第四章 化学反应与电能 单元提升 课件 -2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

该高中化学课件聚焦“化学反应与电能”主题，系统涵盖原电池、电解池、金属的腐蚀与防护核心内容。通过原电池实验现象（电流表偏转、电极质量变化）导入，从原理（构成条件、电子流向）到应用（化学电源），再过渡到电解池（电解原理、产物判断）及金属腐蚀防护，构建递进式学习支架。 其亮点在于融合实验探究与模型建构，如原电池正负极判断方法、电解池离子放电顺序归纳，培养科学探究与实践能力。结合燃料电池、氯碱工业等实例，强化物质性质决定用途的化学观念，助力学生形成科学思维。学生通过实验分析提升应用能力，教师可借助清晰脉络与实例高效实施核心素养教学。

第四章 化学反应与电能 CONTENTS 目录 01 原电池 02 电解池 03 金属的腐蚀与防护 原电池 01 原电池 原电池的工作原理 Zn Cu CuSO4   实验现象： 接通电路时，左图、右图中电流表指针发生偏转；锌片质量减少，铜片质量增加。左图装置一段时间后产生的电流会逐渐减弱，右图装置产生的电流持续、稳定。 2.组成条件： 原电池 1.概念：化学能转化为电能的装置叫做原电池。 反应 电极 离子导体 回路 通常有能自发进行的氧化还原反应（本质条件） 两个活泼性不同的电极材料（金属和金属或金属和导电的非金属） 电极均与电解质溶液或熔融电解质接触 形成闭合回路（两电极用导线连接或直接接触） 原电池 3.电子流向 G e- e- 电子由负极流向正极 负极 正极 氧化反应 还原反应 阳离子移动方向→ ←阴离子移动方向 电解质溶液 原理 电流由正极流向负极 外电路 内电路 原电池 4.电极反应 负极：失电子——电子流出——发生氧化反应 正极：得电子——电子流入——发生还原反应 5.正负极的判断 （1）从电极材料：一般较活泼金属为负极，或金属为负极，非金属为正极； （2）从电子的流动方向：负极流入正极； （3）从电流方向：正极流入负极； （4）根据电解质溶液内离子的移动方向：阳离子流向正极，阴离子流向负极； （5）根据实验现象：不断溶解、质量减小的为负极；电极增重或质量不变的为正极。 原电池原理的应用 1.加快氧化还原反应速率 （1）一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。 （2）原理：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互干扰减少，反应速率增大。 2.比较金属活动性的强弱 比较方法 一般情况下，作负极的金属比作正极的金属活泼 一般情况下，质量减少的电极为负极，较活泼；有气体生成或质量不断增加的电极为正极，较不活泼。 （1）依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂作负极，氧化剂为电解质溶液中的阳离子。 原电池原理的应用 3.设计原电池 （2）步骤 ① 定：确定一个能够自发进行的氧化还原反应。 ② 拆：将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，分别作为负极和正极的电极反应，还原剂 - ne- → 氧化产物；氧化剂 + ne- →还原产物。 ③ 找：根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液。 ④ 画：连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。 （1）一次电池：只能放电，不能充电； 化学电源 1.电池分类及特点 （2）可充电电池（二次电池）：放电后可以再充电而反复使用； （3）燃料电池：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。能量利用率高，能量转化率超过80%，污染轻。 2.化学电源的优点 （1）方便携带、易于维护； （2）能量转化效率较高，供能稳定可靠； （3）可制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组。 （1）常见一次电池：普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池、锂电池等 化学电源 3.一次电池 MnO2糊 锌筒 石墨棒 NH4Cl糊 普通锌锰电池放电时发生的总反应： Zn+2MnO2 + 2NH4Cl =Zn(NH3)2Cl+2MnO(OH) 电极反应方程式。 负极：———————————————— 正极：———————————————— Zn+2NH3-2e-=[Zn(NH3)2]2+ 2MnO2+2NH4++2e-=2MnO(OH)+2NH3 （2）锌锰干电池 ① 普通锌锰干电池 化学电源 ② 碱性锌锰干电池 普通锌锰电池放电时发生的总反应： Zn+2MnO2 + 2H2O =Zn(OH)2+2MnO(OH) 电极反应方程式。 负极：———————————————— 正极：———————————————— Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH- 普通锌锰干电池特点： 优点：制作简单，价格便宜 缺点：新电池会发生自动放电，使存放时间缩短，放电后电压下降较快。 碱性锌锰干电池特点： 比普通锌锰电池性能好，其比能量和可储存时间均有所提高。 （1）铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下： 化学电源 4.二次电池 Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O 放电 充电 ① 放电过程： Pb + SO42- -2e- = PbSO4 正极： PbO2 + 4H++ SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O 负极： ②充电过程： PbSO4 +2e- = Pb + SO42- 阴极： 阳极： PbSO4 + 2H2O -2e- = PbO2 + 4H++ SO42- 充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。即“负极接负极，正极接正极” 常见的燃料电池 1.燃料电池 （1）概念 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 （2）燃料电池的构成 ① 燃料电池以还原剂(氢气、煤气、烃、肼、氦、甲醇等液体或气体燃料)为负极反应物，以氧化剂(一般是氧气或空气)为正极反应物；由燃料极、空气极和离子导体构成。 ② 电极材料不参与氧化还原反应，但一般具有较强的构成催化活性，多采用多孔碳或多孔镍、铂、钯等。 常见的燃料电池 ③ 离子导体可以是电解质溶液(碱性、酸性、中性)，也可以是固体电解质或熔融盐等。 （3）工作特点 还原剂和氧化剂不是储存在电池内部，而是在工作时工作连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，因此燃料电池能连续不断地提供电能。 （4）优点：能量利用效率高、可连续使用、污染少或无污染等 常见的燃料电池 2.氢氧燃料电池 （1）氢氧燃料电池——酸性 电池总反应：2H2 + O2 = 2H2O 负极(Pt)：2H2 - 4e- = 4H+ 正极(Pt)：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O （2）氢氧燃料电池——碱性 电池总反应：2H2 + O2 = 2H2O 负极(Pt)：2H2 - 4e- + 4OH-= 4H2O 正极(Pt)：O2 + 2H2O + 4e-= 4OH- 熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视。 如可用熔融Li2CO3、Na2CO3作电解质，CO为负极反应物，O2与CO2的混合气为正极反应物，制得在650 ℃下工作的燃料电池。 常见的燃料电池 3.熔融盐燃料电池 4.能量转换 所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，只不过条件不同而已。 理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”。 电极的负极反应物一定是燃料，正极反应物为O2或空气。 据氧化还原反应规律，负极燃料失电子发生氧化反应，正极氧气得电子发生还原反应。特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。 常见的燃料电池 5.燃料电池电极的书写方法 如CH4碱性（KOH溶液）燃料电池负极反应式书写方法： 第一步：确定生成物 CH4 O2 H2O CO2 KOH CO32- + H2O 常见的燃料电池 第二步：确定价态变化及电子转移 CH4 - 8e- CO32- + H2O -4 +4 CH4 - 8e- + 10OH- CO32- + H2O 第三步：依据电解质性质，用OH-使电荷守恒 第四步：最后据氢原子守恒配平H2O的化学计量数 CH4 - 8e- + 10OH- CO32- + 7H2O 电解池 02 CuCl2溶液的电解 1.实验操作 在U形管中注入质量分数为25%的CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极。把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的石墨棒附近。接通直流电源，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化。 氯化铜溶液的电解装置示意图 CuCl2溶液的电解 2.实验现象 电流表的指针发生偏转；通电一段时间后可观察到与直流电源负极相连的石墨棒上逐渐覆盖一层红色的Cu，与直流电源正极相连的石墨棒上有气泡产生，可闻到气体有刺激性气味，湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色。 3.实验分析 电流表的指针发生偏转说明电解质溶液导电，形成了闭合回路；红色物质为金属铜；有刺激性气味，湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色，说明生成了氯气。 CuCl2溶液的电解 （1）氯化铜溶液中存在的离子有Cu2+、Cl-、H+、OH-，通电前这些离子在溶液中作自由运动。 3.实验原理分析 （2）通电时在电场的作用下，溶液中的离子作定向运动，即Cl-、OH-移向a极，Cu2+、H+移向b极。 与直流电源正极相连的石墨棒 2Cl－－2e-＝Cl2↑ Cu2＋＋2e-＝Cu 阴极： 阳极： 还原反应 与直流电源负极相连的石墨棒 氧化反应 总反应： CuCl2 == Cu + Cl2↑ 通电 （3）电极反应式 电解和电解池 1.电解：使电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程叫做电解。 2.电解池 （1）概念：借助于外界电流引起氧化还原反应而将电能转化为化学能的装置叫做电解池，也称电解槽。 （2）电解池中电子和离子的移动方向： ① 电子的流向： 电子从电源负极沿导线流入电解池的阴极，从电解池的阳极沿导线流回电源正极。 ② 离子的移动方向：阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。 电解和电解池 （4）电极与电极反应： 电极 定义 电极反应 阳极 阴极 与直流电源的正极相连的电极 与直流电源的负极相连的电极 阳极上活性电极本身或电解质溶液（或熔融电解质）中还原性强的阴离子失电子，发生氧化反应 阴极上电解质溶液（或熔融电解质）中氧化性强的阳离子得电子，发生还原反应 （3）构成条件： ① 直流电源；② 两个电极；③ 电解质溶液(熔融电解质)；④ 形成闭合回路。 电解和电解池 （5）电解池的工作原理： e- e- 阳极 阴极 阳离子迁移方向 阴离子迁移方向 ＋ － 直流电源 发生氧化反应 发生还原反应 电极材料 电子导体 离子导体 电解和电解池 3.电极产物的判断 （1）阳极产物的判断： ① 先看电极，如果是活性电极[金属活动性顺序中排在Ag(含Ag)之前的金属]，则活性电极失去电子，电极溶解，生成对应的金属阳离子，溶液中的阴离子不放电。 ② 如果是惰性电极，(如Pt、Au、石墨等)，则通常按溶液中阴离子的放电顺序依次放电，阴离子失电子，生成对应的非金属单质或高价化合物。 S2- I- Br- Cl- OH- 最高价含氧酸根离子 F- 还原性（减弱） 放电能力（减弱） 溶液中常见阴离子的放电顺序 电解和电解池 （2）阴极产物的判断： 在阴极放电的一般是溶液中的阳离子，与电极材料无关，阳离子得电子生成对应的单质或低价化合物。 Ag+ 氧化性（减弱） 放电能力（减弱） Hg2+ Fe3+ Cu2+ H+ (酸) Pb2+ Sn2+ Fe2+ Zn2+ H+ (H2O) Al3+ Mg2+ Na+ Ca2+ K+ 水溶液中这些离子无放电机会，因此不可能用电解对应水溶液的方法得到相应金属单质 溶液中常见阳离子的放电顺序 电解和电解池 4.常见电解池类型 （1）电解电解质型 实质：电解质本身被电解 增大 通入HCl 溶液pH值变化： 溶液复原方法： 电解盐酸： 无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐(如HCl、CuCl2等)溶液的电解 阴极：2H+ + 2e－=H2↑ 阳极：2Cl－ －2e－=Cl2↑ 总反应：2HCl = Cl2↑+H2↑ 电解和电解池 阳极: 4OH- - 4e- = 2H2O + O2 ↑ 阴极：Cu2++ 2e- = Cu 减小 阳极 阴极 氧气 铜 CuSO4溶液 总反应：2CuSO4+ 2H2O ===== 2Cu +O2 ↑+ 2H2SO4 电解 （2）放氧生酸型(放出氧气生成氢离子) 不活泼金属的含氧酸盐 (如CuSO4、AgNO3等)溶液的电解。 电解CuSO4溶液： 溶液浓度： 减小 加CuO 溶液pH值变化： 溶液复原方法： 电解和电解池 阳极 阴极 氯气 氢 气 NaCl溶液 （3）放氢生碱型(放出氢气生成碱) 活泼金属的无氧酸盐(如NaCl、K2S等)溶液的电解 阳极: 2Cl- - 2e- = Cl 2↑ 阴极：2H ++ 2e- =H2 ↑ 减小 电解NaCl溶液： 溶液浓度： 增大 加HCl 溶液pH值变化： 溶液复原方法： 总反应：2NaCl+2H2O ==== 2NaOH+H2 ↑ + Cl2 ↑ 电解 电解和电解池 阳极 阴极 氧气 氢 气 Na2SO4溶液 （4）电解水型(电解质不反应) 含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐(如H2SO4、NaOH、Na2SO4 等)的电解。 阳极: 4OH- - 4e- =2H2O+O2↑ 阴极：4H ++ 4e- = 2H2 ↑ 变大 电解Na2SO4溶液： 溶液浓度： 减小 加H2O 溶液pH值变化： 溶液复原方法： 总反应：2H2O ===== 2H2 ↑ + O2 ↑ 电解 电解原理的应用 1.电解饱和食盐水 阳极：2Cl- - 2e- = Cl2↑ 阴极：2H2O +2e- = H2↑＋2OH- 2Cl-+2H2O 2OH- + Cl2↑ + H2↑ 电解 总反应： 2.氯碱工业生产流程 烧碱、氯气都是重要的化工原料，习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。工业生产中，电解饱和食盐水的反应在离子交换膜电解槽中进行。 电解原理的应用 （1）阳离子交换膜电解槽 （2）阳离子交换膜的作用： 只允许Na+等阳离子通过，不允许Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量。 电解原理的应用 3.氯碱工业产品及其应用 氯碱工业产品烧碱、氯气、氢气均为重要的化工原料，以此为基本原料可生产大量的其他工业产品，如图所示： 电解饱和食盐水 液碱 湿氯气 湿氢气 NaOH 含氯漂白剂 有机合成 造纸 玻璃 肥皂 纺织 印染 Cl2 H2 有机合成 氯化物合成 农药 HCl 盐酸 有机合成 金属冶炼 电解原理的应用 （1）电镀：利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加工工艺。 4.电镀 （2）目的：使金属增强抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观。 （3）电镀池的构成(在铁制钥匙上面镀铜)： 阳极：镀层金属 阴极：待镀的金属制品 电镀液：含有镀层金属离子的溶液 电解原理的应用 5.电解精炼铜 + 纯铜 待精炼的粗铜 CuSO4溶液 － Zn2+ Cu2+ Fe2+ Ni2+ ↑e- e-↓ Cu－2e-＝Cu2+（主要） Ni－2e-＝Ni2+ Fe－2e-＝Fe2+ Zn－2e-＝Zn2+ 金属活动性顺序中位于Cu之后的金属如Ag、Au等沉积在电解槽底部形成阳极泥 电解原理的应用 6.电冶金 由于电解法可将通常极难被还原的活泼金属从它们的化合物中还原出来，所以电解法是冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属的一种重要方法。 得电子，被还原 Mn+ M +ne- 正价 0价 K Ca Na Mg Al︱Zn Fe Sn Pb (H) Cu ︱ Hg Ag ︱Pt Au 电解法 热还原法 热分解法 富集法 电解原理的应用 熔融NaCl 阴极 阳极 e- e- Na+ Cl- 阳极：2Cl- － 2e- == Cl2 阴极：2Na++ 2e- == 2Na 氧化反应 还原反应 总反应：2NaCl(熔融) 2Na + Cl2↑ 电解 MgCl2 (熔融) Mg + Cl2↑ 电解 冶炼镁： 2Al2O3 (熔融) 4Al + 3O2↑ 电解 冰晶石 冶炼铝： 助熔剂：冰晶石(Na3AlF6 六氟合铝酸钠)降低Al2O3的熔点 不是电解AlCl3，因为AlCl3是共价化合物，熔融状态下不导电 金属的腐蚀与防护 03 金属的腐蚀 1.概念：金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。其实质是金属原子失去电子变为阳离子，金属发生氧化反应。 2.根据与金属接触的气体或液体不同，金属腐蚀可分为两类： ① 化学腐蚀：金属与其表面接触的一些物质（如O2、Cl2、SO2等）直接反应而引起的腐蚀。腐蚀的速率随温度升高而加快。 ② 电化学腐蚀：当不纯的金属与电解质溶液接触时会发生原电池反应，比较活泼的金属发生氧化反应而被腐蚀。 ③ 金属腐蚀过程中，电化学腐蚀和化学腐蚀同时发生，但绝大多数属于电化学腐蚀，且比化学腐蚀的速率大得多。 金属的腐蚀 3.钢铁的电化学腐蚀 （1）析氢腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表面会形成一薄层水膜，当水膜酸性较强时，在钢铁表面构成无数微小的原电池，其中Fe和C分别作负极和正极，铁失去电子发生氧化反应，H+得到电子发生还原反应；微小原电池中电子从负极流向正极，发生析氢腐蚀。 负极： 正极： Fe－2e-＝Fe2+ 2H+＋2e-＝H2↑ 总反应： Fe+2H+===Fe2++H2↑ 钢铁的析氢腐蚀示意图 金属的腐蚀 原理 负极：活泼性强金属失电子被腐蚀 正极：活泼性较弱金属 (反应物—H+) 离子导体：潮湿空气或电解质溶液 正极反应主要是H+(被还原为H2) （酸性较强） 2H+ + 2e－ = H2↑ 条件 ： 电解质溶液或水膜酸性较强 特点 ： 注意：只有位于金属活动性顺序中氢前的金属才可能发生析氢腐蚀，氢后的金属不能发生。 金属的腐蚀 （2）吸氧腐蚀 如果钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性，但溶有一定量的氧气，就会发生吸氧腐蚀。 钢铁的吸氧腐蚀示意图 O2 + 2H2O + 4e-= 4OH- 正极： 2Fe - 4e- = 2Fe2+ 负极： 总反应： 2Fe+ O2+2H2O =2Fe(OH)2 进一步反应： 4Fe(OH)2 +O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+(3-x) H2O 铁锈的主要成分 金属的腐蚀 4.金属腐蚀快慢的判断方法 （1）在同一种电解质溶液中，金属腐蚀由快到慢的顺序是：电解池的阳极＞原电池的负极＞化学腐蚀＞原电池的正极＞电解池的阴极。 （2）在不同溶液中，金属在电解质溶液中的腐蚀＞金属在非电解质溶液中的腐蚀；金属在强电解质溶液中的腐蚀＞金属在弱电解质溶液中的腐蚀。 （3）对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀越快（钝化除外）。 （4）一般纯度越高的金属，腐蚀的速率越慢。 （5）不纯的金属或合金，在潮湿的空气中的腐蚀速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀速率。 金属的防护 1.改变金属材料的组成 金属的防护主要从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来考虑。 在金属中添加其他金属或非金属制成性能优异的合金。如普通钢加入镍、铬制成不锈钢，钛合金不仅具有优异的抗腐蚀性能且具有良好的生物相容性。 2.在金属表面覆盖保护层 在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开是一种普遍采用的防护方法。如，在钢铁制品表面喷油漆、涂矿物性油脂、覆盖搪瓷等；电镀锌、锡、铬、镍等，利用化学方法、离子注入法、表面渗镀等方式在金属表面形成稳定的钝化膜。 金属的防护 3.电化学保护法 金属在发生电化学腐蚀时，总是作为原电池负极(阳极)的金属被腐蚀，作为正极(阴极)的金属不被腐蚀，如果能使被保护的金属成为阴极，就不易被腐蚀。 （1）牺牲阳极法 ① 原理：形成原电池时，被保护的金属作正极（阴极）而被保护；活泼金属作负极（阳极），发生反应被腐蚀。 ② 优缺点：无需外加电源，但负极金属逐渐被消耗，需要定期检查、更换。 ③ 应用：保护一些钢铁设备，如锅炉内壁、船舶外壳等装上若干镁合金或锌块。 牺牲阳极示意图 金属的防护 ① 依据：外加电流法依据电解原理。 ② 原理：被保护的金属作阴极，惰性电极作为辅助阳极，两者均放在电解质溶液里，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。 ③ 优缺点：无需更换电极，但消耗电能。 ④ 应用：保护土壤、海水及水中的金属设备等。 海水 钢闸门 e− e− － － － － － － － － － － 被保护的阴极 辅助阳极（不溶性） （2）外加电流法 复习与提高 04 复习与提高 C 复习与提高 B 复习与提高 D THE END 谢谢 $