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人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化教课课件ppt
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这是一份人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化教课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了答案C，答案D，答案B等内容，欢迎下载使用。
一、化学能转化为电能1.燃煤发电的能量转化。
(2) 燃烧 (氧化还原反应)是使化学能间接转换为电能的关键。
微训练1下列关于各种形式的能量相互转化途径的叙述错误的是( )。A.家庭液化气灶将化学能转变为热能B.灯泡将电能全部转变为光能C.光合作用将光能转变为化学能D.太阳能电池将太阳能转变为电能答案:B解析:灯泡除了将电能转变为光能之外,还转变为热能等其他形式的能量。
2.原电池。(1)实验探究。
(2)原电池的定义:把 化学 能转化为 电 能的装置。 (3)锌铜原电池的工作原理。
电池总反应:Zn+2H+══Zn2++H2↑。(4)反应本质:原电池反应的本质是 氧化还原反应 。
(5)原电池的构成要素。理论上,自发的 氧化还原反应 均可设计成原电池。 ①两个 活动性不同的金属 (或一个为金属,一个为能 导电 的非金属)电极。 ②具有 电解质 溶液。 ③形成 闭合回路 。
微判断(1)原电池中电子从负极经过溶液移向正极。( )(2)负极失去电子发生氧化反应。( )(3)盐酸与氢氧化钠溶液混合放热,故可以设计成原电池。( )(4)锌-铜-稀硫酸原电池中,将铜换成石墨棒也能产生电流。( )(5)原电池中阳离子移向正极。( )
二、发展中的化学电池1.一次电池。电池放电后 不能 再充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),这种电池属于一次电池。 锌锰电池—
电子由锌筒(填电极材料,下同)流向石墨棒。锌逐渐消耗,二氧化锰不断被还原。
2.二次电池。(1)定义:电池放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以 逆向 进行,使电池恢复到放电前的状态,从而实现放电(化学能转化为电能)与充电(电能转化为化学能)的循环。这种充电电池属于二次电池。 (2)常见的充电电池:①铅酸蓄电池;②镍氢电池;③锂离子电池。
3.燃料电池。(1)定义:将 燃料 (如氢气、甲烷、乙醇)和 氧化剂 (如氧气)的 化学能 直接转化为 电能 的电化学反应装置。 (2)特点:①清洁、安全、高效;②反应物从外部提供;③能量转化率可以超过80%。
微训练2下列几种化学电池中,不属于可充电电池的是( )。A.碱性锌锰电池B.锂离子电池C.铅酸蓄电池D.镍氢电池答案:A解析:碱性锌锰电池属于一次电池,不属于可充电电池,A项符合题意;锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢电池属于可充电电池,B、C、D三项不符合题意。
一 化学能转化为电能
问题探究据报道,野外生存达人用柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池能引燃易燃物用于野外生火。某同学受到启发自己动手制作了一个这样的“柠檬电池”。
(1)该“柠檬电池”的正、负极分别是什么?铜片、石墨棒、柠檬能不能形成原电池?提示:该电池的负极是锌片,正极是铜片。不可以。原电池的电极材料是活泼性不同的金属或能导电的非金属,同时负极金属要与电解质溶液能发生自发的氧化还原反应。
(2)氧化还原反应的规律之一是得失电子守恒。原电池工作时,负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系?为什么?提示:相等。原电池中,负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,根据氧化还原反应中电子守恒规律知,正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。
(3)观察该“柠檬电池”的反应现象,判断原电池工作时,电子和离子的移动方向。提示:该“柠檬电池”中,负极锌片变薄,正极铜片上有气泡产生。原电池工作时,电子是由负极经过导线移向正极;在原电池内部电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
重难归纳1.原电池的工作原理。
原电池总反应式:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(1)两反应:正极发生还原反应;负极发生氧化反应。(2)三方向。①电流方向:正极→负极。②电子流动方向(导线中):负极→正极。③离子移动方向(电解质溶液中):阳离子→正极;阴离子→负极。
2.原电池的构成条件。
3.原电池正、负极的“常用”判断方法。
特别提醒(1)在判断原电池正、负极时,既要考虑金属活动性的强弱也要考虑电解质溶液的性质。如由镁、铝、稀盐酸构成的原电池中,负极为Mg;但是由镁、铝、氢氧化钠溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。 (2)燃料电池放电时,正、负极的质量都不变;铅酸蓄电池放电时,正、负极的质量都增加,正极上PbO2→PbSO4,负极上Pb→PbSO4。
典例剖析【例1】在如图所示装置中,观察到电流表指针发生偏转,M棒变粗,N棒变细,P为电解质溶液。由此判断下列M、N、P所代表的物质符合上述情况的是( )。
解析:该装置是原电池,M棒变粗,则M棒作正极,有金属单质析出;N棒变细,则N棒作负极,失电子溶解。A项、B项中电解质是酸,M棒上无金属单质析出,不符合题意;C项,锌、银、硝酸银溶液构成原电池,锌是负极,M棒上有银析出,符合题意;D项,电解质溶液中的Fe3+得到电子转化为Fe2+,不能析出金属,不符合题意。
学以致用1.如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是( )。A.电子由铜电极通过导线流向锌电极B.该装置可实现电能转化为化学能C.锌电极发生氧化反应D.电流由锌电极通过导线流向铜电极答案:C
解析:A项,铜作正极,锌作负极,因此电子由锌电极通过导线流向铜电极,错误;B项,该装置将化学能转化为电能,错误;C项,锌作负极失去电子,发生氧化反应,正确;D项,电子流向与电流的方向相反,因此电流由铜电极通过导线流向锌电极,错误。
2.如图是锌铜原电池,某同学做完实验后,在读书卡片上做了如下记录,该卡片上的描述不合理的是( )。
①Zn为负极,Cu为正极②H+向负极移动③电子流动方向:从Zn经外电路流向Cu④Cu极上有H2产生⑤若有1 ml电子流过导线,则产生的H2为0.5 ml⑥负极的电极反应式为Zn+2e-══Zn2+
A.①②③B.③④⑤C.④⑤⑥D.②③④
二 原电池原理的应用
问题探究印刷电路是把导体图形用印制手段蚀刻或感光在一块绝缘基板上,是使电子元件互相连接的一种电子电路。可以使用自动绘图仪迅速地把导体图形直接描绘在玻璃上制版,然后印刷出来。印刷电路使电子设备的批量生产变得简单易行。其中蚀刻反应原理是利用氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+溶解去除不需要的铜。
(1)能否将蚀刻反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计成原电池?若能,电极材料和电解质溶液可分别是什么?写出电极反应式。
提示:能。设计原电池时,注意电解质溶液一般要能够与负极发生反应(或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应,如空气中的氧气)。一般选择活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属或能导电的惰性电极材料(如石墨)作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化,氧化性物质在正极上得到电子被还原。根据氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计原电池时,应用铜片作负极,可以用石墨作正极,硫酸铁溶液作电解质溶液,负极反应式是Cu-2e-═Cu2+,正极反应式是2Fe3++2e-═2Fe2+。
(2)能否根据(1)设计的原电池比较金属铁和铜的活动性?如何根据原电池原理比较金属的活动性强弱?提示:不能,因为该电池的正极材料是石墨,负极材料铜与电解质溶液发生反应。在两极都是金属电极的原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。如有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,由原电池原理可知,金属活动性A>B。
(3)现有如图所示装置。
甲、乙两个装置中,产生H2的位置有什么不同?能量转化形式有什么不同?哪个装置中产生H2的反应速率更大?为什么?
提示:装置甲中Zn棒表面产生H2,化学能转化为热能。装置乙中Cu棒表面产生H2,化学能转化为电能。装置乙产生H2的反应速率更大。装置甲中,氧化反应和还原反应都在Zn表面进行,生成的Zn2+越来越多,使H+越来越难靠近Zn表面得电子。装置乙构成了原电池,氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行,Zn失去的电子沿导线聚集在Cu棒上,溶液中H+非常容易靠近Cu表面得电子生成H2,因此装置乙中反应速率更大。
重难归纳1.比较金属的活动性强弱。原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或能导电的非金属)作正极。如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入酸溶液中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以断定金属活动性顺序A>B。
2.加快化学反应。由于形成了原电池,导致反应加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成锌铜原电池,加快反应进行。3.用于金属的防护。使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如,要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
4.设计制作化学电池。设计原电池时要明确原电池的构成要素。(1)首先要分析氧化还原反应中的氧化反应和还原反应(两个半反应)。(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料(一般来说负极是失电子的物质,正极用比负极活动性差的金属或导电的非金属,如石墨)及电解质溶液。以Fe+Cu2+═Fe2++Cu为例说明:
典例剖析【例2】有a、b、c、d四个金属电极,有关的反应装置及部分实验现象如下表所示。
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )。A.a>b>c>dB.b>c>d>aC.d>a>b>cD.a>b>d>c答案:C解析:由装置①中a极质量减小,b极质量增加可知,a是负极,b是正极,活动性a>b;由装置②中c极有气体产生,b极质量减小可知,b是负极,c是正极,活动性b>c;由装置③中d极溶解,c极有气体产生,得d是负极,c是正极,活动性d>c;由装置④中电流从a极流向d极可知,a是正极,d是负极,活动性d>a;由上可得活动性:d>a>b>c,C项正确。
学以致用3.利用化学反应Fe+CuSO4═FeSO4+Cu,可以设计一种原电池。下列说法不正确的是( )。A.负极只能用铁作电极B.正极只能用铜作电极C.电解质溶液应选用CuSO4溶液D.溶液中阴、阳离子定向移动产生电流答案:B
解析:根据Fe+CuSO4═FeSO4+Cu及金属活动性顺序,铁比铜活泼,结合原电池原理,负极应选铁作电极,正极可以用铜或其他比铁活动性差的金属或石墨作电极,A项正确、B项错误;电解质溶液只能选用CuSO4溶液,外电路中电子在导线中定向移动形成电流,而溶液中阴、阳离子定向移动产生电流,C项、D项正确。
4.有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,A极为负极;②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,电流由D流向C;③A、C相连后,同时浸入稀硫酸中,C极产生大量气泡;④B、D相连后,同时浸入稀硫酸中,D极发生氧化反应。据此,判断四种金属的活动性顺序是( )。A.A>B>C>DB.A>C>D>BC.C>A>B>DD.B>D>C>A答案:B
解析:活动性不同的两种金属与稀硫酸组成原电池,活泼金属为负极,失去电子发生氧化反应,较不活泼的金属为正极,H+在正极表面得到电子生成H2,电子移动方向由负极→正极,电流方向则由正极→负极。在题述原电池中,A-B原电池,A为负极;C-D原电池,C为负极;A-C原电池,A为负极;B-D原电池,D为负极。综上可知,金属活动性:A>C>D>B。
三 发展中的化学电池
问题探究铅酸蓄电池是由法国人普兰特在1860年发明创制的。1873年,直流发电机问世,铅酸蓄电池有了可靠的电源,逐步走向实用化。1882年,科学家发现了铅酸蓄电池充放电循环的基本原理和工艺路线。1883年,人们掌握了铅酸蓄电池充电、放电的反应:PbO2+Pb+2H2SO4═2PbSO4+2H2O。1886年,科学家发明了极板的制作方法。1970年以后,铅酸蓄电池得到广泛应用。
汽车用铅酸蓄电池和手机、笔记本电脑使用的锂离子电池都是二次电池,可以进行充电与放电的循环。
(1)二次电池在充电和放电时,能量是如何转化的?提示:放电时是化学能转化为电能,充电时是电能转化为化学能。(2)碱性锌锰电池是二次电池吗?相对于普通锌锰电池来讲,碱性锌锰电池有什么优点?提示:不是。碱性锌锰电池是一次电池,将普通锌锰电池中的NH4Cl换成了湿的KOH,这样可延长电池的寿命和提高其性能。
(3)燃料电池是绿色清洁电池,其能量是如何转化的?写出氢氧燃料电池反应的化学方程式,由此分析两极反应物分别是什么?氢氧燃料电池是否属于二次电池?提示:燃料电池直接将化学能转化为电能。在反应2H2+O2═2H2O中,氢元素的化合价由0价升高为+1价,氧元素的化合价由0价降低为-2价,H2发生氧化反应,O2发生还原反应,H2为负极反应物,O2为正极反应物。氢氧燃料电池不属于二次电池。
重难归纳几种电池的特点:
典例剖析【例3】下列有关电池的叙述不正确的是( )。A.水果电池是方便实用的家用电池B.铅酸蓄电池是一种常用的二次电池C.氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置D.锌锰干电池工作一段时间后,锌外壳可能会破损,漏出糊状物答案:A
解析:水果电池产生的电流非常微弱且不能长时间连续放电,不能作为家用电池;铅酸蓄电池是一种常用的二次电池;氢氧燃料电池产物为水,无污染;锌锰干电池工作时,Zn放电被消耗,电池工作一段时间后锌外壳可能会破损而漏出NH4Cl糊。
学以致用5.下列关于化学电源的说法正确的是( )。A.干电池放电之后还能再充电B.充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能C.充电电池可以无限制地反复放电、充电D.氢氧燃料电池是一种环境友好型电池答案:D
解析:A项,干电池是一次电池,放电之后不能再充电,错误;B项,充电电池在放电时将化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,错误;C项,充电电池不能无限制地反复放电、充电,错误;D项,氢氧燃料电池的生成物是水,是一种环境友好型电池,正确。
6.锌银电池是一种常见的化学电源,其反应原理为Zn+Ag2O+H2O══Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是( )。A.K+向正极移动B.Ag2O电极发生还原反应C.Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-══Zn(OH)2D.放电前后电解质溶液的碱性保持不变答案:D
解析:根据总反应,锌失电子发生氧化反应,所以锌电极是负极,Ag2O电极是正极,阳离子向正极移动,A项正确;Ag2O电极是正极,正极发生还原反应,B项正确;Zn电极是负极,负极失电子发生氧化反应,Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-═ Zn(OH)2,C项正确;根据总反应Zn+Ag2O+H2O═Zn(OH)2 +2Ag可知,放电过程消耗水,氢氧化钾浓度增大,碱性增强,D项错误。
方法指南原电池中负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,电解质溶液是通过阳离子向正极移动、阴离子向负极移动而导电,溶液中没有电子的移动。
四 常见化学电源电极反应式的书写
问题探究氢气被看作是理想的“绿色能源”。用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池是利用氢能的一种重要方式(装置如图所示)。
(1)请写出氢氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)的电极反应式。负极:__________________________________; 正极:__________________________________。 提示:H2+2OH--2e-═2H2OO2+2H2O+4e-═4OH-
(2)氢氧燃料电池往往以KOH溶液或硫酸溶液作电解质溶液,两种电解质溶液工作时溶液的pH如何变化?提示:以氢气为燃料时,产物为水,故碱性环境中pH减小,酸性环境中pH增大。(3)若碱性锌锰电池总反应式为Zn+2MnO2+2H2O═ 2MnOOH+Zn(OH)2,则正极反应式是什么?提示:MnO2+H2O+e-═MnOOH+OH-。分析负极变化,写出负极电极反应式,总反应式减去负极反应式即得正极反应式。
重难归纳1.电极反应式书写的一般步骤。
2.已知总反应式,书写电极反应式。(1)书写步骤。①步骤一:写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。②步骤二:找出正、负极,发生失电子反应的电极为负极;确定溶液的酸碱性。③步骤三:写电极反应式。负极反应:还原剂-ne-══氧化产物正极反应:氧化剂+ne-══还原产物
(2)复杂电极反应式的书写:复杂电极的电极反应式=总反应式-较简单电极的电极反应式(3)根据给出的两个电极反应式,写总反应式的方法。已知两个电极反应式,使两个电极反应得、失电子数相等后,将两式相加,消去相同的化学式即可得出总反应式。
特别提醒(1)电极反应式的书写:酸性条件下可用H+和H2O配平;碱性条件下可用OH-和H2O配平。(2)书写电极反应式时,除了考虑反应前后粒子的得失电子情况,还必须考虑粒子在溶液中的主要存在形式。(3)正、负极的电极反应式要保持电荷守恒。
3.氢氧燃料电池电极反应式。
典例剖析【例4】 Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和石墨棒,电解质溶液是LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2═4LiCl+S+SO2↑。请回答下列问题:(1)电池的负极材料为 ,发生的电极反应为 。 (2)电池正极发生的电极反应为 。
(3)SOCl2易挥发,实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2,生成Na2SO3和NaCl。如果把少量水滴到SOCl2中,实验现象是 ,反应的化学方程式为 。 (4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是 。
答案:(1)Li Li-e-═Li+(2)2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2↑(3)出现白雾,有刺激性气味的气体生成SOCl2+H2O═SO2↑+2HCl↑(4)电极材料Li能与氧气、水反应,且SOCl2也能与水反应
解析:分析参加反应的物质的化合价变化,可得Li为还原剂,SOCl2为氧化剂。(1)负极材料为Li,发生反应:Li-e-═Li+。(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到: 2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2↑。(3)题中给出了用碱液吸收时的产物,则没有用碱液而改用滴加水时的产物应为SO2和HCl,所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。(4)因为电极材料Li能与氧气、水反应,且SOCl2也能与水反应,因此该电池必须在无水、无氧的条件下进行。
学以致用7.燃料电池是一种新型电池,它主要利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能。碱性介质的氢氧燃料电池的电极反应式为X极:O2(g)+2H2O(l)+4e-═4OH-;Y极:H2(g)+2OH--2e-═2H2O(l)。下列说法正确的是( )。A.X是负极B.Y是正极C.Y极上发生还原反应D.Y极上发生氧化反应
解析:由电极反应式可知,X极上发生得到电子的还原反应,是原电池的正极;Y极上发生失去电子的氧化反应,是原电池的负极。
解析:此题考查了原电池的基本原理,包括燃料电池的电极反应、总反应及电解质溶液中离子的移动等相关知识点。通过分析,③反应条件是点燃,显然是错误的,其余各项均正确。
1.下列装置中,能构成原电池的是( )。
A.只有甲B.只有乙C.只有丙D.除乙均可以答案:C解析:甲装置没有构成闭合回路,乙装置两极材料相同,丁装置中酒精不是电解质,只有丙装置具备原电池的构成条件。
2.某科学探究小组为探究电化学原理,设计了如图所示的装置进行探究实验。下列对实验中观察到的现象或相关结论的叙述错误的是( )。A.a和b不连接时,该装置不能形成原电池,铁片上有紫红色的铜析出B.a和b用导线连接时,铜片为负极,发生的反应为Cu2++2e-══CuC.无论a和b是否连接,铁片均会被氧化,溶液中均有Fe2+生成D.a和b用导线连接时,溶液中的Cu2+向铜电极移动
解析:a和b不连接时,没有形成闭合回路,没有构成原电池,Fe与CuSO4发生化学反应,铁把铜置换出来,A项正确;导线连接后,构成原电池,铁比铜活泼,铁作负极,发生的反应为Fe-2e-═Fe2+,B项错误;根据选项A、B分析可知,无论a和b是否连接,铁片均会被氧化,溶液中均有Fe2+生成,C项正确;构成原电池时,铜作正极,阳离子向正极移动,D项正确。
3.X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X和Y与稀硫酸组成原电池时,Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为( )。A.X>Y>ZB.X>Z>YC.Y>X>ZD.Y>Z>X答案:C解析:根据原电池原理,一般负极的金属比正极活泼,可知Y>X,根据金属活动性顺序和置换反应原理,可知X>Z,故有Y>X>Z。
4.选用下列试剂和电极:Fe2(SO4)3溶液、铁棒、铜棒、铂棒,组成如图所示的原电池装置,观察到电流表的指针明显偏转,则构成原电池的可能组合共有( )。A.6种B.5种C.4种D.3种答案:D
解析:铁棒作负极时,正极可以是铜棒或铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有2种组合;铜棒作负极时,正极只能是铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有1种组合。因此,能构成原电池的组合有3种。
5.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)与氧气(或空气)发生反应将化学能转化为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法不正确的是( )。A.正极反应式:O2+2H2O+4e-═4OH-B.负极反应式:CH4+8OH--8e-═CO2+6H2OC.放电时,溶液中的氢氧根离子浓度减小D.放电时溶液中的阴离子向负极移动答案:B
6.现有如下两个反应。A.NaOH+HCl═NaCl+H2O B.Cu+2Ag+═2Ag+Cu2+(1)根据以上两个反应的本质,判断能否用于设计成原电池?若不能,请说明原因: 。 (2)请利用能设计为原电池的反应设计一个原电池,写出正、负极材料,电极反应式,电极反应类型以及电解质溶液。负极: , , 。 正极: , , 。 电解质溶液: 。
一、化学能转化为电能1.燃煤发电的能量转化。
(2) 燃烧 (氧化还原反应)是使化学能间接转换为电能的关键。
微训练1下列关于各种形式的能量相互转化途径的叙述错误的是( )。A.家庭液化气灶将化学能转变为热能B.灯泡将电能全部转变为光能C.光合作用将光能转变为化学能D.太阳能电池将太阳能转变为电能答案:B解析:灯泡除了将电能转变为光能之外,还转变为热能等其他形式的能量。
2.原电池。(1)实验探究。
(2)原电池的定义:把 化学 能转化为 电 能的装置。 (3)锌铜原电池的工作原理。
电池总反应:Zn+2H+══Zn2++H2↑。(4)反应本质:原电池反应的本质是 氧化还原反应 。
(5)原电池的构成要素。理论上,自发的 氧化还原反应 均可设计成原电池。 ①两个 活动性不同的金属 (或一个为金属,一个为能 导电 的非金属)电极。 ②具有 电解质 溶液。 ③形成 闭合回路 。
微判断(1)原电池中电子从负极经过溶液移向正极。( )(2)负极失去电子发生氧化反应。( )(3)盐酸与氢氧化钠溶液混合放热,故可以设计成原电池。( )(4)锌-铜-稀硫酸原电池中,将铜换成石墨棒也能产生电流。( )(5)原电池中阳离子移向正极。( )
二、发展中的化学电池1.一次电池。电池放电后 不能 再充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),这种电池属于一次电池。 锌锰电池—
电子由锌筒(填电极材料,下同)流向石墨棒。锌逐渐消耗,二氧化锰不断被还原。
2.二次电池。(1)定义:电池放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以 逆向 进行,使电池恢复到放电前的状态,从而实现放电(化学能转化为电能)与充电(电能转化为化学能)的循环。这种充电电池属于二次电池。 (2)常见的充电电池:①铅酸蓄电池;②镍氢电池;③锂离子电池。
3.燃料电池。(1)定义:将 燃料 (如氢气、甲烷、乙醇)和 氧化剂 (如氧气)的 化学能 直接转化为 电能 的电化学反应装置。 (2)特点:①清洁、安全、高效;②反应物从外部提供;③能量转化率可以超过80%。
微训练2下列几种化学电池中,不属于可充电电池的是( )。A.碱性锌锰电池B.锂离子电池C.铅酸蓄电池D.镍氢电池答案:A解析:碱性锌锰电池属于一次电池,不属于可充电电池,A项符合题意;锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢电池属于可充电电池,B、C、D三项不符合题意。
一 化学能转化为电能
问题探究据报道,野外生存达人用柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池能引燃易燃物用于野外生火。某同学受到启发自己动手制作了一个这样的“柠檬电池”。
(1)该“柠檬电池”的正、负极分别是什么?铜片、石墨棒、柠檬能不能形成原电池?提示:该电池的负极是锌片,正极是铜片。不可以。原电池的电极材料是活泼性不同的金属或能导电的非金属,同时负极金属要与电解质溶液能发生自发的氧化还原反应。
(2)氧化还原反应的规律之一是得失电子守恒。原电池工作时,负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系?为什么?提示:相等。原电池中,负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,根据氧化还原反应中电子守恒规律知,正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。
(3)观察该“柠檬电池”的反应现象,判断原电池工作时,电子和离子的移动方向。提示:该“柠檬电池”中,负极锌片变薄,正极铜片上有气泡产生。原电池工作时,电子是由负极经过导线移向正极;在原电池内部电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
重难归纳1.原电池的工作原理。
原电池总反应式:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(1)两反应:正极发生还原反应;负极发生氧化反应。(2)三方向。①电流方向:正极→负极。②电子流动方向(导线中):负极→正极。③离子移动方向(电解质溶液中):阳离子→正极;阴离子→负极。
2.原电池的构成条件。
3.原电池正、负极的“常用”判断方法。
特别提醒(1)在判断原电池正、负极时,既要考虑金属活动性的强弱也要考虑电解质溶液的性质。如由镁、铝、稀盐酸构成的原电池中,负极为Mg;但是由镁、铝、氢氧化钠溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。 (2)燃料电池放电时,正、负极的质量都不变;铅酸蓄电池放电时,正、负极的质量都增加,正极上PbO2→PbSO4,负极上Pb→PbSO4。
典例剖析【例1】在如图所示装置中,观察到电流表指针发生偏转,M棒变粗,N棒变细,P为电解质溶液。由此判断下列M、N、P所代表的物质符合上述情况的是( )。
解析:该装置是原电池,M棒变粗,则M棒作正极,有金属单质析出;N棒变细,则N棒作负极,失电子溶解。A项、B项中电解质是酸,M棒上无金属单质析出,不符合题意;C项,锌、银、硝酸银溶液构成原电池,锌是负极,M棒上有银析出,符合题意;D项,电解质溶液中的Fe3+得到电子转化为Fe2+,不能析出金属,不符合题意。
学以致用1.如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是( )。A.电子由铜电极通过导线流向锌电极B.该装置可实现电能转化为化学能C.锌电极发生氧化反应D.电流由锌电极通过导线流向铜电极答案:C
解析:A项,铜作正极,锌作负极,因此电子由锌电极通过导线流向铜电极,错误;B项,该装置将化学能转化为电能,错误;C项,锌作负极失去电子,发生氧化反应,正确;D项,电子流向与电流的方向相反,因此电流由铜电极通过导线流向锌电极,错误。
2.如图是锌铜原电池,某同学做完实验后,在读书卡片上做了如下记录,该卡片上的描述不合理的是( )。
①Zn为负极,Cu为正极②H+向负极移动③电子流动方向:从Zn经外电路流向Cu④Cu极上有H2产生⑤若有1 ml电子流过导线,则产生的H2为0.5 ml⑥负极的电极反应式为Zn+2e-══Zn2+
A.①②③B.③④⑤C.④⑤⑥D.②③④
二 原电池原理的应用
问题探究印刷电路是把导体图形用印制手段蚀刻或感光在一块绝缘基板上,是使电子元件互相连接的一种电子电路。可以使用自动绘图仪迅速地把导体图形直接描绘在玻璃上制版,然后印刷出来。印刷电路使电子设备的批量生产变得简单易行。其中蚀刻反应原理是利用氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+溶解去除不需要的铜。
(1)能否将蚀刻反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计成原电池?若能,电极材料和电解质溶液可分别是什么?写出电极反应式。
提示:能。设计原电池时,注意电解质溶液一般要能够与负极发生反应(或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应,如空气中的氧气)。一般选择活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属或能导电的惰性电极材料(如石墨)作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化,氧化性物质在正极上得到电子被还原。根据氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计原电池时,应用铜片作负极,可以用石墨作正极,硫酸铁溶液作电解质溶液,负极反应式是Cu-2e-═Cu2+,正极反应式是2Fe3++2e-═2Fe2+。
(2)能否根据(1)设计的原电池比较金属铁和铜的活动性?如何根据原电池原理比较金属的活动性强弱?提示:不能,因为该电池的正极材料是石墨,负极材料铜与电解质溶液发生反应。在两极都是金属电极的原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。如有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,由原电池原理可知,金属活动性A>B。
(3)现有如图所示装置。
甲、乙两个装置中,产生H2的位置有什么不同?能量转化形式有什么不同?哪个装置中产生H2的反应速率更大?为什么?
提示:装置甲中Zn棒表面产生H2,化学能转化为热能。装置乙中Cu棒表面产生H2,化学能转化为电能。装置乙产生H2的反应速率更大。装置甲中,氧化反应和还原反应都在Zn表面进行,生成的Zn2+越来越多,使H+越来越难靠近Zn表面得电子。装置乙构成了原电池,氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行,Zn失去的电子沿导线聚集在Cu棒上,溶液中H+非常容易靠近Cu表面得电子生成H2,因此装置乙中反应速率更大。
重难归纳1.比较金属的活动性强弱。原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或能导电的非金属)作正极。如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入酸溶液中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以断定金属活动性顺序A>B。
2.加快化学反应。由于形成了原电池,导致反应加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成锌铜原电池,加快反应进行。3.用于金属的防护。使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如,要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
4.设计制作化学电池。设计原电池时要明确原电池的构成要素。(1)首先要分析氧化还原反应中的氧化反应和还原反应(两个半反应)。(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料(一般来说负极是失电子的物质,正极用比负极活动性差的金属或导电的非金属,如石墨)及电解质溶液。以Fe+Cu2+═Fe2++Cu为例说明:
典例剖析【例2】有a、b、c、d四个金属电极,有关的反应装置及部分实验现象如下表所示。
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )。A.a>b>c>dB.b>c>d>aC.d>a>b>cD.a>b>d>c答案:C解析:由装置①中a极质量减小,b极质量增加可知,a是负极,b是正极,活动性a>b;由装置②中c极有气体产生,b极质量减小可知,b是负极,c是正极,活动性b>c;由装置③中d极溶解,c极有气体产生,得d是负极,c是正极,活动性d>c;由装置④中电流从a极流向d极可知,a是正极,d是负极,活动性d>a;由上可得活动性:d>a>b>c,C项正确。
学以致用3.利用化学反应Fe+CuSO4═FeSO4+Cu,可以设计一种原电池。下列说法不正确的是( )。A.负极只能用铁作电极B.正极只能用铜作电极C.电解质溶液应选用CuSO4溶液D.溶液中阴、阳离子定向移动产生电流答案:B
解析:根据Fe+CuSO4═FeSO4+Cu及金属活动性顺序,铁比铜活泼,结合原电池原理,负极应选铁作电极,正极可以用铜或其他比铁活动性差的金属或石墨作电极,A项正确、B项错误;电解质溶液只能选用CuSO4溶液,外电路中电子在导线中定向移动形成电流,而溶液中阴、阳离子定向移动产生电流,C项、D项正确。
4.有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,A极为负极;②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,电流由D流向C;③A、C相连后,同时浸入稀硫酸中,C极产生大量气泡;④B、D相连后,同时浸入稀硫酸中,D极发生氧化反应。据此,判断四种金属的活动性顺序是( )。A.A>B>C>DB.A>C>D>BC.C>A>B>DD.B>D>C>A答案:B
解析:活动性不同的两种金属与稀硫酸组成原电池,活泼金属为负极,失去电子发生氧化反应,较不活泼的金属为正极,H+在正极表面得到电子生成H2,电子移动方向由负极→正极,电流方向则由正极→负极。在题述原电池中,A-B原电池,A为负极;C-D原电池,C为负极;A-C原电池,A为负极;B-D原电池,D为负极。综上可知,金属活动性:A>C>D>B。
三 发展中的化学电池
问题探究铅酸蓄电池是由法国人普兰特在1860年发明创制的。1873年,直流发电机问世,铅酸蓄电池有了可靠的电源,逐步走向实用化。1882年,科学家发现了铅酸蓄电池充放电循环的基本原理和工艺路线。1883年,人们掌握了铅酸蓄电池充电、放电的反应:PbO2+Pb+2H2SO4═2PbSO4+2H2O。1886年,科学家发明了极板的制作方法。1970年以后,铅酸蓄电池得到广泛应用。
汽车用铅酸蓄电池和手机、笔记本电脑使用的锂离子电池都是二次电池,可以进行充电与放电的循环。
(1)二次电池在充电和放电时,能量是如何转化的?提示:放电时是化学能转化为电能,充电时是电能转化为化学能。(2)碱性锌锰电池是二次电池吗?相对于普通锌锰电池来讲,碱性锌锰电池有什么优点?提示:不是。碱性锌锰电池是一次电池,将普通锌锰电池中的NH4Cl换成了湿的KOH,这样可延长电池的寿命和提高其性能。
(3)燃料电池是绿色清洁电池,其能量是如何转化的?写出氢氧燃料电池反应的化学方程式,由此分析两极反应物分别是什么?氢氧燃料电池是否属于二次电池?提示:燃料电池直接将化学能转化为电能。在反应2H2+O2═2H2O中,氢元素的化合价由0价升高为+1价,氧元素的化合价由0价降低为-2价,H2发生氧化反应,O2发生还原反应,H2为负极反应物,O2为正极反应物。氢氧燃料电池不属于二次电池。
重难归纳几种电池的特点:
典例剖析【例3】下列有关电池的叙述不正确的是( )。A.水果电池是方便实用的家用电池B.铅酸蓄电池是一种常用的二次电池C.氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置D.锌锰干电池工作一段时间后,锌外壳可能会破损,漏出糊状物答案:A
解析:水果电池产生的电流非常微弱且不能长时间连续放电,不能作为家用电池;铅酸蓄电池是一种常用的二次电池;氢氧燃料电池产物为水,无污染;锌锰干电池工作时,Zn放电被消耗,电池工作一段时间后锌外壳可能会破损而漏出NH4Cl糊。
学以致用5.下列关于化学电源的说法正确的是( )。A.干电池放电之后还能再充电B.充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能C.充电电池可以无限制地反复放电、充电D.氢氧燃料电池是一种环境友好型电池答案:D
解析:A项,干电池是一次电池,放电之后不能再充电,错误;B项,充电电池在放电时将化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,错误;C项,充电电池不能无限制地反复放电、充电,错误;D项,氢氧燃料电池的生成物是水,是一种环境友好型电池,正确。
6.锌银电池是一种常见的化学电源,其反应原理为Zn+Ag2O+H2O══Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是( )。A.K+向正极移动B.Ag2O电极发生还原反应C.Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-══Zn(OH)2D.放电前后电解质溶液的碱性保持不变答案:D
解析:根据总反应,锌失电子发生氧化反应,所以锌电极是负极,Ag2O电极是正极,阳离子向正极移动,A项正确;Ag2O电极是正极,正极发生还原反应,B项正确;Zn电极是负极,负极失电子发生氧化反应,Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-═ Zn(OH)2,C项正确;根据总反应Zn+Ag2O+H2O═Zn(OH)2 +2Ag可知,放电过程消耗水,氢氧化钾浓度增大,碱性增强,D项错误。
方法指南原电池中负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,电解质溶液是通过阳离子向正极移动、阴离子向负极移动而导电,溶液中没有电子的移动。
四 常见化学电源电极反应式的书写
问题探究氢气被看作是理想的“绿色能源”。用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池是利用氢能的一种重要方式(装置如图所示)。
(1)请写出氢氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)的电极反应式。负极:__________________________________; 正极:__________________________________。 提示:H2+2OH--2e-═2H2OO2+2H2O+4e-═4OH-
(2)氢氧燃料电池往往以KOH溶液或硫酸溶液作电解质溶液,两种电解质溶液工作时溶液的pH如何变化?提示:以氢气为燃料时,产物为水,故碱性环境中pH减小,酸性环境中pH增大。(3)若碱性锌锰电池总反应式为Zn+2MnO2+2H2O═ 2MnOOH+Zn(OH)2,则正极反应式是什么?提示:MnO2+H2O+e-═MnOOH+OH-。分析负极变化,写出负极电极反应式,总反应式减去负极反应式即得正极反应式。
重难归纳1.电极反应式书写的一般步骤。
2.已知总反应式,书写电极反应式。(1)书写步骤。①步骤一:写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。②步骤二:找出正、负极,发生失电子反应的电极为负极;确定溶液的酸碱性。③步骤三:写电极反应式。负极反应:还原剂-ne-══氧化产物正极反应:氧化剂+ne-══还原产物
(2)复杂电极反应式的书写:复杂电极的电极反应式=总反应式-较简单电极的电极反应式(3)根据给出的两个电极反应式,写总反应式的方法。已知两个电极反应式,使两个电极反应得、失电子数相等后,将两式相加,消去相同的化学式即可得出总反应式。
特别提醒(1)电极反应式的书写:酸性条件下可用H+和H2O配平;碱性条件下可用OH-和H2O配平。(2)书写电极反应式时,除了考虑反应前后粒子的得失电子情况,还必须考虑粒子在溶液中的主要存在形式。(3)正、负极的电极反应式要保持电荷守恒。
3.氢氧燃料电池电极反应式。
典例剖析【例4】 Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和石墨棒,电解质溶液是LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2═4LiCl+S+SO2↑。请回答下列问题:(1)电池的负极材料为 ,发生的电极反应为 。 (2)电池正极发生的电极反应为 。
(3)SOCl2易挥发,实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2,生成Na2SO3和NaCl。如果把少量水滴到SOCl2中,实验现象是 ,反应的化学方程式为 。 (4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是 。
答案:(1)Li Li-e-═Li+(2)2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2↑(3)出现白雾,有刺激性气味的气体生成SOCl2+H2O═SO2↑+2HCl↑(4)电极材料Li能与氧气、水反应,且SOCl2也能与水反应
解析:分析参加反应的物质的化合价变化,可得Li为还原剂,SOCl2为氧化剂。(1)负极材料为Li,发生反应:Li-e-═Li+。(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到: 2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2↑。(3)题中给出了用碱液吸收时的产物,则没有用碱液而改用滴加水时的产物应为SO2和HCl,所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。(4)因为电极材料Li能与氧气、水反应,且SOCl2也能与水反应,因此该电池必须在无水、无氧的条件下进行。
学以致用7.燃料电池是一种新型电池,它主要利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能。碱性介质的氢氧燃料电池的电极反应式为X极:O2(g)+2H2O(l)+4e-═4OH-;Y极:H2(g)+2OH--2e-═2H2O(l)。下列说法正确的是( )。A.X是负极B.Y是正极C.Y极上发生还原反应D.Y极上发生氧化反应
解析:由电极反应式可知,X极上发生得到电子的还原反应,是原电池的正极;Y极上发生失去电子的氧化反应,是原电池的负极。
解析:此题考查了原电池的基本原理,包括燃料电池的电极反应、总反应及电解质溶液中离子的移动等相关知识点。通过分析,③反应条件是点燃,显然是错误的,其余各项均正确。
1.下列装置中,能构成原电池的是( )。
A.只有甲B.只有乙C.只有丙D.除乙均可以答案:C解析:甲装置没有构成闭合回路,乙装置两极材料相同,丁装置中酒精不是电解质,只有丙装置具备原电池的构成条件。
2.某科学探究小组为探究电化学原理,设计了如图所示的装置进行探究实验。下列对实验中观察到的现象或相关结论的叙述错误的是( )。A.a和b不连接时,该装置不能形成原电池,铁片上有紫红色的铜析出B.a和b用导线连接时,铜片为负极,发生的反应为Cu2++2e-══CuC.无论a和b是否连接,铁片均会被氧化,溶液中均有Fe2+生成D.a和b用导线连接时,溶液中的Cu2+向铜电极移动
解析:a和b不连接时,没有形成闭合回路,没有构成原电池,Fe与CuSO4发生化学反应,铁把铜置换出来,A项正确;导线连接后,构成原电池,铁比铜活泼,铁作负极,发生的反应为Fe-2e-═Fe2+,B项错误;根据选项A、B分析可知,无论a和b是否连接,铁片均会被氧化,溶液中均有Fe2+生成,C项正确;构成原电池时,铜作正极,阳离子向正极移动,D项正确。
3.X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X和Y与稀硫酸组成原电池时,Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为( )。A.X>Y>ZB.X>Z>YC.Y>X>ZD.Y>Z>X答案:C解析:根据原电池原理,一般负极的金属比正极活泼,可知Y>X,根据金属活动性顺序和置换反应原理,可知X>Z,故有Y>X>Z。
4.选用下列试剂和电极:Fe2(SO4)3溶液、铁棒、铜棒、铂棒,组成如图所示的原电池装置,观察到电流表的指针明显偏转,则构成原电池的可能组合共有( )。A.6种B.5种C.4种D.3种答案:D
解析:铁棒作负极时,正极可以是铜棒或铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有2种组合;铜棒作负极时,正极只能是铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有1种组合。因此,能构成原电池的组合有3种。
5.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)与氧气(或空气)发生反应将化学能转化为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法不正确的是( )。A.正极反应式:O2+2H2O+4e-═4OH-B.负极反应式:CH4+8OH--8e-═CO2+6H2OC.放电时,溶液中的氢氧根离子浓度减小D.放电时溶液中的阴离子向负极移动答案:B
6.现有如下两个反应。A.NaOH+HCl═NaCl+H2O B.Cu+2Ag+═2Ag+Cu2+(1)根据以上两个反应的本质,判断能否用于设计成原电池?若不能,请说明原因: 。 (2)请利用能设计为原电池的反应设计一个原电池,写出正、负极材料,电极反应式,电极反应类型以及电解质溶液。负极: , , 。 正极: , , 。 电解质溶液: 。
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