360教育网化学能与电能

化学能与电能

 

二. 教学目标

理解原电池的工作原理，能写出常见的简单电极反应和电池反应方程式。

了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。

认识金属腐蚀的危害，理解金属发生电化学腐蚀的原因，能选用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。

 

三. 教学重点、难点

原电池的工作原理及电极反应式的书写；

金属的腐蚀与防护

 

［教学过程］

一、原电池的概念及工作原理

1、原电池的定义：把化学能转化为电能的装置叫原电池。

2、构成条件:

①活泼性不同的两电极

②电解质溶液

③具有闭合回路

3、工作原理（电子流向）：较活泼的金属材料作为负极，失去电子，经外电路流向较不活泼金属，再经电解质溶液回到负极，构成闭合回路，电流反向流动。溶液中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。

4、正、负极判断：

负极：电子流出的电极，为较活泼金属电极，发生氧化反应

正极：电子流入的电极，为较不活泼金属或非金属或金属氧化物电极，发生还原反应

5、电极反应：以铜-锌和稀硫酸组成的原电池为例说明：

电极反应             本质      现象 

负极 Zn－2e^－=Zn^2＋   氧化反应   溶解

正极 2H^＋+2e^－=H₂↑   还原反应   气泡

总反应 Zn＋2H^＋= Zn^2＋＋H₂↑

6、应用：①制各种电池；②判断反应速率；③判断金属的活泼性；④金属防护。

说明：

（1）原电池是利用能发生的氧化还原反应设计而成，负极发生氧化反应给出电子，电子经外电路流向其正极形成电流。正极上得电子发生还原反应。内电路由离子定向移动而导电。

（2）原电池的正负极的判断方法：

①金属与金属或金属与导电非金属做电极时，较活泼的金属做负极；

②根据电子的流向判断：电子流出的极为负极，电子流入的极为正极；也可以根据电流方向判断：电流流出极为正极，电流流入极为负极；

③根据发生的反应判断：发生氧化反应的极为负极，发生还原反应的极为正极；

④根据反应现象判断：一般来说，溶解的一极为负极，有气体或固体析出的一极为正极；

⑤如果给出一个方程式判断电极反应，则化合价升高的电极为负极，化合价降低的电极为正极，由此可设计原电池。

（3）一般原电池使用时存在电压不稳，使用时间短等问题。如果原电池通过“盐桥”将两个半电池相连，则可得到稳定的电流，同时也可以延长原电池的使用寿命。使用“盐桥”后，原电池一般采用如下表达方法（以铜锌原电池为例）：

（－）Zn∣Zn^２－（1mol/L）║Cu^２＋（1mol/L）│Cu（＋）

一般情况下负极在左，正极在右，其中“∣”表示电极材料与电解质溶液的界面，“║”通常表示盐桥，必要时，可以加注溶液的浓度。

（4）原电池的应用主要有以下几点：

①加快反应速率：如在制取氢气的过程中，加入少量铜或硫酸铜可形成锌－铜原电池，使反应速率加快；

②比较金属的活动性强弱：一般情况下，作为负极的金属活泼性较强；如：锌－铜原电池；

③设计化学电源：根据氧化还原反应的特点，将其拆成两个半反应：氧化反应和还原反应，分别作为原电池的负极反应式和正极反应式；若发生氧化反应的物质为金属单质，则用该金属作为负极材料，若为气体或溶液中的某种离子，则用惰性材料做负极；而作为正极的材料必须不如负极活泼，或为惰性电极；电解质溶液选择反应中的电解质即可，若与电解质无关，则需选择一种不能使电极材料消耗的电解质溶液，以增强导电性；

④构成闭合回路

 

二、化学电源：

电池又称为化学电源，化学电源可分为一次电源和二次电源两类。一次电池只能放电一次，而二次电池可以反复充放电循环使用，通过电极体积和结构之间发生的可逆变化，达到充放电效果。

说明：

常见的化学电源有：

1、锌-锰干电池（一次电池）

负极（锌筒）：Zn－2e^－＝Zn^2＋

正极（石墨）：

2NH₄^＋＋2e^－＝2NH₃↑＋ H₂↑

2NH₄^＋＋2MnO₂＋ 2e^－＝2NH₃↑＋Mn₂O₃＋H₂O

总反应：Zn＋2NH₄^＋＝Zn^2＋＋2NH₃↑＋H₂↑

Zn＋2NH₄^＋＋2MnO₂＝ Zn^2＋＋2NH₃↑＋Mn₂O₃＋H₂O

2、铅蓄电池

负极Pb：Pb＋SO₄^2－－2e^－＝ PbSO₄

正极

：PbO₂＋4H^＋＋SO₄^2－＋2e^－＝PbSO₄＋2H₂O

 

总反应：

，

3、燃料电池：氢氧燃料电池是一种新型的化学电池，其构造为：两个电极均由多孔性碳制成，通入的气体由孔隙逸出，并在电极表面放电。（一般以KOH为电解质溶液）

负极H₂：2H₂＋4OH^――4e^－＝4H₂O

正极O₂：O₂＋2H₂O＋4e^－＝4OH^－

总反应： O₂＋2H₂＝2H₂O

4、纽扣电池：不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极一端填充由

和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金做负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，已知电池内Zn的氧化产物为ZnO，

如：银-锌电池

负极：Zn＋2OH^――2e^－＝ZnO＋H₂O

正极：Ag₂O＋H₂O＋2e^－＝2Ag＋2OH^－

总反应： Ag₂O＋Zn＝ZnO＋2Ag

 

三、金属腐蚀与防护：

金属腐蚀的本质是金属原子失去电子变成金属阳离子的过程，即M－ne^－＝M^n＋；即金属在腐蚀过程中发生了氧化还原反应. 金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类

说明：

1、化学腐蚀与电化学腐蚀

	化学腐蚀	电化学腐蚀
含义	金属或合金直接与具有腐蚀性的化学物质接触发生氧化还原反应而消耗的过程	不纯金属或合金与电解质溶液接触发生原电池反应而消耗的过程
得失电子	金属直接将电子转移给有氧化性的物质	活泼金属将电子间接转移给氧化性较强的物质
电流	无电流产生	有微弱的电流产生
腐蚀现象	金属单质	较活泼金属
事例	金属与O2、Cl2等物质直接反应	钢铁在潮湿的空气中被腐蚀

2、金属的电化学腐蚀有两种情况：

（1）析氢腐蚀： 负极：Fe－2e^－＝Fe^2＋；正极反应为：2H^＋+

＝H₂；

（2）吸氧腐蚀： 负极：Fe－2e^－＝Fe^2＋；正极反应为：2H₂O＋O₂＋4e^- ＝4OH^-

3、判断金属腐蚀快慢的规律：

（1）与构成微电池的材料有关，两极材料的活动性差别越大，电动势越大，氧化还原反应的速度越快，活泼金属被腐蚀的速度就越快。

    （2）与金属所接触的电解质强弱有关，活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。

一般说来可用下列原则判断:

电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞有防腐措施的腐蚀；同一种金属：强电解质＞弱电解质＞非电解质

4、金属的防护

 

【典型例题】

例1. 将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是

A. 两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B. 甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C. 两烧杯中溶液的pH均增大

D. 产生气泡的速度甲比乙慢

解析：题目中可以应用的信息是：活泼性不同的两种金属（锌和铜）及甲、乙两图。解答该题时，首先应根据原电池的构成条件判断甲、乙池能否构成原电池，然后根据原电池原理进行分析、判断。甲可形成原电池，锌做负极：Zn－2e^－=Zn^2＋，铜做正极：2H^＋+2e^－=H₂↑，在铜上产生气泡，由于形成原电池，因此产生氢气的速率较快；而乙不能形成原电池，只能是锌与稀硫酸反应产生氢气，在锌片上产生气泡，但因为没有形成原电池，所以产生氢气的速率较慢；而两烧杯中均消耗了H^＋，因此溶液的pH值均升高。综上所述，本题的答案为C

答案：C

 

例2. 银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成硫代银，有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失。

试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应为              ；正极发生的反应为               ；

反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为                      

解析：由题意“黑色会褪去而银不会损失”知发生变化Ag₂S→Ag，显然这是考查原电池的正极反应：Ag₂S＋2e^－＝2Ag＋S^2－，负极反应为活泼金属发生氧化反应：Al－

＝Al^3＋。正极生成的S^2－和负极生成的Al^3＋在溶液中发生双水解：2Al^3＋＋3S^2－＋6H₂O＝2Al（OH）₃↓＋3H₂S↑。

答案：负极：Al－3

＝Al^3＋                        正极：Ag₂S＋2e^－＝2Ag＋S^2－

3Ag₂S＋2Al＋6H₂O＝6Ag＋2Al（OH）₃↓＋3H₂S↑

 

例3. 某可充电的锂离子电池以LiMn₂O₄为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li^＋导电固体为电解质。放电时的电池反应为：Li＋LiMn₂O₄==Li₂Mn₂O₄。下列说法正确的是

A. 放电时，LiMn₂O₄发生氧化反应  

B. 放电时，正极反应为：Li^＋＋LiMn₂O₄＋e^－==Li₂Mn₂O₄     

C. 充电时，LiMn₂O₄发生氧化反应  

D. 充电时，阳极反应为：Li^＋＋e^－==Li

解析：本题中可用的信息主要有：LiMn₂O₄为正极，嵌入锂的碳材料为负极；放电时的电池反应为：Li＋LiMn₂O₄==Li₂Mn₂O₄。可根据电池反应中元素的化合价的变化判断反应类型，然后再根据电极反应的书写原则进行分析判断。放电时作为原电池，锂为负极发生氧化反应：Li－e^－==Li^＋，LiMn₂O₄为正极，反应为：Li^＋＋LiMn₂O₄＋e^－==Li₂Mn₂O₄；

充电时作为电解池，阳极发生氧化反应Li₂Mn₂O₄－e^－== Li^＋＋LiMn₂O₄，阴极发生还原反应：Li^＋＋e^－==Li，含Li^＋导电固体为电解质增强导电性。综上所述，本题答案为B

答案：B

 

例4. 下图是2004年批量生产的笔记本电脑所用的甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子（H^＋）和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH₃OH＋3O₂

2CO₂＋4H₂O。下列说法正确的是：

A. 左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇

B. 右电极为电池的负极，b处通入的物质是空气

C. 负极反应式为：CH₃OH＋ H₂O－6e^－

CO₂＋6H^＋

D. 正极反应式为：O₂＋2H₂O ＋4e^－

4OH^－

解析：本题用到的信息主要有：电池的总反应式：2CH₃OH＋3O₂

2CO₂＋4H₂O。则根据原电池的构成条件和原电池的工作原理进行分析判断。

负极发生氧化反应：CH₃OH＋ H₂O－6e^－

CO₂＋6H^＋，质子从质子交换膜进入右边，因此，左电极为负极，a处通入的物质是甲醇；

右电极为正极，发生还原反应：O₂＋4H^＋＋4e^－＝2 H₂O，此时b处通入的是氧气，由于在电极反应过程中正、负极上通过的电子的电量相同，因此正极所消耗的H^＋与负极所产生的H^＋基本相同，溶液中H^＋基本不变，但由于生成了水，因此浓度有所减小。

综上所述，本题的答案为AC

答案：AC

 

例5. 已知蓄电池在放电时起原电池作用，充电时起电解池作用，铅蓄电池在放

电和充电时发生的化学反应可用下式表示：

据此判断下列叙述正确的是                    （   ）

A. 放电时蓄电池负极的电极反应式为PbO_２＋4H^＋＋

＋2e^－＝PbSO₄＋2H₂O

B. 充电时蓄电池阴极的反应式为：PbSO₄＋2e^－＝Pb＋

C. 用铅蓄电池来电解CuSO₄溶液，要生成1.6gCu，则该电池内部消耗硫酸0.05mol

D. 用铅蓄电池充电时，若要使3.03kgPbSO₄转变为Pb和PbO_２，则需通过20mol电子

解析：本题的信息是铅蓄电池在放电和充电时的电极反应。蓄电池充电时作为电解池，是把电能转化为化学能，而放电时则是原电池，是将化学能转化为电能。

铅蓄电池放电的电极反应为：

负极：Pb＋

－2e^- ＝PbSO₄↓

正极：PbO₂＋4H⁺＋

＋2e^- ＝PbSO₄↓＋2H₂O

当放电进行到硫酸浓度降低到一定浓度时即停止放电，此时需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：

    阳极：PbSO₄＋2H₂O－2e^- ＝PbO₂＋4H⁺＋

    阴极：PbSO₄＋2e^- ＝Pb＋

蓄电池放电和充电的总反应式：

在蓄电池中每转移2mol电子，消耗的硫酸的物质的量为2mol，而用蓄电池作为电源电解硫酸铜溶液时，两电极上通过的电子电量相同，则生成1.6g铜，转移的电子电量为0.05mol，消耗的硫酸也为0.05mol,，当有3.03kg PbSO₄（10mol）转变为Pb和PbO_２时通过的电子电量为10mol。

答案： BC

 

【模拟试题】

1. 随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是：

A. 利用电池外壳的金属材料            

B. 防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

C. 不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品

D. 回收其中的石墨电极

2. 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和1/2O₂＋H₂O＋2e^－＝2OH^－，则下列叙述正确的是

A. 通H₂的一极是正极，通O₂的一极是负极         

B. 通O₂的一极是正极，通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. 工作时负极区附近的pH减小

3. 碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：

Zn（s）+2MnO₂（s）+H₂O（l）==Zn（OH）₂（s）+Mn₂O₃（s）

下列说法错误的是                                

A. 电池工作时，锌失去电子

B. 电池正极的电极反应式为：2MnO₂（s）+H₂O（1）+2e^—=Mn₂O₃（s）+2OH^—（aq）

C. 电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D. 外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

4. 某课外活动小组，将剪下的一块镀锡铁片放入锥形瓶中，并滴入少量食盐水将其浸湿，再加数滴酚酞试液，按图装置进行实验，数分钟后观察，

下列现象不可能出现的是                                               

A. B中导气管中产生气泡                                           

B. B中导气管里形成一段水柱                                            

C. 金属片剪口处变红

D. 铁被腐蚀                                                       

5. 某原电池总反应的离子方程式为2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，可以实现上述反应的原电池是

6. 以下现象与电化腐蚀无关的是                                       

A. 黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿

B. 生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈

C. 铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈

D. 银质奖牌久置后表面变暗

7. 能够说明金属甲的活动性比金属乙强的是                        

A. 在氧化还原反应中，甲原子失去的电子比乙原子失去的多

B. 同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强

C. 甲能与稀硫酸反应放出氢气而乙不能

D. 将甲、乙做电极组成原电池时，甲是负极

8. 一定量的锌与足量的稀盐酸反应，为了加快反应的速率，但又不影响生成氢气的总量，可以采取的措施是                                                       

A. 加入少量醋酸钠固体                                  B. 加入少量硫酸铜溶液

C. 加入少量铜粉                                            D. 加入少量铁粉

9. 人造地球卫星用到的一种高能电池——银锌蓄电池，它在放电时的电极反应为：

Zn + 2OH^－－2e^－＝ZnO + H₂O；Ag₂O + H₂O + 2e^－＝2Ag + 2OH^－

据此判断氧化银是                                                   

A. 负极，并被氧化                                         B. 正极，并被还原

C. 负极，并被还原                                         D. 正极，并被氧化

10. 燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能。氢氧燃料电池的基本反应是：

X极：O₂＋2H₂O＋4e^－＝4OH^－；    Y极：2H₂＋4OH^－－4e^－＝4H₂O

下列判断正确的是                                                   

A. X是正极，发生还原反应 

B. Y是负极，发生还原反应

C. 该电池的导电液可能是稀硫酸

D. 该电池的导电液可能是KOH

11. 某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨做电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl₂被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是

A. a为正极，b为负极；NaClO和NaCl

B. a为负极，b为正极；NaClO和NaCl

C. a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl

D. a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl

12. 氢氧燃料电池以铂做电极，KOH溶液做电解质溶液。对该电池的说法正确的是

A. 负极反应为O₂+2H₂O+4e^－===4OH^－

B. 电池工作时，正极区pH升高

C. 电池工作时溶液中的阴离子移向正极

D. 电池的总反应为：2H₂+O₂===2H₂O

13. 熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到极大重视，可用Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融盐混合物做电解质，CO为负极燃气，空气与CO₂的混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的反应式：负极反应式：2CO＋2CO₃^2－＝4CO₂＋4e^－，正极反应式：                        。总电池反应式：                          。

14. 工业上处理含Cr₂O₇^2-的酸性工业废水用以下方法：①往工业废水中加入适量的NaCl，搅拌均匀；②用Fe为电极进行电解，经过一段时间有Cr（OH）₃和Fe（OH）­₃沉淀生成，③过滤回收沉淀，废水达排放标准，试回答：

（1）电解时的电极反应，阳极                 ，阴极                   。

（2）写出Cr₂O₇^2-转变成Cr³⁺的离子反应                                             

（3）电解过程中Cr（OH）₃和Fe（OH）₃沉淀是怎样产生的？

（4）能否将Fe电极改成石墨电极？为什么？

15. 据报道，最近摩托罗拉（MOTOROLA）公司研发了一种由甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月才充电一次。假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO₂被充分吸收生成CO₃^2—。

（1）该电池反应的总离子方程式为________________________________________；

（2）甲醇在__________极发生反应（填“正”或“负”），电池在放电过程中溶液的pH将________（填“下降”“上升”或“不变”）；

（3）若有16g甲醇蒸气被完全氧化产生电能，利用该过程中释放的电能电解足量的CuSO₄溶液，（假设在整个过程中能量总利用率为80％），则将产生标准状况下的O₂_______________升；

（4）最近，又有科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高。一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气，其中固体电解质是掺杂了Y₂O₃（Y：钇）的ZrO₂（Zr：锆）固体，它在高温下能传导O^2—离子（其中氧化反应发生完全）。以丁烷（C₄H₁₀）代表汽油。

①电池的正极反应式为_________________________________；

②放电时固体电解质里的O^2—离子的移动方向是向__________极移动（填“正”或“负”）。

【试题答案】

1. B     2. BD      3. C        4. BC      5. AB      6. D        7. CD      8. C        9. B        10. AD

11. D   12. BD

13. 2CO₂＋O₂＋4e^－＝2

                2CO＋O₂＝2CO₂

14. （1）阳极：金属电极溶解  Fe－2e^－

Fe^2＋，阴极：生成气体 2H^＋＋2e^－

H₂↑

（2）6Fe^2＋＋Cr₂O₇^2－＋14H^＋     6Fe^3＋＋2Cr^3＋＋7H₂O

（3）由于阴极H^＋放电，破坏了水的电离平衡，

逐渐增大并向阳极移动，与

Fe^3＋、Cr^3＋形成Fe（OH）₃ Cr（OH）₃沉淀。

（4）不能用碳电极代替Fe电极。因为Fe电极在电解过程中产生还原性的Fe^2＋，将溶液中的Cr₂O₇^2－还原为Cr^3＋而除去，若改用石墨电极，不能产生还原性微粒。

15. （1）2CH₃OH＋3O₂ ＋4OH^－＝     2CO₃^2－＋6H₂O

（2）负、下降

（3）13.44L

（4）O₂＋4e^－＝2O^2－；负