高一化學學案：第三單元化學能與電能的轉(zhuǎn)化

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精皰工巧解牛知識?巧學一、化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。原電池(1)定義:把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做原電池。(2）構(gòu)成條件：活潑性不同的金屬或?qū)w；電解質(zhì)溶液；具有閉合回路;電極之一能與電解質(zhì)溶液發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。(3)電極反應(yīng)（以Cu-Zn-H2SO4原電池為例)如右圖所示。負極（鋅）：Zn-2e-====Zn2+發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅不斷溶解正極(銅)：2H++2e-====H2↑發(fā)生還原反應(yīng)，有氣泡逸出，銅不參與反應(yīng)總反應(yīng)：Zn+H2SO4====ZnSO4+H2↑Zn+2H+====Zn2++H2↑(4）電子流向較活潑金屬材料作負極，失去電子，經(jīng)外電路流向較不活潑金屬或?qū)w，電解質(zhì)溶液內(nèi)陽離子向正極移動，陰離子向負極移動,形成閉合回路.Cu—Zn原電池發(fā)生的總反應(yīng)跟鋅和酸的反應(yīng)是一致的，但電子卻經(jīng)外接導線發(fā)生遷移，形成持續(xù)的電流，使化學能轉(zhuǎn)化為電能。（5)正、負極判斷負極:電子流出的電極，較活潑金屬，發(fā)生氧化反應(yīng)；正極：電子流入的電極，較不活潑金屬或?qū)w，正極或正極上發(fā)生還原反應(yīng)。知識拓展在物理中，電源中電子的流出極為負極,在原電池中同樣如此，因為原電池就是一種電源。①在原電池中，溶解的電極是負極材料，較活潑。②若用酸作電解質(zhì)，放出氫氣的電極為正極。③若將銅鋅原電池中的Cu電極換成石墨，也可以，因為Cu在該原電池中起到的是傳遞電子的作用，其本身并未參與電極反應(yīng)。所以，若把Cu電極換成可以導電的材料也可以。④電極材料不僅可以是金屬,也可以是非金屬，如石墨.2.原電池原理的應(yīng)用(1）發(fā)明制造化學電源：(2)金屬的腐蝕和防護：如鐵的腐蝕。（3）原電池反應(yīng)可加快化學反應(yīng)速率:比如用粗鋅代替純鋅制取H2,反應(yīng)速率快。（4)判斷原電池中兩電極的活動性:負極＞正極.知識拓展化學電源可分為三類:一次電池、二次電池、燃料電池。其中一次電池又稱為一次性電池,其特點是用過之后不能復原；二次電池充電后可重復多次使用;燃料電池裝置可長久使用。二次電池又稱為可充電電池，是目前使用最多的一種電池。燃料電池是一種新型電池。二、化學電源1。普通鋅錳電池鋅錳電池是最早使用的干電池。鋅錳電池的電極分別是鋅（負極）和碳棒（正極)，內(nèi)部填充的是糊狀的MnO2和NH4Cl。電池的兩極發(fā)生的反應(yīng)是：負極(鋅外殼）：Zn-2e—====Zn2+正極（碳棒）：2MnO2+2+2e—====2MnO（OH）+2NH3+H2O總電池反應(yīng)：2MnO2+Zn+2NH4Cl====2MnO（OH)+Zn（NH3)2Cl2。2。堿性鋅錳電池簡稱堿錳電池正極反應(yīng)：2MnO2+2H2O+2e—====2MnO（OH）+2OH-;負極反應(yīng)：Zn—2e—+2OH-====Zn(OH)2?？傠姵胤磻?yīng):Zn+2MnO2+2H2O====2MnO（OH）+Zn（OH）2；總結(jié)歸納①堿性鋅錳電池比普通的鋅錳電池比能量高，儲存時間長；②適合大電流和連續(xù)放電（電流可達到普通鋅錳電池的5倍）；③放電后電壓恢復能力強；④工作溫度范圍寬，在-20℃—60℃之間,適于高寒地區(qū)使用。3。銀鋅電池—紐扣電池該電池使用壽命較長，廣泛用于電子表和電子計算機。其電極分別為Ag2O和Zn，電解質(zhì)為KOH溶液。其電極反應(yīng)式為：負極：Zn+2OH—-2e—====ZnO+H2O正極：Ag2O+H2O+2e—====2Ag+2OH—總反應(yīng)式為：Zn+Ag2O====ZnO+2Ag4.海水鋁電池該電池是1991年我國首創(chuàng)以“鋁—空氣—海水”電池為能源的新型航海標志燈。這種燈以海水為電解質(zhì)溶液，靠空氣中氧氣使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流，只要把燈放入海水中就能發(fā)出耀眼的閃光，其能量比干電池高20—50倍。其電極反應(yīng)式為：負極：4Al-12e—====4Al3+正極:3O2+4H2O+8e—====8OH-總反應(yīng)式為:4Al+3O2+6H2O====4Al（OH)3總結(jié)歸納書寫電極反應(yīng)的方法一般分為四點:①列物質(zhì)、標得失；②選離子、標電荷;③配個數(shù)、配電荷；④兩式相加，驗總式。5.鉛蓄電池構(gòu)成：該電池以Pb和PbO2作電極材料，H2SO4作電解質(zhì)溶液。其電極反應(yīng)式為：負極：Pb+-2e-====PbSO4正極：PbO2+4H+++2e-====PbSO4+2H2O總反應(yīng)式為:Pb+PbO2+2H2SO4====2PbSO4+2H2O(1)堿性鎳—鎘電池：該電池以Cd和NiO（OH）作電極材料，NaOH作電解質(zhì)溶液。其電極反應(yīng)式為：負極：Cd+2OH—-2e-====Cd(OH）2正極：2NiO(OH)+2H2O+2e—====2Ni(OH）2+2OH-總反應(yīng)式為：Cd+2NiO(OH）+2H2O====Cd(OH）2+2Ni（OH)2要點提示鉛蓄電池在放電時除消耗電極材料外，同時還消耗電解質(zhì)硫酸，使溶液中的自由移動的離子濃度減小，內(nèi)阻增大，導電能力降低。而鎳—鎘電池在放電時只消耗水，電解質(zhì)溶液中自由移動的離子濃度不會有明顯變化，內(nèi)阻幾乎不變，導電能力幾乎沒有變化。6.氫氧燃料電池其電池反應(yīng)為：2H2+O2====2H2O，可以在酸性或堿性電解質(zhì)溶液中工作。(1)酸性條件下：在負極氫氣失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；在正極氧氣得到電子,發(fā)生還原反應(yīng)。負極:2H2—4e-====4H+pH變小正極O2+4H++4e-====2H2OpH變大結(jié)論：溶液被稀釋，pH變大。(2)堿性條件下負極：2H2—4e—+4OH-====4H2OpH變小正極：O2+2H2O+4e—====4OH-pH變大結(jié)論：溶液被稀釋，pH變小。三、電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能1.電解池的定義：將電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置叫做電解池(如圖所示)。電解過程如下：電子從外接電源的負極流出,經(jīng)導線到達電解池的陰極，電解池溶液中的陽離子移向陰極并在陰極獲得電子而被還原發(fā)生還原反應(yīng)；與此同時,電解池溶液中的陰離子移向正極并在陽極上失去電子(也可能是陽極很活潑而本身失去電子）而被氧化發(fā)生氧化反應(yīng)，這樣電子又從電解池的陽極流出，沿導線流回外接直流電源的正極。辨析比較電解和電離電離電解條件電解質(zhì)溶于水或受熱熔化電解質(zhì)發(fā)生電離后受外接直流電源的作用過程電解質(zhì)電離成自由移動的離子陰、陽離子定向移動，在兩極上得失電子舉例MgCl2====Mg2++2Cl—MgCl2Mg+Cl2↑結(jié)果只產(chǎn)生自由移動離子（或水合離子)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成新物質(zhì)，電能轉(zhuǎn)化為化學能聯(lián)系電解必須建立在電離基礎(chǔ)之上，電解質(zhì)只有在電離基礎(chǔ)上才能在外接直流電源的作用下發(fā)生電解2。電解池的構(gòu)成條件直流電源、電極和電解質(zhì)溶液形成一個閉合回路。3。電解池中陰陽極的判斷及電極反應(yīng)(1）陽極：與電源正極相連,溶液中陰離子移向陽極,失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng).（2）陰極：與電源負極相連，溶液中陽離子移向陰極，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。要點提示惰性電極是用石墨、金、鉑等還原性很弱的材料(在一般的通電條件下不發(fā)生反應(yīng)）做的電極.活性電極是用還原性較強的材料做的電極，如鐵、鋅、銅等.活性電極作陽極時，先與其他物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng).4。電子流向電源負極流向陰極，電解質(zhì)溶液中的陰離子移向陽極,電子自陽極沿導線流入電源正極，形成閉合回路。5.銅的電解精煉用粗銅作陽極，純銅作陰極,H2SO4酸化的CuSO4作電解質(zhì)溶液。與直流電源相連接，如右圖所示。電極反應(yīng):陽極：Cu—2e—====Cu2+陰極：Cu2++2e—====Cu要點提示在陽極區(qū)，粗銅中的金、銀等活動性較弱的金屬在陽極沉積下來，形成陽極泥。陽極泥中含有較多貴重金屬。辨析比較原電池和電解池裝置原電池電解池能量轉(zhuǎn)化化學能→電能(發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流，作電源)電能→化學能（在電流的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，為用電器）電極正極-—較不活潑，負極--較活潑(電極材料活潑性一定不同）陽極——連電源正極，陰極——連電源負極（電極材料活潑性可以相同，也可以不相同)電極反應(yīng)負極：本身失電子,發(fā)生氧化反應(yīng)正極：溶液中的陽離子(或O2）得電子，發(fā)生還原反應(yīng)陰極：溶液中的陽離子得電子，發(fā)生還原反應(yīng)陽極：①惰性電極（Pt、C)：溶液中的陰離子，發(fā)生氧化反應(yīng)②非惰性電極（如Cu、Fe):本身失電子,發(fā)生氧化反應(yīng)電子流動的方向負極上的電子通過導線流向正極，溶液中的陽離子（或O2)從正極上得到電子電源負極上的電子通過導線流向電解池的陰極，溶液中的陽離子從陰極上得到電子，陰離子在陽極上失電子，陽極上的電子通過導線流向電源正極問題?探究問題1哪種類型的化學反應(yīng)可以設(shè)計成化學電源？中和反應(yīng)能用于設(shè)計化學電源嗎？為什么？探究:自發(fā)的氧化還原反應(yīng)可以設(shè)計成化學電源.氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。有些氧化還原反應(yīng)需要外加電能才能發(fā)生,如電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，這種氧化還原是非自發(fā)的；而有些氧化還原反應(yīng)是自發(fā)性的，如Zn+CuSO4====ZnSO4+Cu，這種自發(fā)的氧化還原反應(yīng)伴隨著化學能的降低，能夠使電子定向移動,使降低的化學能轉(zhuǎn)化為電能時，就形成了化學電源.中和反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，沒有電子的轉(zhuǎn)移，無法產(chǎn)生電流。問題2如何來判斷原電池的電極？兩極的判斷通常有下列依據(jù)：(1）根據(jù)電極金屬的活潑性判斷,較活潑的一極為負極，較不活潑的一極為正極。如:FeCu與CuSO4溶液形成的原電池，F(xiàn)e為負極，Cu為正極。(2)根據(jù)電子流向判斷,電子流出的一極為負極，電子流入的一極為正極。(3)根據(jù)反應(yīng)類型判斷，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的為負極，得電子發(fā)生還原反應(yīng)的為正極。（4）根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象判斷，通常負極會逐漸溶解,正極有氣體析出或固體質(zhì)量增加。問題3鋼鐵生銹的主要原因是什么?探究：不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應(yīng),比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫電化學腐蝕。鋼鐵生銹的主要原因是—-電化學腐蝕。純凈的鐵抗腐蝕能力強，不易被腐蝕，而對于合金鋼來說，在潮濕的空氣中，鋼鐵表面吸附了一層薄薄的水膜，這層水膜中含少量H+、OH—，還溶解了少量O2,結(jié)果在鋼鐵表面形成一層電解質(zhì)溶液，使鋼鐵里的鐵和少量的碳恰好形成無數(shù)微小的原電池。在這些反應(yīng)中，F(xiàn)e是負極，C是正極。電極反應(yīng)式為：析氫腐蝕吸氧腐蝕電解質(zhì)溶液酸性中性或堿性負極反應(yīng)Fe-2e—====Fe2+2Fe—4e-====2Fe2+正極反應(yīng)2H++2e—====H22H2O+O2+4e-====4OH—總反應(yīng)Fe+2H+====Fe2++H22Fe+2H2O+O2====2Fe(OH)24Fe（OH）2+2H2O+O2====4Fe（OH）3典題?熱題例1下圖裝置能夠組成原電池的是()解析：C中蔗糖不是電解質(zhì)，蔗糖溶液不導電，不能構(gòu)成原電池.D中兩燒杯中H2SO4(aq)不連通,不是閉合電路，也不能形成原電池。A、B符合構(gòu)成原電池的條件,能夠形成原電池。答案：AB深化升華原電池構(gòu)成條件有三:①兩個電極，兩種金屬活動性不同的金屬或金屬和其他導電的材料(非金屬或某些氧化物等);②兩電極必須浸在電解質(zhì)溶液中,兩電極之間直接或間接接觸，形成閉合回路。③氧化還原反應(yīng)自發(fā)進行。例2把a、b、c、d四塊金屬浸泡在稀H2SO4中，用導線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時,a為負極；c、d相連時,d極上產(chǎn)生大量氣泡;a、c相連時，c極發(fā)生還原反應(yīng);b、d相連時，電子由d經(jīng)導線流向b，則這四種金屬的活潑性由強到弱為()A。a＞b＞c＞dB。a＞c＞d＞bC。c＞a＞b＞dD.b＞d＞c＞a解析:根據(jù)原電池原理：a、b相連時a為負極,則a＞b;c、d相連時，d極上產(chǎn)生氣泡，則d為正極，c＞d；a、c相連時，c極發(fā)生還原反應(yīng),則c為正極，a＞c；b、d相連時，電子由db，則d為負極，d＞b。綜上所述可得a＞c＞d＞b.答案:B深化升華原電池原理提供了一個判斷金屬活動性的方法。兩種金屬作電極時活潑的金屬作負極，只要判斷出電池的正、負極就能比較出兩種金屬的活動性強弱.原電池兩極的判斷方法：（1）根據(jù)電極金屬的活潑性判斷，較活潑的一極為負極，較不活潑的一極為正極.（2）根據(jù)電子流向判斷，電子流出的一極為負極，電子流入的為正極。(3）根據(jù)反應(yīng)類型判斷，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的為負極,得電子發(fā)生還原反應(yīng)的為正極。（4）根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象判斷，通常負極會逐漸溶解，正極有氣體析出或固體質(zhì)量增加。例3如下圖所示，可形成氫氧燃料電池。通常氫氧燃料電池有酸式(當電解質(zhì)溶液為H2SO4時）和堿式〔當電解質(zhì)溶液為NaOH（aq)或KOH（aq）時〕兩種.試完成下列問題：氫氧燃料電池示意圖(1）酸式電池的電極反應(yīng)：負極____________，正極_____________；電池總反應(yīng)：____________；電解質(zhì)溶液pH的變化_____________(填“變大”“變小”或“不變"）；（2)堿式電池的電極反應(yīng)：負極_____________，正極____________；電池總反應(yīng)：____________;電解質(zhì)溶液pH的變化_____________（填“變大”“變小”或“不變”)。解析：（1)正極上，O2得電子變?yōu)镺2-,溶液中O2-不能單獨存在，酸性條件下與H+結(jié)合生成H2O.負極上，H2失電子變?yōu)镠+,H+進入電解質(zhì)溶液.電池總反應(yīng)為H2在O2中燃燒的反應(yīng)，由于有水生成，溶液將逐漸變稀，故pH增大.(2)正極上，O2得電子變?yōu)镺2—，溶液中O2-不能單獨存在，堿性條件下與H2O分子結(jié)合生成OH-；負極上,H2失去電子變?yōu)镠+，堿性條件下H+不能大量存在，與OH-結(jié)合生成水。電池總反應(yīng)也是H2在O2中的燃燒反應(yīng)。同樣，由于有水生成，c(OH-）變小，pH變小。答案：(1)2H2-4e-====4H+O2+4e-+4H+====2H2O2H2+O2====2H2O變大（2）2H2-4e-+4OH—====4H2OO2+4e-+2H2O====4OH—2H2+O2====2H2O變小深化升華燃料電池所用的介質(zhì)（電解質(zhì)溶液或相當于電解質(zhì)溶液）不同,相應(yīng)的電極反應(yīng)就不同;但無論如何書寫，兩電極反應(yīng)相疊加始終等于燃料的燃燒反應(yīng)。這也是驗證電極反應(yīng)是否正確的一種方法.書寫電極反應(yīng)式時，除了考慮反應(yīng)前后有電子轉(zhuǎn)移的元素的原子得失電子的情況外，還必須考慮這些元素形成的物質(zhì)在溶液中的主要存在形式。例4在原電池和電解池的電極上所發(fā)生的反應(yīng)，同屬氧化反應(yīng)或同屬還原反應(yīng)的是（)A.原電池正極和電解池陽極所發(fā)生的反應(yīng)B。原電池正極和電解池陰極所發(fā)生的反應(yīng)C。原電池負極和電解池陽極所發(fā)生的反應(yīng)D.原電池