稀硫酸反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快；如加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu,附着在锌片上形成原电池也可以加快反应速率。

（3）设计原电池：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。设计原电池时，如果给出的是具体的化学反应方程式，电解质溶液是确定的；如果给出的是离子方程式，如Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋，则电解质不是确定的具体物质，只要是含有Cu2＋的可溶盐溶液即可，如CuCl2溶液、CuSO4溶液等。

【归纳总结】原电池的判断方法

【当堂检测】

1. 下列关于铜—锌—稀硫酸构成的原电池的有关叙述，错误的是( )

A．锌为负极，锌发生氧化反应

B．铜为正极，铜不易失去电子而受到保护

C．负极发生还原反应，正极发生氧化反应

D．外电路电子流入的一极为正极，电子流出的一极为负极

2.如图所示，两电极一为石墨棒，一为铁片。若电流表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡产生，则以下叙述中正确的是( )

A．a为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸

B．b为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液

C．a为正极，是石墨棒，烧杯中的溶液为硫酸

D．b为正极，是石墨棒，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液

3.向等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，下列各图表示的是产生H2的体积V与时间t的关系，其中正确的是( )

4. 为了探究原电池的工作原理，某化学学习小组设计了一组实验，其装置如下图，回答下列问题：

(1)根据原电池原理填写下表：

阳离子移动方

装置序号正极负极反应式

向

甲

乙

丙

丁

戊

(2)

(3)根据上述电池分析，负极材料是否一定参加电极反应？________(填“是”、“否”或“不一定”)，请举例说明：____________________________________。

(4)指出下列电池的放电过程中，电解质溶液酸碱性的变化：甲____，丙______，戊____。

5. 氢气是未来最理想的能源之一,科学家最近研制出利用太阳能产生激光,并在二氧化钛

(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术：2H2O2H2↑+O2↑。制得的氢气可用于燃料电池。试回答下列问题：

(1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现能转变为_________能。水分解时,断裂的化学键为键,分解海水的反应属于反应(填“放热”或“吸热”)。(2)某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质,两极上发生的电极反应分别为

A极：2H2+2O2--4e-=2H2O;B极：O2+4e-=2O2-,则A极是电池的极;电子从该极(填“流入”或“流出”)。