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1、2022年高二化學(xué) 第3節(jié)：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能－電池知識精講 魯科版 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容： 第3節(jié)：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能－電池 教學(xué)目的： 1. 掌握原電池的工作原理，會寫典型原電池反應(yīng)。 2. 了解不同類型的化學(xué)電源的工作原理。 3. 理解金屬電化學(xué)腐蝕的原理和類型。 4. 掌握金屬防護(hù)的方法以及金屬的電化學(xué)防護(hù)原理。 二. 重點(diǎn)、難點(diǎn)： 原電池的工作原理及金屬電化學(xué)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(xué)能轉(zhuǎn)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(zhì)在一

2、個電極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，失去的電子通過導(dǎo)線流向另一電極，在該電極上具有氧化性的物質(zhì)接受電子發(fā)生還原反應(yīng)，從而形成電子的定向運(yùn)動，也就形成了電流。 3. 構(gòu)成條件：兩個物質(zhì)條件和兩個關(guān)系條件。 兩個物質(zhì)條件：兩個電極和電解質(zhì)溶液或熔融狀態(tài)的電解質(zhì)。 兩個關(guān)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(zhì)溶液相接觸。 4. 兩電極的判斷方法 5. 電極反應(yīng)和電池反應(yīng) 電極上物質(zhì)的變化情況以及電子的轉(zhuǎn)移情況可用電極反應(yīng)式來表明。在原電池中，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是在兩個電極上分別進(jìn)行的，每個電極上只發(fā)生一個方向的電子轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于氧化還原反應(yīng)的一半，常稱

3、為半反應(yīng)。這種在電極上進(jìn)行的半反應(yīng)叫做電極反應(yīng)。電極反應(yīng)總是涉及含有同一元素的不同價態(tài)的兩種物質(zhì)，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(yīng)。 以Cu- Zn (H2SO4 ) 原電池為例： 負(fù)極反應(yīng)：Zn→ Zn2+ + 2e （氧化反應(yīng)） 正極反應(yīng)：2H+ + 2e → H2 ↑（還原反應(yīng)） 電池總反應(yīng)：Zn + H2SO4 ＝ZnSO4 + H2 ↑（化學(xué)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(zhì)失去的電子從原電池的負(fù)極出發(fā)，通過導(dǎo)線流向原電池的正極

4、，在該電極上具有氧化性的物質(zhì)獲得電子發(fā)生還原反應(yīng)。與此同時，根據(jù)在同一閉合回路中同性電荷運(yùn)動方向相同而異性電荷運(yùn)動方向相反的規(guī)律，在電解質(zhì)溶液中，陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極，從而在兩部分導(dǎo)體中形成閉合回路，如下圖所示。 （二）化學(xué)電源：能作為化學(xué)電源的是實(shí)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(fù)充電、放電、充電時是一個電解池，外加直流電使電池內(nèi)發(fā)生原電池反應(yīng)的逆反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)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

5、，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(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池由于反應(yīng)產(chǎn)物中只有水，不產(chǎn)生任何污染而備受關(guān)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(diǎn)，成為很有發(fā)展前景的一種化學(xué)電源。如氫氧燃料電池。 （上述三種電池的實(shí)際構(gòu)造和電極反應(yīng)式見教材。） （三）金屬的腐蝕和防護(hù) 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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)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(xué)腐蝕和電化學(xué)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(xué)腐蝕又分為

6、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(hù) （1）改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)：如不繡鋼。 （2）加保護(hù)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(hù)法：犧牲陽極的陰極保護(hù)法、外加電源保護(hù)法。 （4）金屬腐蝕快慢判斷 電解引起>電化學(xué)腐蝕>化學(xué)腐蝕>有防護(hù)措施的腐蝕。 【典型例題】 例題1. 構(gòu)成原電池的化學(xué)反應(yīng)必須具備的特點(diǎn)是（ ） A. 氧化還原反應(yīng) B. 復(fù)分解反應(yīng) C. 反應(yīng)的焓變小于零 D. 反應(yīng)的焓變大于零 解

7、析：原電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，發(fā)生的反應(yīng)必定是放熱反應(yīng)，即反應(yīng)的焓變小于零，只有氧化還原反應(yīng)才有電子的轉(zhuǎn)移。 答案：AC 點(diǎn)評：本題考查原電池反應(yīng)的兩個條件 例題2. 請根據(jù)化學(xué)反應(yīng)Fe +2FeCl3＝3 FeCl2設(shè)計(jì)一個原電池，并寫出電極反應(yīng)。 解析：先分析氧化還原反應(yīng)Fe +2FeCl3＝3FeCl2 ：Fe 發(fā)生了氧化反應(yīng)，F(xiàn)eCl3 發(fā)生了還原反應(yīng)；Fe在負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)，F(xiàn)eCl3在正極上發(fā)生反應(yīng)；Fe本身可以充當(dāng)電極，F(xiàn)eCl3不能充當(dāng)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(zhì)溶液。 答案：負(fù)極材

8、料為Fe ，正極材料為石墨 ，電解質(zhì)溶液為FeCl3 溶液。 點(diǎn)評：原電池的正、負(fù)極與電解質(zhì)溶液的確定要依靠相關(guān)概念。 例題3. 堿性電池具有容量大，放電電流大的特點(diǎn)，故得到廣泛應(yīng)用。鋅錳堿性電池以KOH 溶液為電解液，電池總反應(yīng)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(yīng)式為：2 MnO2(s)+H2O(1)+2e－→Mn2O3(s)+2OH-(aq) C. 電池工作時，

9、電子由正極通過外電路流向負(fù)極 D. 外電路中每通過0.2mol 電子鋅的質(zhì)量理論上減小6.5g 解析：根據(jù)題意，該電池的負(fù)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(yīng)，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(yīng)生成Mn2O3：2MnO2++2e－→Mn2O3。從元素守恒的角度來看，左側(cè)還多一個氧。一般規(guī)律是：在酸性條件下H+結(jié)合氧變?yōu)镠2O ，在堿性或者中性條件下結(jié)合水變?yōu)?OH-。正極反應(yīng)為2MnO2+H2O+2e－→Mn2O3+2OH－。反應(yīng)中，失去0.2 mol 電子，消耗掉0.1 mol 鋅，質(zhì)量為6.5g。

10、 答案：C 點(diǎn)評：對原電池的閉合回路要準(zhǔn)確理解、正確判斷相關(guān)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(zhì)溶液”，當(dāng)兩種金屬互相接觸并同時與這種“電解質(zhì)溶液”接觸時，便構(gòu)成原電池。顯然只有當(dāng)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(dāng)原電池的正極，不參與電極反應(yīng)，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

11、 點(diǎn)評：金屬的電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重，但我們?nèi)钥梢岳弥胺锤g”。 【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(zhì)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(dǎo)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(fù)極 C. 銅極質(zhì)量不變 D. 碳棒上發(fā)生氧化反應(yīng) 3. 鐵在下列情況下腐蝕最快的是（ ） A. 鐵放在海水中

12、 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(xué)性質(zhì)較活潑的金屬 B. 化學(xué)性質(zhì)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(diǎn)是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不經(jīng)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(yīng)為： 負(fù)極：2H2+4OH－→4H2O + 4e－ 正極：O2+2H2O +4e－→4OH－ 反應(yīng)所產(chǎn)生的水為飲用水，今欲制得常溫下1L水，則電池

13、內(nèi)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為 （ ） A. 1.1×102mol B. 4.5×10-2mol C. 8.9×10-3mol D. 5.6×102mol 6. 鉛蓄電池的兩極分別是Pb 、PbO2，電解質(zhì)溶液為稀硫酸，放電時的反應(yīng)為Pb ＋PbO2 ＋2H2SO4 =2PbSO4 + 2H2O，下列有關(guān)敘述正確的是（ ） A. 鉛為負(fù)極被還原 B. 電解質(zhì)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(yīng)可簡化

14、為2Li + I2=2LiI，下列說法不正確的是（ ） A. 負(fù)極的電極反應(yīng)為Li→Li＋＋e－ B. 該電池以LiI溶液為電解質(zhì)溶液 C. 該電池以有機(jī)碘化物為電解質(zhì)溶液 D. Li－I2電池是一種高能長效的固體電池 8. 關(guān)于犧牲陽極的陰極保護(hù)法敘述正確的是（ ） A. 正極就是陽極 B. 負(fù)極就是陰極 C. 陽極發(fā)生氧化反應(yīng) D. 正極發(fā)生氧化反應(yīng) 9. 將反應(yīng)Zn + Br2 =ZnBr2設(shè)計(jì)成蓄電池，則下列有關(guān)說法正確的是（ ） A. 充電時陽極的電極反應(yīng)是 Zn2＋＋2e－→Zn

15、 B. 放電時負(fù)極的電極反應(yīng)是Zn→Zn2+ + 2e－ C. 電解質(zhì)溶液肯定不能用強(qiáng)堿 D. 電解質(zhì)溶液可以用強(qiáng)酸 10. 下列事實(shí)中不能用電化學(xué)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(chǎn)生銅 D. 鐵制器件附有銅質(zhì)配件在接觸處易生鐵銹 二. 填空題 11. 用銅、銀與硝酸銀設(shè)計(jì)一個原電池，則此電池的負(fù)極是_______，負(fù)極的電極式為_______________________。用鋅片、銅片連接后浸入稀硫酸中，構(gòu)成原電池，工作一段時間，

16、鋅片質(zhì)量減少了3.25g，則銅片表面析出氫氣的體積為 ________(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，導(dǎo)線中通過電子的物質(zhì)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(yīng)式為___________________；鐵片是______極，電極反應(yīng)式為________________________；電解質(zhì)溶液在______片周圍的溶液先呈紅色。 13. 把a(bǔ)、b、c、d4塊金屬片浸入稀硫酸中，用導(dǎo)線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時a為負(fù)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

17、上有大量氣泡產(chǎn)生，則a、b、c、d四種金屬的活動順序由強(qiáng)到弱為____________。 三. 計(jì)算題 14. 鋰電池是新一代高能電池，它以質(zhì)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(yīng)為Li +MnO2=LiMnO2,若該鋰電池提供了5.3×10-5mol電子（其他損耗不計(jì)），則消耗正極材料的質(zhì)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(fù)；Zn→Zn2+ + 2e－ ；正；2H2O + O2 →40H—；鐵。 13. a>c>d>b 三. 14. 4.6×10-3g