高中化学必修2——化学能与电能

高中化学必修2——化学能与电能

2 授 课 教 案

学员姓名： 授课教师：

所授科目：_化学_

学员年级： 高一 上课时间：

教学标题 原电池

教学目标 了解化学能与电能的相互转化、了解原电池的工作原理及其组成条件、能够写出原电池的电极反应式和总方程式、掌握原电池原理的应用、了解化学电源的分类、应用和发展前景

3 教学内容（①温故而知新；②新课知识要点；③例题经典分析；④课堂作业（5—10分钟）；⑤家庭作业；○6下次课预授内容（和学生讨论下次课要上的内容））

【新课内容】

一、原电池的概念

1．能量的转化

原电池：将化学能转变为电能的装置。

电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。

2．工作原理

设计一种装置，使氧化还原反应所释放的能量直接转变为电能，即将氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，并使电子转移经过导线，在一定条件下形成电流。

电子从负极（较活泼金属）流向正极（较不活泼金属或碳棒），负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

电极 电极材料 反应类型 电子流动方向

负极 还原性较强的金属 氧化反应 负极向外电路提供电子

正极 还原性较弱的金属或碳棒 还原反应 正极从外电路得到电子

4 以下是锌铜原电池装置示意图：

3．原电池的组成条件

(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和还原反应。原电池中两极活泼性相差越大，电池电动势就越高。

(2)电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。

(3)导线将两电极连接，形成闭合回路。

(4)有能自发进行的氧化还原反应。

4．原电池的判断方法

（1）先分析有无外接电池，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。

（2）多池相连，但无外电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。

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5．原电池的正负极的判断方法

判断依据 负极 正极

电极材料 活泼性较强的金属 活泼性较弱的金属或能导电的非金属

电子流动方向 电子流出极 电子流入极

电流方向 电流流入极 电流流出极

电解质溶液中离子定向移动方向 阴离子移向负极 阳离子移向正极

发生的反应 氧化反应 还原反应

反应现象 溶解的极 增重或有气泡放出的极

6．原电池中带电粒子的移动方向

在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。在外电路上电子从负极经导线上流入正极；在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。具体情况见图：

6

二、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

例如：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。根据现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。

3．用于金属的防护

将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。例如：在钢（铁）闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。

4. 判断金属腐蚀的快慢

（1）原电池腐蚀＞化学腐蚀＞有防护的腐蚀

（2）对同意金属来说，金属腐蚀的快慢：离子浓度大的电解质溶液＞离子浓度小的电解质溶液＞非电解质溶液

（3）活动性不同的两金属，活动性差别越大，腐蚀越

7 快

5．原电池的设计

设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是：

（1）首先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应；

（2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液。

①电极材料的选择

在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原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或其中溶解的物质反应。

②电解质溶液的选择

电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜—锌—硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。

（3）按要求画出原电池装置图。

三、几种常见的电池

1、一次电池：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是

8 不可逆的。

干电池：一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。

一次电池

①碱性锌锰电池

构成:负极是锌,正极是MnO2,正极是KOH

工作原理:负极 Zn+2OH—－2e－=Zn(OH)2；正极:2MnO2+2H2O+2e－=2MnOOH+2OH－

总反应式:Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2

特点:比能量较高,储存时间较长,可适用于大电流和连续放电。

②纽扣式电池（也叫银锌电池）

负极：Zn + 2OH－ －2e－=== ZnO + H2O

正极：Ag2O + H2O + 2e－ === 2Ag + 2OH－

总反应式：Ag2O + Zn === 2Ag + ZnO

锌银电池的负极是Zn，正极是Ag20，电解质是KOH

特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。

③锂电池

锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOC12)中组成。

负极：10Li－10e—＝10Li+

正极：4SOC12+10e—＝SO42－+3S+8Cl—

总反应式为：10Li+34SOC12=8LiCl+Li2SO4+3S

特点：锂电池是一种高能电池，质量轻、电压稳定、工

9 作效率高和贮存寿命长的优点。

2、二次电池

①铅蓄电池

放电电极反应：

负极：Pb(s)+SO42－(aq)－2e－＝PbSO4(s)；

正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)+2e－＝PbSO4(s)+2H2O(l)

总反应式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)＝2PbSO4(s)+2H2O(l)

充电电极反应：

阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e－=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)；

阴极：PbSO4(s)+2e－=Pb(s)+SO42－(aq)

总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)

总反应方程式：

Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq)

2PbSO4(s) +2H2O(l)

说明：

A． 负极阴极 正极阳极

10 B． K1K2

电池的正负极分别和电源的正负极相连

C． 各极的pH变化看各电极反应，电池的pH变化看电池总反应

②镍一镉碱性蓄电池

负极：Cd+2OH－－2e－=Cd(OH)2；

正极：2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH－

总反应式：Cd +2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+

Cd(OH)2

3、燃料电池

电池 电极

反应 酸性电解质 碱性电解质

氢氧燃料电池 负极 2H2－4e－＝4H+ 2H2+4OH－－4e－＝4H2O

正极 O2+4H++4e－＝2H2O O2+2H2O+4e－＝4OH－

总反2H2+O2＝2H2O 2H2+O2＝2H2O

11 应

甲烷燃料电池 负极 CH4 +

2H2O－8e－=CO2 +

8H+ CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O

正极 2O2 + 8H+

+ 8e－＝4H2O 2O2+4H2O+8e－=8OH－

总反应 CH4 + 2O2

= CO2 +

2H2O CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O

甲醇燃料电池 负极 2CH3OH +

2H2O－12e－= 2CO2 +

12H+ 2CH3OH +16OH－－12e－=2CO32－+12H2O

正极 3O2 +12H+

+12e－＝6H2O 3O2+6H2O+12e－=12OH－

总反应 2CH3OH +

3O2 =

2CO2 +

4H2O 2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧气外，空气中的氧气也可作氧化剂。

燃料电池的能量转化率高于80％，远高于燃烧过程（仅30％左右），有利于节约能源。燃料电池有广阔的发展前途。

12 四、正确书写电极反应式

1． 列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。

2． 标明电子的得失。

3． 使质量守恒。

电极反应式书写时注意：

①负极反应生成物的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应该写入负极反应式；

②若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式，且生成物为OH－；若电解液为酸性，则H+必须写入反应式中，生成物为H2O。

③电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。

4． 正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。若能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。注意相加减时电子得失数目要相等。