化学反应与能量转化——原电池专题

江苏省高淳高级中学高三化学深度研课教案第1页共7页化学反应与能量转化——原电池专题教学目标分解：1、根据铜锌原电池的复习，能判断常见原电池的正负极并能写出电极反应式，指出原电池中电子、离子移动方向。2、能写出铅蓄电池放电的电极反应式，学会燃料电池电极反应式的书写，书写时能注意电池介质环境，掌握电极反应式的配平方法，学会用总反应式减正极反应式得出负极反应式。3、能写出钢铁析氢腐蚀、吸氧腐蚀的电极反应式，利用电化学腐蚀原理，能说出防止金属腐蚀的措施。明确复习重点，突出主干知识装置特点：化学能转化为电能形①两个活泼性不同的电极成②电解质溶液（一般与活泼性强的电极发生氧化还原反应）条③形成闭合回路（或在溶液中接触）件④能自发进行的氧化还原反应负极：原电池中电子流出的一极，负极一定发生氧化反应正、负极正极：原电池中电子流入的一极，正极一定发生还原反应失电子沿导线传递，有电流产生反应原（氧化反应）负极铜锌原电池正极（还原反应）理电解质溶液主①加快化学反应速率要②判断金属活动性的强弱应③制备各种干电池、蓄电池等实用电池用化学腐蚀④金属腐蚀析氢腐蚀电化学腐蚀条件、现象、本质、联系吸氧腐蚀阳离子移动不断溶解江苏省高淳高级中学高三化学深度研课教案第2页共7页考点1原电池工作原理原电池电极的极性判断⑴根据电极材料判断一般情况下，活泼性强的金属为负极，活泼性较弱的金属或导电的非金属为正极。⑵根据电极反应类型判断失去电子发生氧化反应的电极为负极，得到电子发生还原反应的电极为正极。⑶根据电极反应现象判断参与电极反应不断溶解的电极为负极（燃料电池除外）；质量增加或附近有气泡产生的电极为正极。⑷根据电子流动方向（或电流方向）判断在外电路中，电子由原电池的负极流向正极，电流由原电池的正极流向负极。⑸根据电解质溶液中离子流动方向判断在内电路中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。⑹根据电池总反应式判断若给出电池总反应式，通过标出电子转移的方向可知，失去电子的一极为负极，得到电子的一极为正极。特别提醒：原电池负极的判断应根据其本质进行判断：即“较易与电解质溶液反应的电极是原电池的负极”，不能一味地根据金属的活泼性进行判断。常见误区误区一：原电池中较活泼金属一定作负极分析：原电池反应是自发进行的反应，原电池形成电流，是由于两极在电解质溶液中放电能力不同而造成的，其中负极是在反应中失电子的一极，负极材料必然是失电子能力较强，但是电极材料在电解质溶液中的放电能力与金属的活泼性并不完全一致，即金属活动性强的不一定是负极。哪一种金属作负极，不仅与金属的活泼性有关，还与该金属与电解质反应的难易有关，即与电解质的酸碱性、电解质的强氧化性等性质有关。如Mg、Al为两极，NaOH溶液为电解质溶液时，Al能与NaOH溶液反应，而Mg不能与NaOH溶液反应，虽然Al较Mg不活泼，但Al却作该原电池的负极。误区二：原电池中负极材料一定参与电极反应分析：当某种电极材料能直接与电解质溶液（或H2O、O2）反应时，负极本身失去电子而直接参与反应。但当电极材料不能与电解质溶液（或H2O、O2）反应时，应是相应的还原剂在负极上反应，如燃料电池，其两极一般用镍、铂等金属粉末或活性炭压制成透气多孔且具有催化活性的电极，通可燃性气体（H2、CH4、C2H6、CO、甲醇蒸气等）的电极为负极，失去电子，发生氧化反应；通助燃性气体（氧气或空气）的电极为正极，得到电子发生还原反应。但两电极材料本身并不参与化学反应，只起传导电子的作用。误区三：原电池中的电解质一定参与原电池反应分析：一般常见原电池的电解质都是其中的阳离子（或溶在电解质中的分子）在正极上放电，如锌铜原电池正极反应：2H++2e-=H2↑，在钢铁的吸氧腐蚀中正极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-等，易造成若电解质本身不能得失电子就不能构成原电池的错觉。其实大部分电池中的电解质在充、放电时是没有电子得失的，只是起着内电路导电功能和调节离子浓度的作用。如以KOH溶液为电解质溶液的江苏省高淳高级中学高三化学深度研课教案第3页共7页氢氧燃料电池，负极：2H2+4OH-―4e-=4H2O，正极：O2+2H2O+4e-=4OH-，电池总反应式：2H2+O2=2H2O，KOH没有参加原电池反应，只起增强溶液的导电性作用。【例1】在下图所示的装置中，能够发生原电池反应的是（）【例2】等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4，同时向a中加入少量的胆矾晶体，下列图表示产生H2的体积V（升）与时间t（分）的关系，其中正确的是（）。考点2常用的化学电源和新型化学电源1．实用电池的特点实用电池一般具有以下的特点：（1）能产生比较稳定而且较高电压的电流；（2）安全、耐用且便于携带,易于维护；（3）能够适用于各种环境；（4）便于回收处理,不污染环境或对环境的污染影响较小；（5）能量转换率。2．几种常见的电池和新型电池分类及反应原理简介化学电池分类:电池(如锌锰干电池、碱性锌锰电池)电池(又叫充电电池或蓄电池)(如铅蓄电池)电池(如氢氧燃料电池)(1)一次电池①碱性锌锰电池构成:负极是锌,正极是MnO2,正极是KOHABCDEF江苏省高淳高级中学高三化学深度研课教案第4页共7页工作原理:负极Zn+2OH—－2e－=Zn(OH)2；正极:2MnO2+2H2O+2e－=2MnOOH+2OH－总反应式:Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2特点:比能量较高,储存时间较长,可适用于大电流和连续放电。②钮扣式电池(银锌电池)锌银电池的负极是Zn，正极是Ag20，电解质是KOH，总反应方程式：Zn+Ag20=2Ag+ZnO特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。③锂电池锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOC12)中组成。锂电池的主要反应为：负极：8Li－8e—＝8Li+；正极：3SOC12+8e—＝SO32－+2S+6Cl—总反应式为：8Li+3SOC12=6LiCl+Li2SO3+2S特点：锂电池是一种高能电池，质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。(2)二次电池①铅蓄电池:(1)铅蓄电池放电原理的电极反应负极：Pb+S042—－2e—＝PbSO4；正极：Pb02+4H++S042—+2e—＝PbSO4+2H20总反应式：Pb+PbO2+2H2SO4＝2PbS04+2H2O(2)铅蓄电池充电原理的电极反应阳极：PbSO4+2H2O－2e－=PbO2+4H++SO42－；阴极：PbSO4+2e－=Pb+SO42－总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4②镍一镉碱性蓄电池构成:放电时镉(Cd)为负极,正极是NiO(OH),电解液是KOH工作原理:负极:Cd+2OH—－2e－=Cd(OH)2；正极:2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH—总反应式:特点：电压稳定、使用方便、安全可靠、使用寿命长，但一般体积大、废弃电池易污染环境。(3)燃料电池①氢氧燃料电池当用碱性电解质时，电极反应为：负极：2H2+40H—－4e—＝4H20；正极：02+2H20+4e—＝40H—总反应：2H2+02＝2H2O江苏省高淳高级中学高三化学深度研课教案第5页共7页②甲烷燃料电池该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气；负极：CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O；正极：2O2+4H2O+8e－=8OH－总反应方程式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O③CH3OH燃料电池用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入CH3OH和O2，则发生了原电池反应。负极：2CH3OH+16OH－－12e－=2CO32－+12H2O；正极：3O2+6H2O+12e－=12OH－总反应方程式为：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O3、原电池电极反应式的判断或书写及电池变化的分析（1）先写出电池反应（对于简单的电池反应，复杂的电池反应考试往往是已知的）（2）标出反应前后元素化合价变化（3）找出氧化剂和还原剂、氧化产物和还原产物，确定电极反应的反应物及生成物（4）根据化合价的升降数确定得或失的电子数（5）配平电极反应式（注意考虑电解质溶液的性质，常需考虑H＋、OH-、H2O）（6）可根据电极反应或电池反应分析两极及电解质溶液的变化等【例3】据报道，我国拥有完全自主产权的氢氧燃料电池车将在北京奥运会期间为运动员提供服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液。下列有关该电池的叙述不正确的是（）A.正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH―B.工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量不变C.该燃料电池的总反应方程式为：2H2+O2=2H2OD.用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24LCl2（标准状况）时，有0.1mol电子转移【例4】镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd+2NiOOH+2H2O放电充电Cd(OH)2+2Ni(OH)2有关该电池的说法正确的是（）A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e—+OH-==NiOOH+H2OB．充电过程是化学能转化为电能的过程C．放电时负极附近溶液的碱性不变D．放电时电解质溶液中的OH-向正极移动考点3原电池PH值的变化和简单计算1．在原电池工作时，由于失去电子进入电解溶液，正极附近的阳离子得到电子从溶液中析出,可能会引起溶液PH值的变化。江苏省高淳高级中学高三化学深度研课教案第6页共7页(1)当负极产生的金属离子结合溶液中的OH－时,电极附近的溶液PH值。当正极O2得电子时结合溶液中的水时，生成OH－使溶液中的PH值增大。(2)电池工作时整个溶液PH值的变化必须从总反应式来分析。当电解液中酸被消耗时，溶液PH值增大，当电解质溶液中碱被消耗时，溶液PH值减小。2．原电池的有关计算电子守恒法是依据氧化剂与还原剂相等这一原则进行计算的。电子守恒法是氧化还原计算的最基本的方法。计算时可由电极反应式中的氧化剂(或还原剂)与失去的电子(或得电子)之间的关系进行计算。【例5】(1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流计。锌片上发生的电极反应：_____________________________________；银片上发生的电极反应：______________________________________。(2)若该电池中两电极的总质量为60g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47g，试计算：①产生氢气的体积(标准状况)；②通过导线的电量。(已知NA=6.02×1023/mol，电子电荷为1.60×10－19C)考点4原电池原理的应用1、原电池的应用（1）形成原电池可以加快反应速率。如实验室制氢气，通常用不纯的锌粒与稀硫酸反应，若用纯锌，则通常在溶液中滴几滴硫酸铜溶液。（2）可以利用原电池比较金属的活动性顺序（负极活泼）。将两种不同金属在电解质溶液里构成原电池后，根据电极的活泼性、电极上的反应现象、电流方向、电子流向、离子移动方向等进行判断。2、利用原电池原理可以分析金属的腐蚀和防护问题金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种，但主要是电化学腐蚀。根据电解质溶液的酸碱性，可把电化学腐蚀分为：吸氧腐蚀和析氢腐蚀两种。以钢铁腐蚀为例，吸氧腐蚀发生的条件是钢铁表面吸附的水膜中溶有O2，并呈极弱酸性或中性，反应中O2得电子被还原；其电极反应式分别为：负极(Fe)：2Fe—4e-==2Fe2+，正极(C)：O2+2H2O+4e-==4OH-。析氢腐蚀发生的条件是钢铁表面吸附的水膜酸性较强，反应时有H2析出；其电极反应式分别为：负极(Fe)：Fe—2e-==Fe2+，正极(C)：2H++2e-==H2↑。金属防腐方法：①改变金属内部结构；②表面覆盖保护层（如钢铁表面涂矿物油、油漆、加电镀层、形成稳定的氧化膜等；③电化学保护法（接上一