【教学课件】第三讲化学能转化为电能-电池.ppt

第三讲化学能转化为电能电池,1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。2了解常见化学电源的种类及其工作原理。3理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。,1电极反应方程式书写常考常新，考查形式多样，可能以选择题形式判断书写正误，也可能融入综合题目中具体书写。2与电解内容联合命题，原电池成为电解池的外接电源的设想大胆新颖，应多关注。3借助金属的电化学腐蚀和防护考查原电池原理也是高考的重要命题方式。,一、原电池及其工作原理1原电池装置能量转化：_转化为_。2原电池的电极 原电池的负极_金属发生_反应 向外电路_电子 原电池的正极_金属(或惰性电极如石墨)发生_外电路提供的电子,化学能,电能,活泼,氧化,提供,不活泼,还原反应,接受,3原电池的构成条件(1)能自发地发生_。(2)电解质溶液(构成电路或参加反应)。(3)由还原剂和导体构成_极系统，由氧化剂和导体构成_极系统。(4)形成_(两电极接触或用导线连接)。,氧化还原反应,负,正,闭合回路,4工作原理(以锌铜原电池为例，如图所示),Zn,Cu,Zn2e=Zn2+,Cu+2e=Cu,正极,负极,原电池的模型中常用盐桥连接，它的作用是什么？能否用一导线代替？提示盐桥的作用是连接两烧杯中的电解质溶液，使带电离子定向移动，使烧杯中电荷平衡，不能用一根导线连接，因为导线是不能传递阴阳离子的。,二、常见化学电源,Zn2OH2e=Zn(OH)2,2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH,Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2,Pb(s)2eSO42(aq)=PbSO4(s),PbO2(s)2e4H(aq)SO42(aq)=PbSO4(s)2H2O(l),燃料电池与普通化学电池有何不同？提示燃料电池和普通电池不同，必须使用辅助电极，电极本身不参与反应，所采用的燃料一般为H2、CH4、CH3OH等，助燃剂一般为O2(或空气)。,三、金属的腐蚀和防护1金属腐蚀的本质金属原子_变为_，金属发生_。2金属腐蚀的类型(1)化学腐蚀与电化学腐蚀,失去电子,金属阳离子,氧化反应,非金属单质直接,电解质溶液,无,有微弱,氧化,氧化,电化学,(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀以钢铁的腐蚀为例进行分析：,水膜酸性较强(pH4.3),水膜酸性很弱或呈中性,Fe2e=Fe2,2H2e=H2,O22H2O4e=4OH,Fe2H=Fe2H2,2FeO22H2O=2Fe(OH)2,吸氧腐蚀,铁锈的形成：4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(铁锈)(3x)H2O。3金属的防护(1)电化学防护牺牲阳极保护法_原理a_：比被保护金属活泼的金属；b._：被保护的金属设备。外加电流的阴极保护法_原理a_：被保护的金属设备；b._：惰性金属。(2)改变金属的内部结构，如制成合金、不锈钢等。(3)加防护层，如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。,原电池,正极,电解,阴极,阳极,负极,影响金属腐蚀的因素有哪些？提示影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。介质对金属的腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。,盐桥的作用(1)使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。(2)平衡电荷。如在Zn/ZnSO4Cu/CuSO4原电池中Zn失去电子Zn2进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液中因Zn2增多而带正电荷。同时，CuSO4溶液则由于Cu2变成Cu，使得SO42相对较多而带负电荷。通过盐桥中阴阳离子定向移动而使两极电解质溶液中正负电荷守恒而保持电中性。,一个作用,1“三池”的判断技巧原电池、电解池、电镀池判定规律：若无外接电源，可能是原电池，然后依据原电池的形成条件分析判定，主要是三看，先看电极，两极为导体且活动性不同；再看溶液，两极插入电解质溶液中；后看回路，形成闭合的回路。若有外接电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池。当阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子相同则为电镀池，其他情况为电解池。2串联电路中“原电池”与“电解池”的判断若无外接电源，必有一个是原电池，根据原电池的构成条件进行判断，其余是电解池。若有外接电源，则全是电解池。,两种技巧,原电池的四个判定方法观察电极两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极)；观察溶液两极插入溶液中；观察回路形成闭合回路或两极直接接触；观察本质原电池反应是自发的氧化还原反应。,四个观察,四个规律,金属腐蚀的四个规律电解池原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防护措施的腐蚀。对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液。活泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快。对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。,原电池学习的关键是理解原电池的原理，大家可以画一画原电池的原理图，弄清离子的移向，电子的流向，两极的反应(负氧正还原)。对于燃料电池要注意燃料在负极反应，O2在正极反应，要注意电解质溶液或传导介质的影响，如碱性条件下，CO2以CO32形式存在。,我的体会,在金属的电化学腐蚀中，做氧化剂的只有O2和H吗？提示不是。其他氧化性微粒也可以使金属发生电化学腐蚀。,问题征解,一、原电池的正负极的判断,必考点49 原电池正负极的判断方法和电极反应式的书写,二、电极反应式的书写1一般电极反应式的书写,2复杂电极反应式的书写,如CH4酸性燃料电池中CH42O2=CO22H2O总反应式2O28H8e=4H2O正极反应式得：CH42H2O8e=CO28H负极反应式,【典例1】,已知在酸性条件下发生的反应为AsO432I2H=AsO33I2,H2O，在碱性条件下发生的反应为AsO33I22OH=AsO43H2O2I。设计如图装置(C1、C2均为石墨电极)，分别进行下述操作：,.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液结果发现电流表指针均发生偏转。试回答下列问题：(1)两次操作中指针为什么发生偏转？(2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反？试用化学平衡移动原理解释之。(3)操作过程中C1棒上发生的反应为_；(4)操作过程中C2棒上发生的反应为_。(5)操作过程中，盐桥中的K移向_烧杯溶液(填“A”或“B”)。,解析由于酸性条件下发生反应AsO432I2H=AsO33I2H2O，碱性条件下发生反应AsO33I22OH=AsO43H2O2I都是氧化还原反应。而且满足构成原电池的三大要素：不同环境中的两电极(连接)；电解质溶液(电极插入其中并与电极自发反应)；形成闭合回路。当加酸时，c(H)增大，C1：2I2e=I2，这是负极；C2：AsO432H2e=AsO33H2O，这是正极。当加碱时，c(OH)增大，C1：I22e=2I，这是正极；C2：AsO332OH2e=AsO43H2O，这是负极。,答案(1)两次操作中均能形成原电池，化学能转变成电能。(2)()加酸，c(H)增大，AsO43得电子，I失电子，所以C1极是负极，C2极是正极。()加碱，c(OH)增大，AsO33失电子，I2得电子，此时，C1极是正极，C2极是负极。故发生不同方向的反应，电子转移方向不同，即电流表指针偏转方向不同。(3)2I2e=I2(4)AsO332OH2e=AsO43H2O(5)A,原电池正、负极的判断基础是自发进行的氧化还原反应，如果给出一个化学反应方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。判断电极时，不能简单地依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况，如：a.Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；b.Fe、Al在浓HNO3中钝化后，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。,原电池正负极判断的注意点,【应用1】,(2013保定质检)原电池正、负电极的极性不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列由不同材料组成的原电池，电极反应正确的是()。A由Fe、Cu与稀硫酸组成的原电池，其负极反应式为Fe 3e=Fe3B由Al、Mg与氢氧化钠溶液组成的原电池，其负极反应 式为Mg2e2OH=Mg(OH)2C由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池，其正极反应 式为Cu2e=Cu2D由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池，其负极反应式为 Cu2e=Cu2,解析由Fe、Cu与稀硫酸组成的原电池，Fe作负极，电极反应式为：Fe2e=Fe2，A错；由Al、Mg与氢氧化钠溶液组成的原电池，电池总反应为2Al6H2O2NaOH=2NaAl(OH)43H2，Al作负极，电极反应式为Al3e4OH=Al(OH)4，B错；由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池，正极为Pb，电极反应式为Fe3e=Fe2，C错；由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池，Al遇浓硝酸钝化，Cu作负极，电极反应式为Cu2e=Cu2，D对。答案D,1加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。2比较金属活动性强弱两种金属分别做原电池的两极时，一般做负极的金属比做正极的金属活泼。例如，有两种金属a、b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a溶解，b极上有气泡产生，则推测a为负极，b为正极，则金属活动性ab。,必考点50原电池原理在化工、农业生产及科研中的应用,3用于金属的防护使被保护的金属制品做原电池正极而得到保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌做原电池的负极。4设计电池，制造化学电源 如根据以下反应设计的原电池如下表所示：,5.探究金属腐蚀的快慢规律不同类型的腐蚀规律电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防护措施的腐蚀,【典例2】,(2012吉林期末质检)实验发现，298 K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3立即被还原成Fe2。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如下图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是()。,A该原电池的正极反应是：Zn2e=Zn2B左烧杯中溶液的红色逐渐退去C该电池铂电极上有气泡出现D该电池总反应为：3Zn2Fe3=2Fe3Zn2解析正极是得电子的反应，A错误；左烧杯中的电极反应式为Fe3e=Fe2，B正确、C错误；因为在金属活动性顺序中铁排在H的前面，在酸性溶液中不会生成Fe，D错误。答案B,理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极。(2)确定电极材料如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料必须不如负极材料活泼。(3)确定电解质溶液一般选用反应物中的电解质溶液即可。(4)构成闭合回路。,【应用2】,(2013青岛模拟)控制适合的条件，将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是()。,A反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B反应开始时，甲中石墨电极上Fe3被还原C电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石 墨电极为负极,答案D,原电池反应的本质就是氧化还原反应。因此正确书写氧化还原反应方程式并能标出电子转移的方向和数目是正确书写电极反应式的基础，通过电池反应中转移电子的数目可确定电极反应中得失的电子数目，通过电池反应中的氧化剂、还原剂和氧化产物、还原产物可确定电极反应中的反应物和产物。具体步骤如下：首先根据题意写出电池反应。,标出电子转移的方向和数目，指出氧化剂、还原剂。根据还原剂负极材料，氧化产物负极产物，氧化剂正极材料，还原产物正极产物来确定原电池的正、负极和反应产物。根据电池反应中转移电子的数目来确定电极反应中得失的电子数目。注意环境介质对反应产物的影响。写出正确的电极反应式。,(12分)某学校研究性学习小组欲以镁条、铝片为电极，以稀NaOH溶液为电解质溶液设计原电池。(1)给你一只安培表，请你画出该原电池的示意图，并标出正负极。,试卷采样,审题指导在所给的电极材料中，铝片能与NaOH溶液发生自发的氧化还原反应：2Al2NaOH6H2O=2NaAl(OH)43H2还原剂氧化剂氧化产物还原产物由此可知：负极(Al)：2Al6e8OH=2Al(OH)4正极(Mg)：6H2O6e=3H26OH,当场指导,失分提示1原电池的正极和负极除与活泼性有关外，还与接触到溶液的酸碱性有关。2原电池中电极反应与溶液的酸碱性有一定关系。,评分细则,(1)如右图所示(4分)(不标正负极扣2分)(2)2Al8OH6e=2Al(OH)4(4分)(3)6H2O6e=3H26OH(4分),Hold住考向,名师揭秘,原电池原理的分析和应用是高考的热点。预测2014年关于新型电源的工作原理分析、电极反应式的书写仍会在高考中出现，必须高度关注。,角度1.原电池工作原理1(2012福建理综，9)将下图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是()。,原电池原理的多方位分析,ACu电极上发生还原反应B电子沿ZnabCu路径流动C片刻后甲池中c(SO42)增大D片刻后可观察到滤纸b点变红色解析将K闭合构成闭合回路后，甲、乙构成原电池。饱和硫酸钠、酚酞溶液为电解质溶液，滤纸为“电解池”。A项，原电池反应为：ZnCu2=Zn2Cu，Zn为负极，发生氧化反应，Cu电极上发生还原反应；B项，电子不能通过电解质溶液；C项，盐桥中Cl移向甲池，c(SO42)不变；D项，b点为电解池的阳极，OH放电，该极区呈酸性，此处滤纸颜色无明显变化。答案A,(2011广东，12)某小组为研究电化学原理，设计右图装置，下列叙述不正确的是()。Aa和b不连接时，铁片上会有金属铜析出Ba和b用导线连接时，铜片上发生的反应 为：Cu22e=Cu,C无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐 渐变成浅绿色Da和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2向铜电极移动,解析a和b不连接时，铁与CuSO4溶液发生反应：FeCu2=Fe2Cu，A项正确；a和b用导线连接时，组成了原电池，Fe作负极，Cu作正极，铜片上发生还原反应：Cu22e=Cu，铁片上发生氧化反应：Fe2e=Fe2，B项正确；通过以上分析可知，无论a和b是否连接，均发生反应：FeCu2=Fe2Cu，故溶液均从蓝色(Cu2的颜色)逐渐变成浅绿色(Fe2的颜色)，C项正确；a和b分别连接直流电源正、负极时，构成电解池，铜片作阳极，铁片作阴极，Cu2应向阴极(铁电极)移动，D项错误。答案D,角度2.新型化学电池3(2011福建，11)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是()。A水既是氧化剂又是溶剂B放电时正极上有氢气生成C放电时OH向正极移动D总反应为：2Li2H2O=2LiOHH2解析在原电池中电解质溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。答案C,角度1.判断金属活泼性1(2012全国，11)四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。相连时，外电路电流从流向；相连时，为正极；相连时，上有气泡逸出；相连时，的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是()。,原电池原理的综合应用,A BC D解析相连时，外电路电流从流向，说明为负极，为正极，金属活动性：；相连时，为正极，为负极，金属活动性：；相连时，上有气泡逸出，说明为负极，为正极，金属活动性：；相连时，的质量减小，说明为负极，为正极，金属活动性：。由此可知，金属活动性：，B项正确。答案B,角度2.电化学腐蚀与防护2(2012山东理综，13)下列与金属腐蚀有关的说法正确 的是()。,A图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重B图b中，开关由M改置于N时，CuZn合金的腐蚀速率减小C图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大D图d中，ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的解析A项，因液面处氧气的浓度大且与海水接触，故在液面处铁棒腐蚀最严重；C项，接通开关后形成原电池，Zn的腐蚀速率增大，H在Pt电极上放电产生H2；D项，干电池自放电腐蚀是NH4Cl产生的H的氧化作用引起的。答案B,3(2011浙江理综，10)将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法正确的是()。,A液滴中的Cl由a区向b区迁移B液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O22H2O4e=4OHC液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2由 a区向b区迁移，与b区的OH形成Fe(OH)2，进一步氧 化、脱水形成铁锈D若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加 NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：Cu2e=Cu2解析Cl由b区向a区迁移，A错；正极反应为O22H2O4e=4OH，B正确；由题干知铁板发生吸氧腐蚀，铁作负极，发生氧化反应，因此C项错；铜螺丝钉作正极，因此D错。答案B,角度3.电池在工农业生产和生活中的应用4(2012四川理综，11)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH4eH2O=CH3COOH4H。下列有关说法正确的是()。A检测时，电解质溶液中的H向负极移动B若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气C电池反应的化学方程式为：CH3CH2OHO2=CH3COOHH2OD正极上发生的反应为：O24e2H2O=4OH,解析A项，检测时，电解质溶液中的H移向正极；B项，若反应中有0.4 mol电子转移，则在标况下消耗的O2体积为2.24 L；D项，电解质溶液呈酸性，正极上发生的反应为O24e4H=2H2O。答案C,5(2012海南化学，16)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。,回答下列问题：(1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为_、_。(2)闭合K开关后，a、b电极上均有气体产生，其中b电极上得到的是_，电解氯化钠溶液的总反应方程式为_。(3)若每个电池甲烷通入量为1 L(标准状况)，且反应完全，则理论上通过电解池的电量为_(法拉第常数F9.65104 Cmol1，列式计算)，最多能产生的氯气体积为_L(标准状况)。,解析(1)甲烷燃料电池的总反应方程式为：CH42O22OH=CO323H2O，正极反应式为2O24H2O8e=8OH，负极反应式由总反应式减去正极反应式即可得到；(2)由图示可知，甲烷燃料电池中通入CH4的一极为负极，因而与之相连的b电极为阴极，产生的气体为氢气；(3)1 mol甲烷被氧化失去电子8 mol，电量为89.65104 C，题中虽有两个燃料电池，但电子的转移只能用一个电池的甲烷量计算，可根据CH48e4Cl2计算出标准状况下产生氯气的体积为4 L。,【常见考点】原电池原理在新型电池中的应用原电池原理在工农业生产中的应用金属活泼性强弱比较的实验探究金属腐蚀快慢因素的实验探究【常考题型】选择题填空题,【样题1】原电池原理在工农业生产和生活中的应用我国大力发展清洁能源产业，以太阳能为代表的新能源产业规模发展迅速。试完成下列问题：,(1)现在电瓶车所用电池一般为铅蓄电池，如图所示，这是一种典型的可充电电池，电池总反应式为：PbPbO24H2SO42 2PbSO42H2O。则电池放电时，溶液的pH会_(填“增大”或“减小”)，写出负极反应式为_。充电时，铅蓄电池的负极应与充电器电源的_极相连。,(2)为体现节能减排的理念，中国研制出了新型燃料电池汽车，该车装有“绿色心脏”质子交换膜燃料电池。如图是某种质子交换膜燃料电池原理示意图。该电池的正极是_(填“a”或“b”，下同)极，工作过程中，质子(H)透过质子交换膜移动到_极。写出该电池的负极反应式为：_。,(3)最近，合肥开工建设大型太阳能电池板材料生产基地，这种材料主要是高纯度的硅，下面关于硅的叙述中，正确的是()。A硅的非金属性比碳弱，只有在高温下才能跟氢气起化 合反应BSiO2与碳酸钠固体高温条件下反应，说明硅酸的酸性 强于碳酸CSiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸D虽然硅的化学性质不活泼，但在自然界中以化合态存 在E硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量 在所有的元素中居第一位,解析(1)铅蓄电池放电时，负极为Pb，失去电子发生氧化反应Pb2eSO42=PbSO4，正极为PbO2，得到电子发生还原反应PbO24HSO422e=PbSO42H2O，铅蓄电池在充电时，充电器电源的正极和负极分别与铅蓄电池的正极和负极相接，即“正接正，负接负”。(2)负极发生的反应为H22e=2H，正极发生的反应为O24H4e=2H2O。(3)B中，SiO2是酸性氧化物，它可溶于氢氟酸；E中，硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第二位。答案(1)增大Pb2eSO42=PbSO4负(2)bbH22e=2H(3)A、D,【样题2】新型电池的开发和利用(2012黄冈二模)(1)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图一所示。,该电池正极的电极反应式为_。电池在放电过程中，b对应的电极周围溶液的pH_(填“增大”、“减小”或“不变”)。,(2)以上述电池为电源，通过导线与图二电解池相连。X、Y为石墨，a为2 L 0.1 molL1 KCl溶液，写出电解总反应的离子方程式：_。X、Y分别为铜、银，a为1 L 0.2 molL1 AgNO3溶液，写出Y电极反应式：_。(3)室温时，按上述(2)电解一段时间后，取25 mL上述电解后的溶液，滴加0.4 molL1醋酸溶液得到图三所示曲线(不考虑能量损失和气体溶于水，溶液体积变化忽略不计)。,结合图三计算，上述电解过程中消耗二甲醚的质量为_。若图三的B点pH7，则滴定终点在_区间(填“AB”、“BC”或“CD”)。C点溶液中各离子浓度大小关系是_。,