2.3化学能与电能的转化学案(苏教版必修2).doc

2.3 化学能与电能的转化 学案（苏教版必修2）
知识•巧学
一、化学能转变为电能
1.原电池
(1)定义：把化学能转化为电能的装置叫做原电池。
(2)构成条件：活泼性不同的金属或导体；电解质溶液；具有闭合回路；电极之一能与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。

(3)电极反应(以Cu-Zn-H2SO4原电池为例)如右图所示。
负极(锌)：Zn-2e-====Zn2+ 发生氧化反应，锌不断溶解
正极(铜)：2H++2e-====H2↑ 发生还原反应，有气泡逸出，铜不参与反应
总反应：Zn+H2SO4====ZnSO4+H2↑ Zn+2H+====Zn2++H2↑
(4)电子流向
较活泼金属材料作负极，失去电子，经外电路流向较不活泼金属或导体，电解质溶液内阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，形成闭合回路。
Cu-Zn原电池发生的总反应跟锌和酸的反应是一致的，但电子却经外接导线发生迁移，形成持续的电流，使化学能转化为电能。
(5)正、负极判断
负极：电子流出的电极，较活泼金属，发生氧化反应；
正极：电子流入的电极，较不活泼金属或导体，正极或正极上发生还原反应。
知识拓展 在物理中，电源中电子的流出极为负极，在原电池中同样如此，因为原电池就是一种电源。
①在原电池中，溶解的电极是负极材料，较活泼。
②若用酸作电解质，放出氢气的电极为正极。
③若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨，也可以，因为Cu在该原电池中起到的是传递电子的作用，其本身并未参与电极反应。所以，若把Cu电极换成可以导电的材料也可以。
④电极材料不仅可以是金属，也可以是非金属，如石墨。
2.原电池原理的应用
(1)发明制造化学电源：

(2)金属的腐蚀和防护：如铁的腐蚀。
(3)原电池反应可加快化学反应速率：比如用粗锌代替纯锌制取H2，反应速率快。
(4)判断原电池中两电极的活动性：负极＞正极。
知识拓展 化学电源可分为三类：一次电池、二次电池、燃料电池。其中一次电池又称为一次性电池，其特点是用过之后不能复原；二次电池充电后可重复多次使用；燃料电池装置可长久使用。二次电池又称为可充电电池，是目前使用最多的一种电池。燃料电池是一种新型电池。
二、化学电源
1.普通锌锰电池
锌锰电池是最早使用的干电池。锌锰电池的电极分别是锌(负极)和碳棒(正极)，内部填充的是糊状的MnO2和NH4Cl。电池的两极发生的反应是：
负极(锌外壳)：Zn-2e-====Zn2+
正极(碳棒)：2MnO2+2+2e-====2MnO(OH)+2NH3+H2O
总电池反应：2MnO2+Zn+2NH4Cl====2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2。
2.碱性锌锰电池简称碱锰电池
正极反应：2MnO2+2H2O+2e-====2MnO(OH)+2OH-;
负极反应：Zn-2e-+2OH-====Zn(OH)2。
总电池反应：Zn+2MnO2+2H2O====2MnO(OH)+Zn(OH)2;
总结归纳 ①碱性锌锰电池比普通的锌锰电池比能量高，储存时间长；②适合大电流和连续放电(电流可达到普通锌锰电池的5倍)；③放电后电压恢复能力强；④工作温度范围宽，在-20 ℃—60 ℃之间，适于高寒地区使用。
3.银锌电池—纽扣电池
该电池使用寿命较长，广泛用于电子表和电子计算机。其电极分别为Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液。其电极反应式为：
负极：Zn+2OH--2e-====ZnO+H2O
正极：Ag2O+H2O+2e-====2Ag+2OH-
总反应式为：Zn+Ag2O====ZnO+2Ag
4.海水铝电池
该电池是1991年我国首创以“铝—空气—海水”电池为能源的新型航海标志灯。这种灯以海水为电解质溶液，靠空气中氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中就能发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20—50倍。其电极反应式为：
负极：4Al-12e-====4Al3+
正极：3O2+4H2O+8e-====8OH-
总反应式为：4Al+3O2+6H2O====4Al(OH)3
总结归纳 书写电极反应的方法一般分为四点：①列物质、标得失；②选离子、标电荷；③配个数、配电荷；④两式相加，验总式。
5.铅蓄电池
构成：该电池以Pb和PbO2作电极材料，H2SO4作电解质溶液。
其电极反应式为：
负极：Pb+-2e-====PbSO4
正极：PbO2+4H+++2e-====PbSO4+2H2O
总反应式为：Pb+PbO2+2H2SO4====2PbSO4+2H2O
(1)碱性镍—镉电池：该电池以Cd和NiO(OH)作电极材料，NaOH作电解质溶液。
其电极反应式为：
负极：Cd+2OH--2e-====Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)+2H2O+2e-====2Ni(OH)2+2OH-
总反应式为：Cd+2NiO(OH)+2H2O====Cd(OH)2+2Ni(OH)2
要点提示 铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低。而镍—镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化。
6.氢氧燃料电池
其电池反应为：2H2+O2====2H2O，可以在酸性或碱性电解质溶液中工作。
(1)酸性条件下：
在负极氢气失去电子，发生氧化反应；在正极氧气得到电子，发生还原反应。
负极：2H2-4e-====4H+ pH变小
正极O2+4H++4e-====2H2O pH变大
结论：溶液被稀释，pH变大。
(2)碱性条件下
负极：2H2-4e-+4OH-====4H2O pH变小
正极：O2+2H2O+4e-====4OH- pH变大
结论：溶液被稀释，pH变小。
三、电能转变为化学能
1.电解池的定义：将电能转化为化学能的装置叫做电解池(如图所示)。

电解过程如下：
电子从外接电源的负极流出，经导线到达电解池的阴极，电解池溶液中的阳离子移向阴极并在阴极获得电子而被还原发生还原反应；与此同时，电解池溶液中的阴离子移向正极并在阳极上失去电子(也可能是阳极很活泼而本身失去电子)而被氧化发生氧化反应，这样电子又从电解池的阳极流出，沿导线流回外接直流电源的正极。
辨析比较 电解和电离

电离
电解
条件
电解质溶于水或受热熔化
电解质发生电离后受外接直流电源的作用
过程
电解质电离成自由移动的离子
阴、阳离子定向移动，在两极上得失电子
举例
MgCl2====Mg2++2Cl-
MgCl2Mg+Cl2↑
结果
只产生自由移动离子(或水合离子)
发生氧化还原反应，生成新物质，电能转化为化学能
联系
电解必须建立在电离基础之上，电解质只有在电离基础上才能在外接直流电源的作用下发生电解
2.电解池的构成条件
直流电源、电极和电解质溶液形成一个闭合回路。
3.电解池中阴阳极的判断及电极反应
(1)阳极：与电源正极相连，溶液中阴离子移向阳极，失去电子，发生氧化反应。
(2)阴极：与电源负极相连，溶液中阳离子移向阴极，得到电子，发生还原反应。
要点提示 惰性电极是用石墨、金、铂等还原性很弱的材料(在一般的通电条件下不发生反应)做的电极。活性电极是用还原性较强的材料做的电极，如铁、锌、铜等。活性电极作阳极时，先与其他物质发生氧化反应。
4.电子流向
电源负极流向阴极，电解质溶液中的阴离子移向阳极，电子自阳极沿导线流入电源正极，形成闭合回路。
5.铜的电解精炼
用粗铜作阳极，纯铜作阴极，H2SO4酸化的CuSO4作电解质溶液。与直流电源相连接，如右图所示。

电极反应：阳极：Cu-2e-====Cu2+
阴极：Cu2++2e-====Cu
要点提示 在阳极区，粗铜中的金、银等活动性较弱的金属在阳极沉积下来，形成阳极泥。阳极泥中含有较多贵重金属。
辨析比较 原电池和电解池
装置
原电池
电解池
能量转化
化学能→电能(发生氧化还原反应而产生电流，作电源)
电能→化学能(在电流的作用下发生氧化还原反应，为用电器)
电极
正极——较不活泼，负极——较活泼(电极材料活泼性一定不同)
阳极——连电源正极，阴极——连电源负极(电极材料活泼性可以相同，也可以不相同)
电极反应
负极：本身失电子，发生氧化反应
正极：溶液中的阳离子(或O2)得电子，发生还原反应
阴极：溶液中的阳离子得电子，发生还原反应
阳极：①惰性电极(Pt、C)：溶液中的阴离子，发生氧化反应
②非惰性电极(如Cu、Fe)：本身失电子，发生氧化反应
电子流动的方向
负极上的电子通过导线流向正极，溶液中的阳离子(或O2)从正极上得到电子
电源负极上的电子通过导线流向电解池的阴极，溶液中的阳离子从阴极上得到电子，阴离子在阳极上失电子，阳极上的电子通过导线流向电源正极
问题•探究
问题1 哪种类型的化学反应可以设计成化学电源？中和反应能用于设计化学电源吗？为什么？
探究:自发的氧化还原反应可以设计成化学电源。氧化还原反应的本质是电子的转移。有些氧化还原反应需要外加电能才能发生，如电解水产生氢气和氧气，这种氧化还原是非自发的；而有些氧化还原反应是自发性的，如Zn+CuSO4====ZnSO4+Cu，这种自发的氧化还原反应伴随着化学能的降低，能够使电子定向移动，使降低的化学能转化为电能时，就形成了化学电源。中和反应不是氧化还原反应，没有电子的转移，无法产生电流。
问题2 如何来判断原电池的电极？
两极的判断通常有下列依据：
(1)根据电极金属的活泼性判断，较活泼的一极为负极，较不活泼的一极为正极。如：FeCu与CuSO4溶液形成的原电池，Fe为负极，Cu为正极。
(2)根据电子流向判断，电子流出的一极为负极，电子流入的一极为正极。
(3)根据反应类型判断，失电子发生氧化反应的为负极，得电子发生还原反应的为正极。
(4)根据反应现象判断，通常负极会逐渐溶解，正极有气体析出或固体质量增加。
问题3 钢铁生锈的主要原因是什么？
探究:不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫电化学腐蚀。
钢铁生锈的主要原因是——电化学腐蚀。纯净的铁抗腐蚀能力强，不易被腐蚀，而对于合金钢来说，在潮湿的空气中，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜中含少量H+、OH-，还溶解了少量O2，结果在钢铁表面形成一层电解质溶液，使钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。在这些反应中，Fe是负极，C是正极。
电极反应式为：

析氢腐蚀
吸氧腐蚀
电解质溶液
酸性
中性或碱性
负极
反应Fe-2e-====Fe2+
2Fe-4e-====2Fe2+
正极反应
2H++2e-====H2
2H2O+O2+4e-====4OH-
总反应
Fe+2H+====Fe2++H2
2Fe+2H2O+O2====2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2====4Fe(OH)3
典题•热题
例1 下图装置能够组成原电池的是( )

解析：C中蔗糖不是电解质，蔗糖溶液不导电，不能构成原电池。D中两烧杯中H2SO4(aq)不连通，不是闭合电路，也不能形成原电池。A、B符合构成原电池的条件，能够形成原电池。
答案：AB
深化升华 原电池构成条件有三：①两个电极，两种金属活动性不同的金属或金属和其他导电的材料(非金属或某些氧化物等)；②两电极必须浸在电解质溶液中，两电极之间直接或间接接触，形成闭合回路。③氧化还原反应自发进行。
例2 把a、b、c、d四块金属浸泡在稀H2SO4中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，d极上产生大量气泡；a、c相连时，c极发生还原反应；b、d相连时，电子由d经导线流向b，则这四种金属的活泼性由强到弱为( )
A.a＞b＞c＞d B.a＞c＞d＞b C.c＞a＞b＞d D.b＞d＞c＞a
解析：根据原电池原理：a、b相连时a为负极，则a＞b;c、d相连时，d极上产生气泡，则d为正极，c＞d;a、c相连时，c极发生还原反应，则c为正极，a＞c;b、d相连时，电子由db,则d为负极，d＞b。综上所述可得a＞c＞d＞b。
答案：B
深化升华 原电池原理提供了一个判断金属活动性的方法。两种金属作电极时活泼的金属作负极，只要判断出电池的正、负极就能比较出两种金属的活动性强弱。
原电池两极的判断方法：(1)根据电极金属的活泼性判断，较活泼的一极为负极，较不活泼的一极为正极。(2)根据电子流向判断，电子流出的一极为负极，电子流入的为正极。(3)根据反应类型判断，失电子发生氧化反应的为负极，得电子发生还原反应的为正极。(4)根据反应现象判断，通常负极会逐渐溶解，正极有气体析出或固体质量增加。
例3 如下图所示，可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为H2SO4时)和碱式〔当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时〕两种。试完成下列问题：

氢氧燃料电池示意图
(1)酸式电池的电极反应:负极____________，正极_____________；电池总反应：____________；电解质溶液pH的变化_____________ (填“变大”“变小”或“不变”)；
(2)碱式电池的电极反应:负极_____________，正极____________；电池总反应：____________；电解质溶液pH的变化_____________(填“变大”“变小”或“不变”)。
解析：(1)正极上，O2得电子变为O2-，溶液中O2-不能单独存在，酸性条件下与H+结合生成H2O。负极上，H2失电子变为H+，H+进入电解质溶液。电池总反应为H2在O2中燃烧的反应，由于有水生成，溶液将逐渐变稀，故pH增大。
(2)正极上，O2得电子变为O2-，溶液中O2-不能单独存在，碱性条件下与H2O分子结合生成OH-；负极上，H2失去电子变为H+，碱性条件下H+不能大量存在，与OH-结合生成水。电池总反应也是H2在O2中的燃烧反应。同样，由于有水生成，c(OH-)变小，pH变小。
答案：(1)2H2-4e-====4H+ O2+4e-+4H+====2H2O 2H2+O2====2H2O 变大
(2)2H2-4e-+4OH-====4H2O O2+4e-+2H2O====4OH- 2H2+O2====2H2O 变小
深化升华 燃料电池所用的介质(电解质溶液或相当于电解质溶液)不同，相应的电极反应就不同；但无论如何书写，两电极反应相叠加始终等于燃料的燃烧反应。这也是验证电极反应是否正确的一种方法。书写电极反应式时，除了考虑反应前后有电子转移的元素的原子得失电子的情况外，还必须考虑这些元素形成的物质在溶液中的主要存在形式。
例4 在原电池和电解池的电极上所发生的反应，同属氧化反应或同属还原反应的是( )
A.原电池正极和电解池阳极所发生的反应
B.原电池正极和电解池阴极所发生的反应
C.原电池负极和电解池阳极所发生的反应
D.原电池负极和电解池阴极所发生的反应
解析：原电池负极和电解池阳极发生的是氧化反应；原电池正极和电解池阴极发生的是还原反应。原电池正负极是根据电子的流向确定的，电子流出的一极为负极，发生氧化反应，与电解池阳极所发生的反应相同；电子流入的一极为正极，发生还原反应，与电解池阴极所发生的反应相同。故B、C正确。
答案：BC
深化升华 确定电极反应类型应从得失电子这一本质上分析。原电池中电子流入的一极一定是得电子的极，发生还原反应；电子流出的一极，一定是失电子的极，发生氧化反应。而电解池中的电极是根据电源的连接方式有关，与电源正极相连的一极是阳极，发生氧化反应，与电源负极相连的一极是阴极，发生还原反应。
例5 某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如右图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是( )

A.a为正极，b为负极；NaClO和NaCl
B.a为负极，b为正极;NaClO和NaCl
C.a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl
D.a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl
解析：用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液发生的反应是：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+ Cl2↑,副反应为：2NaOH+Cl2====NaCl+NaClO+H2O,则可推知使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液的主要成分是NaClO和NaCl溶液，其中起消毒作用的是NaClO溶液。电解过程中阴极产生H2，结合图示，消毒液发生器的液体上部空间充满的是H2，故电源a极是负极，b为正极。所以B正确。
答案：B
深化升华 充分认识电解饱和氯化钠溶液的反应式，及氯气与碱液的反应式。