6.3 化学能与电能的转化（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学必修第二册（苏教版2019）

第三单元　化学能与电能的转化 课程标准 核心素养目标 　　1.通过对铜锌原电池的实验探究，认识化学能转化为电能的装置。 2．初步认识原电池反应的原理。 3．能够正确书写电极反应式。 4．会利用原电池原理，设计一些简单的化学电源。 5．了解常见的化学电源以及它们在生产和生活中的应用。 1.(变化观念与平衡思想)通过实验探究认识化学能可以转化为电能，从电子转移的角度理解化学能向电能转化的本质，知道原电池中正、负极得失电子守恒。 2．(证据推理与模型认知)掌握原电池的构成条件，理解原电池的定义、工作原理及其在生产、生活中的应用。 一、化学能转化为电能 1．实验探究电流的产生 实验装置 实验现象 实验结论 锌片：逐渐溶解，有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 锌片：逐渐溶解，有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 锌片：逐渐溶解 铜片：表面有气泡产生 锌失去电子，生成Zn2＋进入溶液，氢离子在铜片上得到电子生成H2 锌片：逐渐溶解 铜片：表面有气泡产生 电流计：指针发生偏转 锌失去电子，生成Zn2＋，电子经过导线流向铜电极，产生电流，H＋在铜片上得到电子生成H2，反应过程中产生了电能 [微点拨]锌、铜不连接插入稀硫酸中，锌与硫酸反应，化学能转化为热能。锌、铜连接后插入稀硫酸中，化学能转化为电能。 2．原电池的概念 原电池是把化学能转化为电能的装置；原电池反应的本质是氧化还原反应。 3．原电池的工作原理(以锌铜原电池为例) (1)工作原理 原电池总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。 (2)能量转化：化学能转变为电能。 (3)电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。 (4)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。 4．原电池的构成条件 5．原电池原理的应用 (1)加快氧化还原反应的进行 ①实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制取H2，常用粗锌。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸(或稀盐酸)形成原电池，加快了锌的溶解，使产生H2的速率加快。 ②生活中常用的取暖产品——暖贴 暖贴内的铁粉、活性炭、食盐一旦与空气中的氧气和水蒸气接触就会形成原电池，加快了铁被氧气氧化的速率，短时间内产生较多的热，供人们取暖。 (2)比较金属的活动性 一般，若两种金属A、B与电解质溶液构成原电池，若金属A作负极，则金属活动性：A＞B。 (3)设计原电池 例如：利用氧化还原反应Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu可设计原电池。 电极反应式 材料选择 装置 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极：Cu2＋＋2e－===Cu 负极：Fe 正极：Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或能导电的石墨棒均可) 电解质溶液：CuSO4溶液 (4)解释生活中的现象——钢铁的电化学腐蚀 钢铁在潮湿的空气中容易生锈，分析如下： 形成条件 钢铁表面形成的电解质溶液中溶有少量H＋、OH－和O2，通常溶液呈中性或弱碱性 电极材料 负极是Fe，正极是C 电极反应 负极：2Fe－4e－===2Fe2＋ 正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－ 总反应式 2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2 进一步的 反应 4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3， 2Fe(OH)3===Fe2O3·nH2O＋(3－n)H2O，Fe2O3·nH2O是铁锈的主要成分 电化学腐 蚀概念 不纯金属与电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫作电化学腐蚀 微诊断(判断正误) (1)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流计指针发生偏转(　　×　　) (2)原电池中阳离子向正极移动(　　√　　) (3)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子(　　×　　) 二、化学电源 1．化学电源的分类 一次电池 用过之后不能复原，如锌锰干电池等 二次电池 充电后能继续使用，如铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等 燃料电池 燃料不贮存在电池内部，可持续使用，能量利用率高，如氢氧燃料电池、甲醇­空气燃料电池 2.常见的化学电池 (1)锌锰干电池 负极材料：Zn；电极反应：Zn－2e－===Zn2＋；正极材料：石墨棒； 电池反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)。 (2)银锌纽扣电池 负极材料：Zn；电极反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2； 正极材料：Ag2O；电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－； 电池反应：Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag。 (3)铅蓄电池 负极材料：Pb；电极反应：Pb＋SO－2e－===PbSO4； 正极材料：PbO2；电极反应：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O； 电解质溶液：H2SO4； 电池反应： Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。 (4)镍氢电池 负极材料：MH； 正极材料：NiO(OH)； 电解质溶液：KOH溶液； 电池反应： NiO(OH)＋MHNiO＋M＋H2O。 (5)氢氧燃料电池 负极材料：铂碳、H2；电极反应：2H2－4e－＋4OH－===4H2O； 正极材料：铂碳、O2；电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 电解质溶液：KOH； 电池反应：2H2＋O2===2H2O。 (6)甲醇­空气燃料电池 负极材料：钯碳、甲醇；电极反应：CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O； 正极材料：铂­烧结镍、空气；电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 电解质溶液：KOH溶液； 电池反应：2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。 三、电解池 1．概念：将电能转化为化学能的装置。 2．电解在物质制备中的应用 (1)电解水制得氢气和氧气 按下开关S1，接通电源，电解池工作，发生的反应为2H2O2H2↑＋O2↑。 断开开关S1，按下开关S2，形成原电池，发光二极管发光。 (2)电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气 化学方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。 (3)电解制备金属 ①电解熔融的氧化铝制备铝 阴极：Al3＋＋3e－===Al 阳极：2O2－－4e－===O2↑ 总反应：2Al2O34Al＋3O2↑ ②电解制备其他金属 电解熔融的氯化钠、氯化镁、氯化钙，分别得到钠、镁、钙的单质和氯气。 [微点拨]电解是在通电的条件下强制化学反应进行，此类反应属于氧化还原反应，但不属于自发进行的氧化还原反应。\ 探究一__原电池原理及其应用 　　 [问题探究] (1)锌与稀硫酸反应在上述装置中能量的转化效率哪个高？ 提示：装置乙。 (2)化学反应中能量一定转化为热能吗？ 提示：不一定。 (3)装置乙中的铜能换为石墨吗？ 提示：可以，石墨能导电，活动性比负极锌弱。 (4)装置乙中的铜可换成锌吗？ 提示：不可以，没有电势差，不会有电子的定向移动。 (5)装置乙中锌和铜电势较高的电极是？ 提示：铜。 (6)稀硫酸能换为蔗糖水溶液吗？ 提示：不能，没有氧化还原反应发生且蔗糖不是电解质，在水溶液中不能电离出自由移动的阴、阳离子导电。 1．构成原电池的必要条件 (1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生，一般是活动性强的金属与电解质溶液反应。 (2) 二看两电极：一般是活动性不同的两电极。 (3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：电解质溶液、两电极直接或间接接触、两电极插入电解质溶液中。 2．原电池正、负极的判断 解答“设计原电池”类试题流程 【例1】 近年来野外生存的真人秀节目在各大卫视频繁播放。某节目中野外生存达人用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池用于野外生火。某同学感到好奇自己制作了一个这样的“超级柠檬电池”。 (1)该电池的电池反应是什么？ (2)若用铁片代替锌片LED灯能不能亮？若用铁片代替铜片呢？ (3)若用银片代替锌片LED灯能不能亮？ (4)由上面分析可知构成原电池的条件有哪些？ 答案：(1)该电池利用了金属锌与酸的反应，离子方程式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑ (2)若用铁片代替锌片，由于铁能与酸反应，LED灯仍然能亮；若用铁片代替铜片，由于锌比铁活泼，仍然发生反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，LED灯仍然能亮 (3)不能。银片代替锌片，银和铜都不能与酸反应，无电流产生，LED灯不亮 (4) ①两个活动性不同的金属电极或金属与石墨；②电解质溶液；③形成闭合回路；④自发进行的氧化还原反应 1．某化学兴趣小组的同学为了探究铬和铁的活动性，设计如图所示装置，回答下列问题。 (1)若铬比铁活泼，则电子流向如何？写出铁电极的电极反应。 (2)若铁比铬活泼，溶液中H＋向哪个电极迁移？ (3)若铁电极附近溶液pH增大，铁、铬谁是负极？ 答案：(1)若铬比铁活泼，则铬为负极，铁为正极，电子在外电路由铬电极流向铁电极；铁为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑ (2)若铁比铬活泼，则铬为正极，阳离子(H＋)向铬电极迁移 (3)若铁电极附近溶液pH增大，说明消耗H＋，则铁电极发生还原反应，铁是正极，铬是负极 探究二__化学电源 [问题探究] (1)新能源汽车有哪些？ 提示：①混合动力汽车：内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。 ②纯电动汽车：以蓄电池提供电能作为动力。 ③燃料电池汽车：以燃料电池提供电能作为动力。 ④氢动力汽车。 ⑤超级电容汽车。 (2)氢气燃料电池汽车的电池反应原理是什么？ 提示：2H2＋O2 ===2H2O。 (3)氢氧燃料电池装置如下： 酸性电解质环境下正、负极反应是什么？ 提示：正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O、负极反应为H2－2e－===2H＋。 1．“6”步突破燃料电池负极反应的书写 (1)依据电解质溶液确定产物； (2)配平除“H”“O”元素之外的其他元素； (3)确定得失电子数目； (4)用“H＋”(或OH－或CO或O2－)配平电荷守恒； (5)补“H2O”配平“H”元素守恒； (6)最后用“O”检查是否正确。 2．熟记“2”种环境正极反应的书写 (1)酸性电解质溶液环境下电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； (2)碱性电解质溶液环境下电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 【例2】 “盐水动力”玩具车的电池以镁片、活性炭为电极，向极板上滴加食盐水后电池便可工作，电池反应为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2。下列关于该电池的说法错误的是(　　) A.镁片为正极 B.食盐水为电解质溶液 C.电池工作时镁片逐渐被消耗 D.电池工作时实现了化学能向电能的转化 A　解析：从电池反应看，Mg由0价升高到＋2价，则镁片失电子，作负极，A错误；食盐水中含有Na＋和Cl－，具有导电性，可作为电解质溶液，B正确；电池工作时，镁片不断失电子生成Mg2＋进入溶液，所以镁片逐渐被消耗，C正确；电池工作时，发生化学反应产生电流，从而实现化学能向电能的转化，D正确。 2．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源，该电池以金属锂和钢板为电极材料。以LiOH为电解质溶液，使用时加入水即可放电。 该电池的负极材料是什么？OH－的移动方向？如何书写反应的总化学方程式？ 答案：该电池的负极是锂，氧化剂水在正极上得到电子生成氢气，电解质是LiOH溶液，OH－向负极移动，总化学方程式为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ 1．汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如图所示，放电时其电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。根据此反应判断，下列叙述不正确的是(　　) A.Pb作为负极，失去电子，被氧化 B.PbO2得电子，被还原 C.负极反应为Pb＋SO－2e－===PbSO4 D.电池放电时，溶液酸性增强 D　解析：原电池中负极失去电子，发生氧化反应，根据电池放电时的反应：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O可知，负极Pb失去电子，即Pb为负极，PbO2为正极，A正确；PbO2在放电过程中铅元素化合价降低，得到电子被还原，B正确；原电池中，Pb在反应中失去电子生成PbSO4，为负极，电极反应为Pb＋SO－2e－===PbSO4，C正确；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，电解质溶液中氢离子浓度逐渐减小，所以溶液的酸性减弱，D错误。 2．化学电源在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。 (1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示)，锌锰干电池的负极材料是________，负极发生的电极反应为_______________________________________________________。 若反应消耗16.25 g负极材料，则电池中转移电子的物质的量为________mol。 (2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池的电池总反应式可以表示为Cd＋2NiOOH＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法正确的是________。 A.NiOOH作负极 B.Cd作负极 C.此电池是一次电池 D.放电时化学能转变为电能 (3)如图为氢氧燃料电池的构造示意图，根据电子运动方向可知，X极为电池的________(填“正”或“负”)极，Y极的电极反应为__________。 答案：(1)锌　Zn－2e－===Zn2＋　0.5 (2)BD　(3)负　O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 解析：(1)锌锰干电池中的负极材料是Zn，发生氧化反应，失去电子生成锌离子，电极反应是Zn－2e－===Zn2＋；16.25 g Zn的物质的量是＝0.25 mol，1 mol Zn失去2 mol电子，所以电池中转移电子的物质的量是0.5 mol。(2)由电池反应可知，Cd化合价由0→＋2，化合价升高被氧化，Cd作电池负极，A错误，B正确；此电池可以充放电，因此是二次电池，C错误；放电时化学能转变为电能，D正确。(3)氢氧燃料电池中，电子从负极向正极移动，X是电子流出的一极，X是负极，Y是正极，电解质溶液是KOH溶液，O2得到电子生成OH－，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 [课时梯级训练(4)见P126] 学科网（北京）股份有限公司 $$