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|第三單元　化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化 |
第1課時(shí)　化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能
1．通過對銅—鋅原電池的探究，能辨識簡單原電池的構(gòu)成要素。
2．通過對銅—鋅原電池的探究，能分析原電池的工作原理。
3．通過對銅—鋅原電池的學(xué)習(xí)，能舉出化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)例。
(一) 概念：將__化學(xué)__能轉(zhuǎn)化為__電__能的裝置。
(二) 原電池工作原理(以Zn|H2SO4|Cu原電池為例)
Cu－Zn原電池工作原理示意圖
(三) 原電池工作的一般條件：
① 大多數(shù)情況下，一般存在氧化還原反應(yīng)。
② 兩根活潑性不同的電極。
③ 有電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì))。
④ 形成閉合回路。
素材1　問題導(dǎo)入——化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化為電能？
【科學(xué)史話】　1800年，意大利物理學(xué)家伏打?qū)⒉煌慕饘儆脤?dǎo)線相連并浸入鹽溶液中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線中有電流產(chǎn)生。伏打因此研制出世界上第一個(gè)電池。
【科學(xué)探究】　學(xué)生根據(jù)提供的儀器和試劑設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生電流的裝置。
儀器和試劑：鋅片(兩塊)、銅片(兩塊)、溫度計(jì)、檢流計(jì)、導(dǎo)線、燒杯、CuSO4溶液、酒精。
【設(shè)計(jì)意圖】　通過科學(xué)家的啟示以及提供的儀器和試劑，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)廣闊的動(dòng)手和思考的空間。學(xué)生可能會(huì)下意識地把同種金屬或不同種金屬相連并浸入CuSO4溶液或酒精中，激發(fā)了學(xué)生勇于探索的科學(xué)精神。
素材2　重難點(diǎn)突破——鋼鐵的電化學(xué)腐蝕。
(1) 條件：鐵和少量的碳形成兩個(gè)電極；鋼鐵表面的水膜里含有少量H＋、OH－和O2等，形成電解質(zhì)溶液。
(2) 電極反應(yīng)：負(fù)極(鐵)2Fe－4e－===2Fe2+，正極(碳)O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
總反應(yīng)：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2。
后續(xù)反應(yīng)：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。
Fe(OH)3在一定條件下發(fā)生脫水反應(yīng)，生成紅色的鐵銹(主要成分為Fe2O3·xH2O)。
(3) 應(yīng)用：暖貼。暖貼的內(nèi)部含有鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石、木粉等。鐵粉、活性炭、食鹽一旦與空氣中的氧氣、水蒸氣接觸就會(huì)形成原電池，木粉能夠吸水并保持水分，蛭石能夠保溫。原電池的形成加快了鐵被氧氣氧化的速率，能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多的熱量。
問題一　如何判斷原電池的正、負(fù)極？
問題二　如何正確書寫原電池的電極反應(yīng)式？
1．按照負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)(元素的化合價(jià)升高)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)(元素的化合價(jià)降低)，判斷電極反應(yīng)的反應(yīng)物、生成物、轉(zhuǎn)移的電子數(shù)。
2．電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中應(yīng)該能夠穩(wěn)定存在，如在CH4燃料電池中，當(dāng)電解質(zhì)溶液是堿性溶液(如KOH溶液)時(shí)，其對應(yīng)的產(chǎn)物應(yīng)該寫成CO，而不應(yīng)該寫成CO2，因?yàn)镃O2能與KOH溶液發(fā)生反應(yīng)。
3．正、負(fù)極的電極反應(yīng)式相加等于原電池的總反應(yīng)式。
問題三　鋼鐵在空氣中是如何被腐蝕的？
1．電化學(xué)腐蝕：不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸，發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子被氧化。
2．鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生電化學(xué)腐蝕：
負(fù)極(鐵)：2Fe － 4e－===2Fe2+
正極(碳)：2H2O＋O2＋4e－===4OH－
正、負(fù)極產(chǎn)物結(jié)合成Fe(OH)2，會(huì)進(jìn)一步被O2氧化為Fe(OH)3。反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。
　某同學(xué)用如下圖所示裝置探究原電池的工作原理，并推出下列結(jié)論，其中錯(cuò)誤的是(　C　)
A．鋅片不斷溶解，說明Zn失去電子
B．銅片上產(chǎn)生氣泡，說明溶液中的H＋在其表面得到電子
C．電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明該裝置將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能
D．該裝置中發(fā)生的總反應(yīng)為Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑
【解析】　鋅片作負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)Zn－2e－===Zn2+；銅片作正極，發(fā)生反應(yīng)2H＋＋2e－===H2↑。原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，該裝置中發(fā)生的總反應(yīng)是Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑。
【素養(yǎng)要求】　能分析原電池的工作原理。
　原電池中的常見考點(diǎn)
(1) 能量轉(zhuǎn)化方式：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。
(2) 電子的流動(dòng)方向：負(fù)極→外電路→正極。
(3) 電流的方向：正極→外電路→負(fù)極。
(4) 離子的移動(dòng)方向：陽離子→正極；陰離子→負(fù)極。
(5) 電極反應(yīng)的特征：負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)；正極上發(fā)生還原反應(yīng)。
　下列各個(gè)裝置中能組成原電池的是(　C　)
　　　　　　
　　A　　　　B　　　　C　　　　D
【解析】　酒精溶液不能導(dǎo)電，故不能組成原電池，A項(xiàng)錯(cuò)誤。兩種金屬?zèng)]有活潑性差異，故不會(huì)產(chǎn)生電流，B項(xiàng)錯(cuò)誤。沒有形成閉合回路，不會(huì)產(chǎn)生電流，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【素養(yǎng)要求】　能辨析簡單原電池的構(gòu)成要素。
*選做強(qiáng)化題　物質(zhì)中的化學(xué)能在一定條件下可轉(zhuǎn)化為電能。
(1) 將鋅片放入盛有稀硫酸的燒杯中，反應(yīng)的離子方程式是__Zn＋2H＋===Zn2+＋H2↑__。
(2) 將鋅片、銅片按照下圖所示裝置連接，能證明化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是銅片上有氣泡產(chǎn)生、__電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)__。
(3) 稀硫酸在下圖所示裝置中的作用是傳導(dǎo)離子、__作為正極反應(yīng)物__。
(4) 下列反應(yīng)通過原電池裝置，可實(shí)現(xiàn)化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的是__②③__(填序號)。
① CaO＋H2O===Ca(OH)2
② 2H2＋O22H2O
③ Cu＋2Ag＋===Cu2+＋2Ag
【解析】　(2) 原電池工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流，電流計(jì)指針也就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。　(3) 正極的反應(yīng)為2H＋＋2e－===H2↑，硫酸作為正極反應(yīng)物提供H＋。　(4) 原電池工作時(shí)，存在電子的定向轉(zhuǎn)移，這就通常需要存在自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。
【素養(yǎng)要求】　能分析原電池的工作原理。

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