归纳与整理优秀教案内容

第2节

化学能与电能归纳与整理

适用学科

适用区域

高中化学

人教版新课标

适用年级

课时时长（分钟）

高中一年级

1、化学能电能的转化方式

知识点

2、原电池的工作原理及其形成条件

3、常见的几种化学电源及其电机反应式的书写

原电池的电极名称及电极反应式；

教学目标

对几种化学电源的电极反应式的认识和书写；

原电池原理的应用。

原电池的电极名称及电极反应式；

教学重点

化学电源的电极反应式的认识和书写；

原电池原理的应用。

教学难点

教学过程

课堂导入

1. 目前我们的生活已经离不开电，常规的发电方式主要有火力发电，将化学能先转变成热能，再转变成电能。有没有什么办法使化学能直接转变成电能呢？带着这个问题，我们进行今天的学习。

一、复习预习

1、氧化还原反应的特征是什么？氧化还原反应的本质是什么？

2、电池在当今生产、生活和科技发展中广泛的用途（电脑展示）

原电池原理的应用

3、

Mg条在空气中燃烧现象如何？过程中发生的能量变化有哪些？

答：发出耀眼的强光，同时放出大量的热，化学能转变为光能、化学能转变为热能，这是一个氧化还原反应，Mg直接失电子给氧，设想如果把Mg失去的电子通过导线递给氧，在导线中不就有电流产生吗？该过程就是化学能转变成电能了。那么到底通过何种途径、何种装置来实现这种转变呢？

二、知识点讲解

知识点1：原电池的概念及组成

燃煤发电的能量转换过程是

，该过程虽然实现化学能与电能的转化，但是过程繁琐、复杂且能耗较大。在此过程中，燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键。因此，需要设计一种装置使氧化还原反应释放的能量直接转变为电能，原电池就是这样的装置。

1、原电池定义：把化学能转变为电能的装置

注意：原电池是一种装置，其能量转化形式是化学能转化为电能。

2、典型装置

把锌片放入稀硫酸中；铜片放入稀硫酸中；锌片和铜片一起浸入稀硫酸中；锌片、铜片用导线连在灵敏电流计上一起浸入稀硫酸中。观察四个装置的现象。

如上图所示，当闭合开关后可以看到Zn片溶解，电流计的指针偏转，说明有电流的形成；但是电流在较短时间内就会衰减，说明该装置简单、效率低；在两个电极上都会有气体产生，而且溶液的温度升高说明Zn可以直接与硫酸反应，在Cu片上是溶液中的H+得到电子生成H2，因此在该装置中既有化学能转化为电能又有化学能转化为热能。

如上图将Zn片和Cu片分别置于和ZnSO4和CuSO4溶液中，用导线连接，两烧杯之间用盐桥接通，发现电流计的指针偏转，说明有电流的形成；而且电流稳定持续时间较长，说明该装置简单、效率高；在Zn表面有红色物质析出，因此在该装置中只有化学能转化为电能。

【注意：】盐桥起着平衡溶液电荷，构成回路，提高原电池工作效率的作用。

3、原电池的基本组成：由电极材料和电解质溶液形成两个半电池，两个隔离的半电池通过导线连接。

4、构成原电池条件

a溶液相同，电极变化

b电极相同，溶液变化：

c电路是否闭合

分析得构成原电池的条件（1）两个电极：负极（较活泼的金属，失去电子的一极），正极（较不活泼的金属或非金属，得到电子的一极）；

（2）电解质溶液或者熔融电解质（两电极浸在其中）

（3）闭合回路

（4）电池反应应为自发的氧化还原反应

知识点2：原电池的工作原理

1、

原电池原理：宏观上我们看到了两极上的变化，从微观上我们再来探讨一下就能够发现作为负极的较活泼的金属不断失去电子变成阳离子进入溶液中，而电子则沿着外电路也就是导线转移到作正极的较不活泼的金属上，溶液中的阳离子会移向正极并在正极上获得电子发生还原反应，溶液中的阴离子向负极移动，这样才会是完整的闭合回路，从而形成电流，化学能转换为电能。上面讲到的丹尼尔电池中盐桥的作用就是离子在其中可以移动而形成完整的闭合回路。

2、

电子流向：负极→导线→正极

3、

离子迁移：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。（使得电源有了电势差）

4、

电流流向：与电子移动方向相反

5、

电极反应与总反应：原电池将一个完整的氧化还原反应分为两个半反应，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。一般将两个电极反应中得失电子的数目写为相同，相加后便得到总反应方程式。以Zn-Cu原电池为例：

电极反应：（-）Zn-2 e=Zn2+ －（+）2H++2 e=H2↑

－电池总反应：Zn+2H+=H2↑+Zn2+ 6、

pH的变化规律：若电极反应消耗OH-（或者H+），则电极周围溶液的pH减小（或增大）；若电极反应生成OH-（或者H+），则电极周围溶液的pH增大（或减小）。若总反应的结果是消耗OH-（或者H+）或生成OH-（或者H+）则溶液的pH减小（或增大）

或增大（或减小）。若两极消耗等物质的量的OH-和H+，则溶液的pH变化规律随溶液的酸碱性的不同而不同。

知识点3：原电池正负极的判断方法

1、

由组成原电池的两级材料判断：一般活泼的金属作为负极，相对不活泼的金属或能导电的非金属作为正极。

2、

根据电流方向或电子流动方向判断：在外电路电流时由正极流向负极；电子是由负极流向正极。

3、

根据原电池里电解质溶液中离子的定向移动方向判断：在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

4、

根据原电池两级发生的变化来判断：原电池的负极总是失电子发生氧化反应，正极总是得电子发生还原反应。

5、

X极增重或减轻：工作后，X极质量增加，说明X极有物质析出，X极为正极；反之，X极质量减少，说明X极金属溶解，X极为负极。

6、

X极有气泡冒出：工作后，X极上有气泡冒出，是因为发生了析出H2的电极反应，说明X极为正极。

7、

X极附近pH的变化：析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的pH增大，因而工作后，X极附近pH增大了说明X极为正极。

8、

特例：在根据金属活动性的规律判断的时候还得考虑溶液的酸碱性以及浓溶液、稀溶液等问题。

知识点4：常见的化学电源及其电极反应

1、

化学电源分类：一次电池（发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用的电池，如普通锌-锰电池、银-锌电池等干电池）；二次电池（可多次充、放电的电池，如铅蓄电池、镍-铬电池等蓄电池）；燃料电池（利用燃料和氧化还原反应的电池，如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池等）

2、

电极反应式的书写

a、

书写应遵循的原则：要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒。弱电解质、气体和难溶物均写成化学式，其余的以离子形式表示。正极反应产物、负极反应产物根据题意或化学方程式确定，也要注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。

b、

电极反应式的书写类型：根据装置书写电极反应式、给出总反应写出电极反应式（列出物质，标出电子的得失；选离子，配电荷；配个数，巧加水；两式加，验总式。）

c、

以2H2＋O2===2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时，根据总反应方程式得到两边化合价升高的物质是H2转移电子数为4e，即负极反应式书写为2H2-4e===4H+，根据电解质溶液的酸碱性，用H+或OH-或其他离子配平，使得两边电荷总数相等，即2H2-4e－+4OH-===4H2O在碱性溶液中，电极反应式中不能出现H+；同理正极反应式的书写是－O2＋2H2O+4e ===4OH-。在碱性溶液中提供H+的是水，要写成化学式的形式。将正负极反应式相加若得到总反应方程式说明书写正确。

注意：若反应式同侧出现不能共存的离子，如H+和OH-要写成反应后的物质H2O。

知识点5：原电池原理的应用

1．比较金属活泼性

作负极的金属活泼性强，作正极的金属活泼性弱。

2．改变化学反应速率

如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。

3．保护金属设备

如：船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀。在船体外壳焊接上比铁活泼的金属(如Zn)，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。

4．原电池的设计

以Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu为例说明。



负极反应为还原剂－ne===氧化产物

正极反应为氧化剂＋ne===还原产物电极反应实例：

负极反应为Zn－2e===Zn

正极反应为Cu＋2e===Cu－－－依据：2＋2＋－

注意：在设计原电池时，若给出的是离子反应方程式，如：Fe＋Cu2===Cu＋Fe2，此时电＋＋解质不确定为具体的物质，只要是可溶性铜盐即可，如CuCl2、CuSO4等。

知识点6：常见的几种化学电源

（1）干电池

干电池即普通的锌锰电池，它是用锌制的圆筒形外壳作负极，位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极，圆筒内填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂（吸收正极放出的H2，防止产生极化现象）。

电极反应：

负极：Zn＝Zn2+＋2e

－正极：2NH4+＋2e＝2NH3＋H2，H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O －正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+

淀粉糊的作用：提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。

电池总反应式为：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O 干电池的电压通常约为1.5V，携带方便，但放完电后不能再用，污染较严重。

（2）充电电池

充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的是氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电）、再由电能转变为化学能（充电）的循环。使用最普遍的是铅蓄电池。铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上附着一层棕褐色PbO2，负极板上是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.28g·cm-3、浓度为30%的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。

放电电极反应：

负极：Pb(s)+SO42(aq)－2e＝PbSO4(s)；

－－正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)+2e＝PbSO4(s)+2H2O(l) －－充电电极反应：

阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)；

－－阴极：PbSO4(s)+2e=Pb(s)+SO42(aq) －－电池总反应式：

Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) ==2PbSO4(s) +2H2O(l) 铅蓄电池的优点：电动势高，电压稳定，使用范围宽，原料丰富，价格便宜。

缺点：笨重，防震性差，易溢出酸液，维护不便，携带不便等。

（3）燃料电池

①氢氧燃料电池

氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极，但具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为40%的KOH溶液。电极反应式为：

负极：2H2＋4OH＝4H2O＋4e，

正极：O2＋2H2O＋4e＝4OH

－－

－－电池的总反应式为：2H2＋O2＝2H2O

②甲烷氧燃料电池

该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为：

负极：CH4＋10OH＝CO32＋7H2O＋8e－－－

正极：2O2＋4H2O＋8e＝8OH

－－

电池总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 注意：a.燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂（如O2）反应所放出的热能直接转变为电能。

b.燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。

c.燃料电池如果以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳，

d.燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地

提供燃料和氧化剂，使反应能连续进行。

【典型例题】

例1、原电池产生电流的本质原因是(

) A．原电池中溶液能电离出自由移动的离子

B．有导线将两个活动性不同的电极连接

C．正极发生了氧化反应，而负极发生了还原反应

D．两电极上分别进行的氧化还原反应中有电子的转移

【答案】D 【解析】氧化还原反应是原电池产生电流的本质原因。

【总结升华】抓住原电池产生电流的本质原因才能理解原电池的工作原理和应用。

举一反三：

【变式1】下面是四个化学反应，你认为理论上不可用于设计原电池的是（

）

A．2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑

B．2H2+O2=2H2O

C．Mg3N2+6H2O=3Mg(OH)2+2NH3↑

D．CH4+2O2=CO2+2H2O 【答案】C 【解析】理论上反应类型为氧化还原反应的化学反应可用于设计原电池。只有选项C属于非氧化还原反应。

例2、下图各装置中，不能构成原电池的是（

）

【答案】D

【解析】根据构成原电池的几个条件可以发现，D答案是错误的，没有构成闭合回路。

【总结升华】本题是对构成原电池的条件的考查。构成原电池的条件必须同时满足：（1）要有活泼性不同的两个电极；（2）要有电解质溶液；（3）要有导线，能形成闭合回路。

例3、关于如图所示装置的叙述正确的是(

) A．铜是阳极，铜片上有气泡产生

B．铜片是正极，该电极周围溶液氢离子浓度不变

C．电流从锌片经导线流向铜片

D．氢离子在铜片表面被还原

【答案】D 【解析】如图所示装置是原电池，电极为正、负极，活泼的锌为负极，失去电子，发＋＋生氧化反应，本身质量逐渐减少。而铜极为正极，上面富集电子，H移向铜极，H浓度增＋大，H发生还原反应产生H2。

举一反三：

【变式1】关于下图所示的原电池，下列说法正确的是(

)

A．电子从锌电极通过检流计流向铜电极

B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移

C．锌电极发生还原反应，铜电极发生氧化反应

D．铜电极上发生的电极反应是：2H＋2e===H2↑

【答案】A ＋－

【解析】图示原电池中，Zn为负极发生氧化反应，Cu为正极发生还原反应，故A项正确，C项错；原电池工作时，ZnSO4溶液中的Zn 2浓度增大，所以盐桥中的阴离子向ZnSO4＋溶液中迁移，B项错；铜电极上发生的反应是Cu2＋2e→Cu，D项错。

＋－

例4、如下图所示装置能否构成原电池？__________。若不能，请说明理由______________________。

若能，请确定两极名称并写出电极反应式和总反应式_____________________，______________________。

【答案】

能

Al为负极：

Al＋4OH－3e===AlO2-＋2H2O －－Mg为正极：2H2O＋2e===H2↑＋2OH

总反应：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑

【解析】装置满足原电池构成的条件，有活泼性不同的电极、有电解质溶液并且形成了闭合回路，所以能形成原电池。在NaOH溶液中，Al的活动性强，是负极，电极反应式－－－－为：Al＋4OH－3e===AlO2＋2H2O，Mg为正极，电极反应式为：2H2O＋2e===H2↑＋2OH－

【总结升华】如果对原电池的原理理解不透彻，仅根据电极材料的金属活泼性来写原电池的正负极，在解本题时就会出错。原电池能形成电流，是由于两极在电解质溶液中放电能力不同而造成的。电极材料在电解质溶液中的放电能力与金属的活泼性并不完全一致，即金属性强的不一定先放电。如Mg比Al活泼，在NaOH溶液中Al能反应，而Mg不能。弄清这一点，本题就容易解决了。

例5、根据下列实验事实：(1)X＋Y2===X2＋Y；(2)Z＋2H2OZ(OH)2＋H2↑；(3)Z2＋＋＋－－的氧化性比X2弱；(4)由Y、W电极组成原电池，电极反应为W2＋2e===W，Y－2e＋===Y2，可知X、Y、Z、W的还原性由强到弱的顺序是(

) ＋＋－－A．X>Z>Y>W

B．Z>W>X>Y C．Z>X>Y>W

【答案】C

D．Z>Y>X>W

【解析】

(1)中X能置换出Y，说明还原性X>Y；(2)中Z可与冷水反应，说明Z是极活泼金属；(3)说明还原性Z>X；(4)中Y、W形成原电池时，Y作负极，说明还原性Y>W。综上所述，几种金属的还原性由强到弱的顺序为Z>X>Y>W。

【总结升华】原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。而负极是电子流出的一极，发生氧化反应，电流流入的一极，一般该电极不断溶解或质量不断减少。若某电极上有气体产生，电极的质量不断增加或不变，该电极为正极。

例6、燃烧电池是利用燃烧（如H2、CO、CH4等）跟氧气或空气反应，将化学能转化为电能的装置。电解质溶液是强碱溶液。下列关于甲烷的燃料电池说法中正确的为（

）

A．负极反应：O2+2H2O+4e-=4OH-

B．负极反应：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

C．随着放电进行，溶液的OH-浓度增大

D．放电时溶液中的阴离子向负极移动

【答案】BD

【解析】负极应该发生氧化反应，所以A错误，B正确；反应消耗OH-，所以OH-浓度减小，C错误，放电时，负极发生氧化反应失电子，生成的离子带正电，所以吸引溶液中的阴离子向负极移动。

举一反三：

【变式1】(2015 北京海淀检测)将氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时的化学能直接转化为电能的装置叫燃料电池。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池能量利用率可高达80％(一般柴油发电机只有40％左右)，产生污染物也少。下列有关燃料电池的说法，错误的是(

) A．上述燃料电池的负极反应材料是氢气、甲烷、乙醇等物质

B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供宇航员使用

C．乙醇燃料电池的电解质常用KOH，该电池负极反应为C2H5OH－12e＝2CO2↑＋3H2O D．以KOH溶液作为电解质溶液，甲烷燃料电池正极反应为O2＋2H2O＋4e＝4OH【答案】C 【解析】电解质KOH会与二氧化碳反应生成碳酸钾和水，该电池负极应反应式应为：

C2H5OH－12e＋16OH-＝2CO32-↑＋11H2O －－－

－

例7、（2015 四中同步）生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：2PbSO4+2H2O下列对铅蓄电池的说法中错误的是(

)

A．需要定期补充硫酸

B．工作时Pb是负极，PbO2是正极

c．工作时负极上发生的反应是Pb－2e+SO42==PbSO4

－－

充电

放电

PbO2+Pb+2H2SO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

【答案】A

【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生－成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；工作时（即放电时），H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的越浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。