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第六章 化學(xué)反應(yīng)與能量
第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)與能量變化
第二課時(shí)
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.借助原電池裝置和原理的學(xué)習(xí)，體會(huì)化學(xué)能到電能的直接轉(zhuǎn)化，提高模型認(rèn)知能力，學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法。
2.能夠辨識(shí)簡單原電池的構(gòu)成要素，能正確判斷原電池的正、負(fù)極，能夠用電極反應(yīng)式對(duì)簡單原電池的宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行符號(hào)表征。
3.了解各類電池在生產(chǎn)、生活實(shí)際中的應(yīng)用，能夠舉例說明化學(xué)電源對(duì)提高生活質(zhì)量的重要意義。
新課導(dǎo)入
能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源是城市的血液，現(xiàn)代化程度越高對(duì)能源的依賴越強(qiáng)。
能源
二級(jí)
能源
一級(jí)
能源
在自然界現(xiàn)成存在的能源，
如化石燃料、水能等。
由一級(jí)能源轉(zhuǎn)換而成的能源，
如電能、煤氣、汽油等。
生活中的電池
化學(xué)反應(yīng)與電能
化學(xué)能
熱能
機(jī)械能
電能
燃料燃燒
蒸汽輪機(jī)
發(fā)電機(jī)
能源利用率低 30%-40%
氧化還原反應(yīng)
化學(xué)反應(yīng)與電能
實(shí)驗(yàn)探究6-3
(1) 將鋅片和銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象。
(2) 用導(dǎo)線連接鋅片和銅片，觀察、比較導(dǎo)線連接前后的現(xiàn)象。
(3) 如圖6-6所示，用導(dǎo)線在鋅片和銅片之間串聯(lián)一個(gè)電流表，觀察電流表的指針是否偏轉(zhuǎn)。
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化學(xué)反應(yīng)與電能
實(shí)驗(yàn)分析
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：① 剛開始，鋅片上有氣泡產(chǎn)生，銅片上無氣泡產(chǎn)生；
② 當(dāng)用導(dǎo)線相連后，銅片上有氣泡產(chǎn)生；
③ 串聯(lián)電流表后，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：① 鋅與稀硫酸反應(yīng)，銅不與稀硫酸反應(yīng)；
② 導(dǎo)線中有電流通過。
2e-
Zn + 2H+ = Zn2+ + H2
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
實(shí)驗(yàn)原理：
化學(xué)反應(yīng)與電能
思考
①既然銅片不與稀硫酸反應(yīng)，為什么銅上會(huì)有氫氣生成？
②電流表的指針為何偏轉(zhuǎn)？
③只將鋅插入H2SO4溶液中，根據(jù)現(xiàn)象知：鋅也失電子變成鋅離子，氫離子也得電子變成氫氣。為什么不產(chǎn)生電流呢？
④負(fù)極失電子呈正電性趨勢(shì)，正極呈負(fù)電性趨勢(shì)，溶液中的離子是怎樣移動(dòng)的？
化學(xué)反應(yīng)與電能
從微觀角度剖析原電池的工作原理
Zn + 2H+ Zn2+ + H2↑
鋅片 Zn → Zn2+
失去 2 個(gè) e-
即：Zn - 2e- = Zn2+
銅片 H+ → H2
得到 2 個(gè) e-
即：2H+ + 2e- = H2↑
使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行
化學(xué)反應(yīng)與電能
原電池：把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。
1.電極：負(fù)極 發(fā)生氧化反應(yīng)，電子流出（電流流入）的一極。
正極 發(fā)生還原反應(yīng)，電子流入（電流流出）的一極。
負(fù)極（鋅片）
（氧化反應(yīng))
Zn – 2e- = Zn2+
總反應(yīng)：
Zn + 2H+ = Zn2+ + H2
正極（銅片)
（還原反應(yīng)）
2H+ + 2e- = H2
內(nèi)電路
外電路
化學(xué)反應(yīng)與電能
原電池正負(fù)極的判斷方法
電極材料
反應(yīng)類型
電子流向
電極現(xiàn)象
離子移向
負(fù)極
正極
較活潑金屬
較不活潑金屬或
能導(dǎo)電的非金屬
氧化反應(yīng)
還原反應(yīng)
電子流出
電子流入
e-
不斷溶解、質(zhì)量減小
電極增重或
有氣體產(chǎn)生
陰離子移向
陽離子移向
化學(xué)反應(yīng)與電能
原電池的構(gòu)成條件：
1．能自發(fā)進(jìn)行的放熱的氧化還原反應(yīng)、一般是負(fù)極與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng)
2．活動(dòng)性不同的兩極(一般是較活潑金屬作負(fù)極)
注意：可以是金屬與金屬，也可以是金屬與導(dǎo)電非金屬（石墨）
3．有電解質(zhì)溶液
4．兩極形成閉合回路（相連或接觸）
下列哪些裝置能構(gòu)成原電池？
稀硫酸
Ag
Cu
A
稀硫酸
Zn
Cu
稀硫酸
Zn
Fe
Zn
H2SO4溶液
G
√
√
√
√
化學(xué)反應(yīng)與電能
原電池的應(yīng)用
1.比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱。
2.加快化學(xué)反應(yīng)速率
構(gòu)成原電池的反應(yīng)的速率比直接接觸的反應(yīng)的速率快。如實(shí)驗(yàn)室制H2時(shí)，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應(yīng)的速率快，或向溶液中滴入幾滴 CuSO4溶液，反應(yīng)加快。
3.設(shè)計(jì)化學(xué)電池
例如：以2FeCl3+Cu =2FeCl2+CuCl2為依據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)原電池。
化學(xué)反應(yīng)與電能
（1）將氧化還原反應(yīng)拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，分別作原電池的負(fù)極和正極的電極反應(yīng)式。
負(fù)極：Cu-2e- =Cu2+，正極：2Fe3++2e- = 2Fe2+。
（2）確定電極材料
若發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為金屬單質(zhì)，可用該金屬直接作負(fù)極；若發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為氣體（如H2）或溶液中的還原性離子，可用惰性電極（如Pt、碳棒）作負(fù)極。
正極發(fā)生還原反應(yīng)，其電極材料一般不如負(fù)極材料活潑。
本例中可用銅棒作負(fù)極，用鉑絲或碳棒作正極。
（3）確定電解質(zhì)溶液
一般選用反應(yīng)物中的電解質(zhì)溶液即可，如本例中可用FeCl3溶液作電解質(zhì)溶液。
（4）構(gòu)成閉合回路
將電極用導(dǎo)線連接，使之構(gòu)成閉合回路。
設(shè)計(jì)化學(xué)電源
還原劑 ＋ 氧化劑＝氧化產(chǎn)物＋還原產(chǎn)物
氧化還原反應(yīng)
還原反應(yīng)
形成
閉合回路
（失電子）
（得電子）
原電池
負(fù)極反應(yīng)物
負(fù)極材料
正極反應(yīng)物
正極材料
？
設(shè)計(jì)化學(xué)電源
原理：理論上任何自發(fā)的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池
設(shè)計(jì)思路
(1)定反應(yīng)：確定一個(gè)能夠自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。
(2)拆兩半：將氧化還原反應(yīng)拆分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，
分別作為負(fù)極和正極的電極反應(yīng)
還原劑－ne－===氧化產(chǎn)物(負(fù)極電極反應(yīng))；
氧化劑＋ne－===還原產(chǎn)物(正極電極反應(yīng))。
(3)找材料：電極材料必須導(dǎo)電，負(fù)極材料一般選擇較活潑的金屬材料，
或者在該氧化還原反應(yīng)中，本身失去電子的材料；
電解質(zhì)溶液一般能與負(fù)極反應(yīng)。
(4)畫裝置：連接電路形成閉合回路，畫出原電池示意圖。
設(shè)計(jì)化學(xué)電源
設(shè)計(jì)原電池，以Fe+CuSO4==FeSO4+Cu進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫出原電池示意圖，標(biāo)出正負(fù)極和電子移動(dòng)方向，并寫出該電池的正負(fù)極電極反應(yīng)式。
探究
電解質(zhì)溶液
序號(hào) 電極（大小相同） 電極間距 水果種類 電流表示數(shù)(μA)
① Cu—Al 2.0 cm 西紅柿 78.5
② Cu—Fe 2.0 cm 西紅柿 70.3
③ Al—Al 2.0 cm 西紅柿 0
④ Cu—Al 2.0 cm 檸檬 45.7
⑤ Cu—Al 1.0 cm 檸檬 98.4
⑥ 石墨棒—Al 1.0 cm 檸檬 104.5
電極材料的選擇對(duì)電池效果的影響？
序號(hào) 電極（大小相同） 電極間距 水果種類 電流表示數(shù)(μA)
① Cu—Al 2.0 cm 西紅柿 78.5
② Cu—Fe 2.0 cm 西紅柿 70.3
③ Al—Al 2.0 cm 西紅柿 0
④ Cu—Al 2.0 cm 檸檬 45.7
⑤ Cu—Al 1.0 cm 檸檬 98.4
⑥ 石墨棒—Al 1.0 cm 檸檬 104.5
對(duì)比實(shí)驗(yàn)①②③或⑤⑥，得出結(jié)論:
在其他條件相同時(shí)，電極材料活潑性差別越大，電池效果越好。
自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)
電極材料（金屬、石墨棒）
形成閉合回路（導(dǎo)線、電解質(zhì)溶液等）
2. 原電池的構(gòu)成要素
化學(xué)電池
1.一次電池：放電之后不能充電的電池。
（內(nèi)部氧化還原反應(yīng)無法逆向進(jìn)行）
負(fù)極（鋅筒）：Zn – 2e- = Zn2+ 氧化反應(yīng)
正極（石墨棒）：MnO2 得電子 還原反應(yīng)
鋅逐漸消耗，二氧化錳不斷被還原，電池電壓逐漸降低，最后失效。
化學(xué)電池
2.二次電池
鉛酸蓄電池
鎳氫電池
鋰離子電池
化學(xué)能
電能
放電
充電
充電電池
紐扣電池
干電池
筆記本電腦電池
手機(jī)鋰電池
鉛蓄電池
新能源汽車電池
發(fā)展中的燃料電池
燃料電池是一種將燃料（如氫氣、甲烷、乙醇）和氧化劑（如氧氣）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置，具有清潔、安全、高效等特點(diǎn)。當(dāng)以氫氣為燃料時(shí)，產(chǎn)物為水；以甲烷為燃料時(shí)，產(chǎn)物為水和二氧化碳。與常規(guī)發(fā)電廠相比，其二氧化碳排放量明顯降低。燃料電池與干電池或蓄電池的主要差別在與反應(yīng)物不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，而是從外部提供，這時(shí)電池起著類似試管、燒杯等反應(yīng)器的作用。
燃料電池的供電量易于調(diào)節(jié)，能適應(yīng)用電器負(fù)載的變化，而且不需要很長的充電時(shí)間，在航天，軍事和交通等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
化學(xué)電池
一種將燃料（如氫氣、甲烷、乙醇）和氧化劑（如氧氣）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置。
特點(diǎn)：
清潔、安全、高效；
能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到80%以上；
反應(yīng)物不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，而是從外部提供，供電量易于調(diào)節(jié)。
發(fā)展中的燃料電池
負(fù)極（氧化反應(yīng)）
正極（還原反應(yīng)）
2H2 + O2 = 2H2O
歸納總結(jié)
負(fù)極鋅片失去的電子通過導(dǎo)線定向移動(dòng)到正極銅片，從而形成電流
隨堂訓(xùn)練
C
C
隨堂訓(xùn)練
還原反應(yīng)
由Fe片流出經(jīng)導(dǎo)線和LED燈流向Cu片
Fe
Fe－2e－===Fe2＋
Zn
Zn－2e－===Zn2＋
隨堂訓(xùn)練
B
D
隨堂訓(xùn)練
A
隨堂訓(xùn)練
D
隨堂訓(xùn)練
B
隨堂訓(xùn)練
A
不可以，該反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，無電子轉(zhuǎn)移
Zn
H2SO4(或H＋)
Cu
稀硫酸
鋅電極失去電子，電子通過導(dǎo)線流向銅電極上，溶液中的氫離子在銅電極得到電子。同時(shí)，電解質(zhì)溶液中的離子定向移動(dòng)，構(gòu)成閉合回路，形成電流

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