《化學反應與電能》1.了解原電池的構(gòu)成和工作原理。2.了解化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化以及化學反應的其他應用。3.了解常見的化學電源。學習目標手機電池鈕扣電池生活中的電池我國自主研發(fā)的燃料電池客車實驗探究：Zn與Cu以不同形式插入稀硫酸的現(xiàn)象與解釋探究一、原電池的工作原理4.實驗現(xiàn)象結(jié)論或解釋

鋅片溶解，表面有氣泡銅片表面無氣泡CuZn稀H2SO4Cu稀H2SO4Zn稀H2SO4銅與稀硫酸不反應鋅片溶解，表面有氣泡，銅片表面沒有氣泡CuZn稀H2SO4鋅片溶解，銅片表面出現(xiàn)氣泡Zn+H2SO4=ZnSO4+H2Zn+H2SO4=ZnSO4+H2電流計指針偏轉(zhuǎn)外電路有電流形成思考：①既然銅片不與稀硫酸反應，為什么銅上會有氫氣生成？②電流表的指針為何偏轉(zhuǎn)？③只將鋅插入H2SO4溶液中，根據(jù)現(xiàn)象知：鋅也失電子變成鋅離子，氫離子也得電子變成氫氣。為什么不產(chǎn)生電流呢？④負極失電子呈正電性趨勢，正極呈負電性趨勢，溶液中的離子是怎樣移動的？

結(jié)論：雖然銅不活潑，不能失去電子，但鋅比銅活潑，鋅與稀硫酸接觸時，失去電子，這些電子沿著導線傳遞到銅的表面，被溶液中接近的氫離子獲得后，形成了氫氣放出。溶液中，陰離子向鋅極移動，陽離子向銅極移動。Zn-2e-

=Zn2+2H++2e-=H2氧化反應還原反應Zn片→Cu片負極正極

原電池的原理：Zn+2H+=Zn2++H2↑電極上發(fā)生的半反應負極：電子流出的極，電流流入的極，溶液中陰離子移向的極，質(zhì)量減少的極（一般）正極：電子流入的極，電流流出的極，溶液中陽離子移向的極，質(zhì)量增加或產(chǎn)生氣泡（一般）一、原電池1.原電池的工作原理銅鋅原電池溶液中陰陽離子分別向哪一個電極運動？氧化反應Zn-2e=Zn2+

銅鋅原電池電解質(zhì)溶液失e，沿導線傳遞，有電流產(chǎn)生還原反應Cu2++2e-=Cu陰離子陽離子總反應：負極正極Cu2++2e-=CuZn-2e-=Zn2+Zn+Cu2+=Zn2++Cu(離子方程式）電極反應正極：負極：（氧化反應）（還原反應）原電池原理外電路內(nèi)電路二、原電池的構(gòu)成條件：1．能自發(fā)進行的放熱的氧化還原反應一般是負極與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應2．活動性不同的兩極(一般是較活潑金屬作負極)注意：可以是金屬與金屬，也可以是金屬與導電非金屬（石墨）3．有電解質(zhì)溶液4．兩極形成閉合回路（相連或接觸）三、原電池的應用1.比較金屬活動性強弱。2.加快化學反應速率構(gòu)成原電池的反應的速率比直接接觸的反應的速率快。如實驗室制H2時，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應的速率快，或向溶液中滴入幾滴CuSO4溶液，反應加快。3.設計化學電池例如：以2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2為依據(jù)，設計一個原電池。（1）將氧化還原反應拆成氧化反應和還原反應兩個半反應，分別作原電池的負極和正極的電極反應式。負極：Cu-2e-

=Cu2+，正極：2Fe3++2e-

=2Fe2+。（2）確定電極材料若發(fā)生氧化反應的物質(zhì)為金屬單質(zhì)，可用該金屬直接作負極；若發(fā)生氧化反應的物質(zhì)為氣體（如H2）或溶液中的還原性離子，可用惰性電極（如Pt、碳棒）作負極。正極發(fā)生還原反應，其電極材料一般不如負極材料活潑。本例中可用銅棒作負極，用鉑絲或碳棒作正極。（3）確定電解質(zhì)溶液一般選用反應物中的電解質(zhì)溶液即可，如本例中可用FeCl3溶液作電解質(zhì)溶液。（4）構(gòu)成閉合回路將電極用導線連接，使之構(gòu)成閉合回路。任務一原電池的工作原理【問題探究】上面是某實驗小組設計的水果電池,生活中還有多種常見的電池,如干電池、鉛酸蓄電池、鋰離子電池等。你知道原電池是如何工作的嗎?請按如下裝置進行探究吧!(1)裝置甲和乙中銅片上產(chǎn)生的現(xiàn)象是否相同?其原因是什么?提示

銅是不活潑金屬,不能與稀硫酸發(fā)生反應,裝置甲中銅片無明顯現(xiàn)象;裝置乙中形成原電池,H+在銅片上獲得電子被還原生成H2,表面產(chǎn)生大量氣泡。(2)裝置乙和丙中電流計的指針是否都發(fā)生偏轉(zhuǎn)?為什么?提示

裝置乙形成原電池,電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);裝置丙不能形成原電池,因為乙醇是非電解質(zhì),不導電,電流計指針不偏轉(zhuǎn)。(3)若將裝置乙中銅片換成鋅片,電流計指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)?從中得到什么啟示?提示

將裝置乙中銅片換成鋅片,電流計的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由此可知,形成原電池時,兩個電極若均為金屬,應選用活潑性不同的兩種金屬。【深化拓展】1.原電池的構(gòu)成條件——“兩極一液一連環(huán)一反應”2.原電池的工作原理

3.原電池正、負極判斷的五個依據(jù)

【素能應用】典例1如圖是Zn和Cu形成的原電池,某實驗興趣小組做完實驗后,在讀書卡片上記錄如下。在卡片上描述合理的是(

)實驗后的記錄:①Zn為正極,Cu為負極②H+向負極移動③電子流動方向為由Zn經(jīng)外電路流向Cu

④Cu極上有H2產(chǎn)生⑤若有1mol電子流過導線,則產(chǎn)生H2的物質(zhì)的量為0.5mol

⑥正極的電極反應式為Zn-2e-===Zn2+A.①②③ B.③④⑤ C.④⑤⑥ D.②③④答案

B解析

在該原電池中,Zn比Cu活潑,故Zn作負極,Cu作正極,電子由Zn流出經(jīng)導線流向Cu,負極反應為Zn-2e-===Zn2+,正極反應為2H++2e-===H2↑,故每轉(zhuǎn)移1

mol電子時,產(chǎn)生H2

0.5

mol,在溶液中H+向正極移動,向負極移動,故①②⑥錯誤,③④⑤正確。【變式設問】將Cu片換成Fe片、稀硫酸換成CuSO4溶液,兩電極表面分別發(fā)生怎樣的變化?提示

Fe片表面析出紅色金屬:Cu2++2e-===Cu;Zn片逐漸溶解:Zn-2e-===Zn2+。變式訓練1如圖所示,電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),同時A極質(zhì)量減小,B極上有氣泡產(chǎn)生,C為電解質(zhì)溶液,下列說法錯誤的是(

)A.B極為原電池的正極B.A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸C.C中陽離子向A極移動D.A極發(fā)生氧化反應答案

C解析

原電池中,負極金屬失去電子,溶解,質(zhì)量減小,故A極是負極,B極是正極,根據(jù)構(gòu)成情況判斷A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸,A、B兩項正確;原電池中,陽離子向正極移動,陰離子向負極移動,C項錯誤;負極發(fā)生氧化反應,正極發(fā)生還原反應,D項正確。任務二原電池原理的應用【問題探究】結(jié)合原電池的構(gòu)成及工作原理,交流討論下列問題。(1)利用反應Fe+CuSO4===FeSO4+Cu能設計成原電池嗎?若能,怎樣選擇原電池的正極和負極材料及電解質(zhì)溶液?提示

能;負極為Fe,正極為活潑性比Fe弱的金屬或石墨,電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液。(2)將鐵片和銅片用導線連接,插入稀硫酸中形成原電池,鐵片及銅片表面分別發(fā)生怎樣的變化?據(jù)此得出哪種金屬的活潑性強?提示

鐵片逐漸溶解,銅片表面產(chǎn)生大量氣泡;說明鐵的活潑性強。(3)實驗室利用鋅粉與稀硫酸反應制取H2時,滴加少量CuSO4溶液后,為什么產(chǎn)生氫氣的速率加快?提示

利用鋅粉與稀硫酸反應制取H2時,滴加少量CuSO4溶液,Zn與CuSO4發(fā)生置換反應生成Cu,從而可形成原電池,則產(chǎn)生氫氣的速率加快?！旧罨卣埂?.原電池的應用(1)加快氧化還原反應速率一個自發(fā)進行的氧化還原反應,設計成原電池可以加快反應速率。(2)比較金屬活動性強弱兩種金屬分別作原電池的兩極時,一般作負極的金屬比作正極的金屬活動性強。(3)用于金屬保護將被保護的金屬與比其活潑的金屬連接,形成原電池。2.設計原電池(1)依據(jù)已知一個氧化還原反應,首先通過分析找出氧化劑、還原劑,一般還原劑為負極材料(或在負極上被氧化),氧化劑(一般為電解質(zhì)溶液中的陽離子)在正極上被還原。(2)實例以Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑為例:【素能應用】典例2某同學依據(jù)反應Zn+2H+===Zn2++H2↑,利用下列各組材料設計原電池,你認為能組成相應原電池的是(

)選項ABCD兩極材料Zn片,石墨Cu片,Ag片Zn片,Cu片F(xiàn)e片,Cu片插入溶液H2SO4溶液AgNO3溶液蔗糖溶液稀鹽酸答案

A解析

①分析電池反應確定電池的電極材料,在反應Zn+2H+===Zn2++H2↑中,Zn被氧化生成Zn2+,則Zn片是負極,正極是比Zn活潑性弱的金屬或石墨。②分析離子變化,確定電解質(zhì)溶液中H+被還原生成H2,則正極反應式為2H++2e-H2↑,則電解質(zhì)溶液應是酸溶液,只有A項符合要求?！咀兪皆O問】常溫下,能否利用反應Cu+2H+===Cu2++H2↑設計原電池裝置?為什么?提示

不能。Cu是不活潑金屬,常溫下不能與H+反應生成H2。變式訓練2有a、b、c、d四個金屬電極,有關(guān)的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下:實驗裝置

部分實驗現(xiàn)象a極質(zhì)量減小,b極質(zhì)量增大b極有氣體產(chǎn)生,c極無變化d極溶解,c極有氣體產(chǎn)生電流從a極流向d極由此可判斷這四種金屬的活動性順序是(

)A.a>b>c>d B.b>c>d>aC.d>a>b>c D.a>b>d>c答案

C解析

裝置一是原電池,a極質(zhì)量減小,說明a極金屬易失去電子形成離子,故a極金屬比b極金屬活潑;裝置二沒有形成原電池,由現(xiàn)象可知b比c活潑,且c位于金屬活動性順序中氫的后面;裝置三和四均形成原電池,由現(xiàn)象易知d比c活潑,d比a活潑。因此四種金屬的活動性順序為d>a>b>c。任務三原電池電極反應式的書寫方法【問題探究】1.鉛酸蓄電池的負極是Pb,正極是PbO2,電解質(zhì)溶液為稀硫酸。放電時,發(fā)生反應:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。根據(jù)正、負極材料和電解質(zhì),寫出各電極反應式。2.堿性氫氧燃料電池以KOH溶液為電解質(zhì)溶液,工作時電池反應為2H2+O2===2H2O。請寫出正、負極的反應式。提示

負極:2H2+4OH--4e-===4H2O;正極:O2+2H2O+4e-===4OH-。3.如何根據(jù)原電池的總反應判斷原電池的正、負極?正極反應式、負極反應式和總反應式之間有什么關(guān)系?提示

發(fā)生氧化反應的一極是原電池的負極,發(fā)生還原反應的一極是原電池的正極。在得失電子一致的情況下,總反應式=負極反應式+正極反應式?！旧罨卣埂?.電極反應式的書寫(1)原電池負極反應式的書寫①較活潑金屬作負極時,電極本身被氧化若生成的陽離子不與電解質(zhì)溶液反應,其產(chǎn)物可直接寫為金屬陽離子,如Zn-2e-===Zn2+,Cu-2e-===Cu2+。若生成的金屬陽離子與電解質(zhì)溶液反應,其電極反應為兩反應合并后的反應。如鉛酸蓄電池負極反應為Pb+-2e-===PbSO4。②負極材料本身不反應氫氧(酸性)燃料電池,負極反應為H2-2e-===2H+;氫氧(堿性)燃料電池,負極反應為H2+2OH--2e-===2H2O。(2)原電池正極反應式的書寫書寫時總的原則是首先根據(jù)元素化合價變化或氧化性強弱判斷得電子的微粒,其次確定該微粒得電子后生成什么物質(zhì)。如氫氧(酸性)燃料電池,正極反應為O2+4H++4e-===2H2O氫氧(堿性)燃料電池,正極反應為O2+2H2O+4e-===4OH-。(3)書寫復雜電極反應式的方法——加減法①寫出總反應,如Li+LiMn2O4===Li2Mn2O4。②寫出其中較為簡單的一個半反應(正極或負極),如Li-e-===Li+(負極)。③利用總反應與上述一極的反應相減,即得另一電極的反應式,如LiMn2O4+Li++e-===Li2Mn2O4(正極)。2.一般電極反應式的書寫思路

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【素能應用】典例3燃料電池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧氣(或空氣)起反應將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置,若電解質(zhì)溶液是強堿溶液,下面關(guān)于甲烷燃料電池的說法正確的是(

)A.負極反應式:O2+2H2O+4e-===4OH-B.負極反應式:CH4+8OH--8e-===CO2+6H2OC.隨著放電的進行,溶液的氫氧根