2020新教材高中化学第2章化学键化学 8页

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池 核心素养发展重点 学业要求 体会化学电池对提高生活质量的重要意义，体会化学科学对社会发展的贡献，强化绿色化学观念和可持续发展意识。‎ ‎1.了解原电池的构成和工作原理。‎ ‎2.知道构成原电池的条件。‎ ‎3.了解化学能与电能的相互转化以及化学反应的其他应用。‎ ‎4.了解常见的化学电池。‎ 学生自主学习 ‎ 氢氧燃料电池 化学电池是根据原电池原理制成的。原电池是一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。‎ 在氢氧燃料电池中，氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行。其中氢气分子中的氢原子在左侧石墨电极上失去电子，氢气作为电池的负极反应物；氧气分子中氧原子在右侧石墨电极上得到电子，氧气作为电池的正极反应物。稀硫酸中存在自由移动的离子起到传导电荷的作用，导线起到传导电子的作用。‎ 物理学认为，在一个有电源的闭合回路中，产生电流的原因是电源给用电器提供了电势差。简易氢氧燃料电池能够给用电器提供电势差，是由于在两个石墨电极上有得失电子能力不同的物质——氢气和氧气；当形成闭合回路时便会产生电流。‎ ‎ 原电池的基本工作原理 还原剂和氧化剂分别在不同的区域发生氧化反应和还原反应，并通过能导电的物质形成 - 8 -‎ 闭合回路产生电流。其中，还原剂在负极上失去电子，是负极反应物；氧化剂在正极上得到电子，是正极反应物；电极材料通常是能够导电的固体。此外，还要有能够传导电荷的电解质作为离子导体；而导线则作为电子导体，起到传导电子形成闭合回路的作用。‎ ‎ 设计原电池的基本思路 ‎ 常见电池 ‎1．干电池(属于一次电池)：如锌锰电池。‎ ‎2．充电电池(又称二次电池)：如铅蓄电池、锂电池(手机用)。‎ ‎3．燃料电池：如氢氧燃料电池，其能量转换效率高，对环境无污染。‎ 课堂互动探究 一、原电池的工作原理 请讨论作原电池两极的材料有什么样的要求？‎ 提示：首先必须能导电，如金属材料、石墨等；其次，若两极都是金属，则活泼性必须不同，且一般负极材料和电解质溶液能发生化学反应。‎ ‎1．原电池的构成条件 ‎(1)能自发发生的氧化还原反应。‎ ‎(2)电极：两个导体做电极。一般为两种活动性不同的金属，其中较活泼的金属做负极，发生氧化反应；较不活泼的金属做正极，发生还原反应。或金属与能导电的非金属(如石墨)做电极，其中金属做负极，非金属(如石墨)做正极。‎ ‎(3)具有电解质溶液且构成闭合电路：两电极用导线相连放入电解质溶液中形成闭合电路。‎ ‎2．原电池的工作原理 - 8 -‎ 知识拓展 电极反应式的书写 ‎(1)负极反应式的书写 ‎①活泼金属做负极时，电极本身被氧化：‎ - 8 -‎ a．若生成的阳离子不与电解质溶液反应，其产物可直接写为金属阳离子，如：Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋。‎ b．若生成的金属阳离子与电解质溶液反应，其电极反应式为两反应合并后的反应式。如MgAl(KOH)原电池，负极反应式为Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－；铅蓄电池负极反应式：Pb－2e－＋SO===PbSO4。‎ ‎②负极本身不反应时，常见书写方法为：‎ 氢氧(酸性)燃料电池，负极反应式为H2－2e－===2H＋。‎ 氢氧(碱性)燃料电池，负极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O。‎ ‎(2)正极反应式的书写 ‎①首先根据化合价变化或氧化性强弱判断得电子的微粒；‎ ‎②其次确定该微粒得电子后变成哪种形式。‎ 如氢氧(酸性)燃料电池，正极反应式为 O2＋4H＋＋4e－===2H2O。‎ 氢氧(碱性)燃料电池，正极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－。‎ ‎1．下列各装置能构成原电池的是(　　)‎ 答案　C 解析　A项，只有一个电极，所以该装置不能构成原电池，错误；B项，该装置没有构成闭合回路，所以不能构成原电池，错误；C项，该装置符合原电池的构成条件，能构成原电池，正确；D项，酒精不是电解质溶液，所以不能构成原电池，错误。‎ ‎2．如图所示装置中，观察到电流表指针偏转(指针顺着电流方向偏转)，M变粗，N变细，由此判断下表中所列M、N、P三种物质，其中可以成立的是(　　)‎ - 8 -‎ M N P A 锌 铜 稀硫酸 B 铜 铁 稀盐酸 C 银 锌 硝酸银溶液 D 锌 铁 硝酸铁溶液 答案　C 解析　该原电池中M变粗，N变细，说明发生原电池反应时N溶解，N做负极，溶液中有金属析出附着在M上，M做正极。A、B两项中，电解质溶液分别为稀硫酸和稀盐酸，原电池工作时，不会有金属析出，不符合题意；C项，正极反应为Ag＋＋e－===Ag，符合题意；而D项，锌比铁活泼，故M做负极，变细，不符合题意。‎ 规律方法 原电池的判定 ‎(1)先分析有无外接电源，无外接电源的可能为原电池。‎ ‎(2)根据原电池的形成条件——四看 看电极——两极为导体，且存在活动性差异；‎ 看溶液——两极插入电解质溶液中；‎ 看回路——形成闭合回路；‎ 看本质——有自发的氧化还原反应发生。‎ 二、原电池的应用 ‎1．所有氧化还原反应都能设计成原电池吗？‎ 提示：不能。只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池。‎ ‎2．原电池工作时，负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系？为什么？‎ 提示：相等。原电池中，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，根据氧化还原反应中得失电子守恒规律知，正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。‎ 原电池的应用 ‎(1)加快氧化还原反应速率 如实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制备H2，常用粗锌。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。‎ ‎(2)比较金属的活动性强弱 原电池中，一般活动性强的金属做负极，活动性弱的金属做正极。如有两种金属A和B，用导线连接后插入稀硫酸中，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。‎ ‎(3)金属的防护 - 8 -‎ 轮船外壳上镶嵌锌块，在海水中形成原电池，锌做负极失去电子，保护铁不被腐蚀。‎ ‎(4)设计原电池 设计原电池要依据原电池的构成条件来进行。‎ ‎ ①一个自发的氧化还原反应。‎ ‎②两个导电的电极。‎ ‎③电解质溶液及导线构成闭合回路。‎ 例如以Cu＋2FeCl3===2FeCl2＋CuCl2设计原电池 知识拓展 纯锌在稀硫酸中反应，Zn表面既有Zn2＋进入溶液，又有H＋运动到Zn表面得到电子生成H2，而在Cu－Zn原电池中，Zn失去电子变成Zn2＋进入溶液，H＋在Cu上得到电子生成H2。比较两种形式的反应，就会发现前者Zn表面“拥挤不堪”，H＋对Zn2＋有排斥作用，而后者“畅通无阻”。因此粗锌与稀硫酸反应产生氢气的速率要明显大于纯锌与稀硫酸的。‎ - 8 -‎ ‎3．下列四个化学反应中，理论上不可能设计为原电池的是(　　)‎ A．2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑‎ B．2H2＋O22H2O C．Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4‎ D．Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑‎ 答案　D 解析　只有氧化还原反应才可能设计成原电池，D项中的反应不是氧化还原反应，不能设计为原电池。‎ ‎4．如图所示的装置中，a的活动性比氢的强，b为碳棒，关于此装置的叙述不正确的是(　　)‎ A．碳棒上有气体放出，溶液的pH增大 B．a是正极，b是负极 C．导线中有电子流动，电子从a极流到b极 D．a极上发生了氧化反应 答案　B 解析　该原电池中，a的活动性比氢强，所以金属a做负极，碳棒b做正极，负极上金属失电子发生氧化反应，正极碳棒上氢离子得电子发生还原反应，所以溶液中氢离子浓度减小，溶液的pH增大，A、D正确，B错误；该装置能构成原电池，所以有电流产生，电子从负极a沿导线流向正极b，C正确。‎ 误区警示 误区一　误认为原电池的负极材料一定参加反应 有些原电池的负极材料不参加反应，如燃料电池。在燃料电池中，电极材料均不发生反应，故两极均可用惰性材料。‎ 误区二　误认为在原电池中相对活泼的金属一定做负极，相对不活泼的金属一定做正极 - 8 -‎ 在判断原电池正、负极时，既要考虑金属活动性的相对强弱，也要考虑电解质溶液的性质。如Mg－Al－HCl溶液构成的原电池中，Mg为负极；但Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al为负极，Mg为正极；Cu－Al(Fe)－浓硝酸构成的原电池中，Cu为负极。‎ 误区三　误认为电子由原电池负极流出，流到原电池正极，再通过电解质溶液到达原电池负极 电子不能通过电解质溶液，电解质溶液中靠阴、阳离子的定向移动形成闭合回路。‎ 误区四　误认为氧化还原反应都可以设计成原电池 只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，非自发的氧化还原反应不能设计成原电池。‎ 误区五　原电池工作时，负极材料质量一定减轻 大多数原电池反应负极材料质量减轻，但也有可能质量不变或质量增加。‎ 本课小结 原电池是把化学能转化为电能的装置。其工作原理是：‎ - 8 -‎