人教版化学选修4第四章第一节.ppt

本章教材内容共分四节 第一节 原电池 具体内容包括带有盐桥的较复杂的原电池 原电池的构成和反应原理 设计原电池 选用正负极的原则 第二节 化学电源 主要讲述了电池选用的标准 一次电池 二次电池和燃料电池的反应原理 第三节 电解池 主要介绍了电解的原理 电解饱和食盐水 电镀 铜的电解精炼以及电冶金制取活泼金属的知识 第四节 金属的电化学腐蚀的反应原理 具体介绍了牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法 本章主要研究的是化学能与电能相互转换的装置 过程和效率 内容应用领域广 由此形成的工业很多 如电解 电镀 电冶金 电池制造等 本章着重研究化学反应与电能的关系 属于热力学研究的范畴 是中学化学中的重要理论知识 本章着重研究化学反应与电能的关系 是电化学的重点内容 学习时应注意以下几点 1 注意本章新旧知识间的联系 抓住原电池 电解池 氧化还原反应 化学反应中的能量变化等知识之间的联系 并进行对比 2 注意实验现象的观察和分析 有利于增强探索化学反应原理的兴趣 树立学习和研究化学的志向 3 建立学科间的联系 注意电化学知识在实际中的应用 做到学以致用 本章重点 电极反应和电池反应方程式的书写 一次电池 二次电池和燃料电池的反应原理 性能及其应用 电解池的工作原理及其应用 金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护 本章难点 原电池的工作原理 化学电池的工作原理 电解池的工作原理 金属的吸氧腐蚀 第一节原电池 1 了解原电池的工作原理及构成条件 2 能够正确判断原电池的正负极 3 能写出电极反应式和电池反应方程式 4 盐桥在原电池中的应用 一 原电池1 原电池定义原电池 将 转化为 的装置 2 氧化还原的本质是 与 之间发生 的过程 通常氧化还原反应中并不能获得电流 要使能量直接转变为电能 就要设计 使 反应和 反应分别在 进行 3 原电池的电极 负极 电子 的一极 发生 反应的一极 电流 的一极 正极 电子 的一极 发生 反应的一极 电流 的一极 4 构成原电池的条件 有明显电流产生时需具备此条件 形成 二 铜锌原电池1 电极名称及电极反应锌片 极 电极反应式为 反应 铜片 极 电极反应式为 反应 总化学方程式 2 由两个半电池组成原电池的工作原理 1 在此类电池中 用 的物质作为负极 负极向外电路提供电子 用 的物质作为正极 正极从外电路得到电子 2 在原电池的内部 两极浸在电解质溶液中 并通过正负离子的定向运动而形成 放电时 负极上的电子通过导线流向 再通过溶液中离子形成的内电路构成环路 3 原电池输出电能的能力 取决于 答案 一 1 化学能电能2 氧化剂还原剂电子转移原电池氧化 还原不同区域3 流出氧化流入流入还原流出4 活泼性不同的两个电极 负极 较活泼的金属 正极 较不活泼的金属或非金属导体石墨等电极需插在电解质溶液中原电池形成过程中必须有电子转移 所以要求必须存在一个氧化还原反应闭合电路 二 1 负Zn 2e Zn2 氧化正Cu2 2e Cu还原Zn Cu2 Cu Zn2 2 1 还原性较强氧化性较强 2 内电路正极 3 组成原电池的反应物的氧化还原能力 1 某中学兴趣小组为了体验水果电池电流的存在进行了下列装置的实验 用苹果一只 铝片和锌片各一片 电流计一只 按图连接好 在实验前 先用砂纸擦去表面的氧化膜 实验时保持两金属插在苹果上不能直接接触 你知道在上述水果电池中 电流的强弱与两极的距离有什么关系吗 影响电流的因素还可能有哪些呢 提示 距离越近 电流越大 另外 电流大小还与两金属片宽度以及两电极金属相对强弱等因素有关 2 盐桥在原电池中有何作用 提示 1 作用 使两个半电池中的溶液连成一个通路 2 优点 使原电池中氧化剂和还原剂近乎完全隔离 并在不同区域之间实现了电子的定向移动 使原电池能持续 稳定地产生电流 3 盐桥是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管 溶液不致流出来 但离子则可以在其中自由移动 试推断 盐桥中是通过什么微粒的定向移动使整个装置构成回路的 提示 是溶在琼脂溶胶中的电解质电离出的阴阳离子 在电场中做定向移动的结果 在此要特别注意的是盐桥中的电解质不会 或很少 进入相连的两池中 4 镁 铝和NaOH溶液组成原电池 作负极的应该是哪种金属 为什么 提示 原电池的负极总是失电子发生氧化反应 其正极总是得电子发生还原反应 哪个电极与电解质溶液更易反应而失电子 就是原电池的负极 不一定是较活泼的金属作负极 而要看是否发生氧化反应 镁 铝和NaOH溶液组成原电池中 铝能与NaOH溶液反应 而镁尽管较为活泼但它不与NaOH溶液反应 所以铝为原电池的负极 5 为什么实验室用锌与稀H2SO4反应制H2 其他条件相同的条件下 用粗锌产生H2的速率会更快 提示 形成锌 稀H2SO4 杂质金属的原电池 所以反应速率会更快 氧化还原反应的本质是反应物之间电子的转移 但是在通常的氧化还原反应中并不能获得电流 如将锌片放在CuSO4溶液中 可以看到铜被锌置换出来 并放出热量 其反应为 Cu2 Zn Zn2 Cu 在此反应中 锌原子把电子直接给了在溶液中与之接触的Cu2 被氧化成Zn2 进入溶液 而Cu2 在锌片上直接得到电子 被还原成铜 相当于短路 得不到电流 一 原电池结构及工作原理1 原电池的概念 1 原电池的定义 能把化学能转化为电能的装置叫做原电池 2 原电池的电极 负极 发生氧化反应 电子流出 流向正极 的一极 正极 发生还原反应 电子流入 来自负极 的一极 3 原电池中电荷的移动 在氧化还原反应的过程中 在外电路 电解质溶液以外 电子由负极经导线 包括电流计和其他用电器 流向正极 使负极呈正电性趋势 正极呈负电性趋势 由电性作用原理可知 在内电路 电解质溶液中 阳离子 带正电荷 向正极移动 阴离子 带负电荷 向负极移动 这样就形成了电荷连续定向移动 电性趋向平衡的闭合电路 若化学反应的过程中有电子转移 我们就可以把这个过程中的电子转移设计成定向移动 即形成电流 所以只有氧化还原反应中的能量变化才能被转化成电能 非氧化还原反应中的能量变化不能设计成电池的形式被人类利用 但可以以光能 热能等其他形式的能量被人类应用 2 组成原电池的条件 1 有两种活动性不同的金属 或一种非金属导体 作电极 2 电极材料均插入电解质溶液中 3 两极相连形成闭合回路 4 能自发地发生氧化还原反应 说明 原电池中 负极的金属性比正极的金属性强 形成闭合回路的方式有多种 可以是导线连接两个电极 也可以是两电极直接接触 如图所示 案例精析 例1 如图所示装置中 能组成原电池的是 解析 构成原电池的条件是 有电解质溶液 两个活泼性不同的电极相连接或相互接触并插入电解质溶液中 能自发地发生氧化还原反应 形成闭合电路 A中酒精是非电解质 D中两电极相同 故正确答案为BC 答案 BC 如图所示装置不是原电池的是 解析 A中两个电极活泼性相同 A装置不是原电池装置 D装置中 两个电极活性不同 且有导线相连 又有电解质溶液 却没能形成闭合回路 B C符合原电池的条件 故正确答案为AD 答案 AD 2 按照图2组装实验装置 观察反应过程中检流计指针位置的变化 判断是否有电流产生 并观察电极表面以及溶液温度的变化 注意 盐桥是将热的琼脂溶液 可以是KCl溶液或NH4NO3溶液 倒入U形管中 不能产生裂隙 将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中制得 离子在盐桥中能定向移动 通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来 可使电流持续传导 2 实验记录 见下表 3 实验分析 1 对于该装置所示原电池 Zn片 Zn 2e Zn2 氧化反应 Cu片 Cu2 2e Cu 还原反应 同时在Zn片上 Zn可直接与CuSO4溶液反应 生成Cu与ZnSO4 因此该装置中既有化学能转化为电能 同时也有化学能转化为热能 2 对于该装置所示原电池 锌片 负极Zn 2e Zn2 氧化反应 铜片 正极Cu2 2e Cu 还原反应 总化学方程式 Zn Cu2 Cu Zn2 4 实验原理分析当有盐桥存在时 在ZnSO4溶液中 Zn片逐渐溶解 即Zn被氧化 锌原子失去电子 形成Zn2 进入溶液 从锌片上释放出的电子 经过导线流向铜片 CuSO4溶液中的Cu2 从铜片上得到电子 还原成为金属铜并沉积在铜片上 随着反应的进行 左边烧杯溶液中c Zn2 增大 右边烧杯中c Cu2 减小 此时 盐桥中的Cl 会移向ZnSO4溶液 K 移向CuSO4溶液 使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性 氧化还原反应得以继续进行 从而使原电池不断地产生电流 其工作原理可用如图所示流程图表示 案例精析 例2 下列关于原电池的叙述中正确的是 A 构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属B 原电池是将化学能转变为电能的装置C 原电池中电子流出的一极是负极 该极被还原D 原电池工作时 电流的方向是从负极到正极 解析 构成原电池的正极和负极可以是两种不同的金属 也可以是金属和能导电的非金属 所以A错误 原电池中电子流出的一极是负极 该极被氧化 所以C错误 原电池工作时 电流的方向是从正极到负极 则D错误 故正确答案为B 答案 B 在如右图所示的柠檬水果电池中 外电路上的电流从电极X流向电极Y 若X为铁 则Y可能是 A 锌B 石墨C 银D 铜 解析 电流的方向与电子的移动方向相反 则电子由电极Y流向电极X 因此Y电极的活泼性强于铁 故Y电极只能为选项中的锌 答案 A 1 原电池正 负极的判断方法 1 由组成原电池的两极材料判断 一般是活泼的金属为负极 活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极 2 根据电流方向或电子流动方向判断 电流由正极流向负极 电子由负极流向正极 3 根据原电池里电解质溶液内离子的流动方向判断 在原电池的电解质溶液内 阳离子移向正极 阴离子移向负极 4 根据原电池两极发生的变化来判断 原电池的负极失电子发生氧化反应 其正极得电子发生还原反应 5 电极增重或减轻 工作后 电极质量增加 说明溶液中的阳离子在电极 正极 放电 电极活动性弱 反之 电极质量减小 说明电极金属溶解 电极为负极 活动性强 6 有气泡冒出 电极上有气泡冒出 是因为发生了析出H2的电极反应 说明电极为正极 活动性弱 2 原电池电极反应式和总反应式的书写 1 题目给定原电池的装置图 未给总反应式 首先找出原电池的正 负极 即分别找出氧化剂和还原剂 结合介质判断出还原产物和氧化产物 写出电极反应式 注意两极得失电子数相等 将两电极反应式相加可得总反应式 2 题目中给出原电池的总反应式 分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况 找出氧化剂及其对应的还原产物 氧化剂发生的反应即为正极反应 找出还原剂及其对应的氧化产物 还原剂参加的反应即为负极反应 当氧化剂 还原剂 氧化产物 还原产物由多种元素组成时 还应注意介质的反应 若有一电极反应较难写出 可先写出较易写出的电极反应 然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应 说明 在书写电极反应式时要注意哪些方面 1 两极得失电子数目相等 2 电极反应式常用 不用 表示 3 电极反应式中若有气体生成 需加 而弱电解质或难溶物均以分子式表示 其余以离子符号表示 4 写电极反应式时要保证电荷守恒 元素守恒 可在电极反应式一端根据需要添加H 或OH 或H2O 5 两电极反应 电池总反应的三个方程式 若已知其中两个 可由方程式的加减得到第三个 案例精析 例3 2009 湖北联考 19 铁及铁的化合物应用广泛 如FeCl3可用作催化剂 印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等 1 写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式 2 若将 1 中的反应设计成原电池 请画出原电池的装置图 标出正 负极 并写出电极反应式 正极反应 负极反应 解析 根据氧化还原反应2Fe3 Cu 2Fe2 Cu2 设计原电池 负极发生氧化反应 Cu失电子 正极选择比Cu活泼性弱的金属或碳棒 电解质溶液为FeCl3溶液 答案 1 2Fe3 Cu 2Fe2 Cu2 2 装置图 正极反应 2Fe3 2e 2Fe2 负极反应 Cu 2e Cu2 点评 设计原电池时 总反应式中化合价升高的金属作负极 正极选择比负极金属活泼性弱的金属或碳棒 总反应式中与负极金属反应的物质作电解质 2008 广东高考 用铜片 银片 Cu NO3 2溶液 Ag NO3溶液 导线和盐桥 装有琼脂 KNO3的U型管 构成一个原电池 以下有关该原电池的叙述正确的是 在外电路中 电流由铜电极流向银电极 正极反应为 Ag e Ag 实验过程中取出盐桥 原电池仍继续工作 将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A B C D 解析 该原电池中Cu作负极 Ag作正极 负极反应式为Cu 2e Cu2 正极反应式为Ag e Ag 因此 对 在外电路中 电子由Cu电极流向Ag电极 而电流方向与电子流向相反 所以 错 没有盐桥 原电池不能继续工作 所以 错 无论是否为原电池 反应实质相同 均为氧化还原反应 所以 对 答案 C 设计一原电池 实现总离子反应为 2Fe3 Fe 3Fe2 说出正负极材料 电解质溶液 并写出电极反应式 画出装置图 解析 负极失电子 发生氧化反应 Fe 2e Fe2 故负极材料为Fe 正极得电子 发生还原反应 Fe3 e Fe2 故正极材料为惰性电极C 石墨 答案 正极为C 负极为Fe 电解质溶液为FeCl3溶液 电极反应式如下 正极 C 2Fe3 2e 2Fe2 负极 Fe Fe 2e Fe2 装置如下图所示 1 利用原电池原理设计新型化学电池 2 改变化学反应速率 如实验室用粗锌与稀硫酸反应制取氢气 3 进行金属活动性强弱比较 4 电化学保护法 即金属作为原电池的正极而受到保护 如在铁器表面镀锌 5 解释某些化学现象 案例精析 例4 将甲 乙两种金属的性质相比较 已知 甲跟水反应比乙与水反应剧烈 甲单质能从乙的盐溶液中置换出单质乙 甲的最高价氧化物对应水化物的碱性比乙的最高价氧化物对应水化物的碱性强 与某金属反应时甲原子得电子数目比乙的多 以甲 乙两金属为电极构成原电池 甲作负极 能说明甲的金属性比乙强的是 A B C D 解析 金属的金属性越强 金属的还原性也就越强 则在反应时越易失去电子 而 中的表述指的是甲原子的氧化性 则甲原子不属于金属原子 不符合要求 中两种金属作电极 一般是较活泼的金属作负极 但也要具体问题具体分析 如Mg比Al活泼 Mg Al NaOH溶液组成原电池时 Al作负极 答案 A 点评 金属性强弱的比较方法 1 金属越易与水或酸反应置换出氢气 其金属性越强 2 金属最高价氧化物对应水化物的碱性越强 其金属性越强 3 活泼金属置换不活泼金属 根据下列事实 1 A B2 A2 B 2 D 2H2O D OH 2 H2 3 以B E为电极与E的盐溶液组成原电池 电极反应为E2 2e E和B 2e B2 由此可知A2 B2 D2 E2 的氧化性强弱顺序为 A D2 A2 B2 E2 B A2 B2 D2 E2 C D2 E2 A2 B2 D E2 B2 A2 D2 解析 由反应 1 可得氧化性 B2 A2 由反应 2 可知D为非常活泼的金属 故其阳离子的氧化性很弱 由反应 3 可知氧化性 E2 B2 综合分析 氧化性强弱顺序为 E2 B2 A2 D2 答案 D 1991年我国首创以铝 空气 海水电池作为能源的新型海水标志灯 以海水为电解质 靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流 只要把灯放入海水中数分钟 就会发出耀眼的白光 则电源负极材料为 正极材料为 正 负极反应分别为 解析 Al O2 空气 之间的氧化还原反应为 将该反应与原电池的原理 Al的导电性等知识进行综合分析可知 铝既是负极反应物 又是负极材料 O2是正极反应物 正极材料应该选择还原性比Al弱的导电性强的材料 如石墨等 Al O2的氧化反应 还原反应分别为 答案 Al石墨等能导电的惰性材料或活泼性比铝弱的金属材料3O2 6H2O 12e 12OH 4Al 12e 4Al3 1 如何选择电极材料 电池的电极必须导电 电池中的负极必须能够与电解质溶液反应 容易失去电子 因此负极一般是活泼的金属材料 正极和负极之间只有产生电势差 电子才能定向移动 所以正极和负极不用同一种材料 一般情况下 两个电极的构成分为4种情况 1 活泼性不同的两种金属 例如 锌铜原电池中 锌作电池的负极 铜作电池的正极 2 金属和非金属 例如 锌锰干电池中 锌片作电池的负极 石墨棒作电池的正极 3 金属和化合物 例如 铅蓄电池中 铅板作电池的负极 二氧化铅作电池的正极 4 惰性电极 例如 氢氧燃料电池中 两根电极均可用Pt 2 金属活泼性比较 1 根据元素周期律 相同条件下 与水或酸反应越剧烈 其金属的活动性越强 2 根据金属活动性顺序 3 根据金属的冶炼方法来判断 金属活动性 热分解法冶炼的金属 可用热还原法冶炼的金属 只能用电解法冶炼的金属 4 根据原电池的组成判断 金属活泼性强弱是原电池原理的重要应用 一定要注意 在原电池中活泼金属作负极 发生氧化反应 被腐蚀 不活泼金属作正极 发生还原反应 常被保护起来 电子移动方向是由负极流向正极 与电流方向相反