資源簡介

年 級
高三
學 科
化學
版 本
蘇教版
內容標題
化學能與電能
編稿老師
【本講教育信息】
一. 教學內容：
化學能與電能
二. 教學目標
理解原電池的工作原理，能寫出常見的簡單電極反應和電池反應方程式。
了解常見的化學電源，認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。
認識金屬腐蝕的危害，理解金屬發生電化學腐蝕的原因，能選用恰當的措施防止鐵、鋁等金屬腐蝕。
三. 教學重點、難點
原電池的工作原理及電極反應式的書寫；
金屬的腐蝕與防護
［教學過程］
一、原電池的概念及工作原理
1、原電池的定義：把化學能轉化為電能的裝置叫原電池。
2、構成條件:
①活潑性不同的兩電極
②電解質溶液
③具有閉合回路
3、工作原理（電子流向）：較活潑的金屬材料作為負極，失去電子，經外電路流向較不活潑金屬，再經電解質溶液回到負極，構成閉合回路，電流反向流動。溶液中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。
4、正、負極判斷：
負極：電子流出的電極，為較活潑金屬電極，發生氧化反應
正極：電子流入的電極，為較不活潑金屬或非金屬或金屬氧化物電極，發生還原反應
5、電極反應：以銅-鋅和稀硫酸組成的原電池為例說明：
電極反應 本質 現象
負極 Zn－2e－=Zn2＋ 氧化反應 溶解
正極 2H＋+2e－=H2↑ 還原反應 氣泡
總反應 Zn＋2H＋= Zn2＋＋H2↑
6、應用：①制各種電池；②判斷反應速率；③判斷金屬的活潑性；④金屬防護。
說明：
（1）原電池是利用能發生的氧化還原反應設計而成，負極發生氧化反應給出電子，電子經外電路流向其正極形成電流。正極上得電子發生還原反應。內電路由離子定向移動而導電。
（2）原電池的正負極的判斷方法：
①金屬與金屬或金屬與導電非金屬做電極時，較活潑的金屬做負極；
②根據電子的流向判斷：電子流出的極為負極，電子流入的極為正極；也可以根據電流方向判斷：電流流出極為正極，電流流入極為負極；
③根據發生的反應判斷：發生氧化反應的極為負極，發生還原反應的極為正極；
④根據反應現象判斷：一般來說，溶解的一極為負極，有氣體或固體析出的一極為正極；
⑤如果給出一個方程式判斷電極反應，則化合價升高的電極為負極，化合價降低的電極為正極，由此可設計原電池。
（3）一般原電池使用時存在電壓不穩，使用時間短等問題。如果原電池通過“鹽橋”將兩個半電池相連，則可得到穩定的電流，同時也可以延長原電池的使用壽命。使用“鹽橋”后，原電池一般采用如下表達方法（以銅鋅原電池為例）：
（－）Zn∣Zn２－（1mol/L）║Cu２＋（1mol/L）│Cu（＋）
一般情況下負極在左，正極在右，其中“∣”表示電極材料與電解質溶液的界面，“║”通常表示鹽橋，必要時，可以加注溶液的濃度。
（4）原電池的應用主要有以下幾點：
①加快反應速率：如在制取氫氣的過程中，加入少量銅或硫酸銅可形成鋅－銅原電池，使反應速率加快；
②比較金屬的活動性強弱：一般情況下，作為負極的金屬活潑性較強；如：鋅－銅原電池；
③設計化學電源：根據氧化還原反應的特點，將其拆成兩個半反應：氧化反應和還原反應，分別作為原電池的負極反應式和正極反應式；若發生氧化反應的物質為金屬單質，則用該金屬作為負極材料，若為氣體或溶液中的某種離子，則用惰性材料做負極；而作為正極的材料必須不如負極活潑，或為惰性電極；電解質溶液選擇反應中的電解質即可，若與電解質無關，則需選擇一種不能使電極材料消耗的電解質溶液，以增強導電性；
④構成閉合回路
二、化學電源：
電池又稱為化學電源，化學電源可分為一次電源和二次電源兩類。一次電池只能放電一次，而二次電池可以反復充放電循環使用，通過電極體積和結構之間發生的可逆變化，達到充放電效果。
說明：
常見的化學電源有：
1、鋅-錳干電池（一次電池）
負極（鋅筒）：Zn－2e－＝Zn2＋
正極（石墨）：
2NH4＋＋2e－＝2NH3↑＋ H2↑
2NH4＋＋2MnO2＋ 2e－＝2NH3↑＋Mn2O3＋H2O
總反應：Zn＋2NH4＋＝Zn2＋＋2NH3↑＋H2↑
Zn＋2NH4＋＋2MnO2＝ Zn2＋＋2NH3↑＋Mn2O3＋H2O
2、鉛蓄電池
負極Pb：Pb＋SO42－－2e－＝ PbSO4
正極：PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－＝PbSO4＋2H2O
總反應：，
3、燃料電池：氫氧燃料電池是一種新型的化學電池，其構造為：兩個電極均由多孔性碳制成，通入的氣體由孔隙逸出，并在電極表面放電。（一般以KOH為電解質溶液）
負極H2：2H2＋4OH――4e－＝4H2O
正極O2：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
總反應： O2＋2H2＝2H2O
4、紐扣電池：不銹鋼制成一個由正極殼和負極蓋組成的小圓盒，盒內靠正極一端填充由和少量石墨組成的正極活性材料，負極蓋一端填充鋅汞合金做負極活性材料，電解質溶液為濃KOH溶液，已知電池內Zn的氧化產物為ZnO，
如：銀-鋅電池
負極：Zn＋2OH――2e－＝ZnO＋H2O
正極：Ag2O＋H2O＋2e－＝2Ag＋2OH－
總反應： Ag2O＋Zn＝ZnO＋2Ag
三、金屬腐蝕與防護：
金屬腐蝕的本質是金屬原子失去電子變成金屬陽離子的過程，即M－ne－＝Mn＋；即金屬在腐蝕過程中發生了氧化還原反應. 金屬的腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩大類
說明：
1、化學腐蝕與電化學腐蝕
化學腐蝕
電化學腐蝕
含義
金屬或合金直接與具有腐蝕性的化學物質接觸發生氧化還原反應而消耗的過程
不純金屬或合金與電解質溶液接觸發生原電池反應而消耗的過程
得失電子
金屬直接將電子轉移給有氧化性的物質
活潑金屬將電子間接轉移給氧化性較強的物質
電流
無電流產生
有微弱的電流產生
腐蝕現象
金屬單質
較活潑金屬
事例
金屬與O2、Cl2等物質直接反應
鋼鐵在潮濕的空氣中被腐蝕
2、金屬的電化學腐蝕有兩種情況：
（1）析氫腐蝕： 負極：Fe－2e－＝Fe2＋；正極反應為：2H＋+＝H2；
（2）吸氧腐蝕： 負極：Fe－2e－＝Fe2＋；正極反應為：2H2O＋O2＋4e( ＝4OH(
3、判斷金屬腐蝕快慢的規律：
（1）與構成微電池的材料有關，兩極材料的活動性差別越大，電動勢越大，氧化還原反應的速度越快，活潑金屬被腐蝕的速度就越快。
（2）與金屬所接觸的電解質強弱有關，活潑金屬在電解質溶液中的腐蝕快于在非電解質溶液中的腐蝕，在強電解質溶液中的腐蝕快于在弱電解質溶液中的腐蝕。
一般說來可用下列原則判斷:
電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞有防腐措施的腐蝕；同一種金屬：強電解質＞弱電解質＞非電解質
4、金屬的防護
【典型例題】
例1. 將純鋅片和純銅片按圖示方式插入同濃度的稀硫酸中一段時間，以下敘述正確的是
A. 兩燒杯中銅片表面均無氣泡產生
B. 甲中銅片是正極，乙中銅片是負極
C. 兩燒杯中溶液的pH均增大
D. 產生氣泡的速度甲比乙慢
解析：題目中可以應用的信息是：活潑性不同的兩種金屬（鋅和銅）及甲、乙兩圖。解答該題時，首先應根據原電池的構成條件判斷甲、乙池能否構成原電池，然后根據原電池原理進行分析、判斷。甲可形成原電池，鋅做負極：Zn－2e－=Zn2＋，銅做正極：2H＋+2e－=H2↑，在銅上產生氣泡，由于形成原電池，因此產生氫氣的速率較快；而乙不能形成原電池，只能是鋅與稀硫酸反應產生氫氣，在鋅片上產生氣泡，但因為沒有形成原電池，所以產生氫氣的速率較慢；而兩燒杯中均消耗了H＋，因此溶液的pH值均升高。綜上所述，本題的答案為C
答案：C
例2. 銀器皿日久表面逐漸變黑色，這是由于生成硫代銀，有人設計用原電池原理加以除去，其處理方法為：將一定濃度的食鹽溶液放入一鋁制容器中，再將變黑的銀器浸入溶液中，放置一段時間后，黑色會褪去而銀不會損失。
試回答：在此原電池反應中，負極發生的反應為 ；正極發生的反應為 ；
反應過程中產生臭雞蛋氣味的氣體，原電池總反應方程式為
解析：由題意“黑色會褪去而銀不會損失”知發生變化Ag2S→Ag，顯然這是考查原電池的正極反應：Ag2S＋2e－＝2Ag＋S2－，負極反應為活潑金屬發生氧化反應：Al－＝Al3＋。正極生成的S2－和負極生成的Al3＋在溶液中發生雙水解：2Al3＋＋3S2－＋6H2O＝2Al（OH）3↓＋3H2S↑。
答案：負極：Al－3＝Al3＋ 正極：Ag2S＋2e－＝2Ag＋S2－
3Ag2S＋2Al＋6H2O＝6Ag＋2Al（OH）3↓＋3H2S↑
例3. 某可充電的鋰離子電池以LiMn2O4為正極，嵌入鋰的碳材料為負極，含Li＋導電固體為電解質。放電時的電池反應為：Li＋LiMn2O4==Li2Mn2O4。下列說法正確的是
A. 放電時，LiMn2O4發生氧化反應
B. 放電時，正極反應為：Li＋＋LiMn2O4＋e－==Li2Mn2O4
C. 充電時，LiMn2O4發生氧化反應
D. 充電時，陽極反應為：Li＋＋e－==Li
解析：本題中可用的信息主要有：LiMn2O4為正極，嵌入鋰的碳材料為負極；放電時的電池反應為：Li＋LiMn2O4==Li2Mn2O4?？筛鶕姵胤磻性氐幕蟽r的變化判斷反應類型，然后再根據電極反應的書寫原則進行分析判斷。放電時作為原電池，鋰為負極發生氧化反應：Li－e－==Li＋，LiMn2O4為正極，反應為：Li＋＋LiMn2O4＋e－==Li2Mn2O4；
充電時作為電解池，陽極發生氧化反應Li2Mn2O4－e－== Li＋＋LiMn2O4，陰極發生還原反應：Li＋＋e－==Li，含Li＋導電固體為電解質增強導電性。綜上所述，本題答案為B
答案：B
例4. 下圖是2004年批量生產的筆記本電腦所用的甲醇燃料電池的結構示意圖。甲醇在催化劑作用下提供質子（H＋）和電子，電子經外電路、質子經內電路到達另一極與氧氣反應，電池總反應為2CH3OH＋3O22CO2＋4H2O。下列說法正確的是：
A. 左電極為電池的負極，a處通入的物質是甲醇
B. 右電極為電池的負極，b處通入的物質是空氣
C. 負極反應式為：CH3OH＋ H2O－6e－CO2＋6H＋
D. 正極反應式為：O2＋2H2O ＋4e－4OH－
解析：本題用到的信息主要有：電池的總反應式：2CH3OH＋3O22CO2＋4H2O。則根據原電池的構成條件和原電池的工作原理進行分析判斷。
負極發生氧化反應：CH3OH＋ H2O－6e－CO2＋6H＋，質子從質子交換膜進入右邊，因此，左電極為負極，a處通入的物質是甲醇；
右電極為正極，發生還原反應：O2＋4H＋＋4e－＝2 H2O，此時b處通入的是氧氣，由于在電極反應過程中正、負極上通過的電子的電量相同，因此正極所消耗的H＋與負極所產生的H＋基本相同，溶液中H＋基本不變，但由于生成了水，因此濃度有所減小。
綜上所述，本題的答案為AC
答案：AC
例5. 已知蓄電池在放電時起原電池作用，充電時起電解池作用，鉛蓄電池在放
電和充電時發生的化學反應可用下式表示：
據此判斷下列敘述正確的是 （ ）
A. 放電時蓄電池負極的電極反應式為PbO２＋4H＋＋＋2e－＝PbSO4＋2H2O
B. 充電時蓄電池陰極的反應式為：PbSO4＋2e－＝Pb＋
C. 用鉛蓄電池來電解CuSO4溶液，要生成1.6gCu，則該電池內部消耗硫酸0.05mol
D. 用鉛蓄電池充電時，若要使3.03kgPbSO4轉變為Pb和PbO２，則需通過20mol電子
解析：本題的信息是鉛蓄電池在放電和充電時的電極反應。蓄電池充電時作為電解池，是把電能轉化為化學能，而放電時則是原電池，是將化學能轉化為電能。
鉛蓄電池放電的電極反應為：
負極：Pb＋－2e( ＝PbSO4↓
正極：PbO2＋4H+＋＋2e( ＝PbSO4↓＋2H2O
當放電進行到硫酸濃度降低到一定濃度時即停止放電，此時需要將蓄電池進行充電，其電極反應為：
陽極：PbSO4＋2H2O－2e( ＝PbO2＋4H+＋
陰極：PbSO4＋2e( ＝Pb＋
蓄電池放電和充電的總反應式：
在蓄電池中每轉移2mol電子，消耗的硫酸的物質的量為2mol，而用蓄電池作為電源電解硫酸銅溶液時，兩電極上通過的電子電量相同，則生成1.6g銅，轉移的電子電量為0.05mol，消耗的硫酸也為0.05mol,，當有3.03kg PbSO4（10mol）轉變為Pb和PbO２時通過的電子電量為10mol。
答案： BC
【模擬試題】
1. 隨著人們生活質量的不斷提高，廢電池必須進行集中處理的問題被提到議事日程，其首要原因是：
A. 利用電池外殼的金屬材料
B. 防止電池中汞、鎘和鉛等重金屬離子對土壤和水源的污染
C. 不使電池中滲泄的電解液腐蝕其他物品
D. 回收其中的石墨電極
2. 氫氧燃料電池是將H2和O2分別通入電池，穿過浸入20%~40%的KOH溶液的多孔碳電極，其電極反應式為：H2＋2OH――2e－＝2H2O和1/2O2＋H2O＋2e－＝2OH－，則下列敘述正確的是
A. 通H2的一極是正極，通O2的一極是負極
B. 通O2的一極是正極，通H2的一極是負極
C. 工作一段時間后電解質溶液的pH增大
D. 工作時負極區附近的pH減小
3. 堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應用。鋅-錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應式為：
Zn（s）+2MnO2（s）+H2O（l）==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：2MnO2（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
4. 某課外活動小組，將剪下的一塊鍍錫鐵片放入錐形瓶中，并滴入少量食鹽水將其浸濕，再加數滴酚酞試液，按圖裝置進行實驗，數分鐘后觀察，
下列現象不可能出現的是
A. B中導氣管中產生氣泡
B. B中導氣管里形成一段水柱
C. 金屬片剪口處變紅
D. 鐵被腐蝕
5. 某原電池總反應的離子方程式為2Fe3++Fe=3Fe2+，可以實現上述反應的原電池是
6. 以下現象與電化腐蝕無關的是
A. 黃銅（銅鋅合金）制作的銅鑼不易產生銅綠
B. 生鐵比軟鐵芯（幾乎是純鐵）容易生銹
C. 鐵質器件附有銅質配件，在接觸處易生鐵銹
D. 銀質獎牌久置后表面變暗
7. 能夠說明金屬甲的活動性比金屬乙強的是
A. 在氧化還原反應中，甲原子失去的電子比乙原子失去的多
B. 同價態的陽離子，甲比乙的氧化性強
C. 甲能與稀硫酸反應放出氫氣而乙不能
D. 將甲、乙做電極組成原電池時，甲是負極
8. 一定量的鋅與足量的稀鹽酸反應，為了加快反應的速率，但又不影響生成氫氣的總量，可以采取的措施是
A. 加入少量醋酸鈉固體 B. 加入少量硫酸銅溶液
C. 加入少量銅粉 D. 加入少量鐵粉
9. 人造地球衛星用到的一種高能電池——銀鋅蓄電池，它在放電時的電極反應為：
Zn + 2OH－－2e－＝ZnO + H2O；Ag2O + H2O + 2e－＝2Ag + 2OH－
據此判斷氧化銀是
A. 負極，并被氧化 B. 正極，并被還原
C. 負極，并被還原 D. 正極，并被氧化
10. 燃料電池是一種新型電池，它主要是利用燃料在燃燒過程中把化學能直接轉化為電能。氫氧燃料電池的基本反應是：
X極：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－； Y極：2H2＋4OH－－4e－＝4H2O
下列判斷正確的是
A. X是正極，發生還原反應
B. Y是負極，發生還原反應
C. 該電池的導電液可能是稀硫酸
D. 該電池的導電液可能是KOH
11. 某學生想制作一種家用環保型消毒液發生器，用石墨做電極電解飽和氯化鈉溶液，通電時，為使Cl2被完全吸收，制得有較強殺菌能力的消毒液，設計了如圖的裝置，則對電源電極名稱和消毒液的主要成分判斷正確的是
A. a為正極，b為負極；NaClO和NaCl
B. a為負極，b為正極；NaClO和NaCl
C. a為陽極，b為陰極；HClO和NaCl
D. a為陰極，b為陽極；HClO和NaCl
12. 氫氧燃料電池以鉑做電極，KOH溶液做電解質溶液。對該電池的說法正確的是
A. 負極反應為O2+2H2O+4e－===4OH－
B. 電池工作時，正極區pH升高
C. 電池工作時溶液中的陰離子移向正極
D. 電池的總反應為：2H2+O2===2H2O
13. 熔融鹽燃料電池具有很高的發電效率，因而受到極大重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物做電解質，CO為負極燃氣，空氣與CO2的混合氣為正極助燃氣，制得在650℃下工作的燃料電池，完成有關的反應式：負極反應式：2CO＋2CO32－＝4CO2＋4e－，正極反應式： 。總電池反應式： 。
14. 工業上處理含Cr2O72-的酸性工業廢水用以下方法：①往工業廢水中加入適量的NaCl，攪拌均勻；②用Fe為電極進行電解，經過一段時間有Cr（OH）3和Fe（OH）3沉淀生成，③過濾回收沉淀，廢水達排放標準，試回答：
（1）電解時的電極反應，陽極 ，陰極 。
（2）寫出Cr2O72-轉變成Cr3+的離子反應
（3）電解過程中Cr（OH）3和Fe（OH）3沉淀是怎樣產生的？
（4）能否將Fe電極改成石墨電極？為什么？
15. 據報道，最近摩托羅拉（MOTOROLA）公司研發了一種由甲醇和氧氣以及強堿做電解質溶液的新型手機電池，電量是現用鎳氫電池和鋰電池的10倍，可連續使用1個月才充電一次。假定放電過程中，甲醇完全氧化產生的CO2被充分吸收生成CO32—。
（1）該電池反應的總離子方程式為________________________________________；
（2）甲醇在__________極發生反應（填“正”或“負”），電池在放電過程中溶液的pH將________（填“下降”“上升”或“不變”）；
（3）若有16g甲醇蒸氣被完全氧化產生電能，利用該過程中釋放的電能電解足量的CuSO4溶液，（假設在整個過程中能量總利用率為80％），則將產生標準狀況下的O2_______________升；
（4）最近，又有科學家制造出一種使用固體電解質的燃料電池，其效率更高。一個電極通入空氣，另一個電極通入汽油蒸氣，其中固體電解質是摻雜了Y2O3（Y：釔）的ZrO2（Zr：鋯）固體，它在高溫下能傳導O2—離子（其中氧化反應發生完全）。以丁烷（C4H10）代表汽油。
①電池的正極反應式為_________________________________；
②放電時固體電解質里的O2—離子的移動方向是向__________極移動（填“正”或“負”）。
【試題答案】
1. B 2. BD 3. C 4. BC 5. AB 6. D 7. CD 8. C 9. B 10. AD
11. D 12. BD
13. 2CO2＋O2＋4e－＝2 2CO＋O2＝2CO2
14. （1）陽極：金屬電極溶解 Fe－2e－Fe2＋，陰極：生成氣體 2H＋＋2e－H2↑
（2）6Fe2＋＋Cr2O72－＋14H＋ 6Fe3＋＋2Cr3＋＋7H2O
（3）由于陰極H＋放電，破壞了水的電離平衡，逐漸增大并向陽極移動，與
Fe3＋、Cr3＋形成Fe（OH）3 Cr（OH）3沉淀。
（4）不能用碳電極代替Fe電極。因為Fe電極在電解過程中產生還原性的Fe2＋，將溶液中的Cr2O72－還原為Cr3＋而除去，若改用石墨電極，不能產生還原性微粒。
15. （1）2CH3OH＋3O2 ＋4OH－＝ 2CO32－＋6H2O
（2）負、下降
（3）13.44L
（4）O2＋4e－＝2O2－；負

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