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1化学能与电能[本节学习目标]1.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置。2.能以铜锌原电池为例，认识原电池的概念、组成、简单分析原电池的工作原理及应用。3．会判断原电池的正负极和电子的流向。4.能够书写简单的电极反应式。5.了解几种常见的电池，认识化学能转化为电能对现代化的重大意义。6．认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。重点：原电池装置工作原理及构成条件[知识要点梳理]知识点1：原电池要点诠释：1.化学能与电能的转化：化学能可以转变为电能，但只有释放能量的氧化还原反应才可能通过原电池实现化学能和电能的转化，并非所有释放能量的化学反应均能通过原电池实现和电能的转化。2.原电池概念：借助于氧化还原反应将化学能转变为电能的装置。3.原电池的结构：（1）两种活泼性不同的金属（或金属与非金属单质）作电极（2）电极材料插入电解质溶液中（3）两极相连构成闭合回路（4）在电极上能自动发生氧化还原反应4.原电池的工作原理：一般的氧化还原反应是还原剂把电子直接转移给氧化剂，如：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑，反应中锌把电子直接转移给硫酸；原电池装置是把氧化还原反应的氧化剂和还原剂分开，使氧化反应和还原反应在两个不同的区域进行，通过外接导线使电子从还原剂区域流向氧化剂区域，从而在外电路形成电流。原电池的工作原理和电子流向可用下列图示表示：2电极总反应：Zn+2H+=H2↑+Zn2+电子由负极（发生氧化反应的极）流出，经过外电路流向另一极（多为不活泼电极，离子或物质在该极上得电子，发生还原反应）正极，同时溶液中的阴、阳离子不断移向负极、正极，构成闭合电路。说明：正极的作用是导体，它不参与化学反应。负极反应不一定是负极材料本身的反应，有的原电池的负极既是导体又是负极反应物，有的原电池的负极的作用是导体，它不参与化学反应。知识点三：原电池化学反应的表示方法要点诠释：总的来说，原电池中的化学反应是氧化还原反应。由于这其中的氧化反应和还原反应分别是在负极和正极上发生的，所以又分别叫做负极反应和正极反应。（1）负极反应：由于负极是电子流出的电极，所以负极上发生的反应是氧化反应。表示负极反应的式子叫做负极反应式。铜、锌和稀H2SO4组成的原电池的负极反应式是：Zn－2e－=Zn2+（氧化反应）（2）正极反应：由于正极是电子流入的电极，所以正极上发生的反应是还原反应。表示正极反应的式子叫做正极反应式。铜、锌和稀H2SO4组成的原电池的正极反应式是：2H++2e－=H2↑（还原反应）说明：（1）写电极反应式要遵从客观事实，写出的电极反应式既要符合质量守恒又要符合电荷守恒：①两极得失电子数相等；②电极反应式常用“=”或用“→”；③电极反应式中若有气体生成需加“↑”。（2）负极反应（氧化反应）和正极反应（还原反应）是对整个原电池反应（氧化还原反应）的分解，二者具有既对立又统一的关系，所以将两个电极反应式进行合并即得电池总反应式。如：铜、锌和稀H2SO4的原电池的总反应式：Zn+2H+=Zn2++H2↑知识点四：原电池原理的应用要点诠释：1.比较金属的活动性。原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。例如，有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，A为负极，B为正极，金属活动性A＞B。2.加快氧化还原反应速率。（1）实验室用Zn和稀H2SO4（或稀HCl）反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快，原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4的溶液形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。（2）如果用纯锌，可以在稀H2SO4溶液中加入少量的CuSO4溶液，也同样会加快产生H2的速率，原因是Cu2++Zn=Cu+Zn2+，生成的Cu和Zn在稀H2SO4溶液中形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H2的速率加快。3.设计原电池从理论上说，任何一个氧化还原反应都可以设计成原电池。例如，利用Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2的氧化还原反应设计原电池，由反应式可知：Cu失去电子作负极，3FeCl3（Fe3+）在正极上得到电子，且作电解质溶液，正极为活泼性比Cu弱的金属或导电的非金属等。如图该原电池的电极反应式为：负极（Cu）：CuCu2++2e—（氧化反应）正极（C）：2Fe3++2e—2Fe2+（还原反应）说明：原电池为什么能加快化学反应速率？以Fe与稀H2SO4溶液的反应为例说明。如下图所示：甲中，Fe失去e－，变为Fe2+，Fe2+进入溶液，排斥了Fe片周围的H+，H+欲得电子须突破Fe2+形成的屏障，因而受到阻碍。乙中，Fe失去e－，e－转移到Cu片上，Cu片一侧没有Fe2+屏障，H+得e－不受阻碍，故其化学反应速率较快。知识点五：原电池正负极的判断方法要点诠释：1.据组成原电池的两极材料判断：一般活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。2．据电流方向或电子流动方向判断：电流是由正极流向负极，而电子流动方向是由负极流向正极。3.据原电池内部电解质溶液中离子的定向移动方向判断：在原电池的电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。4.据原电池两极发生的变化判断：原电池的负极总是失电子发生氧化反应，相应元素化合价升高，而正极总是得电子发生还原反应，相应元素化合价降低。5.据反应现象判断：溶解的一极为负极，增重或者有气泡放出的一极为正极。知识点六：化学电源及处理要点诠释：1.化学电源类型含义示例一次电池只能使用一次，不能充电复原继续使用的化学电池酸（或碱）性锌—锰干电池、银—锌钮扣电池二次电池放电后能充电复原继续使用的化学铅蓄电池、镍—镉蓄电池、银—锌蓄电池4电池燃料电池将燃料燃烧的化学能直接转变成电能的电池氢氧燃料电池、铝—空气电池、熔融盐电池2.废旧电池的危害与处理废旧电池中含有多种重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和公众健康危害很大。废电池渗出的重金属离子如Hg2+等，将造成地下水和土壤的污染，威胁人类的健康。另一方面，废电池中的有色金属是宝贵的自然资源，如果能将废电池回收再利用，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。[规律方法指导]本节内容可分为两部分：（1）化学能转化为电能；（2）发展中的化学电源。重点是原电池的工作原理。可总结如下：原电池能量转换（实质）化学能→电能（两极分别发生氧化还原反应，产生电流）电极正极：电子流入（电流流出）的一极，发生还原反应负极：电子流出（电流流入）的一极，发生氧化反应构成条件两极、一液、一反应(自发)①两个活泼性不同的电极②电解质溶液③电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路④一个自发的氧化还原反应负极（Zn）：Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)离子迁移内电路阳离子→正极阴离子→负阳离子向正极作定向移动，阴离子向负极作定向正极（Cu）：2H++2e-=H2↑(还原反应)5移动。电子流向外电路负极(-)正极(+)负极极板因此而带正电荷，正极极板由于得到了带负电的电子显负电性。总反应：Zn+2H+=Zn2++H2↑重要应用制作电池、防止金属被腐蚀、提高化学反应速率干电池、铅蓄电池、新型高能电池、[经典例题透析]类型一：原电池的构成条件题1.在下图的八个装置中，属于原电池的是哪几个？思路点拨：根据原电池的形成条件进行判断。解析：构成原电池要有四个基本条件：a.电解质溶液；b.两个活泼性不同的电极；c.能自发地发生氧化还原反应；d.两个电极直接或间接地连接在一起，并插入电解质溶液中形成闭合回路。①②③只有一个电极，⑤没有电解质溶液，⑧没有形成闭合回路。答案：④⑥⑦总结升华：①构成原电池的四个基本条件是相互联系的，不能孤立、片面地看待某一条件。在四个基本条件当中，氧化还原反应是其核心。②判断某装置是否为原电池的问题，以构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。③构成原电池的基本条件，也是进行原电池设计的基本依据。举一反三：6[变式1]下面是四个化学反应，你认为理论上不可用于设计原电池的是（）A.2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑B.2H2+O2=2H2OC.Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑D.CH4+2O2=CO2+2H2O[答案]C类型二：原电池的工作原理题2.在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是（）A.正极附近的SO42—离子浓度逐渐增大B.电子通过导线由铜片流向锌片C.反应一段时间后，溶液中H+浓度增大D.铜片上有H2逸出思路点拨：解答本题应先确定原电池的两极，然后根据有关原电池的基本原理等知识进行逐一分析。解析：用导线连接的Zn片与Cu片放入稀H2SO4中组成原电池，Zn作负极失去电子变为Zn2+而进入溶液，电子通过导线流向铜片，溶液中的阴离子SO42—移向负极，阳离子H+移向正极，并在正极上得到电子而放出H2；反应一段时间后，溶液中H+浓度减小。答案：D总结升华：负极发生氧化反应，电子由负极流出沿导线经外电路到达正极，电解质溶液中的阳离子移向正极，在正极得到电子发生还原反应，电解质溶液中的阴离子移向负极，从而形成闭合回路。举一反三：[变式2]将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中，经过一段时间后，下列叙述正确的是（）A.负极有Cl2逸出，正极有H2逸出B.负极附近Cl—的浓度逐渐减小C.正极附近Cl—的浓度逐渐增大D.溶液中Cl—的浓度基本不变[答案]D类型三：原电池中电极反应题3.某原电池的总反应是Zn+Cu2+=Zn2++Cu，该原电池的正确组成是（）ABCD正极ZnCuZnCu7负极CuZnCuZn电解质溶液CuCl2CuCl2ZnCl2ZnCl2思路点拨：从电池的总反应看，锌为负极，铜为正极，电解质溶液中含有铜离子。解析：从理论上讲，只要氧化还原反应均可设计成原电池。发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的是正极。本题中电极反应为：正极：Cu2++2e—=Cu，负极：Zn—2e—=Zn2+答案：B总结升华：设计原电池，第一要确认化学反应是能自发进行的氧化还原反应；第二将氧化还原反应分拆为氧化反应和还原反应两个半反应（电极反应式）；第三是根据原电池构成的条件确定原电池的正、负极和电解质溶液；第四是设计出原电池装置示意图。举一反三：[变式3]据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为：2Zn+O2=2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气。则下列叙述正确的是（）A.锌为正极，空气进入负极反应B.负极反应为：Zn—2e—=Zn2+C.正极发生氧化反应D.电解液肯定不是强酸[答案]BD类型四：原电池原理的应用题4.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H2SO4溶液中，A极为负极；（2）C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流方向：D导线C；（3）A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；（4）B、D相连后，同时浸入稀H2SO4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＞DB.A＞C＞D＞BC.C＞A＞B＞DD.B＞D＞C＞A思路分析：原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。而负极是电子流出的一极，发生氧化反应，电流流入的一极，一般该电极不断溶解或质量不断减少。若某电极上有气体产生，电极的质量不断增加或不变，该电极为正极。8解析：金属与稀H2SO4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H2，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总结升华：判断金属活动性的方法很多，根据原电池反应判断电极金属活动性的依据是：负极材料＞正极材料；失去电子的电极＞得到电子的