化学反应中能量转化的重要应用-化学电源 讲义 高一下学期化学鲁科版（2019）必修第二册

第2课时化学反应能量转化的重要应用——化学电池学习目标1．能从宏观和微观相结合的角度认识化学电池的构成条件、原理、本质。2．通过了解新型电池的用途，体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性，增强社会责任感。【知识回顾】1.化学反应的实质是旧化学键断裂和新化学键形成。化学键断裂和形成伴随着能量的变化。旧化学键的断裂需要吸收能量，新化学键的形成会释放能量。2.吸收热量的化学反应叫做吸热反应。3.释放热量的化学反应叫做放热反应。4.从化学键的角度分析（微观角度分析）放热反应：断裂化学键吸收的能量＜形成化学键释放的能量吸热反应：断裂化学键吸收的能量＞形成化学键释放的能量5.从物质内部能量的角度分析（宏观角度分析）放热反应：反应物的总能量＞生成物的总能量吸热反应：反应物的总能量＜生成物的总能量6.人们常常利用化学反应将化学能转化为热能、电能等其他形式的能量，用于生产、生活和科研。【导入】伏特是意大利帕维亚大学的研究电学的物理学家。有一天，伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文，说动物肌肉里贮存着电，可以用金属接触肌肉把电引出来。看了这篇论文，伏特非常兴奋，便决定亲自来做这个实验。他用许多只活青蛙反复实验，终于发现，实际情况并不像加伐尼所说的那样，而是两种不同的金属接触产生的电流，才使蛙腿的肌肉充电而收缩。为了证明自己的发现是正确的，伏特决定更深入地了解电的来源。为了纪念他的贡献，人们把电压的计量单位叫做伏特，简称伏，符号V。比如我们手电筒里的电池的电压是1.5伏特，我们家里的电灯的电压是220伏特。（各种各样的电池）现在，化学电池已成为人类生产和生活的重要能量来源之一，各式各样的化学电池的发明也是化学科学对人类的一个重大贡献。化学电池是根据原电池原理制成的。原电池是一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。那么，原电池是由哪些部分组成的?原电池中各部分的作用是什么?带着问题我们观看视频一、原电池的构造【视频播放】初识燃料电池在图b所示装置中，氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行。其中，氢气分子中的氢原子在左侧石墨电极上失去电子，氢气作为电池的负极反应物；氧气分子中的氧原子在右侧石墨电极上得到电子，氧气作为电池的正极反应物。稀硫酸中存在的自由移动的离子起到传导电荷的作用，导线起到传导电子的作用。由于在两个石墨电极上有得失电子能力不同的物质-氢气和氧气，当形成闭合回路时候，便能产生电流，使得化学能转化成电能。【总结】1、工作原理：还原剂和氧化剂分别在两个不同区域发生氧化反应和还原反应，并通过能导电物质形成闭合回路产生电流。其中，还原剂在负极上失去电子，是负极反应物；氧化剂在正极上得到电子，是正极反应物；电极材料通常是能够导电的固体。此外，还要有能够传导电荷的电解质作为离子导体；而导线则作为电子导体，起到传导电子形成闭合回路的作用。

2、原电池构成要素【即时练习】1．下列各装置能构成原电池的是()2．如图所示装置中，观察到电流表指针偏转(指针顺着电流方向偏转)，M变粗，N变细，由此判断下表中所列M、N、P三种物质，其中可以成立的是()MNPA锌铜稀硫酸B铜铁稀盐酸C银锌硝酸银溶液D锌铁硝酸铁溶液1、答案C解析A项，只有一个电极，所以该装置不能构成原电池，错误；B项，该装置没有构成闭合回路，所以不能构成原电池，错误；C项，该装置符合原电池的构成条件，能构成原电池，正确；D项，酒精不是电解质溶液，所以不能构成原电池，错误。2、答案C解析该原电池中M变粗，N变细，说明发生原电池反应时N溶解，N做负极，溶液中有金属析出附着在M上，M做正极。A、B两项中，电解质溶液分别为稀硫酸和稀盐酸，原电池工作时，不会有金属析出，不符合题意；C项，正极反应为Ag＋＋e－=Ag，符合题意；而D项，锌比铁活泼，故M做负极，变细，不符合题意。【巩固提升】1．判断正误(1)原电池是把电能转化为化学能的装置()(2)原电池中电流从负极流出，从正极流入()(3)原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应()(4)原电池中阳离子向正极移动()(5)在锌-稀硫酸-铜原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液到达锌()2．下列装置能构成原电池的是()3．如图为某课外小组自制的氢氧燃料电池，a、b均为石墨。下列叙述不正确的是()A．a电极是负极，该电极上发生氧化反应B．总反应式为2H2＋O2=2H2OC．b极反应是O2＋4H＋＋4e－=2H2OD．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源【答案】1．判断正误答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×2．答案C解析A装置中酒精不是电解质，不能构成原电池，错误；B装置中两电极活泼性相同，且没有自发的氧化还原反应，不能构成原电池，错误；C装置中铁为负极，铜为正极，硫酸铜溶液为电解质溶液，有自发的氧化还原反应，形成了闭合回路，可构成原电池，正确；D装置未形成闭合回路，不能构成原电池装置，错误。3．答案C解析a电极通入氢气，是负极，电极上发生氧化反应，故A正确；负极反应为2H2－4e－＋4OH－=4H2O，正极反应为O2＋4e－＋2H2O=4OH－，电池总反应为2H2＋O2=2H2O，故B正确、C不正确；氢氧燃料电池的产物是水，无污染，是一种具有应用前景的绿色电源，故D正确。【重点突破】一、原电池正负极的判断(2)燃料电池正、负极的判断燃料电池的负极通入的一定是燃料，即还原剂(如可燃性气体)，正极通入的一定是氧化剂(如助燃性气体O2)。二、误区警示误区一误认为原电池的负极材料一定参加反应有些原电池的负极材料不参加反应，如燃料电池。在燃料电池中，电极材料均不发生反应，故两极均可用惰性材料。误区二误认为在原电池中相对活泼的金属一定做负极，相对不活泼的金属一定做正极在判断原电池正、负极时，既要考虑金属活动性的相对强弱，也要考虑电解质溶液的性质。如Mg－Al－HCl溶液构成的原电池中，Mg为负极；但Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al为负极，Mg为正极；Cu－Al(Fe)－浓硝酸构成的原电池中，Cu为负极。误区三误认为电子由原电池负极流出，流到原电池正极，再通过电解质溶液到达原电池负极电子不能通过电解质溶液，电解质溶液中靠阴、阳离子的定向移动形成闭合回路。误区四误认为氧化还原反应都可以设计成原电池只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，非自发的氧化还原反应不能设计成原电池。误区五原电池工作时，负极材料质量一定减轻大多数原电池反应负极材料质量减轻，但也有可能质量不变或质量增加。二、设计原电池问题：如何把一个氧化还原反应设计成原电池呢？【活动·探究】设计一个简单的原电池实验目的利用所给用品设计装置并进行实验，将下列反应所释放的能量转化为电能。Zn+2H+===Zn2++H2↑实验用品锌片，铜片，石墨棒，稀硫酸，稀盐酸；烧杯，导线，电流表，开关。方法导引实验方案设计与实施设计思路及依据实验装置实验现象Zn+2H+====Zn2++H2↑确定负极选择负极反应物:选择负极材料:确定正极选择正极反应物:选择正极材料:________构成闭合回路选择离子导体:_________选择电子导体:【答案展示】【思考】1.分析锌、铜、稀硫酸原电池的工作原理。2.锌片、铜片与稀硫酸，哪些可以替换为其他物质却同样能产生电流？1.工作原理锌原子失去电子被氧化成Zn2+进入溶液，反应式为Zn-2e-===Zn2+锌片上的电子通过导线流向铜片，溶液中的阳离子移向正极铜片，在铜片上得电子而被还原形成氢分子逸出，反应式为2H++2e-==H2↑。电解质溶液中阴离子离子移向负极锌片。2.可以用石墨、活动性比锌弱得金属替换铜片，用稀盐酸替换稀硫酸。【总结】原电池正负极材料和离子导体的选择【迁移运用】根据原电池原理和设计思路利用反应2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋，设计一个能产生电流的装置并画出简单的装置示意图，标明电极材料及电极名称。可选用品：铜片、锌片、铁片、石墨棒、NaCl溶液、FeCl3溶液、FeCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、导线、滤纸、烧杯、电流表。(1)负极反应物可选择____________，负极反应式：____________，负极材料为________。(2)正极反应物可选择_______，正极反应式：___________________，正极材料为___________________________________________。(3)离子导体可选择_________________________________________，电子导体可选择______。(4)画出实验装置示意图。答案(1)铁片Fe－2e－=Fe2＋铁片(2)FeCl3溶液[或Fe2(SO4)3溶液]2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋石墨棒(或铜片)(3)FeCl3溶液[或Fe2(SO4)3溶液]导线(4)【题后归纳】(1)不是只有金属才能作原电池的负极。理论上说任何氧化还原反应都有电子得失，所以除了金属能作原电池的负极外，能发生氧化还原反应的非金属，也有可能作负极。(2)正极材料最好选择不与正极反应物和离子导体发生反应且能导电的固体。(3)金属K、Na、Ca活泼性强，不作原电池电极。(4)原电池中电极不一定参加化学反应，如氢氧燃料电池中电极不参加反应。三、原电池原理的应用1.加快氧化还原反应速率(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的微粒运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。(2)应用：实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制备H2，常用粗锌。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。用Zn和稀H2SO4制取H2时也可以滴入几滴CuSO4溶液，原因是Zn与置换出的Cu构成原电池，加快了反应的进行。2.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，活动性弱的金属作正极。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.金属的防护轮船外壳上镶嵌锌块，在海水中形成原电池，锌作负极失去电子，保护铁不被腐蚀。4.设计原电池设计原电池的基本思路步骤一：确定一个自发的氧化还原反应的还原剂和氧化剂，还原剂做负极反应物，氧化剂做正极反应物，把氧化还原反应分为两个半反应。步骤二：选择两极材料，正极材料最好选择不与正极反应物和离子导体发生反应且导电的固体，如金属铜、石墨等。步骤三：选择离子导体(电解质溶液)和电子导体(导线)，并形成闭合回路。如图：【当堂练习】由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。装置现象二价金属A不断溶解C的质量增加A上有气体产生根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是。(2)装置乙中正极的电极反应式是。(3)装置丙中溶液的pH变化是。(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是。四、发展中的化学电源

1.干电池——一次电池

①特点：放电之后不能充电。

②实例：锌锰干电池。

2.充电电池——二次电池

①特点：放电时所进行的氧化还原反应，充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。

②实例：铅蓄电池，锂离子电池。

3.燃料电池

①特点：燃料的利用率高、能量转换效率高，能长时间提供电能等。

②实例

以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电