学年高中化学化学反应与能量转化第三节化学能转化为电能电池第1课时学案鲁科版选修4.docx
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学年高中化学化学反应与能量转化第三节化学能转化为电能电池第1课时学案鲁科版选修4
第3节化学能转化为电能——电池
第1课时原电池的工作原理、化学电源
[课标要求]
1．了解原电池的工作原理及其构成条件，了解常见的化学电源及其工作原理。
2．掌握电极反应和电池反应方程式的书写。
3．依据原电池的原理判断金属的活泼性强弱及设计原电池。
1．原电池负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应。
2．原电池负极流出电子，正极流入电子。
电解质溶液中阴离子移向负极，
阳离子移向正极。
3．原电池的构成条件：
①两个活动性不同的电极；②有电解质溶液；③形
成闭合回路。
4．正极材料活泼性＜负极材料活泼性，正极通常具备特定的现象：
有气体生
成、电极质量增加或不变等；负极通常不断溶解，质量减小。
5．利用原电池原理可以加快某些氧化还原反应的速率。
6．化学电源分为一次电池、可充电电池（二次电池）和燃料电池。
设计实验将锌与CuSO4溶液的反应所释放的能量转化为电能，填写实验记录。
（1）实验装置
（2）实验现象
电流计指针
电极表面变化情况
Ⅰ
发生偏转
锌片质量减少，铜片质量增加
Ⅱ
发生偏转
锌片质量减少，铜片质量增加
（3）实验分析
Zn极
Cu极
电子流向
由Zn极流向Cu极
电子得失
Zn失电子
溶液中Cu2＋得电子
电极名称
负极
正极
能量转化
化学能转化为电能
（4）电极反应及电池反应
负极：
Zn－2e－===Zn2＋，
正极：
Cu2＋＋2e－===Cu，
电池反应：
Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu。
锌铜原电池装置如下：
[问题思考]
1．锌铜原电池中正、负极材料是什么？
写出正、负极反应式。
提示：
Zn作负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；Cu作正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。
2．原电池装置中，盐桥中离子移动的方向是什么？
提示：
盐桥中的Cl－移向负极（ZnSO4溶液），K＋移向正极（CuSO4溶液）。
3．原电池装置中，盐桥的作用是什么？
提示：
①形成闭合回路；②保持溶液中电荷守恒，使电池反应能持续发生。
1．原电池工作原理
（1）原理图示
（2）电极名称与反应类型
正极→还原反应；负极→氧化反应。
（3）电子流向：
负极→正极。
（4）电流方向：
正极→负极。
（5）离子流向：
阳离子→正极；阴离子→负极。
2．组成原电池的条件
（1）活动性不同的两块电极材料（金属和金属或金属和非金属）。
（2）电极均与电解质溶液接触。
（3）形成闭合电路。
3．原电池正负极的判断方法
（1）一般方法
（2）特殊情况
电极的正负除与金属的活动性有关外，还与电解质溶液有关。
活泼金属一般作负极，但不是活泼金属一定作负极，如Mg－Al－H2SO4溶液构成的原电池中，Mg为负极，而在Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al为负极，因为Al可与NaOH溶液反应，而Mg不与NaOH溶液反应。
4．原电池中电极反应式和总反应式的书写
1．下列装置中，能构成原电池的是（ ）
解析：
选D 酒精为非电解质，A错误；选项B中未使用盐桥，没有形成闭合回路；C项中两个电极材料相同，不能形成原电池。
依据原电池的构成条件可知D正确。
2．如下图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是（ ）
A．外电路的电流方向为：
X→外电路→Y
B．若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn
C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X>Y
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
解析：
选C 由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向就为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。
3．如图所示装置可构成原电池。
试回答下列问题：
（1）电解质溶液为浓硝酸时，灯泡________（填“亮”或“不亮”，填“亮”做a，填“不亮”做b）。
a．若灯泡亮，则Mg电极上发生的反应为__________________________________。
b．若灯泡不亮，则理由为_____________________________________________。
（2）电解质溶液为NaOH溶液时，灯泡________（填“亮”或“不亮”，填“亮”做a，填“不亮”做b）。
a．若灯泡亮，则Mg电极上发生的反应为______________________；Al电极上发生的反应为________________________________________________________________________。
b．若灯泡不亮，则理由为______________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：
灯泡是否亮取决于该装置中是否有电流通过，即该装置是否能构成原电池，若能构成原电池，则灯泡亮；否则，灯泡不亮。
Mg－Al－浓硝酸构成的原电池中，Mg与浓硝酸反应，Al遇浓硝酸发生钝化，所以Mg电极为负极；但Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al与NaOH反应，Mg与NaOH不反应，所以Al电极为负极。
答案：
（1）亮 Mg－2e－===Mg2＋
（2）亮 6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－ 2Al＋8OH－－6e－===2[Al（OH）4]－
1．电池分类及特点
电池
一次电池
可充电电池（二次电池）
燃料电池
特点
只能放电，不能充电
可反复充电和放电，充电时是一个电解池；放电时是一个原电池
能量利用率高，可连续使用，污染轻
2.一次电池——锌锰干电池
（1）酸性电池
负极（锌）反应：
Zn－2e－===Zn2＋；
正极（石墨）反应：
2NH
＋2e－===2NH3＋H2。
（2）碱性电池
负极（锌）反应：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
正极（石墨）反应：
MnO2＋2H2O＋2e－===Mn（OH）2＋2OH－；
电池反应：
Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn（OH）2。
3．可充电电池——二次电池
（1）铅蓄电池
装置
放电
负极反应：
Pb＋SO
－2e－===PbSO4
正极反应：
PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O
充电
阴极反应：
PbSO4＋2e－===Pb＋SO
阳极反应：
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO
总反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4
2PbSO4＋2H2O
（2）二次电池工作原理
①二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。
②当蓄电池充电时就是通以直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。
可简单记忆：
负接负，正接正。
③充电时发生的电极反应和电池反应是放电时发生的反应的逆过程。
1．下列说法中，不正确的是（ ）
A．化学电池是将化学能转变成电能的装置
B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等
C．化学电池供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小，使用方便，易于维护
D．废旧电池可以随意丢弃
解析：
选D 废旧电池中含有重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和人体健康危害很大，所以废旧电池应回收处理。
2．日常所用干电池的电极分别为碳棒（上面有铜帽）和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2做电解质（其中加入MnO2吸收H2），电极反应可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH
＋2e－===2NH3＋H2（NH3与Zn2＋络合）。
根据以上叙述判断下列结论不正确的是（ ）
A．Zn为正极，碳为负极
B．Zn为负极，碳为正极
C．工作时电流由碳极经外电路流向Zn极
D．长时间连续使用时内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器
解析：
选A 由电极反应可知，发生氧化反应的为电源的负极，电子由锌极流出通过外电路流向碳棒，电流方向和电子移动方向相反。
3．下列关于铅蓄电池的说法正确的是（ ）
A．放电时，正极发生的反应是Pb＋SO
－2e－===PbSO4
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO
解析：
选B A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
1．结构图示
2．工作原理
通入可燃物（H2）的一极为电池的负极，通入O2的一极为电池的正极。
（1）酸性氢氧燃料电池（电解质为H2SO4）
负极反应：
2H2－4e－===4H＋，
正极反应：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O，
电池反应：
2H2＋O2===2H2O。
（2）碱性氢氧燃料电池（电解质为KOH）
负极反应：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O，
正极反应：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－，
电池反应：
2H2＋O2===2H2O。
3．电池特点
（1）能量转换率高，污染小。
（2）工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断进行反应，连续不断地提供电能。
[特别提醒]
（1）燃料电池的两个电极与其他电池不同，电极材料本身不参与电极反应。
（2）酸性介质中的燃料电池（氧化剂为O2）的正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
碱性介质中的燃料电池（氧化剂为O2）的正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
1．用稀H2SO4作电解质溶液时，甲烷燃料电池的正、负极反应式如何书写？
并写出总反应式。
提示：
总反应式是甲烷燃烧的化学方程式CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正极反应式为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，负极反应式为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。
2．用KOH作电解质溶液时，甲烷燃料电池的总反应式与“1”中相同吗？
试分别写出两极的电极反应式。
提示：
不相同；因为CO2与KOH溶液反应生成K2CO3，故总反应式为CH4＋2O2＋
2OH－===CO
＋3H2O，其中正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O。
有机燃料电池电极反应式书写方法
电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。
可根据电荷守恒来配平电极反应式。
如乙醇碱性（KOH溶液）燃料电池负极反应式的书写方法。
第一步：
确定生成物
乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO
和H2O。
第二步：
确定价态的变化及转移电子数
乙醇（C2H6O）中碳元素的化合价为－2，CO
中碳元素的化合价为＋4，故1mol乙醇完全反应失去2×[4－（－2）]＝12mol电子。
第三步：
列出表达式
第四步：
确定电极反应式中各物质的系数
由碳原子守恒确定CO
的系数为2，
由电荷守恒确定OH－的系数为16。
（注：
失去12个电子，相当于带12个单位正电荷）
再由氢原子守恒确定H2O的系数为11，
故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO
＋11H2O。
1．下图为氢氧燃料电池原理示意图，下列叙述不正确的是（ ）
A．a电极是负极
B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
解析：
选B 从图中可看出a电极处进入的是H2，b电极处进入的是O2，该电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，故a电极处H2失e－被氧化，a为负极；b电极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故B项不正确。
2．在酸性溶液中甲烷与氧气作用生成水和二氧化碳。
如果将电解质更换为KOH，则该电池负极发生的反应是（ ）
A．CH4－8e－＋8OH－===CO2＋6H2O
B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O
D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
解析：
选C 如果将电解质更换为KOH，该燃料电池的总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，根据氧化还原反应类型判断出负极通入甲烷，正极通入氧气，B、D错。
然后根据甲烷中碳元素的化合价变化：
H4―→
O
，写出1mol甲烷转移的电子数，最后根据各原子守恒，配平可得负极反应：
CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O，A错。
1．加快化学反应速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，反应加快。
2．比较金属的活动性强弱
对于酸性电解质，一般是作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性较弱。
3．设计原电池
（1）理论上，自发的氧化还原反应，可以设计成原电池。
（2）外电路
（3）内电路：
将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。
1．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验装置
部分
实验
现象
a极质量减小；b极质量增加
b极有气体产生；c极无变化
d极溶解；c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是（ ）
A．a>b>c>d B．b>c>d>a
C．d>a>b>cD．a>b>d>c
解析：
选C 由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性a>b，对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性b>c，第三个装置的金属活动性d>c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d>a。
2．设计原电池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图（标出电极材料、电解质溶液）
负极：
________，电极反应：
_________________________________________________；
正极：
________，电极反应：
_________________________________________________。
解析：
分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性差的金属或非金属（石墨等）作正极，选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液。
答案：
见下图
Zn Zn－2e－===Zn2＋
Pt 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
[三级训练·节节过关]
1．下列说法正确的是（ ）
A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属
B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应
D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能
解析：
选C 原电池也可以用石墨做电极，A错误。
电子流出的一极是负极，负极发生氧化反应，B错误。
粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池，加快锌与稀硫酸的反应速率，C正确。
原电池将化学能转化为电能，转化效率较高，但不能全部转化为电能，原电池工作时发热就是一部分能量转化为热能，D错误。
2．用锌片、铜片和硝酸银组成的原电池，正极上发生的电极反应是（ ）
A．2H＋＋2e－===H2↑ B．Zn===Zn2＋＋2e－
C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－D．Ag＋＋e－===Ag
解析：
选D 题给原电池中，锌片为负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋；铜片为正极，电极反应为Ag＋＋e－===Ag。
3．镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，且镁电池放电时电压高而平稳，因而越来越成为人们研制绿色原电池所关注的焦点。
其中一种镁电池的反应为xMg＋Mo3S4
MgxMo3S4，则镁电池放电时，下列说法错误的是（ ）
A．Mg2＋向正极迁移
B．正极反应式为Mo3S4＋2xe－===Mo3S
C．Mo3S4发生氧化反应
D．负极反应式为xMg－2xe－===xMg2＋
解析：
选C 放电时，该电池作原电池，镁是还原剂，作原电池的负极，失去电子，电极反应式是xMg－2xe－===xMg2＋，D选项正确。
Mo3S4在反应中是氧化剂，得到电子，发生还原反应，电极反应式是Mo3S4＋2xe－===Mo3S
，B选项正确、C选项错误。
原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，A选项正确。
4．氢氧燃料电池是将H2和O2分别通入电池，穿过浸入20%～40%的KOH溶液的多孔碳电极，其电极反应式为H2＋2OH－－2e－===2H2O,2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
则下列叙述正确的是（ ）
A．通入H2的一极是正极，通入O2的一极是负极
B．通入O2的一极是正极，通入H2的一极是负极
C．工作一段时间后电解质溶液的pH增大
D．工作时负极区附近pH增大
解析：
选B 根据电池反应可知：
H2在负极上发生氧化反应，在碱性条件下，其电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O，负极区OH－浓度降低。
O2在正极上发生还原反应，氧原子得电子，生成－2价的氧，只能以OH－形式存在，其电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
由于反应生成H2O，导致c（OH－）减小，溶液的pH减小。
5．依据氧化还原反应2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如下图所示。
请回答下列问题：
（1）电极X的材料是________，电解质溶液Y是________________。
（2）银电极为电池的________极，发生的电极反应为_____________________。
X电极上发生的电极反应为__________________________。
（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。
解析：
该原电池的电池反应为2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s），由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。
电子从电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。
答案：
（1）Cu AgNO3溶液
（2）正 Ag＋＋e－===Ag Cu－2e－===Cu2＋ （3）X（Cu） Ag
1．以下反应在理论上不能用于设计原电池的是（ ）
A．HCl（aq）＋NaOH（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l）
ΔH<0
B．2CH3OH（l）＋3O2（g）===2CO2（g）＋4H2O（l） ΔH<0
C．Zn（s）＋CuSO4（aq）===ZnSO4（aq）＋Cu（s） ΔH<0
D．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l） ΔH<0
解析：
选A 只有氧化还原反应才能设计成原电池。
2．如图所示的装置能够组成原电池产生电流的是（ ）
解析：
选B A中两电极相同，C中没有构成闭合回路，D中酒精是非电解质，都不符合原电池的构成条件，只有B符合条件。
3．一个原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该电池材料及电解质溶液可能是（ ）
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Cu
Zn
H2SO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Ag
Cu
CuSO4
解析：
选C 原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，可得出其负极反应：
Zn－2e－===Zn2＋（氧化反应），正极反应：
Cu2＋＋2e－===Cu（还原反应），因此负极材料只能是Zn。
正极为Cu2＋得电子还原成铜，电解质应为可溶性铜盐，正极材料为活泼性比Zn弱的Cu、Fe（或C、Pt）等。
4．如图所示的各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是（ ）
解析：
选B A项和C项装置中无外接电源，则构成原电池，铜电极均作正极，发生的电极反应均为2H＋＋2e－===H2↑，均放出H2。
B项装置是电解池，铜电极作阳极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，铜电极上无气体生成。
D项装置是电解池，铜电极作阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，有H2放出。
5．目前常见的燃料电池主要有四种，下面是这四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极的反应产物为水的是（ ）
解析：
选C A中通空气的一极为正极，电极反应式为O2＋4e－===2O2－。
B中通O2的一极为正极，电极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
C中通空气的一极为正极，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O。
D中通CO2和O2的一极为正极，电极反应式为2CO2＋O2＋4e－===2CO
。
6．某蓄电池放电、充电时的反应为
Fe＋Ni2O3＋3H2O
Fe（OH）2＋2Ni（OH）2
下列推断中正确的是（ ）
①放电时，Fe为正极，Ni2O3为负极 ②充电时，阴极上的电极反应式是Fe（OH）2＋
2e－===Fe＋2OH－ ③充电时，Ni（OH）2为阳极 ④该蓄电池的电极必须是浸在某种碱性电解质溶液中
A．①②③ B．①②④
C．①③④D．②③④
解析：
选D 根据元素化合价变化，放电时Fe为负极，Ni2O3为正极，①错；充电时，阴极发生还原反应，②对；充电时，Ni（OH）2中Ni元素的化合价升高，因此Ni（OH）2为阳极，③对；因Fe、Ni2O3、Fe（OH）2、Ni（OH）2均可以与酸反应，因此该蓄电池的电极必须浸在碱性电解质溶液中，④对。
7．M、N、P、E四种金属，①M＋N2＋===N＋M2＋ ②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡 ③N、E用导线连接放入E的硫酸溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。
四种金属的还原性由强到弱顺序是（ ）
A．PMNEB．ENMP
C．PNMED．EPMN
解析：
选A 由①知，活泼性M＞N，由②知，活泼性P＞M；由③知，N、E构成的原电池N作负极，活泼性N＞E。
8．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可表示为2Ag＋Zn（OH）2
Ag2O＋Zn＋H2O，在此电池放电时，负极上发生反应的物质是（ ）
A．AgB．Zn（OH）2
C．Ag2OD．Zn
解析：
选D 电池放电时其负极发生氧化反应，元素的化合价升高，即负极材料为Zn。
9．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C极质量增加
A上有气泡产生
根据实验现象回答下列问题：
（1）装置甲中负极的电极反应式是___________________________________________。
（2）装置乙中正极的电极反应式是____________
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