資源簡介

第六章
化學反應與能量
第一節 化學反應與能量變化
課時2 化學反應與電能
學習目標
1. 借助原電池裝置和原理的學習，體會化學能到電能的直接轉化，提高模型認知能力，學習科學探究方法。
2. 能夠辨識簡單原電池的構成要素，能正確判斷原電池的正、負極，能夠用電極反應式對簡單原電池的宏觀實驗現象進行符號表征。
3. 了解各類電池在生產、生活實際中的應用，能夠舉例說明化學電源對提高生活質量的重要意義。
電是從哪來的？
我們的生活很難離開電
火力發電
核電站
水力發電
風力發電
我們日常使用的電能主要來自火力發電。
2015年我國發電總量構成圖
火力發電
我們日常使用的電能主要來自火力發電?；鹆Πl電是通過化石燃料燃燒時發生的氧化還原反應，使化學能轉化為熱能，加熱水使之汽化為蒸汽以推動蒸汽輪機，帶動發電機發電?；鹆Πl電過程中，化學能經過一系列能量轉化過程，間接轉化為電能。其中，燃燒（氧化還原反應）是關鍵。
化學能
燃料燃燒
熱能
蒸汽輪機
機械能
發電機
電能
直接？
火力發電：化學能經過一系列能量轉化過程，間接轉化為電能。
1、煤炭是不可再生資源，會造成能源危機
2、煤炭燃燒會產生污染性氣體
3、轉換環節多，能量損耗大，能量的利用率低
弊端
煤炭
火力發電的化學深層本質分析
燃燒
氧化還原反應
氧化劑與還原劑之間發生電子的轉移
火力發電
將化學能經一系列能量轉化為電能
舊鍵斷裂和新鍵形成、體系能量變化
過程
關鍵
本質
本質
引起
思考：如何將化學能直接轉化為電能？
演示實驗6-3
原電池實驗
（1）將鋅片、銅片插入盛稀硫酸的燒杯中，觀察現象；
（2）用導線連接鋅片和銅片，觀察、比較導線連接前后的現象；
（3）用導線在鋅片和銅片間串聯一個電流表G，觀察電流表指針是否偏轉。
H2SO4
稀硫酸
Cu
Zn
A
演示實驗6-3
實驗探究
[實驗6-3]
(1)將鋅片和銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現象。
(2)用導線連接鋅片和銅片，觀察、比較導線連接前后的現象。
(3) 如圖6-6所示，用導線在鋅片和銅片之間串聯一個電流表，觀察
電流表的指針是否偏轉。
鋅片溶解有氣泡，銅片無現象
鋅片溶解，銅片有氣泡
鋅片溶解，銅片有氣泡，指針偏轉
Zn+H2SO4=ZnSO4+H2
Cu
Zn
稀H2SO4
Cu
Zn
稀H2SO4
Cu
Zn
稀H2SO4
演示實驗6-3
序號
實驗步驟
實驗裝置
現象
結論或解釋
Ⅰ
將鋅片、銅片插入 盛稀硫酸的燒杯中，觀察現象。
鋅片表面有氣泡，銅片表面沒有氣泡
Zn+2H+ = Zn2++H2↑，銅與稀硫酸不反應
Ⅱ
用導線連接鋅片和銅片，觀察、比較導線連接前后的現象
鋅片、銅片表面都有氣泡。
鋅失去電子，經導線流向銅片，H+在銅片上得到電子還原成H2。
Ⅲ
用導線在鋅片和銅片間串聯一個電流表G ，觀察電流表指針是否偏轉。
銅片（鋅片）上有氣泡，電流計指針偏轉
?
Zn 比Cu活潑，用導線連在一起時，Zn片失去的電子變成Zn2+進入溶液。
鋅片：Zn－2e－ = Zn2+（氧化反應）
電子經導線流向Cu片， 溶液中的H＋由于電場作用下移向Cu片得電子被還原成H2。
銅片：2H+＋2e－ = H2 ↑（還原反應）
在原電池中，氧化反應和還原反應分別在兩極進行，使溶液中粒子運動相互間的干擾減小，使反應速率增大
思考：實驗Ⅲ中電流表的指針為什么會發生偏轉？
思考：你能寫出兩極發生的電極反應嗎？
負極：Zn － 2e- = Zn2+（氧化反應）
正極：2H+ + 2e- = H2 ↑（還原反應）
電池總反應：Zn + 2H+ =Zn2+ + H2↑
實驗Ⅰ和實驗Ⅲ中能量轉化形式有什么不同的？
化學能 熱能
化學能 電能
Zn逐漸溶解
Zn表面產生氣泡
溶液變熱
Zn逐漸溶解
Cu表面產生氣泡
指針偏轉
原電池
工作原理
（反應方程式）
負極（ ）
?
正極（ ）
?
總反應離子方程式： 。
電子移動方向
由 極經導線流向 極（電流方向相反）。
離子移動方向
陽離子向 極移動，陰離子向 極移動。
Zn - 2e- === Zn2+
2H+ + 2e- === H2↑
Zn + 2H+ === Zn2+ + H2↑
負 正
正 負
失去電子，發生氧化反應
得到電子，發生還原反應
Cu
Zn
-
-
-
Zn2+
H+
H+
Zn－2e－===Zn2+
2H++2e－===H2↑
氧化反應
還原反應
負極
正極
陽離子
陰離子
SO42?
?
發生溶解
產生氣泡
原電池總反應：Zn+2H+===Zn2++H2↑
電子流向：負極 沿導線 正極
電流方向：正極 沿導線 負極
外電路
內電路
陰離子 負極
陽離子 正極
外電路
內電路
e－
I
設計化學電源
還原劑 ＋ 氧化劑＝氧化產物＋還原產物
氧化還原反應
還原反應
形成
閉合回路
（失電子）
（得電子）
原電池
負極反應物
負極材料
正極反應物
正極材料
？
設計化學電源
原理：理論上任何自發的氧化還原反應都可以設計成原電池
設計思路
(1)定反應：確定一個能夠自發進行的氧化還原反應。
(2)拆兩半：將氧化還原反應拆分為氧化反應和還原反應兩個半反應，
分別作為負極和正極的電極反應
還原劑－ne－===氧化產物(負極電極反應)；
氧化劑＋ne－===還原產物(正極電極反應)。
(3)找材料：電極材料必須導電，負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中，本身失去電子的材料；
電解質溶液一般能與負極反應。
(4)畫裝置：連接電路形成閉合回路，畫出原電池示意圖。
設計化學電源
設計原電池，以Fe+CuSO4==FeSO4+Cu進行設計，畫出原電池示意圖，標出正負極和電子移動方向，并寫出該電池的正負極電極反應式。
1. 下列敘述正確的是（ ）
①原電池是把化學能轉化成電能的一種裝置
②原電池的正極發生氧化反應，負極發生還原反應
③能自發進行的氧化還原反應可設計成原電池
④碳棒不能用來作原電池的正極
⑤反應Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag可以自發進行
A.①③⑤ B.①④⑤ C.②③④ D.②⑤
A
2. 如圖為某興趣小組制作的番茄電池，下列說法正確的是（ ）
A.電子由銅通過導線流向鋅
B.該裝置是將電能轉化為化學能的裝置
C.鋅電極發生氧化反應
D.電流由鋅通過導線流向銅
C
H2SO4 (aq)
CuSO4 (aq)
Zn
Cu
負極( ): .
正極( ): .
總反應式: .
負極( ): .
正極( ): .
總反應式: .
3. 請在圖上標出電子的流動方向和電流方向，并判斷正負極，寫出電極反應式和總反應式。
Ag
Fe
I
e-
e-
I
Fe
Ag
Fe－2e - = Fe2+
2H++2e - = H2↑
Fe+2H+ = Fe2+ +H2↑
Zn
Cu
Zn－2e - = Zn2+
Cu2+ +2e - = Cu
Zn+Cu2+ = Zn2 ++ Cu
原電池形成條件
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}實驗裝置
能否構成原電池
結論
能
不能
1、自發進行的氧化還原反應
2、反應實質：一般原電池的負極和電解質溶液發生氧化反應
Cu
①自發的氧化還原反應
原電池形成條件
②電極材料
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}實驗裝置
能否構成原電池
結論
能
能
不能
1、一般有兩種活潑性不同的金屬電極（或一種是非金屬導體，如石墨）
2、一般較活潑的金屬作負極；較不活潑的金屬、石墨等作正極
例外： Al / NaOH / Mg 原電池 ： 是Al作負極
Cu / HNO3 （濃） / Fe 原電池 ： 是Cu作負極
原電池形成條件
③電解質溶液
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}實驗裝置
能否構成原電池
結論
能
能
不能
1、電極材料均浸入的是電解質溶液,或熔融的電解質
原電池形成條件
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}實驗裝置
能否構成原電池
結論
④閉合回路
能
不能
整個裝置應構成閉合電路，導線連接，或直接接觸
能
形成原電池的條件
理論上，自發的 反應均可構成原電池。
具體條件是：
①具有 的兩個電極(金屬與金屬或金屬與能導電的非金屬)；
②溶液：兩電極均插入 溶液中；
③導線：兩極用導線相連，形成閉合回路。
活動性不同
電解質
氧化還原
1. 下列各裝置露置在空氣中，能在外電路獲得電流的是(　　)
B
解析　A、D項，兩極的材料相同，不能形成原電池；C項，酒精是非電解質，不能形成原電池。
【素養提升】一個電池反應的離子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu， 該反應的的原電池正確組合是（ ）
C
A
B
C
D
正極
Zn
Cu
Cu
Fe
負極
Cu
Zn
Zn
Zn
電解質溶液
CuCl2
H2SO4
CuSO4
HCl
原電池正負極的判斷方法
電極材料
反應類型
電子流向
電極現象
離子移向
負極
正極
較活潑金屬
較不活潑金屬或
能導電的非金屬
氧化反應
還原反應
電子流出
電子流入
e-
不斷溶解
質量減小
電極增重或
有氣體產生
陰離子移向
陽離子移向
稀硫酸
3. 如圖所示，電流計指針發生偏轉，同時A極質量減少，B極上有氣泡產生，C為電解質溶液，下列說法錯誤的是(　　)
C
A.B極為原電池的正極
B.A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸
C.C中陽離子向A極移動
D.A極發生氧化反應
解析　原電池中，負極金屬失去電子溶解，質量減小，故A極是負極，B極是正極，根據構成情況可判斷A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸，A、B兩項正確；離子移動方向：陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，C項錯誤；負極發生氧化反應，正極發生還原反應，D項正確。
原電池原理的應用
（1）加快氧化還原反應的速率
例：純鋅、粗鋅(含雜質銅)與HCl反應哪個快？
√
1.下列現象中，不是由于原電池反應造成的是（ ）
A．含雜質的鋅與鹽酸反應比純鋅與鹽酸反應速率快
B．金屬在潮濕的空氣中易腐蝕
C．純鐵和鹽酸反應，如滴入幾滴硫酸銅溶液，則可加快反應速率
D．純銀器表面變黑
D
原電池原理的應用
D
（2）比較金屬活動性的強弱

例:有兩金屬a、b，用導線相連后移入稀H2SO4 中，能溶解的金屬活動性較_ __，表面出現較多氣泡的金屬活動性較_ __。
強
弱
2、
原電池原理的應用
課本37頁
原電池原理的應用
電解質溶液
序號
電極（大小相同）
電極間距
水果種類
電流表示數(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
原電池原理的應用
序號
電極（大小相同）
電極間距
水果種類
電流表示數(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
對比實驗①②③或⑤⑥，得出結論:
在其他條件相同時，電極材料活潑性差別越大，電池效果越好。
電極材料的選擇對電池效果的影響？
原電池原理的應用
自發進行的氧化還原反應
電極材料（金屬、石墨棒）
形成閉合回路（導線、電解質溶液等）
2. 原電池的構成要素
常見的化學電源
1.一次電池：放電之后不能充電的電池。
（內部氧化還原反應無法逆向進行）
負極（鋅筒）：Zn – 2e- = Zn2+ 氧化反應
正極（石墨棒）：MnO2 得電子 還原反應
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。
課本38頁
常見的化學電源
負極: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4
正極: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O
正極：PbO2
負極：Pb
電解質：H2SO4溶液
氧化反應
還原反應
正負極材料
Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O
放電
充電
有些電池放電時所進行的氧化還原反應，在充電時可以逆向進行，使電池恢復到放電前的狀態，從而實現放電（化學能轉化為電能）與充電（電能轉化為化學能）的循環。這種充電電池屬于二次電池。常見的充電電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，目前汽車上使用的大多是鉛酸蓄電池。
常見的化學電源
發展中的燃料電池
燃料電池是一種將燃料（如氫氣、甲烷、乙醇）和氧化劑（如氧氣）的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置，具有清潔、安全、高效等特點。燃料電池的能量轉化率可以達到80%以上。當以氫氣為燃料時，產物為水；以甲烷為燃料時，產物為水和二氧化碳。與常規發電廠相比，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于反應物不是儲存在電池內部，而是從外部提供，這時電池起著類似試管、燒杯等反應器的作用。
燃料電池的供電量易于調節，能適應用電器負載的變化，而且不需要很長的充電時間，在航天、軍事和交通等領城有廣闊的應用前景。
化學與職業
電池研發人員
電池研發與生產、生活和軍事等領域的發展密切相關。電池研發人員的工作包括電池構成材料的研制、電池性能的改進和應用的拓展等。以燃料電池為例，研發中需要研究電極、電解質等電池基本構成材料的性質和材料之間的相容性；研究不同類型的電池構成材料在不同用途時對溫度、濕度等環境因素的適應性；還要研究使用什么樣的電池材料使電池的容量更大；等等。這些研究工作關系著電池的效率、壽命、安全性、適用性和制造成本。在許多科研機構和生產企業中，都有具備著扎實的化學基礎的研究人員從事電池研發工作。
1. 請判斷以下能否形成原電池，如果能形成，負極是哪一極？
稀硫酸
Al
Mg
A
氫氧化鈉
Al
Mg
A
稀硝酸
Fe
Cu
A
濃硝酸
Fe
Cu
A
稀硫酸
硫酸銅
Zn
2. 下列關于原電池的敘述中，不正確的是(　　)
C
A.原電池的負極發生的反應是氧化反應
B.原電池的正極上發生的反應為還原反應
C.原電池電解質溶液中陽離子移向負極，陰離子移向正極
D.原電池中電子流入的極一定是正極
解析　原電池的負極失去電子被氧化，發生氧化反應，A正確；原電池正極得電子，發生還原反應，B正確；在原電池電解質溶液中，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，C錯誤；原電池放電時，電子轉移的方向是從負極沿導線流向正極，所以正極為電子流入的電極，D正確。
稀硫酸
3.一個原電池的總反應的離子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，該反應的原電池組成合理的是
選項
正極
負極
電解質溶液
A
Zn
Cu
CuCl2溶液
B
Zn
Cu
ZnCl2溶液
C
Cu
Zn
H2SO4溶液
D
Cu
Zn
CuSO4溶液
√
4.如圖所示，a的金屬活動性在氫之前，b為碳棒。關于該裝置的說法正確的是
A.a極上發生還原反應，b極上發生氧化反應
B.碳棒上有氣體逸出，溶液中c(H＋)增大
C.導線上有電流，電流方向a→b
D.反應后a極質量減小
√
a極作負極，失電子發生氧化反應，
b為正極，發生還原反應
H＋在b極上得電子生成氫氣，c(H＋)減小
b→a
原電池
電極
正極
負極
電子流出(失電子)的一極
電極材料：
較活潑金屬
電極材料：
電子流入(得電子)的一極
較不活潑金屬或碳棒
電極
反應
負極:
正極:
電解質溶液中的陽離子得電子，發生還原反應
電極本身失電子，發生氧化反應
電池反應：
兩電極反應式相加
電子流動方向：
負極 導線 正極
溶液中離子移動方向：
陽離子移向正極,陰離子移向負極
定義:把化學能轉變為電能的裝置
原電池形成條件
自發的氧化還原反應,電極材料,電解質溶液,閉合回路
原電池的應用
設計原電池
判斷金屬活潑性
加快反應速率
防止金屬被腐蝕
隨堂訓練
C
C
隨堂訓練
還原反應
由Fe片流出經導線和LED燈流向Cu片
Fe
Fe－2e－===Fe2＋
Zn
Zn－2e－===Zn2＋
隨堂訓練
B
D
隨堂訓練
A
隨堂訓練
D
隨堂訓練
B
隨堂訓練
A
不可以，該反應不是氧化還原反應，無電子轉移
Zn
H2SO4(或H＋)
Cu
稀硫酸
鋅電極失去電子，電子通過導線流向銅電極上，溶液中的氫離子在銅電極得到電子。同時，電解質溶液中的離子定向移動，構成閉合回路，形成電流

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