第2章

化學鍵化學反應規律

第2節

化學反應與能量轉化第2課時化學反應能量轉化的重要應用——化學電池素養目標1.掌握原電池的構成及工作原理,能從微觀角度理解化學能與電能之間是如何轉化的,培養宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。2.能根據原電池工作原理,設計簡單的原電池,培養嚴謹求實的科學探究與創新意識的化學學科核心素養。3.了解常見的化學電池,知道開發高能新型電池的重要性,增強科學態度與社會責任的化學學科核心素養。學習要點一模型:原電池原理模型。三個方向:電子流向、電流流向、離子流向。一個應用:設計原電池。三電源:一次電池、二次電池、燃料電池。知識點一原電池及工作原理基礎落實?必備知識全過關一、原電池及工作原理1.原電池原電池是一種利用

反應將

能直接轉化成

能的裝置。

2.氫氧燃料電池(1)氫氧燃料電池兩電極的反應類型氫氣是

反應物,氫氣分子中氫原子在負極上失電子,氫氣發生

反應;氧氣是

反應物,氧氣分子中氧原子在正極上得電子,氧氣發生

反應。

氧化還原

化學電負極氧化正極還原(2)氫氧燃料電池原理氫氧燃料電池產生電流的原因是在兩個石墨電極上有

能力不同的物質——氫氣和氧氣,當形成

時,便會產生電流。

得失電子閉合回路3.原電池的工作原理(以氫氧燃料電池為例)原電池的基本工作原理是,還原劑和氧化劑分別在兩個不同的區域發生

反應和

反應,并通過能導電的物質形成

產生電流。

負極負極電子正極正極離子氧化還原閉合回路4.原電池的構成條件(1)能自發發生的

反應。

(2)

導體:兩個電極,一般為兩種活動性不同的金屬或金屬和非金屬。

(3)

導體:電解質溶液(或傳導離子的固體)。

(4)構成

。

氧化還原電子離子閉合回路二、原電池正、負極的判斷1.一般方法2.燃料電池正、負極的判斷燃料電池的

極通入的一定是燃料,即還原劑(如可燃性氣體H2),

極通入的一定是氧化劑(如助燃性氣體O2)。

負正特別提醒原電池的兩個電極不一定都是金屬,如石墨可作為原電池的電極,石墨是非金屬。

深度思考原電池工作時“閉合回路”的含義是什么?提示

原電池在工作時,帶電荷的粒子是按照一定的規律,沿一定方向運動的。應當從兩方面掌握,一方面是溶液中的陰離子向負極方向運動,陽離子向正極方向運動。另一方面是電子從負極流向正極,電流從正極流向負極。整個回路中帶同種電荷的粒子沿一個方向在不停地運動,示意圖如下。特別提醒原電池中活動性強的金屬不一定做負極,還需考慮電解質溶液。如Mg、Al和NaOH溶液構成的原電池中,由于Mg不和NaOH反應,雖然金屬活動性Mg>Al,但在該條件下Al做負極。Fe或Al在濃硝酸中鈍化后,內部金屬比Cu等更難反應,所以Cu和Fe或Cu和Al在濃硝酸中形成原電池后,Cu做負極,Fe或Al做正極。正誤判斷(1)原電池是把電能轉化為化學能的裝置。(

)(2)原電池中電流從負極流出,從正極流入。(

)(3)原電池中電子流出的一極是正極,發生氧化反應。(

)(4)原電池中陽離子向正極移動。(

)(5)在鋅-稀硫酸-銅原電池中,電子由鋅通過導線流向銅,再由銅通過電解質溶液流向鋅。(

)×××√×重難突破?能力素養全提升探究角度1

原電池工作原理及正、負極的判斷例題(2024河北滄州高一期中)利用下列裝置和表中物質(M和N的形狀、大小完全一致)組合能產生持續電流,且鋁發生氧化反應的是(

)選項MNPAAlAl稀硫酸BAl石墨濃硫酸CAlMgNaOH溶液DAlFe酒精C解析

M、N兩個電極相同,不能構成原電池,不能產生持續電流,A錯誤;常溫下,Al遇濃硫酸發生鈍化,不能產生持續電流,B錯誤;Al能與NaOH溶液發生氧化還原反應,Mg不能與NaOH溶液反應,能形成原電池產生持續電流,且Al做負極,發生氧化反應,C正確;酒精是非電解質,不導電,不能構成原電池,不能產生持續電流,D錯誤。思維建模

原電池的判斷方法——“四看”

【變式設問】下圖是某同學設計的兩個實驗裝置。甲、乙兩個裝置能不能構成原電池?若能,銅片分別是原電池的正極還是負極?若不能,請說明原因。提示

甲、乙兩個裝置都能構成原電池。甲中銅片做正極,乙中銅片做負極。[對點訓練](2024湖南衡陽三校高一聯考)某化學興趣小組設計了如圖所示的裝置,下列說法正確的是(

)A.實驗過程中,銅棒會逐漸變粗B.電子由銅棒流出,經過濾紙條進入甲池C.濾紙條上的K+移向甲池D.甲、乙兩池中溶液互換后,乙池中的銅棒無明顯現象C解析

銅與氯化鐵發生氧化還原反應,銅是負極反應物、氯化鐵是正極反應物。銅棒做負極,被氧化生成Cu2+,銅棒會逐漸變細,故A錯誤;電子不能在溶液中流動,電子由銅棒流出,經導線流入石墨棒,故B錯誤;原電池中陽離子移向正極,銅棒做負極、石墨棒做正極,濾紙條上的K+移向甲池,故C正確;甲、乙兩池中溶液互換后,銅直接與FeCl3溶液發生反應2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,銅棒會變細,故D錯誤。知識點二設計簡單的原電池基礎落實?必備知識全過關一、設計簡單的原電池1.利用反應Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑設計原電池設計思路及依據實驗裝置實驗現象氧化還原反應:Zn+2H+===Zn2++H2↑鋅片逐漸

,有少量氣泡產生

確定負極負極反應物:

負極材料:

確定正極正極反應物:

銅片上產生大量

正極材料:

構成閉合回路離子導體:

電子導體:

電流表指針發生

鋅

鋅片溶解氫離子銅片氣泡稀硫酸導線偏轉2.工作原理分析(1)分析裝置圖并填空。(2)原電池總反應式:

。

負極氧化反應Zn-2e-===Zn2+正極還原反應2H++2e-===H2↑

Zn+2H+===Zn2++H2↑(3)粒子流向①電子流向(外電路):負極→

→

。電流方向與電子流向相反。

②離子流向(內電路):離子導體中陰離子向

移動,陽離子向

移動。

電子只能在導線上移動,不能進入溶液,即“電子不下水”“離子不上岸”。

導線

正極負極正極二、發展中的化學電源1.干電池(屬于一次電池)(1)特點:放電之后不能充電。(2)實例:鋅錳干電池。鋅鋅碳棒氯化銨、氯化鋅2.充電電池(又稱二次電池)(1)特點:放電時所進行的氧化還原反應,在充電時可以逆向進行,使電池恢復到放電前的狀態。(2)實例:鉛蓄電池、鋰離子電池。3.燃料電池(1)優點:能量轉換效率高,能長時間提供電能等。(2)實例以30%的KOH溶液為電解質溶液的氫氧燃料電池的電極反應如下。負極反應:

。

正極反應:

。

總反應:

。

2H2-4e-+4OH-===4H2O

O2+4e-+2H2O===4OH-

2H2+O2===2H2O三、原電池原理的應用

知識拓展鋰離子電池鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態,放電時則相反。名師點撥燃料電池電極反應式的書寫第一步:寫出燃料電池的總反應式。第二步:寫出電池的正極反應式。根據燃料電池的特點,一般在正極上發生還原反應的物質是O2,隨著電解質溶液的不同,其電極反應式有所不同,大致有以下四種情況:(1)酸性電解質溶液O2+4H++4e-===2H2O;(2)堿性電解質溶液O2+2H2O+4e-===4OH-;(3)固體電解質(高溫下能傳導O2-)O2+4e-===2O2-;(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環境下第三步:根據電池總反應式和正極反應式,寫出負極反應式。電池總反應式-正極反應式=負極反應式。因為O2不是負極反應物,因此兩個反應式相減時要徹底消除O2。正誤判斷(1)所有的化學反應都可以設計成原電池。(

)(2)原電池中,一定是還原劑做負極材料。(

)(3)原電池正極上發生還原反應。(

)(4)在原電池中,還原劑做負極反應物,一定和離子導體發生反應。(

)(5)燃料電池的能量轉換效率高,在電池工作中,只將化學能轉化成電能。(

)××√××重難突破?能力素養全提升探究角度1

原電池原理的應用例1(2024河南南陽高一期中)根據題中提供的信息,請回答下列問題。(1)學習原電池原理后,小江同學根據反應2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+設計了一個原電池并得到老師的肯定,則小江同學選用的負極材料是

,正極材料可能是

(填一種)。

Cu

石墨(2)小河同學設計了如圖所示的原電池,利用不同的電解質溶液進行實驗。

①當以稀硫酸作為電解質溶液時,電流表指針發生了偏轉,請寫出負極的電極反應式:

。

②當以NaOH溶液作為電解質溶液時,電流表指針也發生了偏轉,若負極失去1mol電子,理論上負極減少的質量為

g。

Mg-2e-===Mg2+9解析

(1)根據反應2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,可知銅失電子,做負極,故負極材料為Cu,正極材料活潑性小于Cu,可選石墨做正極。(2)若以稀硫酸作為電解質溶液,Mg做負極,負極的電極反應式為Mg-2e-===Mg2+;若以NaOH溶液作為電解質溶液,Al做負極,則負極電極反應式為Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-,若負極失去1

mol電子,理論上負極減少的質量為

mol×27

g·mol-1=9

g。思維建模

設計原電池的基本思路[對點訓練1]某原電池的總反應為Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+,下列能實現該反應的原電池是(

)選項ABCD電極材料Cu、ZnCu、CFe、ZnCu、Ag電解質溶液FeCl3溶液Fe(NO3)2溶液CuSO4溶液Fe2(SO4)3溶液D解析

由該原電池的總反應知,Cu為負極材料,則正極材料的金屬活動性要小于Cu,其中B、D項符合該條件;由Fe3+得電子生成Fe2+知,電解質溶液中必須含有Fe3+,則同時符合上述兩個條件的只有D項。探究角度2

化學電源例2(2024湖北武漢高一期中)化學電源在生產、生活中有著廣泛的應用,同學們常常通過設計實驗和查閱資料的方式學習化學電源的相關知識。(1)甲同學為了解化學反應中的能量轉化,設計了一組對比實驗(實驗裝置如圖Ⅰ和圖Ⅱ)。預計產生氣體的速率Ⅰ

(填“>”“<”或“=”)Ⅱ。

(2)下列反應能通過原電池實現化學能直接轉化為電能的是

(填序號)。

①2H2+O2===2H2O

②Fe+Cu2+===Fe2++Cu

③CaO+H2O===Ca(OH)2<①②(3)CH4和O2組合形成的質子交換膜燃料電池的結構如下圖。

①電極c的電極反應式為

。

②若電路中轉移2mol電子,則該燃料電池理論上消耗的O2在標準狀況下的體積為

L。

CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+11.2(4)某原電池裝置初始狀態如圖所示,質子交換膜兩側的溶液體積均為2L,該電池總反應為

,當電路中轉移1mol電子時,共有

mol離子通過交換膜,交換膜右側溶液中c(HCl)=__________

mol·L-1(忽略溶液體積變化和Cl2溶于水)。

2Ag+Cl2===2AgCl1

1.5解析

(1)形成原電池可以加快化學反應速率,所以產生氣體的速率Ⅰ<Ⅱ。(2)自發的氧化還原反應可以設計為原電池,故①②符合題意。(3)①電極c為負極,電極反應式為CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+。②正極電極反應式為O2+4e-+4H+===2H2O,則若電路中轉移2

mol電子,消耗0.5

mol

O2,在標準狀況下的體積為11.2

L。(4)由圖可知,通入氯氣的一極為正極,Ag為負極,該電池總反應為2Ag+Cl2===2AgCl;當電路中轉移1

mol電子時,溶液中轉移1

mol的電荷,交換膜為質子交換膜,所以有1

mol的氫離子從左側通過交換膜移動到右側;當電路中轉移1

mol電子時,右側氫離子與氯離子都增加1

mol,則右側溶液中HCl的物質的量為2

L×1

mol·L-1+1

mol=3

mol,則c(HCl)==1.5

mol·L-1。【變式設問】(1)鉛蓄電池屬于二次電池,某鉛蓄電池放電時的總反應為Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。請依據原電池工作原理分析該電池的組成和工作原理。(2)負極鉛失電子,會導致負極質量減小嗎?提示

該電池的組成:負極為鉛,正極為二氧化鉛。電解質溶液為稀硫酸。工作原理:負極鉛失去電子生成PbSO4,正極二氧化鉛得到電子生成PbSO4,導線為電子導體,稀硫酸為離子導體,形成閉合回路。提示

鉛失電子生成硫酸鉛,質量增大。

[對點訓練2]化學電源在日常生活和高科技領域中都有廣泛應用,下列說法錯誤的是(

)A.甲:正極的電極反應式為Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-B.乙:鋅筒既是負極材料,又是負極反應物C.丙:正極反應為O2+4e-+4H+===2H2OD.丁:放電時H+移向Cu電極,所以Cu電極附近溶液中H+濃度增大D解析

甲裝置中氧化銀做正極,正極的電極反應式為Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-,A正確;乙裝置中鋅失去電子,做負極,因此鋅筒既是負極材料,又是負極反應物,B正確;丙裝置中電解質溶液顯酸性,其正極反應為O2+4e-+4H+===2H2O,C正確;丁裝置中鋅做負極,銅做正極,氫離子在正極得電子生成氫氣,因此銅電極附近溶液中氫離子濃度減小,D錯誤。隨堂檢測

全達標1234題組1原電池工作原理1.(2024廣東東莞高級中學高一段考)下列有關電池的敘述正確的是(

)A.鋰離子電池是一種一次電池B.原電池中的電極一定要由兩種不同的金屬組成C.原電池中發生氧化反應的電極是負極D.原電池放電時化學能全部轉化為電能C解析

鋰離子電池可反復充電,是一種二次電池,故A錯誤;原電池中的電極可以是金屬,也可以是導電的非金屬,故B錯誤;原電池中發生氧化反應的電極失電子,是負極,故C正確;原電池放電時化學能主要轉化為電能,故D錯誤。12342.(2024河北石家莊二中高一期中)某化學興趣小組設計了一個如圖所示的水果電池,下列有關該電池的說法正確的是(

)A.鋅片做正極B.電子流向:鋅片→導線→LED燈→銅片→檸檬→鋅片C.銅片上發生還原反應,質量一定增加D.水果種類會影響LED燈的亮度D解析

鋅的活潑性大于銅,所以鋅做負極,A錯誤;電子不能經過內電路電解質溶液進行移動,B錯誤;銅片做正極,發生還原反應,但正極無金屬析出,故銅片質量不變,C錯誤;水果種類不同,水果中所含電解質濃度不同,導電能力不同,會影響LED燈的亮度,D正確。1234題組2原電池原理的應用3.最早使用的化學電源是鋅錳電池,其結構如下圖所示。一般認為,放電時,電池中的反應如下:E極:2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-F極:Zn+2NH4Cl-2e-===Zn(NH3)2Cl2+2H+總反應式:2MnO2+Zn+2NH4Cl===2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2下列說法正確的是(

)A.E極是電池的正極,發生的是氧化反應B.F極是電池的負極,發生的是氧化反應C.從結構上分析,鋅錳電池應屬于可充電電池D.鋅錳電池內部發生的氧化還原反應是可逆的B1234解析

E極是電池的正極,發生的是還原反應,A錯;F極是電池的負極,發生的是氧化反應,B對;從結構上分析,鋅錳電池應屬于一次電池,C錯;鋅錳電池內部發生的氧化還原反應是不可逆的,因為它是一次電池,D錯。12344.(2024山東海陽一中月考)原電池是將化學能轉化為電能的裝置。

Ⅰ.a為銅片,b為鐵片,燒杯中是稀硫酸。(1)當開關K斷開時,產生的現象為

;當開關K閉合時,產生的現象為

。

A.a不斷溶解 B.b不斷溶解C.a上產生氣泡 D.b上產生氣泡 E.溶液逐漸變藍BDBC1234(2)閉合開關K,反應一段時間后斷開開關K,經過一段時間后,下列敘述不正確的是

。

A.溶液中H+濃度減小B1234Ⅱ.(3)FeCl3溶液常用于腐蝕印刷電路銅板,反應過程的離子方程式為

,若將此反應設計成原電池,該原電池負極反應為