化學(xué)反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化的重要應(yīng)用-化學(xué)電源 講義 高一下學(xué)期化學(xué)魯科版（2019）必修第二冊(cè)

第2課時(shí)化學(xué)反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化的重要應(yīng)用——化學(xué)電池學(xué)習(xí)目標(biāo)1．能從宏觀和微觀相結(jié)合的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)電池的構(gòu)成條件、原理、本質(zhì)。2．通過(guò)了解新型電池的用途，體會(huì)提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感?！局R(shí)回顧】1.化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成?；瘜W(xué)鍵斷裂和形成伴隨著能量的變化。舊化學(xué)鍵的斷裂需要吸收能量，新化學(xué)鍵的形成會(huì)釋放能量。2.吸收熱量的化學(xué)反應(yīng)叫做吸熱反應(yīng)。3.釋放熱量的化學(xué)反應(yīng)叫做放熱反應(yīng)。4.從化學(xué)鍵的角度分析（微觀角度分析）放熱反應(yīng)：斷裂化學(xué)鍵吸收的能量＜形成化學(xué)鍵釋放的能量吸熱反應(yīng)：斷裂化學(xué)鍵吸收的能量＞形成化學(xué)鍵釋放的能量5.從物質(zhì)內(nèi)部能量的角度分析（宏觀角度分析）放熱反應(yīng)：反應(yīng)物的總能量＞生成物的總能量吸熱反應(yīng)：反應(yīng)物的總能量＜生成物的總能量6.人們常常利用化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、電能等其他形式的能量，用于生產(chǎn)、生活和科研。【導(dǎo)入】伏特是意大利帕維亞大學(xué)的研究電學(xué)的物理學(xué)家。有一天，伏特看了一位名叫加伐尼的解剖學(xué)家的一篇論文，說(shuō)動(dòng)物肌肉里貯存著電，可以用金屬接觸肌肉把電引出來(lái)?？戳诉@篇論文，伏特非常興奮，便決定親自來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。他用許多只活青蛙反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況并不像加伐尼所說(shuō)的那樣，而是兩種不同的金屬接觸產(chǎn)生的電流，才使蛙腿的肌肉充電而收縮。為了證明自己的發(fā)現(xiàn)是正確的，伏特決定更深入地了解電的來(lái)源。為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn)，人們把電壓的計(jì)量單位叫做伏特，簡(jiǎn)稱伏，符號(hào)V。比如我們手電筒里的電池的電壓是1.5伏特，我們家里的電燈的電壓是220伏特。（各種各樣的電池）現(xiàn)在，化學(xué)電池已成為人類生產(chǎn)和生活的重要能量來(lái)源之一，各式各樣的化學(xué)電池的發(fā)明也是化學(xué)科學(xué)對(duì)人類的一個(gè)重大貢獻(xiàn)?；瘜W(xué)電池是根據(jù)原電池原理制成的。原電池是一種利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。那么，原電池是由哪些部分組成的?原電池中各部分的作用是什么?帶著問(wèn)題我們觀看視頻一、原電池的構(gòu)造【視頻播放】初識(shí)燃料電池在圖b所示裝置中，氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)分別在兩個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行。其中，氫氣分子中的氫原子在左側(cè)石墨電極上失去電子，氫氣作為電池的負(fù)極反應(yīng)物；氧氣分子中的氧原子在右側(cè)石墨電極上得到電子，氧氣作為電池的正極反應(yīng)物。稀硫酸中存在的自由移動(dòng)的離子起到傳導(dǎo)電荷的作用，導(dǎo)線起到傳導(dǎo)電子的作用。由于在兩個(gè)石墨電極上有得失電子能力不同的物質(zhì)-氫氣和氧氣，當(dāng)形成閉合回路時(shí)候，便能產(chǎn)生電流，使得化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能?！究偨Y(jié)】1、工作原理：還原劑和氧化劑分別在兩個(gè)不同區(qū)域發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，并通過(guò)能導(dǎo)電物質(zhì)形成閉合回路產(chǎn)生電流。其中，還原劑在負(fù)極上失去電子，是負(fù)極反應(yīng)物；氧化劑在正極上得到電子，是正極反應(yīng)物；電極材料通常是能夠?qū)щ姷墓腆w。此外，還要有能夠傳導(dǎo)電荷的電解質(zhì)作為離子導(dǎo)體；而導(dǎo)線則作為電子導(dǎo)體，起到傳導(dǎo)電子形成閉合回路的作用。

2、原電池構(gòu)成要素【即時(shí)練習(xí)】1．下列各裝置能構(gòu)成原電池的是()2．如圖所示裝置中，觀察到電流表指針偏轉(zhuǎn)(指針順著電流方向偏轉(zhuǎn))，M變粗，N變細(xì)，由此判斷下表中所列M、N、P三種物質(zhì)，其中可以成立的是()MNPA鋅銅稀硫酸B銅鐵稀鹽酸C銀鋅硝酸銀溶液D鋅鐵硝酸鐵溶液1、答案C解析A項(xiàng)，只有一個(gè)電極，所以該裝置不能構(gòu)成原電池，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，該裝置沒有構(gòu)成閉合回路，所以不能構(gòu)成原電池，錯(cuò)誤；C項(xiàng)，該裝置符合原電池的構(gòu)成條件，能構(gòu)成原電池，正確；D項(xiàng)，酒精不是電解質(zhì)溶液，所以不能構(gòu)成原電池，錯(cuò)誤。2、答案C解析該原電池中M變粗，N變細(xì)，說(shuō)明發(fā)生原電池反應(yīng)時(shí)N溶解，N做負(fù)極，溶液中有金屬析出附著在M上，M做正極。A、B兩項(xiàng)中，電解質(zhì)溶液分別為稀硫酸和稀鹽酸，原電池工作時(shí)，不會(huì)有金屬析出，不符合題意；C項(xiàng)，正極反應(yīng)為Ag＋＋e－=Ag，符合題意；而D項(xiàng)，鋅比鐵活潑，故M做負(fù)極，變細(xì)，不符合題意?！眷柟烫嵘?．判斷正誤(1)原電池是把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置()(2)原電池中電流從負(fù)極流出，從正極流入()(3)原電池中電子流出的一極是正極，發(fā)生氧化反應(yīng)()(4)原電池中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)()(5)在鋅-稀硫酸-銅原電池中，電子由鋅通過(guò)導(dǎo)線流向銅，再由銅通過(guò)電解質(zhì)溶液到達(dá)鋅()2．下列裝置能構(gòu)成原電池的是()3．如圖為某課外小組自制的氫氧燃料電池，a、b均為石墨。下列敘述不正確的是()A．a(chǎn)電極是負(fù)極，該電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B．總反應(yīng)式為2H2＋O2=2H2OC．b極反應(yīng)是O2＋4H＋＋4e－=2H2OD．氫氧燃料電池是一種具有應(yīng)用前景的綠色電源【答案】1．判斷正誤答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×2．答案C解析A裝置中酒精不是電解質(zhì)，不能構(gòu)成原電池，錯(cuò)誤；B裝置中兩電極活潑性相同，且沒有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，不能構(gòu)成原電池，錯(cuò)誤；C裝置中鐵為負(fù)極，銅為正極，硫酸銅溶液為電解質(zhì)溶液，有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，形成了閉合回路，可構(gòu)成原電池，正確；D裝置未形成閉合回路，不能構(gòu)成原電池裝置，錯(cuò)誤。3．答案C解析a電極通入氫氣，是負(fù)極，電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，故A正確；負(fù)極反應(yīng)為2H2－4e－＋4OH－=4H2O，正極反應(yīng)為O2＋4e－＋2H2O=4OH－，電池總反應(yīng)為2H2＋O2=2H2O，故B正確、C不正確；氫氧燃料電池的產(chǎn)物是水，無(wú)污染，是一種具有應(yīng)用前景的綠色電源，故D正確?！局攸c(diǎn)突破】一、原電池正負(fù)極的判斷(2)燃料電池正、負(fù)極的判斷燃料電池的負(fù)極通入的一定是燃料，即還原劑(如可燃性氣體)，正極通入的一定是氧化劑(如助燃性氣體O2)。二、誤區(qū)警示誤區(qū)一誤認(rèn)為原電池的負(fù)極材料一定參加反應(yīng)有些原電池的負(fù)極材料不參加反應(yīng)，如燃料電池。在燃料電池中，電極材料均不發(fā)生反應(yīng)，故兩極均可用惰性材料。誤區(qū)二誤認(rèn)為在原電池中相對(duì)活潑的金屬一定做負(fù)極，相對(duì)不活潑的金屬一定做正極在判斷原電池正、負(fù)極時(shí)，既要考慮金屬活動(dòng)性的相對(duì)強(qiáng)弱，也要考慮電解質(zhì)溶液的性質(zhì)。如Mg－Al－HCl溶液構(gòu)成的原電池中，Mg為負(fù)極；但Mg－Al－NaOH溶液構(gòu)成的原電池中，Al為負(fù)極，Mg為正極；Cu－Al(Fe)－濃硝酸構(gòu)成的原電池中，Cu為負(fù)極。誤區(qū)三誤認(rèn)為電子由原電池負(fù)極流出，流到原電池正極，再通過(guò)電解質(zhì)溶液到達(dá)原電池負(fù)極電子不能通過(guò)電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)溶液中靠陰、陽(yáng)離子的定向移動(dòng)形成閉合回路。誤區(qū)四誤認(rèn)為氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池只有自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計(jì)成原電池，非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)不能設(shè)計(jì)成原電池。誤區(qū)五原電池工作時(shí)，負(fù)極材料質(zhì)量一定減輕大多數(shù)原電池反應(yīng)負(fù)極材料質(zhì)量減輕，但也有可能質(zhì)量不變或質(zhì)量增加。二、設(shè)計(jì)原電池問(wèn)題：如何把一個(gè)氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池呢？【活動(dòng)·探究】設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的原電池實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦盟o用品設(shè)計(jì)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將下列反應(yīng)所釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。Zn+2H+===Zn2++H2↑實(shí)驗(yàn)用品鋅片，銅片，石墨棒，稀硫酸，稀鹽酸；燒杯，導(dǎo)線，電流表，開關(guān)。方法導(dǎo)引實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施設(shè)計(jì)思路及依據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Zn+2H+====Zn2++H2↑確定負(fù)極選擇負(fù)極反應(yīng)物:選擇負(fù)極材料:確定正極選擇正極反應(yīng)物:選擇正極材料:________構(gòu)成閉合回路選擇離子導(dǎo)體:_________選擇電子導(dǎo)體:【答案展示】【思考】1.分析鋅、銅、稀硫酸原電池的工作原理。2.鋅片、銅片與稀硫酸，哪些可以替換為其他物質(zhì)卻同樣能產(chǎn)生電流？1.工作原理鋅原子失去電子被氧化成Zn2+進(jìn)入溶液，反應(yīng)式為Zn-2e-===Zn2+鋅片上的電子通過(guò)導(dǎo)線流向銅片，溶液中的陽(yáng)離子移向正極銅片，在銅片上得電子而被還原形成氫分子逸出，反應(yīng)式為2H++2e-==H2↑。電解質(zhì)溶液中陰離子離子移向負(fù)極鋅片。2.可以用石墨、活動(dòng)性比鋅弱得金屬替換銅片，用稀鹽酸替換稀硫酸?！究偨Y(jié)】原電池正負(fù)極材料和離子導(dǎo)體的選擇【遷移運(yùn)用】根據(jù)原電池原理和設(shè)計(jì)思路利用反應(yīng)2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋，設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生電流的裝置并畫出簡(jiǎn)單的裝置示意圖，標(biāo)明電極材料及電極名稱?？蛇x用品：銅片、鋅片、鐵片、石墨棒、NaCl溶液、FeCl3溶液、FeCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、導(dǎo)線、濾紙、燒杯、電流表。(1)負(fù)極反應(yīng)物可選擇____________，負(fù)極反應(yīng)式：____________，負(fù)極材料為________。(2)正極反應(yīng)物可選擇_______，正極反應(yīng)式：___________________，正極材料為___________________________________________。(3)離子導(dǎo)體可選擇_________________________________________，電子導(dǎo)體可選擇______。(4)畫出實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。答案(1)鐵片F(xiàn)e－2e－=Fe2＋鐵片(2)FeCl3溶液[或Fe2(SO4)3溶液]2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋石墨棒(或銅片)(3)FeCl3溶液[或Fe2(SO4)3溶液]導(dǎo)線(4)【題后歸納】(1)不是只有金屬才能作原電池的負(fù)極。理論上說(shuō)任何氧化還原反應(yīng)都有電子得失，所以除了金屬能作原電池的負(fù)極外，能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的非金屬，也有可能作負(fù)極。(2)正極材料最好選擇不與正極反應(yīng)物和離子導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)且能導(dǎo)電的固體。(3)金屬K、Na、Ca活潑性強(qiáng)，不作原電池電極。(4)原電池中電極不一定參加化學(xué)反應(yīng)，如氫氧燃料電池中電極不參加反應(yīng)。三、原電池原理的應(yīng)用1.加快氧化還原反應(yīng)速率(1)原理：在原電池中，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行，溶液中的微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)相互間的干擾小，使化學(xué)反應(yīng)加快。(2)應(yīng)用：實(shí)驗(yàn)室用Zn和稀硫酸(或稀鹽酸)反應(yīng)制備H2，常用粗鋅。原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了鋅的腐蝕，使產(chǎn)生H2的速率加快。用Zn和稀H2SO4制取H2時(shí)也可以滴入幾滴CuSO4溶液，原因是Zn與置換出的Cu構(gòu)成原電池，加快了反應(yīng)的進(jìn)行。2.比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱原電池中，一般活動(dòng)性強(qiáng)的金屬作負(fù)極，活動(dòng)性弱的金屬作正極。如有兩種金屬A和B，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到A極溶解，B極上有氣泡產(chǎn)生，由原電池原理可知，金屬活動(dòng)性：A>B。3.金屬的防護(hù)輪船外殼上鑲嵌鋅塊，在海水中形成原電池，鋅作負(fù)極失去電子，保護(hù)鐵不被腐蝕。4.設(shè)計(jì)原電池設(shè)計(jì)原電池的基本思路步驟一：確定一個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)的還原劑和氧化劑，還原劑做負(fù)極反應(yīng)物，氧化劑做正極反應(yīng)物，把氧化還原反應(yīng)分為兩個(gè)半反應(yīng)。步驟二：選擇兩極材料，正極材料最好選擇不與正極反應(yīng)物和離子導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)且導(dǎo)電的固體，如金屬銅、石墨等。步驟三：選擇離子導(dǎo)體(電解質(zhì)溶液)和電子導(dǎo)體(導(dǎo)線)，并形成閉合回路。如圖：【當(dāng)堂練習(xí)】由A、B、C、D四種金屬按下表中裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。裝置現(xiàn)象二價(jià)金屬A不斷溶解C的質(zhì)量增加A上有氣體產(chǎn)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回答下列問(wèn)題：(1)裝置甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式是。(2)裝置乙中正極的電極反應(yīng)式是。(3)裝置丙中溶液的pH變化是。(4)四種金屬活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是。四、發(fā)展中的化學(xué)電源

1.干電池——一次電池

①特點(diǎn)：放電之后不能充電。

②實(shí)例：鋅錳干電池。

2.充電電池——二次電池

①特點(diǎn)：放電時(shí)所進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，充電時(shí)可以逆向進(jìn)行，使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。

②實(shí)例：鉛蓄電池，鋰離子電池。

3.燃料電池

①特點(diǎn)：燃料的利用率高、能量轉(zhuǎn)換效率高，能長(zhǎng)時(shí)間提供電能等。

②實(shí)例

以30%的KOH溶液為電解質(zhì)溶液的氫氧燃料電