2019-2020年高二化學 第3節(jié)：化學能轉化為電能－電池知識精講 魯科版.doc

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2019-2020年高二化學 第3節(jié)：化學能轉化為電能－電池知識精講 魯科版 【本講教育信息】 一. 教學內容： 第3節(jié)：化學能轉化為電能－電池 教學目的： 1. 掌握原電池的工作原理，會寫典型原電池反應。 2. 了解不同類型的化學電源的工作原理。 3. 理解金屬電化學腐蝕的原理和類型。 4. 掌握金屬防護的方法以及金屬的電化學防護原理。 二. 重點、難點： 原電池的工作原理及金屬電化學腐蝕的原理 知識分析： （一）原電池的工作原理 1. 原電池定義：能把化學能轉化為電能的裝置叫做原電池。 2. 原電池工作原理：具有還原性的物質在一個電極上失去電子發(fā)生氧化反應，失去的電子通過導線流向另一電極，在該電極上具有氧化性的物質接受電子發(fā)生還原反應，從而形成電子的定向運動，也就形成了電流。 3. 構成條件：兩個物質條件和兩個關系條件。 兩個物質條件：兩個電極和電解質溶液或熔融狀態(tài)的電解質。 兩個關系條件：兩電極要直接或間接相連，兩電極要同時與同一電解質溶液相接觸。 4. 兩電極的判斷方法 5. 電極反應和電池反應 電極上物質的變化情況以及電子的轉移情況可用電極反應式來表明。在原電池中，氧化反應和還原反應是在兩個電極上分別進行的，每個電極上只發(fā)生一個方向的電子轉移，相當于氧化還原反應的一半，常稱為半反應。這種在電極上進行的半反應叫做電極反應。電極反應總是涉及含有同一元素的不同價態(tài)的兩種物質，一種處于較高價態(tài)，另一種處于較低價態(tài)，通常用單箭頭表示這種有確定電子流向的電極反應。 以Cu- Zn (H2SO4 ) 原電池為例： 負極反應：Zn→ Zn2+ + 2e （氧化反應） 正極反應：2H+ + 2e → H2 ↑（還原反應） 電池總反應：Zn + H2SO4 ＝ZnSO4 + H2 ↑（化學方程式） Zn +2H+ ＝Zn2++H2↑（離子方程式） 6. 閉合電路：具有還原性的物質失去的電子從原電池的負極出發(fā)，通過導線流向原電池的正極，在該電極上具有氧化性的物質獲得電子發(fā)生還原反應。與此同時，根據(jù)在同一閉合回路中同性電荷運動方向相同而異性電荷運動方向相反的規(guī)律，在電解質溶液中，陰離子移向負極，陽離子移向正極，從而在兩部分導體中形成閉合回路，如下圖所示。 （二）化學電源：能作為化學電源的是實用的原電池。 電池有一次性電池、可充電電池和燃料電池等。 1. 一次性電池只能放電不能充電；如鋅錳干電池。 2. 可充電電池也稱為二次電池，可以反復充電、放電、充電時是一個電解池，外加直流電使電池內發(fā)生原電池反應的逆反應，將電能轉化為化學能儲存起來；如鉛蓄電池。 3. 燃料電池并不是通過燃料的直接燃燒來發(fā)電的，而是通過燃料氣體（如氫氣、甲烷、甲醇、乙醇等）與氧氣分別在兩個電極上發(fā)生電極反應，將化學能轉化為電能。燃料電池由于反應產物中只有水，不產生任何污染而備受關注。燃料電池具有能量利用率高、可連續(xù)使用、污染小等優(yōu)點，成為很有發(fā)展前景的一種化學電源。如氫氧燃料電池。 （上述三種電池的實際構造和電極反應式見教材。） （三）金屬的腐蝕和防護 1. 金屬腐蝕的定義：金屬或者合金與周圍接觸到的氣體或液體進行化學反應而腐蝕損耗的過程。 2. 金屬腐蝕的分類： 金屬腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。兩者的異同見下表： 3. 電化腐蝕的分類： 根據(jù)環(huán)境的不同，電化學腐蝕又分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕，兩者的異同見下表（以鐵的腐蝕為例）： 4. 金屬的防護 （1）改善內部結構：如不繡鋼。 （2）加保護層：如油漆、搪瓷、塑料、油脂、凡士林、鍍層（電鍍、熱鍍、噴鍍）致密氧化膜。 （3）電化保護法：犧牲陽極的陰極保護法、外加電源保護法。 （4）金屬腐蝕快慢判斷 電解引起>電化學腐蝕>化學腐蝕>有防護措施的腐蝕。 【典型例題】 例題1. 構成原電池的化學反應必須具備的特點是（ ） A. 氧化還原反應 B. 復分解反應 C. 反應的焓變小于零 D. 反應的焓變大于零 解析：原電池是化學能轉化為電能的裝置，發(fā)生的反應必定是放熱反應，即反應的焓變小于零，只有氧化還原反應才有電子的轉移。 答案：AC 點評：本題考查原電池反應的兩個條件 例題2. 請根據(jù)化學反應Fe +2FeCl3＝3 FeCl2設計一個原電池，并寫出電極反應。 解析：先分析氧化還原反應Fe +2FeCl3＝3FeCl2 ：Fe 發(fā)生了氧化反應，F(xiàn)eCl3 發(fā)生了還原反應；Fe在負極上發(fā)生反應，F(xiàn)eCl3在正極上發(fā)生反應；Fe本身可以充當電極，F(xiàn)eCl3不能充當電極，需找一種惰性電極可以用石墨電極，以FeCl3 溶液做電解質溶液。 答案：負極材料為Fe ，正極材料為石墨 ，電解質溶液為FeCl3 溶液。 點評：原電池的正、負極與電解質溶液的確定要依靠相關概念。 例題3. 堿性電池具有容量大，放電電流大的特點，故得到廣泛應用。鋅錳堿性電池以KOH 溶液為電解液，電池總反應式為： Zn (s)+ 2 MnO2(s) + H2O (1)＝Zn(OH)2(s) + Mn2O3 (s) 下列說法錯誤的是（ ） A. 電池工作時，鋅失去電子 B. 電池正極的電極反應式為：2 MnO2(s)+H2O(1)+2e－→Mn2O3(s)+2OH-(aq) C. 電池工作時，電子由正極通過外電路流向負極 D. 外電路中每通過0.2mol 電子鋅的質量理論上減小6.5g 解析：根據(jù)題意，該電池的負極材料是鋅，電池工作時，鋅本身失去電子而發(fā)生氧化反應，失去的電子通過外電路移向另一極（正極），在該電極上，MnO2 獲得電子發(fā)生還原反應生成Mn2O3：2MnO2++2e－→Mn2O3。從元素守恒的角度來看，左側還多一個氧。一般規(guī)律是：在酸性條件下H+結合氧變?yōu)镠2O ，在堿性或者中性條件下結合水變?yōu)?OH-。正極反應為2MnO2+H2O+2e－→Mn2O3+2OH－。反應中，失去0.2 mol 電子，消耗掉0.1 mol 鋅，質量為6.5g。 答案：C 點評：對原電池的閉合回路要準確理解、正確判斷相關問題。 例題4. 鐵跟下列金屬接觸，能防止空氣和水對鐵腐蝕的是（ ） A. 銅 B. 鋅 C. 錫 D. 鉛 解析：空氣中的氧、二氧化碳等氣體能部分溶于水而形成“電解質溶液”，當兩種金屬互相接觸并同時與這種“電解質溶液”接觸時，便構成原電池。顯然只有當金屬鐵與比鐵活潑的金屬接觸時，才能使較活潑的金屬被氧化，而鐵充當原電池的正極，不參與電極反應，從而防止了空氣和水對鐵的腐蝕，據(jù)金屬活動順序表可知，只有鋅比鐵活潑。 答案：B 點評：金屬的電化學腐蝕嚴重，但我們仍可以利用之“反腐蝕”。 【模擬試題】（答題時間：40分鐘） 一. 選擇題 1. 由銅、鋅和稀硫酸組成的原電池工作時，電解質溶液的氫離子濃度將（ ） A. 不變 B. 先變小后變大 C. 逐漸增大 D. 逐漸變小 2. 把銅和碳棒用導線連接，插入FeCl3溶液中，下列說法正確的是（ ） A. 不形成電流 B. 銅為負極 C. 銅極質量不變 D. 碳棒上發(fā)生氧化反應 3. 鐵在下列情況下腐蝕最快的是（ ） A. 鐵放在海水中 B. 鐵和鋅連接放在水中 C. 鐵和錫連接放在海水中 D. 鐵和錫連接放在淡水中 4. 原電池的正極一定是（ ） A. 化學性質較活潑的金屬 B. 化學性質不活潑的金屬 C. 電子流出的極 D. 電子流入的極 5. 氫氧燃料電池的突出優(yōu)點是把化學能直接轉化為電能，而不經過中間熱能這一形式，已廣泛用于宇宙飛船及潛艇中，其電極反應為： 負極：2H2+4OH－→4H2O + 4e－ 正極：O2+2H2O +4e－→4OH－ 反應所產生的水為飲用水，今欲制得常溫下1L水，則電池內轉移電子的物質的量為 （ ） A. 1.1102mol B. 4.510-2mol C. 8.910-3mol D. 5.6102mol 6. 鉛蓄電池的兩極分別是Pb 、PbO2，電解質溶液為稀硫酸，放電時的反應為Pb ＋PbO2 ＋2H2SO4 =2PbSO4 + 2H2O，下列有關敘述正確的是（ ） A. 鉛為負極被還原 B. 電解質溶液密度不斷減小 C. SO42-只向PbO2 極移動 D. 溶液的pH不斷減小 7. 心臟起搏器中的新型電池Li－I2電池的使用壽命可超過10年，其反應可簡化為2Li + I2=2LiI，下列說法不正確的是（ ） A. 負極的電極反應為Li→Li＋＋e－ B. 該電池以LiI溶液為電解質溶液 C. 該電池以有機碘化物為電解質溶液 D. Li－I2電池是一種高能長效的固體電池 8. 關于犧牲陽極的陰極保護法敘述正確的是（ ） A. 正極就是陽極 B. 負極就是陰極 C. 陽極發(fā)生氧化反應 D. 正極發(fā)生氧化反應 9. 將反應Zn + Br2 =ZnBr2設計成蓄電池，則下列有關說法正確的是（ ） A. 充電時陽極的電極反應是 Zn2＋＋2e－→Zn B. 放電時負極的電極反應是Zn→Zn2+ + 2e－ C. 電解質溶液肯定不能用強堿 D. 電解質溶液可以用強酸 10. 下列事實中不能用電化學原理解釋的是（ ） A. 密封的鐵罐可以盛裝濃硫酸 B. 生鐵比軟鐵芯（幾乎是純鐵）容易生銹 C. 黃銅（銅鋅合金）制作的銅鑼不易產生銅 D. 鐵制器件附有銅質配件在接觸處易生鐵銹 二. 填空題 11. 用銅、銀與硝酸銀設計一個原電池，則此電池的負極是_______，負極的電極式為_______________________。用鋅片、銅片連接后浸入稀硫酸中，構成原電池，工作一段時間，鋅片質量減少了3.25g，則銅片表面析出氫氣的體積為 ________(標準狀況下)，導線中通過電子的物質的量為_________。 12、如圖所示，把鐵片和鋅片放在盛有稀食鹽水和酚酞溶液的混合液中，此裝置中鋅片是_______極，電極反應式為___________________；鐵片是______極，電極反應式為________________________；電解質溶液在______片周圍的溶液先呈紅色。 13. 把a、b、c、d4塊金屬片浸入稀硫酸中，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，電流由d到c；a、c相連時，c上有大量氣泡；b、d相連時，b上有大量氣泡產生，則a、b、c、d四種金屬的活動順序由強到弱為____________。 三. 計算題 14. 鋰電池是新一代高能電池，它以質量輕，能量高而普遍受到重視。目前已研制出了多種鋰電池，某種鋰電池的電池反應為Li +MnO2=LiMnO2,若該鋰電池提供了5.310-5mol電子（其他損耗不計），則消耗正極材料的質量是多少？ 【試題答案】 一. 1. D 2. B 3. C 4. D 5. A 6. B 7. B 8. C 9. AD 10. A 二. 11. Cu ；Cu→Cu2+ +2e－；1.12L；0.1mol。 12. 負；Zn→Zn2+ + 2e－ ；正；2H2O + O2 →40H—；鐵。 13. a>c>d>b 三. 14. 4.610-3g