高中化学 专题一 化学反应与能量变化 化学能与电能的转化学案 苏教育选修4.docx
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高中化学专题一化学反应与能量变化化学能与电能的转化学案苏教育选修4
第三节化学能转化为电能——电池
【课标三维定向】
1.知识与技能
⑴理解原电池的原理及其构成条件,掌握原电池的应用。
⑵了解常见的化学电源。
⑶理解并掌握金属的腐蚀和防护。
2.过程与方法
⑴通过动手实验,观察探索原电池的形成及原理,培养实验技能以及分析思维能力。
⑵通过不断总结、发现、归纳知识的要点,培养学生的创造能力。
3.情感态度与价值观
通过学习电池的有关知识,感受化学给人类带来得进步和文明;了解废旧电池的回收知识,增强环保意识。
【学习策略指导】
学习重点:
原电池的原理及其应用。
学习难点:
金属的腐蚀与防护。
第一课时原电池的工作原理
一、原电池的反应原理
【自主学习】
1.探究原电池的反应原理
把铜片和锌片分别插入硫酸铜溶液中,在锌片上有 析出,同时有 放出,铜片上 现象;用导线将铜片和锌片连接后, 逐渐 , 质量逐渐增加;在铜片和锌片之间加上电流计(如下图所示),电流计的指针发生 ,说明有 产生,即发生了 能转化为 能的过程。
由电流的方向可知,电子由 通过导线流向 ,由此判断 是负极、 是正极。
锌片上有 流出发生了 反应,即:
;锌原子 电子通过导线流向 , 进入溶液,溶液中的 在铜片上 电子发生 反应,即:
,生成的 沉积在铜片上。
两极之间溶液中 的定向移动和外部导线中 的定向移动构成闭合的回路,使两个电极反应不断进行,发生有序的电子转移过程,产生电流。
其总反应式为:
。
2.原电池的含义
能将 能转化为 能的装置称为原电池。
3.原电池的构成条件
⑴要有活泼性不同的两个 ;
⑵要有 溶液;
⑶两电极浸入 中且用导线连接起来组成 ;
⑷能自发的发生 。
[要点强化指导]
A、盐桥的作用:
是将两个电极完全隔开的原电池装置,将副反应降低至最小程度,这样,更彻底的将反应所释放的能量转化为电能。
B、通过盐桥,阴离子SO42-和Cl-向锌盐溶液移动,阳离子Zn2+和K+向铜盐溶液移动,使电流继续流通,形成闭合的回路。
4.电极反应式的书写:
⑴原电池反应一般都是自发进行的 ,因而在写电极反应时,首先将总反应变换成 反应(负极)和 反应(正极)。
如:
2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2,正极:
;负极:
。
其中,Fe电极为负极时,被氧化为 离子。
⑵正极反应与负极反应的得失电子数要 。
⑶正极反应与负极反应直接相加可得原电池的 。
⑷电极产物是否与电解质溶液中的有关成分作用,若有作用则要一块写出。
⑸每个反应之前均须标明电极的属性。
[要点强化指导]1.原电池是将化学能原转化为的热能而改转化为电能,并不是放热反应就能设计成原电池,而是能自发的氧化还原反应理论上可设计成原电池。
2.电极材料有时并不一定是金属(如石墨碳棒),有时还可以是相同的金属(如金属铂),但电极反应一定是氧化还原反应。
如:
氢氧燃料电池。
3.负极与电解质溶液的溶质不一定要求发生反应,但负极上一定有物质失去电子变成阳离子或消耗阴离子。
【问题分析示例】
例题1:
如下图装置能组成原电池的是()
[针对性练习]
1.某电池的总反应的离子方程式为2Fe3++Fe=3Fe2+,不能实现该反应的原电池是()
正极负极电解质溶液
A.CuFeFeCl3
B.CFeFe(NO3)3
C.FeZnFe2(SO4)3
D.AgFeCuSO4
2.把铝片和镁片用导线连接成两组,分别依次插入到NaOH溶液、稀H2SO4溶液中,下列说法正确的是()
A.都不能形成原电池B.负极材料依次为镁片、铝片
C.负极材料依次为铝片、镁片D.负极材料都是镁片
二、常见的化学电源
【自主学习】
1.常见的锌锰干电池
⑴酸性锌锰干电池:
作负极, 作正极, 是电解质溶液中的溶质,负极:
,正极:
, 及H2+2MnO2=Mn2O3+H2O,4NH3+Zn2+=Zn[(NH3)4]2+;总反应式为:
。
⑵碱性锌锰干电池:
作负极, 作正极, 是电解质溶液中的溶质,负极:
,正极:
;总反应式为:
。
[要点强化指导]酸性锌锰干电池中发生还原反应的物质有NH4+和MnO2,但电池正极得电子的是NH4+,MnO2是固体粉末,未与电解质溶液接触,其作用可理解为通过氧化还原反应吸收H2,使电池能持续工作。
MnO2不能认为参与了电极反应。
2.铅蓄电池
铅蓄电池是二次电池, 作负极, 作正极, 是电解质溶液,负极:
,正极:
;总反应式为:
。
[要点强化指导]二次电池在充电时是电解池,虽然作电池时正、负极上的反应与作电解池时阴、阳极上的反应相反,但二次电池的正极应与充电电源的正极相连,二次电池的负极应与充电电源的负极相连。
3.氢氧燃料电池
⑴碱性条件下的氢氧燃料电池
正负极材料均为 , 和 源源不断的通到电极上, 是电解质溶液,负极:
,正极:
;总反应式为:
。
⑵酸性条件下的氢氧燃料电池
正负极材料均为 , 和 源源不断的通到电极上, 是电解质溶液,负极:
,正极:
;总反应式为:
。
[要点强化指导]H2和O2在不同介质中的电极反应式
1.H2在不同介质中的电极反应式:
⑴在碱性条件下负极:
H2+2OH-→2H2O+2e-;
⑵在酸性或中性条件下负极:
H2→2H++2e-。
2.O2在不同介质中的电极反应式:
⑴在碱性、中性或弱酸性条件下正极:
O2+2H2O+4e-→4OH-;
⑵在较强酸性条件下正极:
O2+4H++4e-→2H2O;
⑶在熔融的金属氧化物中正极:
O2+4e-→2O2-;
⑷在其它介质中的电极反应式。
如:
在熔融的碳酸盐中,正极反应物是O2和CO2时,正极电极反应式:
O2+2CO2+4e-→2CO32-。
【问题分析示例】
例题2:
常见铅蓄电池是二次电池,其电极材料分别为Pb和PbO2,电解液为稀H2SO4溶液,工作时的总反应式为Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O。
请依据上述情况判断:
⑴铅蓄电池的负极材料是。
⑵请依据两极材料和总反应,写出放电时正极反应是。
⑶请依据总反应式和正极反应式,写出放电时负极反应是。
⑷放电时,电解质溶液中阴离子移向极;电流方向从极流向极。
⑸放电时,电解质溶液的酸性(填“增强”、“减弱”或“不变”)。
[针对性练习]
3.某蓄电池放电、充电时的反应式为:
Fe+Ni2O3+3H2O
Fe(OH)2+2Ni(OH)2下列推断中正确的是()
①放电时,Fe为正极,Ni2O3为负极;②充电时,阴极上的电极反应式是:
Fe(OH)2+2e-=Fe+2OH-;③充电时,Ni(OH)2为阳极;④蓄电池的电极必须是浸在某中碱性溶液中。
A.①②③B.①②④C.①③④D.②③④
【课堂练习达标】
4.关于原电池的说法正确的是()
A.在正极上发生氧化反应B.化学性质较活泼的金属为负极
C.在外电路正极电子流出D.在负极上发生还原反应
5.下列说法不正确的是()
A.原电池中电子由负极流向正极
B.原电池中发生还原反应的电极是正极
C.电解池中发生还原反应的电极是阳极
D.电解池中质量增加的电极是阴极
6.原电池产生电流的本质原因是()
A.电解质溶液中有电离出的自由移动的离子
B.有导线将两个活泼性不同的电极连接
C.在不同金属的两极间存在电势差
D.在原电池中发生了氧化还原反应
7.下列反应中,在原理上可以设计成原电池的是()
A.Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应B.铝与盐酸的反应
C.石灰石的分解D.甲烷与氧气的反应
8.下列说法正确的是()
A.碱性锌锰干电池是二次电池
B.铅蓄电池是一次电池
C.二次电池又叫蓄电池,它放电后可以再充电使活性物质获得再生
D.燃料电池的活性物质没有储存在电池内部
9.美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的电池,其构造如图所示:
两个电极均由多孔碳制成,通入的气体由孔隙中流出,并从电极表面放出。
⑴a极是,电极反应式是。
⑵b极是,电极反应式是。
⑶氢气是燃料电池最简单的燃料,虽然使用方便,却受到价格和来源的限制。
常用的燃料往往是某些碳氢化合物,如甲烷(天然气)、汽油等。
请写出甲烷燃料电池中a极的电极反应式为
。
此时电池内的总反应方程式为
。
第二课时原电池工作原理的应用
一、原电池电极材料的选择与正、负极的判断
【自主学习】
1.原电池电极材料的选择
电池的电极必须 。
电池中的负极必须能够与电解质溶液 ,易 电子,因此负极一般是活泼的 。
正、负极之间只有存在电势差,电子才能 ,所以正、负极一般不用同一种活性材料,但有时可用同一 电极(如氢氧燃料电池)。
[要点强化指导]原电池电极材料的几种情况:
⑴活性不同的两种金属材料电极,如:
铜锌原电池中的铜—锌;
⑵金属与非金属材料电极,如:
锌锰干电池中的锌—炭;
⑶金属与化合物材料电极,如:
铅蓄电池中的铅—氧化铅;
⑷惰性电极材料电极,如:
氢氧燃料电池中的石墨或金属铂。
2.原电池的正、负极判断
⑴由组成原电池两极的材料判断。
一般活泼的金属为 极,活泼性弱的金属或能导电的非金属为 极。
⑵依据电流的方向或电子流动的方向判断。
电流由 极流向 极,电子由 极流向 极。
⑶依据原电池的电解质溶液内离子移动的方向来判断。
在原电池的电解质溶液内,阳离子移向 极,阴离子移向 极。
⑷依据原电池两极上发生的化学变化来判断。
原电池的负极上发生 反应,正极上发生 反应。
⑸依据某些现象来判断。
电极溶解的一极为 极,电极增重或产生气体的一极为 极。
[要点强化指导]判断电极时,不能简单的比较金属的活性,要看反应的具体情况,特别指出的是⑴Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极;⑵Fe、Al在浓HNO3中钝化后,比Cu等金属更难失电子,Cu等金属作负极,Fe、Al作正极。
二、金属活泼性的相对强弱判断
【自主学习】
1.根据金属活动顺序判断。
金属单质的还原性
K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au
K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、Zn2+、Fe2+、Sn2+、Pb2+、(H+)、Cu2+、Hg2+、Ag+、Pt2+、Au3+
金属阳离子的氧化性
2.根据元素周期表判断:
同主族元素(从上到下)金属单质还原性逐渐,对应的阳离子氧化性逐渐;
同周期元素(从左到右)金属单质还原性逐渐,对应的阳离子氧化性逐渐。
3.与酸或H2O反应置换出H2的难易程度。
反应越易则金属性。
4.金属氧化物对应的水化物的碱性强弱。
碱性越强则金属性。
5.其它的置换反应。
6.根据原电池的电极判断:
两种不同的金属构成原电池的两极,一般来说其还原性:
极金属强于极。
三、金属腐蚀与防护
【自主学习】
1.金属的腐蚀
⑴金属腐蚀的含义
金属表面与周围的物质发生或因作用而遭到破坏,称为金属腐蚀。
⑵金属腐蚀的实质
金属原子电子被变成金属的过程。
可用方程式表示为:
。
⑶金属腐蚀的类型
金属腐蚀可分为和,而电化学腐蚀依据环境的酸碱性可分为和。
[合作探究1]:
化学腐蚀和电化学腐蚀的异同?
金属腐蚀的类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
含义
条件
现象
腐蚀的速度
相互关系
[合作探究2]:
析氢腐蚀和吸氧腐蚀的异同?
(以Fe为例)
腐蚀类型区别与联系
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
相同点
腐蚀的本质
负极反应式
不同点
条件不同
电解质溶液不同
氧化剂不同
正极反应式不同
产物不同
其它反应式
2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2;
4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3;
2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O。
普遍性
[合作探究3]:
铜、银用导线连接后浸入稀硫酸中,一段时间后发现铜被腐蚀。
试解析其原因?
2.金属的防护
金属的防护就是依据电化学腐蚀的原理,要防止金属发生腐蚀,关键在于阻止金属成为原电池的极,避免发生阳极反应而溶解。
即其本质就是阻止。
因此常用的方法有:
⑴在金属表面覆盖。
如:
可以在其表面加耐腐蚀的、、、、橡胶等,也可以通过电镀而覆盖于被保护金属表面的耐腐蚀性较强的。
⑵改变金属的内部。
如:
、等。
⑶牺牲阳极阴极保护法。
如:
镶嵌的闸门、航海船底、铁塔以及底下铁管道等。
⑷外加电源的保护法。
如:
化工厂中盛酸性溶液的容器或管道。
⑸经、外加电源的极等方法进行钝化。
如:
合成氨厂中防止反应塔腐蚀。
[合作探究]:
金属腐蚀快慢规律探究?
⑴作电解池极引起的腐蚀>作原电池极引起的腐蚀>腐蚀>有防护措施的腐蚀;
⑵对于同一金属来说,在电解质溶液中腐蚀速度>在电解质溶液中腐蚀速度>在电解质溶液中腐蚀速度;
⑶活泼性不同的两金属,活泼性差别越,腐蚀越快;
⑷对于同一电解质溶液来说,电解质溶液浓度越,腐蚀越快。
[要点强化指导]1.在原电池中,电源正极在溶液的部分因发生还原反应,而被称为阴极;电源负极在溶液的部分因发生氧化反应,而被称为阳极。
在牺牲“阳极”“阴极”保护法中,实质是首先构成原电池,使被保护的金属作原电池的正极(阴极),牺牲的金属作原电池的负极(阳极)。
2.外加电源往往应用电解的原理,被保护的金属连接在电源的负极上。
若被保护的金属连接在电源的正极上也被保护,其理由是使金属发生钝化作用。
【问题分析示例】
例题1:
将纯锌片和纯铜片按图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是()
A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中的铜片是正极,乙中的铜片是负极
C.两烧杯中溶液的PH值均增大
D.产生气泡的速度甲比乙慢
[针对性练习]
1.如图所示,电流表G发生偏转,同时A极逐渐变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、C应是下列各组中的哪一组()
A.A是Zn、B是Cu、C为稀H2SO4溶液
B.A是Cu、B是Zn、C为稀H2SO4溶液
C.A是Fe、B是Ag、C为AgNO3溶液
D.A是Ag、B是Fe、C为AgNO3溶液
2.关于如图所示装置的叙述正确的是()
A.铜是阳极,铜片上有气泡产生
B.铜片的质量逐渐减少
C.电流从锌片经导线流向铜片
D.氢离子在铜片表面被还原
例题2:
X、Y、Z、M代表四种金属元素。
金属X和Z用导线连接放入稀硫酸中时,X溶解,Z极上有氢气放出;若电解Y2+和Z2+共存的溶液时,Y先析出;又知M2+的氧化性强于Y2+。
则这四种金属的活动性由强到弱的顺序为()
A.X>Z>Y>M B.X>Y>Z>M
C.M>Z>X>Y D.X>Z>M>Y
[针对性练习]
3.把a、b、c、d四块金属浸入稀硫酸中,用导线两两连接组成多个原电池,若a、b相连,a为负极;c、d相连,d上有气泡逸出;a、c相连,a极减轻;b、d相连,b为正极。
则四种金属的活泼性顺序为()
A.a>b>c>dB.a>c>b>d
C.a>c>d>bD.b>d>c>a
例题3:
如图所示,水槽中试管内有一枚铁钉,放置数天观察:
⑴铁钉在逐渐生锈,则铁钉的腐蚀属于腐蚀。
⑵若试管内液面上升,则原溶液是性,发生
腐蚀,电极反应:
负极:
,正极:
。
⑶若试管内液面下降,则原溶液是性,发生腐蚀,电极反应:
负极:
,正极:
。
⑷若溶液甲为水,溶液乙为海水,则铁钉在(填“甲”或“乙”)溶液中腐蚀的速度快。
[针对性练习]
4.如图所示,装置中都盛有0.1mol/L的NaCl溶液,放置一定时间后,装置中的四块相同的锌片腐蚀速率由快到慢的正确顺序是()
A.①②③④ B.①②④③C.③①④② D.②①④③
5.家用炒菜铁锅用水清洗后,放置一会出现红棕色的铁锈,在此变化过程中不会发生的化学变化是()
A.2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
B.4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3
C.O2+2H2O+4e-→4OH-
D.Fe→Fe3++3e-
【课堂练习达标】
6.下列说法正确的是()
A.金属被腐蚀时质量一定减少
B.金属腐蚀就是金属单质被氧化
C.金属腐蚀一定是在酸性条件下
D.金属直接与液体接触才能造成金属腐蚀,与气体接触没有影响
7.下列关于铁析氢腐蚀的说法正确的是()
A.铁为正极B.炭为正极
C.溶液中氢离子浓度不变D.此腐蚀在任何溶液中都发生
8.下列措施不能起到防腐作用的是()
A.对钢铁设备喷油漆B.对钢铁进行电镀
C.把钢铁与镍、铬等金属制成合金D.把钢铁放入水下
9.表明金属甲比金属乙活动性强的是()
A.在氧化还原反应中,甲失电子比乙的多
B.同价态的阳离子,甲比乙氧化性强
C.甲能与盐酸反应放出氢气而乙不能
D.将甲乙组成原电池时,甲为正极
10.钢铁在空气中发生电化学腐蚀时,正极上发生的电极反应为()
A.Fe—3
==
B.2H2O+O2+4
==4OH-
C.Fe—2
==
D.4OH-—4
==2H2O+O2↑
11.下列描述不正确的是()
A.纯锌与稀硫酸反应比粗锌的反应速率快
B.用稀硫酸与锌制取氢气时,加入少量硫酸铜溶液,可加快反应的速率
C.纯铁比生铁更难发生电化学腐蚀
D.钢铁腐蚀主要是吸氧腐蚀
12.关于牺牲阳极阴极保护法的叙述中正确的是()
A.正极是阳极B.负极是阴极
C.阳极上发生氧化反应D.正极上发生氧化反应
课外天地
新型的化学电源
随着工农业生产和国防建设的迅速发展,人们对化学电源的要求也越来越高,需要制造具有体积、电容量大、质量小和功率大等特点的新型的化学电源。
下面着重介绍两种常用的新型的化学电源。
1.银锌蓄电池
银锌蓄电池是一种高能电池。
它的质量小、体积小,是人造地球卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。
银锌蓄电池的负极是锌(Zn),正极是氧化银(Ag2O),用锌酸盐溶液(如H2ZnO2加KOH溶液)作电解质溶液。
放电时,在电极上发生的如下反应:
负极(锌片)Zn+2OH-
Zn(OH)2+2e-
正极(氧化银)Ag2O+H2O+2e-
2Ag+2OH-
总反应式Zn+Ag2O+H2O
2Ag+Zn(OH)2
银锌蓄电池所蓄的电能很高,但使用期不长,在充电状态下不宜长期保存。
2.锂电池
锂电池在较小的体积或质量下能放出较多的电能,放电时电压十分稳定,贮存时间长,能在261.3~344.1K温度范围内工作。
可作心脏起搏器、照相闪光灯的电源,如做成纽扣式微型锂电池,可用于电子表、助听器、计算器、电脑以及各种手机等方面。
锂电池是用锂作负极,炭作正极,无机溶剂亚硫酰氯(SO2Cl2)在炭极上发生还原反应,电解质溶液是四氯铝化锂(LiAlCl4)溶解于亚硫酰氯中组成。
它的总反应是锂与亚硫酰氯发生反应,生成氯化锂、亚硫酸锂和硫:
8Li+3SO2Cl2=6LiCl+Li2SO3+2S。
总之,改进化学电源的一个重要的任务就是使电源的质量小、体积小和提高能量的转化率。
【三维体系构建】
答案:
1.锌锰电池;2.铅蓄电池;3.氢氧燃料电池;4.活泼性不同的两个电极;5.电解质溶液;6.两电极浸入电解质溶液中且用导线连接起来组成闭合的回路;7.能自发的发生氧化还原反应;8.化学腐蚀;9.电化学腐蚀;10.吸氧腐蚀;11.析氢腐蚀。
参考答案
第一课时原电池的工作原理
例题1:
解析:
此题考查原电池的构成要素,要从构成要素去分析解答。
符合原电池的条件必须满足四点:
⑴要有活泼性不同的两个电极;⑵要有电解质溶液;⑶两电极浸入电解质溶液中且用导线连接起来组成闭合的回路;⑷能自发的发生氧化还原反应。
A中酒精是非电解质,D中两极的活泼性一样。
答案:
BC
例题2:
解析:
依据原电池的反应原理、铅蓄电池的工作原理及其总反应式可得答案。
答案:
⑴铅(Pb);⑵PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O;⑶Pb+SO42-=PbSO4+2e-;⑷负,氧化铅(PbO2),铅(Pb);⑸减弱;
1.解析:
能实现该反应的原电池必须满足:
①电解质溶液含有Fe3+,②负极材料为Fe,③正极材料比Fe的活泼性弱且能导电的物质。
则C与D不能满足这三个条件。
答案:
CD
2.答案:
C
3.解析:
依据蓄电池放电时是原电池,正极发生还原反应,元素的化合价升高知①错。
而充电时是电解池,阳极发生氧化反应,元素的化合价降低,阴极发生还原反应,元素的化合价升高知②③对。
又依产物中有Fe(OH)2和Ni(OH)2,故电解质溶液必是碱性溶液。
答案:
D
4.答案:
B
5.解析:
依据原电池的工作原理、电极上所发生的反应及其电子的流向可知:
原电池中电子由负极流向正极,其中发生还原反应的电极是正极;而电解池中发生还原反应的电极是阴极电解池中发生氧化反应的电极是阳极。
答案:
C
6.解析:
由能自发的氧化还原反应理论上可设计成原电池可知,原电池产生电流的本质原因是必须有产生电流的源头,即为氧化还原反应的电子转移。
答案:
D
7.解析:
能自发的氧化还原反应理论上可设计成原电池可知答案。
答案:
BD
8.解析:
依据一次电池、二次电池及燃料电池的有关知识可得答案。
答案:
CD
9.解析:
依据燃料电池的电极及电极反应可知
a、b两极各是什么极及其电极反应式。
又由于甲烷燃烧生成二氧化碳,但在KOH溶液中应生成碳酸根离子,又碳元素的化合价由-4升到+4,故1mol的甲烷应失去8mol的电子,即电极反应式为:
CH4+10OH-=
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