人教版化学必修二2-2-1课件第二章 化学反应与能量 第二节 化学能与电能(共2课时) 55页

第二节　化学能与电能 ( 共 2 课时 ) 格林太太有一口整齐而洁白的牙齿。但其中镶有两颗假牙：一颗是黄金的 —— 这是格林太太富有的象征；另一颗是不锈钢的 —— 这是一次车祸留下的痕迹。 令人百思不解的是：自从车祸以后，格林太太经常头疼、夜间失眠、心情烦躁 …… 尽管一些有名的医院动用了所有堪称世界一流的仪器；尽管一些国际上知名的专家教授绞尽脑汁，但格林太太的病症未有丝毫的减轻，而且日趋严重 …… 她的病真的就没治了吗？为何会出现这种情况呢？原来这病症与车祸有关： “ 车祸 — 假牙 — 病症 ” 。两颗假牙均为金属，与唾液中的电解质接触，会产生电流从而刺激神经。那么，为何会产生电流呢？ ● 梳理导引 1 ．电能：电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染 ____________ 的一种 ____________ 能源，又称电力。 2 ．一次能源：直接从 ____________ 取得的能源称为一次能源。 二次能源：一次能源经过 __________ 、 __________ 得到的能源称为二次能源。 3 ．原电池是指 ____________ 能转变为 ____________ 的装置。 4 ．构成原电池的条件： (1) 必须有一个自发的 ________________________ 。 (2) 有两个电极，电极材料由 ____________ 或由金属和其他导电的材料组成； (3) 两电极必须 ____________ 适当的电解质溶液中，两电极之间用 ____________________________ 连接或直接接触而形成闭合回路。 5 ．在原电池中，还原性较强的物质作为 __________ ，向外电路提供电子，发生 ____________ 反应；氧化性较强的物质作为 ____________ ，从外电路 ____________ 电子，发生 ____________ 反应。 答案： 1. 最小　二次 2 ．自然界　加工　转换 3 ．化学　电能 4 ． (1) 氧化还原反应　 (2) 两种活泼性不同的金属　 (3) 浸在　导线 5 ．负极　氧化　正极　得到　还原 ● 问题探究 1 ．怎样判断一个装置是否是原电池？ 提示： ① 有电解质溶液 ② 两个电极，一个相对较活泼，一个不活泼。可同为金属，也可一种是金属另一种是非金属。 ③ 能自发地发生氧化还原反应。 ④ 形成闭合回路。 2 ．怎样判断一个原电池的正负极？怎样书写电极式？ 提示： ① 两极更易失电子为负极，另一极便为正极。 ② 书写方法 原电池反应所依托的化学反应原理是氧化还原反应，书写电极反应的方法归纳如下： (1) 写出总化学反应方程式； (2) 根据总化学反应方程式，按照电子得失情况，分成氧化反应和还原反应； (3) 氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，注意介质参与的反应；总的化学反应式是正负电极反应相加的结果，反过来也可以相减，得电极反应，电极反应也遵守质量守恒，电荷守恒及正、负极得失电子数相等的规律。 ● 细品教材 1 ． 能源的分类 (1) 按人类利用能源的形态 ( 直接利用或人为加工 ) 分：一次能源，如煤炭、石油、天然气、水力、风力、柴薪、太阳能、地热能、核能等。二次能源，如电能、氢能、汽油、煤气、液化气、火药、沼气等。 (2) 按应用范围、技术成熟程度、经济与否分：常规能源，如煤炭、石油、天然气、水力等。新能源：太阳能、风能、海洋能、地热能、生物能等。 (3) 按能源的来源分：来自太阳的能源，如太阳辐射能、生物质能；来自地球内的地热能；来自核反应的裂变能、聚变能；来自地球与天体引力的潮汐能等。 2 ．电能的优点 电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。 (2) 火力发电存在的弊端 ① 煤是不可再生资源，煤用一点少一点，用煤发电造成资源的浪费； ② 能量经过多次转化，利用率低，能量损失大； ③ 煤燃烧产生有害物质，污染环境。 ● 典例精析 【例 1 】　下列叙述不正确的是 ( 　　 ) A ．根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源 B ．电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源 C ．火电是将燃料中的化学能直接转化为电能的过程 D ．在火电过程中，化学能转化为热能的过程中实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化 【答案 】 　 C 　关于能源开发、利用和节约，下列观点不正确的是 ( 　　 ) A ．能源是有限的，无节制地利用常规能源，是一种盲目的短期行为 B ．根据能量守恒定律，担心能源枯竭是杞人忧天 C ．在能源开发、利用的过程中，必须同时考虑对环境的影响 D ．自然界中能量虽然守恒，但也需要节约能源 【答案 】 　 B ● 细品教材 1 ． 原电池的定义 将化学能转化为电能的装置叫做原电池。 2 ．原电池产生电流的原理 下图所示的装置中，锌片上 Zn 失去电子生成 Zn 2 ＋ 后进入溶液，锌片多余的电子通过导线流向铜片；溶液中带正电荷的 Zn 2 ＋ 和 H ＋ 在电性作用下移向铜片，比 Zn 2 ＋ 得电子能力强的 H ＋ 从铜片上获得电子生成 H 原子后又结合成 H 2 ，氢气从铜片上逸出；溶液中的 SO 和 OH － 在电性作用下移向锌片。这样，在由稀硫酸、锌片、铜片、导线等组成的闭合电路中有电荷做定向移动，电荷定向移动就形成电流。有关化学变化可以表示如下： 锌片： Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ ( 氧化反应 ) 铜片： 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2  ( 还原反应 ) 总反应式： Zn ＋ 2H ＋ ===Zn 2 ＋ ＋ H 2  所有的原电池都以这样的原理产生电流。 3 ．原电池的正极和负极的判断方法 (1) 由组成原电池两极的电极材料判断。如果两极是由活泼性不同的金属作电极时，相对活泼的金属是负极，活泼性较弱的金属是正极；如果是由金属和非金属作电极，金属是负极，非金属是正极。 (2) 根据原电池里电解质溶液内离子流动方向判断。在原电池的电解质溶液里，阳离子移向的极为正极。 (3) 根据原电池的两极发生的现象判断。原电池的负极总是发生氧化反应，正极发生还原反应。两极可观察到不同现象，根据两极发生的现象判断出正、负极。 4 ．形成原电池的条件 ( 化学能转化为电能的条件 ) (1) 两种活动性不同的金属 ( 或金属与非金属 ) 作电极。 (2) 电解质溶液。 (3) 构成闭合电路 ( 电极材料插入同一电解质溶液中，两电极用导线连接或直接接触 ) 。 (4) 在两电极上能自发地发生氧化还原反应。可简记为 “ 两极一液一连线 ” 。 5 ．电极反应式的书写 原电池中： 正极　 e － 流入　得到 e － 　发生还原反应 负极　 e － 流出　失去 e － 　发生氧化反应 以铜、锌和稀 H 2 SO 4 组成的原电池为例： 负极 (Zn 片 ) ： Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ ( 氧化反应 ) 正极 (Cu 片 ) ： 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2  ( 还原反应 ) 以上两个反应式是在电极与界面上发生的氧化反应或还原反应，称为电极反应。将两极反应式相加得原电池总反应式： Zn ＋ 2H ＋ ===Zn 2 ＋ ＋ H 2  6 ．原电池原理图示 以 Cu － Zn － H 2 SO 4 原电池为例： 电极 电极材料 电极反应式 反应类型 电子流动方向 总反应式 负极 锌片 Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ 氧化反应 Zn 片 Cu 片  Zn ＋ 2H ＋ ===Zn 2 ＋ ＋ H 2 正极 铜片 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2  还原反应 　 提示： 在电学中，电流的方向与电子流动方向相反，在外电路中，电流方向是正极  负极，电子流向是负极  正极。电子从原电池的负极流出，经过导线流入原电池的正极。 ● 典例精析 【例 2 】　如图装置能够组成原电池的是 ________ 。 【解析 】 　 构成原电池的条件是： (1) 两个活性不同的电极， (2) 电解质溶液， (3) 构成闭合回路，三者缺一不可。 ①② 都缺少一个电极， ③ 中两电极相同， ⑤ 中酒精为非电解质， ⑧ 中不能构成闭合回路。 ④⑥⑦⑨ 装置能够组成原电池。 【答案 】 　 ④⑥⑦⑨ 　下列叙述是某同学做完铜锌原电池的实验后得出的结论和认识，你认为正确的是 ( 　　 ) A ．构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属 B ．由铜、锌作为电极与硫酸铜溶液组成的原电池中，铜是负极 C ．电子沿外导线由锌流向铜，通过硫酸溶液被氢离子得到而放出氢气 D ．铜锌原电池工作时，若有 13 g 锌被溶解，电路中就有 0.4 mol 电子通过 【解析 】 　 两种活动性不同的金属与电解质溶液能够组成原电池，但不能因此说构成原电池电极的材料一定都是金属，例如锌和石墨电极也能跟电解质溶液组成原电池。在原电池中，活泼金属中的电子流向不活泼的金属，因此活泼金属是负极。但电子不能通过电解质溶液，应该是氢离子在铜极上得到由锌沿外导线转移过来的电子。铜锌原电池工作时，锌负极失电子，电极反应为 Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ ， 1 mol 锌失去 2 mol 电子， 0.2 mol 锌 ( 质量为 13 g) 被溶解，电路中有 0.4 mol 电子通过，故选 D 。 原电池的原理：较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属 ( 负极 ) 沿外导线流向较不活泼的金属 ( 正极 ) 。 【答案 】 　 D ● 细品教材 原电池原理在工农业生产、日常生活、科研中有重要的应用。 1 ．化学电源，人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池。如干电池、蓄电池、充电电池、高能燃料电池等，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学技术的发展中，电池发挥着重要的作用，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。 2 ．加快反应速率，如实验室用锌和稀硫酸反应制氢气，用纯锌生成氢气的速率较慢，而用粗锌大大加快了产生氢气的速率。因为粗锌中含杂质，杂质和锌接触硫酸时可形成无数个微小的原电池，加快了反应速率。 3 ．比较金属活动性强弱：负极比正极活泼。 4 ．金属防腐蚀。金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应，使金属失去电子变为阳离子而损耗的过程。在金属腐蚀中，把不纯的金属跟电解质溶液接触时形成的原电池反应发生的腐蚀称为电化学腐蚀 ( 区别于一般的化学腐蚀 ) 。如钢铁的电化学腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表面吸附一层薄薄的水膜，里面溶解了氧气、 CO 2 ，含有少量 H ＋ 和 OH － 形成电解质溶液。它跟钢铁里的铁和少量的碳形成无数微小的原电池。铁作负极，碳作正极。 负极： 2Fe － 4e － ===2Fe 2 ＋ 正极： O 2 ＋ 4e － ＋ 2H 2 O===4OH － 电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。 用更活泼金属与被保护金属相连，或者让金属与电源负极相连均可以防止金属腐蚀。 ● 典例精析 【例 3 】　有 A 、 B 、 C 、 D 四块金属片，进行如下实验： ① A 、 B 用导线相连后，同时浸入稀 H 2 SO 4 溶液中， A 极为负极； ② C 、 D 用导线相连后，同时浸入稀 H 2 SO 4 溶液中，电流由 D  导线  C ； ③ A 、 C 相连后，同时浸入稀 H 2 SO 4 溶液中， C 极产生大量气泡； ④ B 、 D 相连后，同时浸入稀 H 2 SO 4 溶液中， D 极发生氧化反应。据此，判断四种金属的活动性顺序是 ( 　　 ) A ． A>B>C>D 　　　　　　 B ． A>C>D>B C ． C>A>B>D D ． B>D>C>A 【解析 】 　 金属与稀 H 2 SO 4 溶液组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极， H ＋ 在正极表面得到电子生成 H 2 ，电子运动方向由负极  正极，电流方向则由正极  负极。在题述原电池中， A － B 原电池， A 为负极； C － D 原电池， C 为负极； A － C 原电池， A 为负极； B － D 原电池， D 为负极。综上可知，金属活动性： A>C>D>B 。 【答案 】 　 B 【例 4 】　利用 Cu ＋ 2FeCl 3 ===CuCl 2 ＋ 2FeCl 2 反应，设计一个原电池，写出电极反应式。 【解析 】 　 根据 Cu ＋ 2FeCl 3 ===CuCl 2 ＋ 2FeCl 2 可知 Cu 是还原剂，失电子，所以铜应作负极， Fe 3 ＋ 在正极得电子被还原，因此必须选择活泼性比铜弱的金属或惰性电极作正极，因为电解溶液中阳离子得电子，故电解质溶液应为 FeCl 3 溶液。 【答案 】 　原电池如上图： 负极 (Cu) ： Cu － 2e － ===Cu 2 ＋ ； 正极 (C) ： 2Fe 3 ＋ ＋ 2e － ===2Fe 2 ＋ 。 (2010 年福建福州市高一第二学期模拟考试， 28) 下列关于原电池的叙述，错误的是 ( 　　 ) A ．构成原电池的正极和负极必须是两种活泼性不同的金属 B ．原电池是将化学能转变为电能的装置 C ．在原电池中，电子流出的一极是负极，发生氧化反应 D ．原电池放电时，电流的方向是从正极到负极 【答案 】 　 A 　 据已具备的氧化还原反应知识和电学知识，利用下列实验用品，你能设计出一套电池装置吗？ 实验用品：镁条、铜片、铁片、导线、金属夹、手电筒用小灯泡 ( 或发光二极管 ) 、果汁 ( 橙汁、苹果汁、柠檬汁等 ) 、 500 mL 烧杯。 【答案 】 　实验方案： (1)Cu — Mg 原电池，电解质溶液为橙汁； (2)Cu — Fe 原电池，电解质溶液为苹果汁； (3)Fe — Mg 原电池，电解质溶液为柠檬汁。 实验操作：用导线分别将三种方案中的金属片连接到金属夹上，分别将金属片两两插入到盛有果汁的三个 500 mL 的烧杯中，用发光二极管两端分别接触三种方案中金属活动性不同的金属夹。观察现象，连接方式如图所示。 实验设计装置图： ● 资料备选 1 ．关于原电池的相关计算 铜片、锌片和 200 mL 稀硫酸组成的原电池中，若锌片被腐蚀，当铜片上放出 3.36 L( 标准状况下 ) 气体时，硫酸恰好全部作用完。试计算： (1) 产生这些气体消耗了多少克锌？ (2) 有多少个电子通过了导线？ (3) 原稀硫酸的物质的量浓度是多少？ 【解析 】 　 电极反应式为分别为： 负极： Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ 正极： 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2  正极上产生 H 2 3.36 L ，即 0.15 mol 时， 转移电子数为 0.15 mol × 2 × 6.02 × 10 23 mol － 1 ＝ 1.806 × 10 23 。 消耗锌的质量为 0.15 mol × 65 g/mol ＝ 9.75 g 。 消耗 H ＋ 的物质的量为 0.15 mol × 2 ＝ 0.3 mol 。 【答案 】 　 (1)9.75 g 　 (2)1.806 × 10 23 (3)0.75 mol/L 2 ．原电池原理图解