1、江苏省连云港市赣榆县赣榆县海头高级中学高中化学 12 化学能与电能的转化学案 苏教版选修4精品教案江苏省连云港市赣榆县赣榆县海头高级中学2015高中化学 1.2 化学能与电能的转化学案 苏教版选修4疏导引导知识点1：原电池的工作原理1.原电池的判定（1）先分析有无外接电源，无外接电源才有可能为原电源；然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是“四看”：看电极两极为导体且存在活泼性差异（燃料电池的电极一般为惰性电极）；看溶液两极插入电解质溶液中；看回路形成闭合回路或两极直接接触；看本质有无氧化还原反应发生。（2）多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看作电解池。2.
2、原电池正、负极的判定（1）由两极的相对活泼性确定：相对活泼性较强的金属为负极（一般地，负极材料与电解质溶液要发生反应），相对活泼性较差的金属或导电的非金属为正极。如MgAlHCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但MgAlNaOH溶液构成的原电池中，负极为Al。（思考：AlCuHCl，AlCu浓HNO3溶液构成的原电池中的负极分别是什么？）（2）由电极变化情况确定：某一电极若不断溶解或质量不断减少，该电极发生氧化反应，则此电极为负极；若某一电极上有气体产生，电极的质量不断增加或不变，该电极发生还原反应，则此电极为正极，燃料电池除外。如：ZnCCuSO4溶液构成的原电池中，C电极上会析出紫红色固体
3、物质，则C为此原电池的正极。（3）根据某些显色现象确定：一般可以根据电极附近指示剂（石蕊、酚酞、湿润的淀粉等）的显色情况来分析推断该电极发生的反应情况，是氧化反应还是还原反应，是H+还是OH-或I-等放电，从而确定正、负极。3.电极反应式的书写（1）负极：负极电极是还原材料失去电子被氧化发生氧化反应。（2）正极：正极电极反应要分析电极材料的性质；若电极材料是强氧化性材料，则是电极材料得电子被还原，发生还原反应；若电极材料是惰性的，再考虑电解质溶液中的阳离子是否能与负极材料反应，能则是溶液中的阳离子得电子，发生还原反应；若不能与负极材料反应，则考虑空气中的氧气，由氧气得电子，发生还原反应。（3）
4、原电池反应：电解质溶液中，正负极上发生的两极反应的电子得失要相等，或直接写电极材料与电解质溶液间发生的氧化还原反应。综上所述：负极氧化反应失去电子的反应正极还原反应得到电子的反应4.原电池的设计方法以氧化还原反应为基础，确定原电池的正负极、电解质溶液及电极反应，参考ZnCuH2SO4原电池模型处理问题。如根据反应Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2设计一个原电池。即Cu作负极，C（或Pt）作正极，FeCl3作电解质溶液，负极反应Cu-2e-Cu2+，正极反应为2Fe3+2e-2Fe2+。知识点2：化学电源1.一次电池与二次电池有何不同 一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到
5、一定程度，就不能使用了；如普通的锌锰电池，碱性锌锰电池等都是一次电池。 二次电池又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。这类电池可以多次重复使用，如铅蓄电池等。2.一次电池（1）锌银电池锌银电池的负极是锌，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应为：负极：Zn+2OH-2e-=ZnO+H2O正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-总反应方程式：Zn+Ag2O=2Ag+ZnO在使用过程中，电池负极区溶液pH减小。特点：此种电池能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。（2）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
6、在亚硫酰氯（SOCl2）中组成。锂电池的主要反应为：负极：8Li-8e-8Li+正极：3SOCl2+8e-+2S+6Cl-总反应式为：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S特点：锂电池是一种高能电池，具有质量轻，电压稳定，工作效率高和贮存寿命长的优点。3.二次电池铅蓄电池的特点是：电压稳定使用方便、安全、可靠，又可以循环使用。规律小结：电化学上把发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极。4.燃料电池 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能转换成电能的化学电池。燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应，只是一个催化转化元件。它工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电
7、极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能。CH4燃料电池 用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入CH4、O2。负极：CH4+10OH-8e-+7H2O正极：2O2+4H2O+8e-8OH-总离子方程式：CH4+2O2+2OH-=+3H2O特点：能量转化高，可持续使用，无噪音，不污染环境。规律小结：负极氧化反应还原剂正极还原反应氧化剂知识点3：电解池的工作原理及应用1.电解池的工作原理（1）电解的原理 我们已知道，离子在电场中的定向移动是电解质溶液和熔融电解质导电的原因。在电场作用下，熔融氯化钠中的Na+和Cl-分别移向与电源负极和正极相连的电极。
8、与电源负极相连的电极带有负电荷，Na+在这个电极上得到电子，被还原成钠原子：Na+e-Na而与电源正极相连的电极带有正电荷，Cl-将电子转移给这个电极，自身被氧化为氯原子，最终生成氯气：2Cl-Cl2+2e- 将两个电极上所发生的反应组合起来，就是电解氯化钠制备金属钠的化学反应：2NaCl2Na+Cl2 这种在直流电的作用下，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫做电解。在电解过程中，电源向反应体系提供电能，电能转化成化学能而“储存”在反应物中。这种将电能转化为化学能的装置叫做电解池。电解池由直流电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融电解质组成。（2）电解质导电的实质 对电解质溶液（或
9、熔融态电解质）通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，电解质的阳离子移向阴极得电子发生还原反应；电解质的阴离子移向阳极失去电子（有的是组成阳极的金属原子失去电子）发生氧化反应，电子从电解池的阳极流出，并沿导线流回电源的正极。这样，电流就依靠电解质溶液（或熔融状态电解质）里阴、阳离子的定向移动而通过溶液（或熔融态电解质），所以电解质溶液（或熔融态电解质）的导电过程，就是电解质溶液（或熔融态电解质）的电解过程。（3）电解时电极产物的判断阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极（除Au、Pt、石墨以外的材料作电极），则电极材料失电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极（Pt
10、、Au、石墨），则要再看溶液中阴离子的失电子能力，此时根据阴离子放电顺序加以判断。阴离子放电顺序：S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根（、等）F-。阴极产物的判断直接根据阳离子放电顺序进行判断，阳离子放电顺序：Ag+Hg2+Fe3+Cu2+H+（H+浓度较大时）Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+H+（H+浓度较小时）Al3+Mg2+Na+Ca2+K+（4）电解池中电极反应式和总反应式的书写阳极电子流出失去电子发生氧化反应阴极电子流入得到电子发生还原反应根据给出的两个电极反应式，写出总反应式方法：使两个电极反应式得、失电子数相等后，将两式相加，消去相同化学式即可。给出总反应式，写出电极反应式书写电
11、极反应式的步骤一般分为四步：列物质、标得失；选离子、配电荷；配个数、巧用水；两式加、验总式。2.电解的应用（1）电解熔融盐制活泼金属如金属钠、铝的制取。（2）电解精炼，如：精炼铜。（3）电镀。（4）电解食盐水制烧碱。知识点4：电解池的应用1.电解饱和食盐水来制造烧碱、氯气和氢气反应原理阳极（放电顺序：Cl-OH-）：2Cl-Cl2+2e- （氧化反应）阴极（放电顺序：H+Na+）：2H+2e-H2 （还原反应）在上述反应中，由于H+在阴极上得到电子而生成H2，破坏了阴极附近水的电离平衡，促进了水继续电离，结果在阴极区溶液里OH-的浓度增大而呈碱性。总反应式：2NaCl+2H2O2NaOH+H2
12、+Cl22.电镀（1）定义：应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。（2）电镀池的组成：待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，含有镀层金属离子的溶液作电解质溶液（即电镀液）。（3）电镀时，理论上电解质溶液的浓度保持不变。3.电解精炼 电解精炼铜时，用纯铜极作阴极，粗铜极作阳极，用CuSO4(或CuCl2)溶液作电解液，当通以直流电时，粗铜逐渐溶解，在阴极上析出纯铜，粗铜中的多数杂质（阳极泥）沉积于电解槽底部。这样可得纯度达99.95%99.98%的铜。电极反应式为阳极：CuCu2+2e-阴极：u2+2e-Cu知识点5：原电池和电解池的比较装置原电池电解池实例原理使氧化还原反应
13、中电子的转移做定向移动，从而形成电流。这种把化学能转变为电能的装置叫做原电池使电流通过电解质溶液在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。这种把电能转变为化学能的装置叫做电解池形成条件两个电极；电解质溶液；形成闭合回路；自发发生氧化还原反应电源；电极（惰性或非惰性）；电解质（水溶液或熔化状态）电极名称由电极本身决定：正极：流入电子，发生还原反应负极：流出电子，发生氧化反应由外电源决定：阳极：连电源正极阴极：连电源负极电子流向负极流向正极阳极电源正极阴极电源负极电流方向正极流向负极阳极电源正极阴极电源负极电极反应负极：Zn-2e-Zn2+(氧化反应)正极：2H+2e-H2（还原反应）阴极：Cu
14、2+2e-Cu（还原反应）阳极：2Cl-2e-Cl2（氧化反应）能量转化化学能电能电能化学能应用防止金属的电化学腐蚀；实用电池电解食盐水（氯碱工业）；电镀（镀铜）；电冶（冶炼Na、Mg、Al）；精炼（精铜）活学巧用1.在下图4个装置中，属于原电池的是（ ）解析：构成原电池要有四个基本条件：电解质溶液；两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼。两个电极直接或间接地连接在一起，并插入电解质溶液中；能自发地发生氧化还原反应；形成闭合电路。答案：D点评：构成原电池的四个基本条件是相互联系的，不能孤立、片面地看待其中任何一个。在四个基本条件中，氧化还原反应是其核心。判断某装置是否为原电池，要以构
15、成原电池的基本条件为标准判断，不能仅凭装置的外形下结论。构成原电池的基本条件，还是进行原电池设计的基本依据。2.有A、B、C、D四种金属，将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀。将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈。将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是_。解析：根据原电池原理：活泼金属作负极，被腐蚀，所以A、B中活泼性AB;A、D与等浓度盐酸反应时D比A剧烈，所以DA;铜与B的盐溶液不反应，而与C反应置换出C，说明活泼性BC。即答案为DABC。答案：DABC点评：本题旨在应用原电池原理，判
16、断金属活动性的强弱。解此类题首先要明确判断金属活动性的方法，抓其规律，中学阶段主要有以下几条：应用原电池原理，作负极的金属的活动性比作正极的金属强；与同浓度同种酸反应，反应剧烈的活泼性强；金属之间的置换，即金属活动顺序；依据元素在元素周期表中的位置。学生应学会从多个角度比较判断金属单质金属性的强弱，理清思路，要培养解决综合性题目的能力，减少失误。3.选择适宜的材料和试剂设计一个原电池，以便完成下列反应： 2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2。画出原电池的示意图并写出电极反应式。解析：根据形成原电池的条件，必须选择两个电极和电解质溶液。在反应2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2中
17、，Cu是被氧化的，应该是电池的负极上发生的反应，Cu作负极材料最适宜，而正极只能是不如Cu活泼的金属（如Ag、Pt）或碳棒；Fe3+在正极上被还原，所以应选FeCl3的溶液作电解质溶液，最后再选择盐桥。答案：原电池示意图如下：正极：2Fe3+2e-2Fe2+负极：CuCu2+2e-4.用两根铂丝作电极插入KOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体和氧气，可形成原电池燃料电池，该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O，下列说法错误的是（ ）A.通甲烷的一极为负极，通氧气的一极为正极B.放电时，通入O2一极附近溶液的pH升高C.放电一段时间后，KOH的物质的量不发生变化D
18、.通甲烷极的电极反应式是：CH4+10OH-8e-+7H2O解析：原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由总反应式知，此燃料电池的电极反应式是：正极：2O2+4H2O+8e-8OH-;负极：CH4+10OH-8e-+7H2O。由此可见A、B、D正确，错误的为C。答案：C点评：本题将原电池原理与化学电源放电原理结合在一起，也是一道理论与实践相结合的题目。5.(2005山西太原测试题)电工操作中规定不能把铜线和铝线拧在一起连接线路，这是因为（ ）A.延伸性相差大，易折断 B.铝线上的氧化膜电阻大C.铝线很快被腐蚀 D.电阻率不同拧在一起要发热解析： 铝、铜拧在一起发生原电池腐蚀，铝作负极，易
19、被腐蚀。答案：C6.阿波罗宇宙飞船上使用的是氢氧燃料电池，其电池总反应为：2H2+O2=2H2O，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应式分别为：负极_，正极_。若电解质溶液改为稀H2SO4，其电极反应式分别为：负极_，正极_。解析：电解质溶液为碱性，在书写电极反应式时可出现OH-，但不能出现H+；同时，电解质溶液为酸性，在书写电极反应式时可出现H+，但不能出现OH-。答案：H2-2e-+2OH-2H2OO2+2H2O+4e-4OH-H2-2e-2H+O2+4e-+4H+2H2O点评：根据原电池总反应方程式解答问题的一般步骤：据总反应方程式中物质的存在形式，判定电解质溶液的酸碱性，并写出较易书写的
20、负极的电极反应式。书写时应注意：酸性电解质溶液，电极反应式中不要出现OH-，碱性电解质溶液，电极反应中不要出现H+。据电池总反应方程式和负极反应的电极反应式，写出正极的电极反应式。据电极反应方程式回答相关问题。A.a为负极，b为正极 B.a为阳极，b为阴极C.电解过程中，d电极质量增加 D.电解过程中，氯离子浓度不变解析：电流从电源的正极流出，故a为电源的正极，b为负极；与电源正极相连的c为阳极，与电源负极相连的d为阴极。A、B均不正确。在电解过程中，因Cu2+是阳离子，移向阴极d，在阴极放电析出Cu，所以d电极质量增加；Cl-是阴离子，移向阳极c，在阳极放电析出Cl2，会导致溶液中氯离子浓度
21、降低。故C对，D错。答案： C7.如下图所示是电解CuCl2溶液的装置，其中c、d为石墨电极，则下列有关判断正确的是（ ）A.a为负极，b为正极 B.a为阳极，b为阴极C.电解过程中，d电极质量增加 D.电解过程中，氯离子浓度不变解析：电流从电源的正极流出，故a为电源的正极，b为负极；与电源正极相连的c为阳极，与电源负极相连的d为阴极。A、B均不正确。在电解过程中，因Cu2+是阳离子，移向阴极d，在阴极放电析出Cu，所以d电极质量增加；Cl-是阴离子，移向阳极c，在阳极放电析出Cl2，会导致溶液中氯离子浓度降低。故C对，D错。答案：C8下列关于铜电极的叙述中正确的是（ ）A.铜锌原电池中铜是负
22、极B.用电解法精炼粗铜时粗铜作阳极C.在铁上电镀铜时用铜作阴极D.电解稀硫酸时用铜作阳极，阳极产物为氧气解析： 在原电池中，活泼金属失去电子作负极，故铜锌原电池中，锌作负极，铜作正极；在电解池中，粗铜作阳极，失电子溶解。电镀池可看作电解池的一种（精炼铜时就可以看作电镀池），在电镀池中用待镀金属作阳极，镀件作阴极。答案： B9.关于电解NaCl水溶液，下列叙述正确的是（ ）A.电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液，溶液呈无色D.电解一段时间后，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性解析： 电解食盐水时发
23、生的反应：阳极：2Cl-2e-Cl2阴极：2H2O+2e-H2+2OH-总反应：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2+Cl2对照分析选项，A错误；阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2，滴加KI溶液后发生反应：Cl2+2I-=I2+2Cl-，溶液呈棕色，B正确；阴极附近产生大量的OH-，滴加酚酞后变红色，C错误；电解后生成NaOH，溶液呈碱性，D错误。答案： B10.用惰性电极实现电解，下列说法正确的是（ ）A.电解稀硫酸溶液，实质上是电解水，故溶液pH不变B.电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH-，故溶液pH减小C.电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为12D.电解氯化铜溶液，在阴
24、极上和阳极上析出产物的物质的量之比为11解析： 电解稀H2SO4，实质是电解水，因溶剂减少，H2SO4浓度将增大，故溶液的pH变小；电解稀NaOH溶液，虽然OH-在阳极放电，但H+同时也在阴极放电，其实质同样是电解水，溶液的浓度也将变大，故溶液的pH变大；电解Na2SO4溶液，其实质也是电解水，在阴极和阳极分别析出H2和O2，二者的物质的量之比为21，而非12，电解CuCl2溶液，在阴、阳两极上分别析出Cu和Cl2，二者的物质的量之比为11。答案： D11.某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如右
25、图所示的装置，以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是（ ）A.a为正极，b为负极；NaClO和NaCl B.a为负极，b为正极；NaClO和NaClC.a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl D.a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl解析：电解饱和食盐水的方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2，NaOH在阴极区生成，Cl2在阳极区生成。按照该学生制作的竖直的家用环保型消毒装置，若将阳极置于上方，则氯气一生成即逸出，不能完全与NaOH作用。显然，应将阳极置于下方，阴极置于上方，下方阳极生成的氯气通过溶液时即可很好地被阴极生成的NaOH吸收。反应为Cl2+2NaOH=NaC
26、l+NaClO+H2O。还应注意的是图中电极a、b是电源的电极而非电解池的电极。与电解装置上方阴极相连的a为电源的负极，则b为正极。答案：B点评：本题借用市场上销售的家用环保型消毒器为题材，蕴含对电解原理和物质性质的考查的同时，还体现了实验设计的思想。如何使生成的氯气得到最大限度的利用是该实验设计的主要着眼点，其设计构想来源于教材中电解食盐水的原理。12.（经典回放）电解原理在化学工业中有广泛应用。下图表示一个电解池，装有电解液a；X、Y是两块电极板，通过导线与直流电源相连。请完成以下问题：（1）若X、Y者是惰性电极，a是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在两边各滴入几滴酚酞试液，则电解池中X
27、极上的电极反应式为_。在X极附近观察到的现象是_。电极上的电极反应式为_，检验该电极反应产物的方法是_。（2）如要用电解方法精炼粗铜，电解液a选用CuSO4溶液，则X电极的材料是_，电极反应式为_。Y电极的材料是_，电极反应式为_。（说明：杂质发生的电极反应不必写出）解析：（1）用惰性电极电解饱和食盐水时，阳极反应：2Cl-2e-=Cl2；阴极反应：2H+2e-=H2。与电源正极相连的为阳极，反之为阴极。所以X为阴极，Y为阳极。X极在反应过程中消耗了H2O电离出的H+，溶液呈碱性，加入酚酞试液变成红色；Y极产生Cl2，能使湿润的KI淀粉试纸变成蓝色。（2）电解精炼Cu时，用含杂质的Cu为阳极，纯Cu为阴极。反应过程中阳极上Cu以及比Cu活泼的金属失去电子，成为离子进入溶液，活泼性比Cu差的金属形成阳极泥；在阴极只有Cu2+能得电子成为单质，其他较活泼金属对应的离子不能得电子。根据装置图，X为阴极，Y为阳极。所以，X电极的材料是纯铜，电极反应式为Cu2+2e-=Cu；Y电极的材料是粗铜，电极反应式为Cu-2e-=Cu2+。答案： （1）2H+2e-=H2 放出气体，溶液变红2Cl-2e-=Cl2 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近，试纸变蓝色（2）纯铜 Cu2+2e-=Cu 粗铜 Cu-2e-=Cu2+
