2022年高二化学 第3节：化学能转化为电能－电池知识精讲 鲁科版

2022年高二化学 第3节：化学能转化为电能电池知识精讲 鲁科版【本讲教育信息】一. 教学内容：第3节：化学能转化为电能电池教学目的： 1. 掌握原电池的工作原理，会写典型原电池反应。 2. 了解不同类型的化学电源的工作原理。 3. 理解金属电化学腐蚀的原理和类型。 4. 掌握金属防护的方法以及金属的电化学防护原理。二. 重点、难点：原电池的工作原理及金属电化学腐蚀的原理知识分析：（一）原电池的工作原理 1. 原电池定义：能把化学能转化为电能的装置叫做原电池。 2. 原电池工作原理：具有还原性的物质在一个电极上失去电子发生氧化反应，失去的电子通过导线流向另一电极，在该电极上具有氧化性的物质接受电子发生还原反应，从而形成电子的定向运动，也就形成了电流。 3. 构成条件：两个物质条件和两个关系条件。两个物质条件：两个电极和电解质溶液或熔融状态的电解质。两个关系条件：两电极要直接或间接相连，两电极要同时与同一电解质溶液相接触。 4. 两电极的判断方法 5. 电极反应和电池反应 电极上物质的变化情况以及电子的转移情况可用电极反应式来表明。在原电池中，氧化反应和还原反应是在两个电极上分别进行的，每个电极上只发生一个方向的电子转移，相当于氧化还原反应的一半，常称为半反应。这种在电极上进行的半反应叫做电极反应。电极反应总是涉及含有同一元素的不同价态的两种物质，一种处于较高价态，另一种处于较低价态，通常用单箭头表示这种有确定电子流向的电极反应。以Cu- Zn (H2SO4 ) 原电池为例： 负极反应：Zn Zn2+ + 2e （氧化反应） 正极反应：2H+ + 2e H2 （还原反应） 电池总反应：Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2 （化学方程式） Zn +2H+ Zn2+H2（离子方程式） 6. 闭合电路：具有还原性的物质失去的电子从原电池的负极出发，通过导线流向原电池的正极，在该电极上具有氧化性的物质获得电子发生还原反应。与此同时，根据在同一闭合回路中同性电荷运动方向相同而异性电荷运动方向相反的规律，在电解质溶液中，阴离子移向负极，阳离子移向正极，从而在两部分导体中形成闭合回路，如下图所示。（二）化学电源：能作为化学电源的是实用的原电池。电池有一次性电池、可充电电池和燃料电池等。 1. 一次性电池只能放电不能充电；如锌锰干电池。 2. 可充电电池也称为二次电池，可以反复充电、放电、充电时是一个电解池，外加直流电使电池内发生原电池反应的逆反应，将电能转化为化学能储存起来；如铅蓄电池。 3. 燃料电池并不是通过燃料的直接燃烧来发电的，而是通过燃料气体（如氢气、甲烷、甲醇、乙醇等）与氧气分别在两个电极上发生电极反应，将化学能转化为电能。燃料电池由于反应产物中只有水，不产生任何污染而备受关注。燃料电池具有能量利用率高、可连续使用、污染小等优点，成为很有发展前景的一种化学电源。如氢氧燃料电池。（上述三种电池的实际构造和电极反应式见教材。）（三）金属的腐蚀和防护 1. 金属腐蚀的定义：金属或者合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。 2. 金属腐蚀的分类： 金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。两者的异同见下表： 3. 电化腐蚀的分类： 根据环境的不同，电化学腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，两者的异同见下表（以铁的腐蚀为例）： 4. 金属的防护（1）改善内部结构：如不绣钢。（2）加保护层：如油漆、搪瓷、塑料、油脂、凡士林、镀层（电镀、热镀、喷镀）致密氧化膜。（3）电化保护法：牺牲阳极的阴极保护法、外加电源保护法。（4）金属腐蚀快慢判断电解引起电化学腐蚀化学腐蚀有防护措施的腐蚀。【典型例题】 例题1. 构成原电池的化学反应必须具备的特点是（ ） A. 氧化还原反应 B. 复分解反应 C. 反应的焓变小于零 D. 反应的焓变大于零 解析：原电池是化学能转化为电能的装置，发生的反应必定是放热反应，即反应的焓变小于零，只有氧化还原反应才有电子的转移。 答案：AC 点评：本题考查原电池反应的两个条件 例题2. 请根据化学反应Fe +2FeCl33 FeCl2设计一个原电池，并写出电极反应。 解析：先分析氧化还原反应Fe +2FeCl33FeCl2 ：Fe 发生了氧化反应，FeCl3 发生了还原反应；Fe在负极上发生反应，FeCl3在正极上发生反应；Fe本身可以充当电极，FeCl3不能充当电极，需找一种惰性电极可以用石墨电极，以FeCl3 溶液做电解质溶液。 答案：负极材料为Fe ，正极材料为石墨 ，电解质溶液为FeCl3 溶液。 点评：原电池的正、负极与电解质溶液的确定要依靠相关概念。 例题3. 碱性电池具有容量大，放电电流大的特点，故得到广泛应用。锌锰碱性电池以KOH溶液为电解液，电池总反应式为： Zn (s)+ 2 MnO2(s) + H2O (1)Zn(OH)2(s) + Mn2O3 (s) 下列说法错误的是（ ） A. 电池工作时，锌失去电子 B. 电池正极的电极反应式为：2 MnO2(s)+H2O(1)+2eMn2O3(s)+2OH-(aq) C. 电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D. 外电路中每通过0.2mol 电子锌的质量理论上减小6.5g 解析：根据题意，该电池的负极材料是锌，电池工作时，锌本身失去电子而发生氧化反应，失去的电子通过外电路移向另一极（正极），在该电极上，MnO2 获得电子发生还原反应生成Mn2O3：2MnO2+2eMn2O3。从元素守恒的角度来看，左侧还多一个氧。一般规律是：在酸性条件下H+结合氧变为H2O ，在碱性或者中性条件下结合水变为2OH-。正极反应为2MnO2+H2O+2eMn2O3+2OH。反应中，失去0.2 mol 电子，消耗掉0.1 mol 锌，质量为6.5g。 答案：C 点评：对原电池的闭合回路要准确理解、正确判断相关问题。 例题4. 铁跟下列金属接触，能防止空气和水对铁腐蚀的是（ ）A. 铜 B. 锌 C. 锡 D. 铅 解析：空气中的氧、二氧化碳等气体能部分溶于水而形成“电解质溶液”，当两种金属互相接触并同时与这种“电解质溶液”接触时，便构成原电池。显然只有当金属铁与比铁活泼的金属接触时，才能使较活泼的金属被氧化，而铁充当原电池的正极，不参与电极反应，从而防止了空气和水对铁的腐蚀，据金属活动顺序表可知，只有锌比铁活泼。 答案：B 点评：金属的电化学腐蚀严重，但我们仍可以利用之“反腐蚀”。【模拟试题】（答题时间：40分钟）一. 选择题 1. 由铜、锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的氢离子浓度将（ ） A. 不变 B. 先变小后变大 C. 逐渐增大 D. 逐渐变小 2. 把铜和碳棒用导线连接，插入FeCl3溶液中，下列说法正确的是（ ） A. 不形成电流B. 铜为负极 C. 铜极质量不变D. 碳棒上发生氧化反应 3. 铁在下列情况下腐蚀最快的是（ ）A. 铁放在海水中 B. 铁和锌连接放在水中 C. 铁和锡连接放在海水中 D. 铁和锡连接放在淡水中 4. 原电池的正极一定是（ ） A. 化学性质较活泼的金属 B. 化学性质不活泼的金属 C. 电子流出的极 D. 电子流入的极 5. 氢氧燃料电池的突出优点是把化学能直接转化为电能，而不经过中间热能这一形式，已广泛用于宇宙飞船及潜艇中，其电极反应为：负极：2H2+4OH4H2O + 4e正极：O2+2H2O +4e4OH 反应所产生的水为饮用水，今欲制得常温下1L水，则电池内转移电子的物质的量为 （ ） A. 1.1102molB. 4.510-2mol C. 8.910-3molD. 5.6102mol 6. 铅蓄电池的两极分别是Pb 、PbO2，电解质溶液为稀硫酸，放电时的反应为Pb PbO2 2H2SO4 =2PbSO4 + 2H2O，下列有关叙述正确的是（ ） A. 铅为负极被还原B. 电解质溶液密度不断减小 C. SO42-只向PbO2 极移动D. 溶液的pH不断减小 7. 心脏起搏器中的新型电池LiI2电池的使用寿命可超过10年，其反应可简化为2Li + I2=2LiI，下列说法不正确的是（ ）A. 负极的电极反应为LiLie B. 该电池以LiI溶液为电解质溶液C. 该电池以有机碘化物为电解质溶液 D. LiI2电池是一种高能长效的固体电池 8. 关于牺牲阳极的阴极保护法叙述正确的是（ ） A. 正极就是阳极B. 负极就是阴极 C. 阳极发生氧化反应D. 正极发生氧化反应 9. 将反应Zn + Br2 =ZnBr2设计成蓄电池，则下列有关说法正确的是（ ）A. 充电时阳极的电极反应是 Zn22eZn B. 放电时负极的电极反应是ZnZn2+ + 2e C. 电解质溶液肯定不能用强碱 D. 电解质溶液可以用强酸 10. 下列事实中不能用电化学原理解释的是（ ）A. 密封的铁罐可以盛装浓硫酸B. 生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈C. 黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜D. 铁制器件附有铜质配件在接触处易生铁锈二. 填空题 11. 用铜、银与硝酸银设计一个原电池，则此电池的负极是_，负极的电极式为_。用锌片、铜片连接后浸入稀硫酸中，构成原电池，工作一段时间，锌片质量减少了3.25g，则铜片表面析出氢气的体积为 _(标准状况下)，导线中通过电子的物质的量为_。12、如图所示，把铁片和锌片放在盛有稀食盐水和酚酞溶液的混合液中，此装置中锌片是_极，电极反应式为_；铁片是_极，电极反应式为_；电解质溶液在_片周围的溶液先呈红色。 13. 把a、b、c、d4块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c上有大量气泡；b、d相连时，b上有大量气泡产生，则a、b、c、d四种金属的活动顺序由强到弱为_。 三. 计算题 14. 锂电池是新一代高能电池，它以质量轻，能量高而普遍受到重视。目前已研制出了多种锂电池，某种锂电池的电池反应为Li +MnO2=LiMnO2,若该锂电池提供了5.310-5mol电子（其他损耗不计），则消耗正极材料的质量是多少？【试题答案】一. 1. D2. B3. C4. D5. A6. B7. B8. C 9. AD10. A二. 11. Cu ；CuCu2+ +2e；1.12L；0.1mol。 12. 负；ZnZn2+ + 2e ；正；2H2O + O2 40H；铁。 13. acdb三. 14. 4.610-3g