第六章第一节　化学反应与能量变化第3课时　设计原电池　化学电池 课件(共73张PPT）

(共73张PPT)
第一节　化学反应与能
量变化
第3课时　设计原电池　化学电池
第6章 化学反应与能量
【课程标准要求】　
1.会设计简单的原电池。
2.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电源的特点。
3.掌握构成电池的要素，了解不同电极材料对电池性能的影响。
4.能正确书写简单化学电源的电极反应式。
新知自主预习
课堂互动探究
课时训练
目
录
CONTENTS
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课堂小结·即时达标
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1.一次电池
(1)特点：电池放电后________充电(内部的氧化还原反应________逆向进行)，如锌锰干电池属于一次电池。
不能
无法
(2)锌锰干电池的构造如图所示。
①锌筒为________，电极反应是Zn－2e－===Zn2＋。
②石墨棒为________，最终被还原的物质是____________。
③NH4Cl糊的作用是________________。
负极
正极
二氧化锰
作电解质溶液
2.二次电池(充电电池)
氧化还原反应
逆向进行
3.燃料电池
(1)特点：①反应物储存在电池外部；②能量转换效率高、清洁、安全；③供电量易于调节。
(2)燃料电池常用的燃料有：________、________、乙醇等；常用氧化剂：氧气。
氢气
甲烷
【微自测】
下列描述中正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细(　　)
(2)充电电池可以无限制地反复充电、放电(　　)
(3)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高(　　)
(4)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能(　　)
(5)氢氧燃料电池是将化学能完全转变为电能(　　)
×
×
√
×
×
二、电极反应式的书写及判断
一、设计原电池
一、设计原电池
1.依据
已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
———————【核心归纳】———————
2.思路
(1)定：确定一个能够自发进行的放热的氧化还原反应。
(2)拆：将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，分别作为负极和正极的电极反应。
负极反应：还原剂－ne－===氧化产物
正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物
(3)找：根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液，正极一般选择比负极稳定的金属或能导电的非金属。
(4)画：连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。
3.实例(以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例)
材料选择 电极反应式 装置
负极：Fe 正极：Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或导电的石墨棒均可) 电解质溶液：CuSO4溶液 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极：Cu2＋＋2e－===Cu
1.利用Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2反应，设计一个原电池。
(1)选用________为负极，________为正极，电解质溶液为________。
(2)写出电极反应式：负极___________________________________________，
正极_______________________________________________________。
(3)在方框中画出装置图：
———————【实践应用】———————



解析　题给反应中Fe3＋得到电子生成Fe2＋(Fe3＋＋e－===Fe2＋)，是氧化剂，所以电解质溶液为FeCl3溶液；在此反应中Cu失去电子生成Cu2＋(Cu－2e－===Cu2＋)，是还原剂，铜作负极，再选择比Cu不活泼的金属或石墨棒作正极。画原电池的装置图时，要标出电解质溶液、电极材料，还要形成闭合回路。
2.理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。选择适宜的材料和试剂，请利用反应“Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋”设计一个原电池。
回答下列问题：
(1)选用________为负极，选择依据是________________________________。
(2)正极材料可选用________，选择依据是____________________________。
(3)________溶液作电解质溶液。
(4)写出电极反应式
正极：________________________，负极：________________________。
(5)该原电池中电子从________极流出，电解质溶液中的阳离子(Fe3＋)移向________极。
答案　(1)铁　固体铁单质能导电，可被电解质溶液中的Fe3＋氧化为Fe2＋
(2)铜(或石墨)　铜(或石墨)的还原性比铁弱，且为能导电的固体
(3)FeCl3[或Fe2(SO4)3]
(4)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　Fe－2e－===Fe2＋
(5)铁(或负)　铜或石墨(或正)
二、电极反应式的书写及判断
1.书写电极反应式的原则
电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。
———————【核心归纳】———————
2.电极反应式形式
负极反应：还原剂－ne－===氧化产物
正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物
3.电极反应式的书写思路
特别提醒　(1)若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，在保证电子转移数目相同的情况下，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。
如：CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中：总反应式：CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O
正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O
负极：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
(2)电极反应式中转移的电子数必须要与总反应方程式中转移的电子数相同。
3.写出下列电池的电极反应式：
(1)铅酸蓄电池(Pb—H2SO4—PbO2)：
总反应式：PbO2＋Pb ＋2H2SO4 ===2PbSO4＋2H2O
负极： ；
正极： 。
———————【实践应用】———————
(2)燃料电池(H2—H2SO4—O2)：
总反应式：2H2＋O2===2H2O
负极：____________________________；
正极：____________________________________。
(3)燃料电池(H2—KOH—O2)：
总反应式：2H2＋O2===2H2O
负极：________________________________________；
正极：______________________________________。
2H2－4e－===4H＋
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
2H2－4e－＋4OH－===2H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
4.分析下列装置，按要求填空。
(1)负极材料：________，电极反应式：______________________________；
正极材料：________，电极反应式：________________________________；
总反应式：________________________________________________。
(2)负极材料：________，负极反应式：______________________________；
正极材料：________，正极反应式：________________________________；
总反应式：______________________________________________________。
(3)负极材料：________，电极反应式：_____________________________；
正极材料：________，电极反应式：________________________________；
总反应式：____________________________________________________。
(4)负极材料：________，电极反应式：______________________________；
正极材料：________，电极反应式：________________________________；
总反应式：_____________________________________________________。
5.如图所示，它是一种原电池的装置图。
请回答：
(1)若溶液C为氯化铁溶液，电流表指针发生偏转，A、B电极材料分别为铜和银，则B电极上发生的电极反应为________。
(2)CO与H2反应还可制备CH3OH，CH3OH可作为燃料使用，用CH3OH和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如图所示：
电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，电极c为________，电极反应式为____________________________________________________________。
若线路中转移6 mol电子，则消耗的O2在标准状况下的体积为________ L。
核心体系建构
1.下列有关电池的叙述不正确的是(　　)
A
A.水果电池是方便实用的家用电池
B.铅酸蓄电池是一种常用的二次电池
C.氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置
D.锌锰干电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄
解析　水果电池产生的电流非常微弱且不能连续长时间放电，不能作为家用电池；铅酸蓄电池是一种常用的二次电池；氢氧燃料电池产物为水，无污染；锌锰干电池工作时，Zn放电被消耗，故工作一段时间后锌外壳会逐渐变薄，B、C、D正确，A错误。
C
2.某原电池的总反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是(　　)
解析　根据原电池的电池反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋可知，Fe为负极，比Fe不活泼的金属或非金属导体作正极，含Fe3＋的溶液为电解质溶液。
选项 正极 负极 电解质溶液
A Cu Fe FeCl3溶液
B C Fe Fe(NO3)3溶液
C Fe Zn Fe2(SO4)3溶液
D Ag Fe Fe2(SO4)3溶液
C
3.下列电池工作时，O2在正极得电子的是(　　)
解析　氢氧燃料电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，因而正极是O2得电子发生还原反应。
C
4.据媒体报道，以氢氧燃料电池为动力的公交车在北京试运行。质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，铂作催化剂，导电离子是H＋。下列对该燃料电池的描述中正确的是(　　)
解析　此题考查了原电池的基本原理，包括燃料电池的电极反应、总反应及电解液中离子的移动等相关理论。通过分析，③反应条件是点燃，显然是错误的，其余各项均正确。
5.现有如下两个反应：A.NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，B.Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋
(1)根据上述两反应的本质，________(填序号)反应能设计成原电池，其原因是：____________________________________________________________。
(2)写出上述反应中能设计成原电池的电解质溶液，正、负极材料、电极反应式、反应类型(“氧化反应”或“还原反应”)：
电解质溶液为________________。
负极：________，__________________________________，________；
正极：________，__________________________________，________。
(3)若导线上通过电子1 mol，则正极质量增加________g。
答案　(1)B　A为非氧化还原反应，没有电子转移；B为氧化还原反应，有电子转移
(2)AgNO3溶液　Cu　Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　碳棒(或Ag、铂、金任选一)　2Ag＋＋2e－===2Ag　还原反应　(3)108
解析　(1)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，B是自发进行的氧化还原反应。(2)根据电池反应式Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜不活泼的金属或导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。(3)由2Ag＋＋2e－===2Ag知导线上通过电子1 mol生成Ag 1 mol。
一、选择题(每小题只有一个选项符合题意)
1.根据原电池原理可设计成化学电源，关于化学电源的下列说法不正确的是(　　)
D
A.手机上用的锂离子电池属于二次电池
B.甲醇燃料电池可将化学能转化为电能
C.锌锰干电池中，锌电极为负极
D.所有释放能量的反应都能通过化学电源实现
解析　只有释放能量的氧化还原反应才能通过化学电源实现化学能与电能的转化，D不正确。
2.(2021·四川省绵阳高一期中)下列关于化学能、电能与原电池的判断不正确的是(　　)
B
A.利用原电池装置，可以将化学能转化为电能
B.燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，能量转化率可高达100%
C.铅酸蓄电池是常用的二次电池，充放电次数有限
D.最早使用的锌锰干电池的寿命和性能都不如改进后的碱性锌锰电池
解析　A.原电池装置可以通过电子的定向移动产生电流，将化学能转化为电能，A正确；B.燃料电池的能量转化率理论上可高达85%～90%，由于部分化学能会以热能等其他形式的能量释放，转化率不可能为100%，B错误；C.铅酸蓄电池是常用的二次电池，但由于电池制造工艺等方面不足，充电电池的充放电次数有限，C正确；D.碱性锌锰电池中增大了正负极间的相对面积，且碱性环境中，电极材料可以长时间的稳定存在，电池的寿命和性能都优于最早使用的锌锰干电池，D正确。
3.(2021·福建南平市高一期中)如图是某化学课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。下列有关该装置的说法正确的是(　　)
B
A.铜为负极，其附近的溶液变蓝，溶液中有Cu2＋产生
B.其能量转化的形式主要是化学能→电能→光能
C.如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向将发生改变
D.如果将稀硫酸换成柠檬汁，LED灯将不会发光
解析　锌片作负极，发生氧化反应，铜片作正极，发生还原反应，A错误；该装置的能量转化形式是“化学能→电能→光能”，B正确；如把锌片换为铁片，铜片依然为正极，电路中的电流方向不会发生改变，C错误；如将稀H2SO4换为柠檬汁，由于柠檬汁中含有柠檬酸，溶液呈酸性，LED灯也会发光，D错误。
4.(2021·山西朔州市高一期中)几位同学以相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池，得到的实验数据如下表所示：
D
下列关于水果电池的说法不正确的是(　　)
A.负极都是锌片
B.能表明水果种类对电流大小影响的实验编号是2和3
C.影响水果电池电流大小的因素可能还有同种水果的成熟程度
D.该实验的目的只是探究水果种类对水果电池电流大小的影响
实验编号 水果种类 电极间距离/cm 电流/μA
1 番茄 1 98.7
2 番茄 2 72.5
3 苹果 2 27.2
解析　A.以相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池，锌比铜活泼，锌为负极，铜为正极，故A正确；B.根据实验数据，实验2和3电极间距离相等，所用水果种类不同，电流不同，因此实验2和3表明水果种类对电流大小有影响，故B正确；C.水果的成熟程度不同，电解质溶液的浓度不同，也会影响水果电池电流大小，故C正确；D.根据表中数据，实验目的是探究水果种类、电极间距离对水果电池电流大小的影响，故D错误。
5.(2021·河南开封市高一期中)“盐水动力”玩具车的电池以镁片、活性炭为电极，向极板上滴加食盐水后电池便可工作，电池反应为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2。下列关于该电池的说法错误的是(　　)
A
A.电池工作时，负极发生还原反应
B.食盐水作为电解质溶液
C.电池工作时镁片逐渐被消耗
D.电池工作时实现了化学能向电能的转化
解析　由电池反应2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2可知，Mg作负极，活性炭作正极，电解质溶液是食盐水，发生镁的吸氧腐蚀，化学能转化为电能。A.Mg作负极，Mg元素化合价由0价升高到＋2价，所以负极发生氧化反应，故A错误；B.电解质溶液是食盐水，发生吸氧腐蚀，故B正确；C.Mg作负极，电极反应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2，所以电池工作时镁片逐渐被消耗，故C正确；D.该装置是将化学能转化为电能的装置，为原电池，故D正确。
6.(2021·天津高一期中)如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。在固体氧化物电解质的温度达700～900 ℃时，O2－可在该固体氧化物电解质中自由移动，反应生成物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是(　　)
A
A.电池内的O2－由电极乙移向电极甲
B.该电池可在常温下工作
C.电池总反应为：N2H4＋2O2===2NO＋2H2O
D.当甲电极上有1 mol N2H4消耗时，乙电极上有22.4 L O2参与反应
解析　该电池中以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，所以通入N2H4的一极即电极甲为负极，通入氧气的一极即电极乙为正极。A.原电池中阴离子流向负极，O2－由电极乙移向电极甲，A正确；B.常温下固体氧化物电解质中没有自由移动的离子，无法形成闭合回路，电池无法工作，B错误；C.反应生成物均为无毒无害的物质，所以N2H4被氧气氧化生成N2和H2O，电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，C错误；D.题目中没有说明条件是否为标准状况下，因此无法计算气体的体积，D错误。
7.某华人科学家和他的团队研发出“纸电池”(如图)。这种一面镀锌、一面镀二氧化锰的超薄电池在使用印刷与压层技术后，变成一张可任意裁剪大小的“电纸”，厚度仅为0.5毫米，可以任意弯曲和裁剪。纸内的离子“流过”水和氧化锌组成电解液，电池总反应式为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)。下列说法正确的是(　　)
C
A.该电池的正极材料为锌
B.该电池反应中二氧化锰发生氧化反应
C.电池的正极反应式为MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－
D.当有0.1 mol锌溶解时，流经电解液的电子数为1.204×1023
解析　该原电池中，锌元素化合价由0价变为＋2价，锌失电子作负极，故A错误；该原电池中，锰元素化合价由＋4价变为＋3价，所以二氧化锰作正极，发生还原反应，故B错误；正极上二氧化锰得电子发生还原反应，电极反应为MnO2＋e－＋H2O===MnO(OH)＋OH－，故C正确；电子从负极沿导线流向正极，不经过电解质溶液，故D错误。
8.(2021·浙江高一月考)我国科研人员研制出一种Li－N2电池，电池反应为6Li＋N2===2Li3N，其放电过程为原电池工作原理，电池结构如图所示。下列说法正确的是(　　)
C
A.a极作正极
B.N2发生氧化反应
C.a极的电极反应式为：Li－e－===Li＋
D.电池工作时，电子从a电极经导线流向b电极，再从b电极经电解质溶液流向a电极
解析　该电池中锂易失电子作负极，碳为正极，负极反应式为Li－e－===Li＋，正极反应式为6Li＋＋N2＋6e－===2Li3N。A.放电时Li→Li＋，Li的化合价升高，发生失电子的氧化反应，a极作负极，故A错误；B.放电时N2→Li3N，N的化合价降低，发生得电子的还原反应，故B错误；C.Li易失电子作负极，所以a极的电极反应式为：Li－e－===Li＋，故C正确；D.电池工作时，锂(a)电极失电子，所产生的电子经导线流向碳(b)电极，溶液中Li＋流向正极，在电解质溶液中不存在电子的流动，故D错误。
9.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是(　　)
D
A.负极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B.负极反应式：CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O
C.随着放电的进行，溶液的OH－浓度不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
10.氢氧燃料电池的能量转化率较高，且产物是H2O，无污染，是一种具有应用前景的绿色电源。下列有关氢氧燃料电池的说法不正确的是(　　)
D
A.通入氢气的电极发生氧化反应
B.正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C.放电过程中碱性电解液的pH不变
D.碱性电解液中阳离子向通入氢气的方向移动
解析　A项，该电池工作时化学能转化为电能，通入氢气的一极为电源的负极，发生氧化反应，正确；B项，通入氧气的一极为原电池的正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，正确； C项，由图可知，氢氧燃料电池放电过程中，总反应为氢气和氧气反应生成水从负极边上排出，则碱性电解液的pH不变，正确；D项，阳离子向正极移动即向通入氧气的一极移动，错误。
B
A.电池工作过程中，溶液的碱性逐渐增强
B.正极与负极上参加反应的气体的物质的量之比为7∶2
C.通入乙烷的电极为正极
D.电解质溶液中的OH－向正极移动
12.(2021·河北武强中学高一月考)某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构见下图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是(　　)
D
A.电流通过外电路从a极流向b极
B.b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C.每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2
D.H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极
解析　A.a电极为负极，b电极为正极，电子由负极a经外电路流向正极，由于电流方向为正电荷移动方向，所以电流方向为从正极b极流向负极a极，错误；B.固体酸燃料电池中含有大量H＋，正极的电极反应式为：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B错误；C.缺少气体所处的外界条件，因此不能计算出H2的体积，C错误；D.根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，H＋会由正电荷较多的a极通过固体酸电解质传递到负电荷较多的b极，D正确。
二、非选择题
13.铅酸蓄电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总的方程式为：
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
按要求回答下列问题：
(1)负极材料是________，正极材料是________，电解质溶液是________。
(2)工作时，电解质溶液中的H＋移向________极。
(3)工作时，电解质溶液中硫酸的浓度________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)当铅酸蓄电池向外电路提供2 mol e－时，理论上负极板的质量增加________ g。
答案　(1)Pb　PbO2　H2SO4溶液　(2)PbO2(或正)　(3)减小　(4)96
14.氯铝电池是一种新型的燃料电池。电解质溶液是KOH溶液。试回答下列问题：
(1)通入Cl2(g)的电极是________(填“正”或“负”)极。
(2)投入Al(s)的电极是________(填“正”或“负”)极。
(3)外电路电子从________(填“Al”或“Cl2”)极流向________(填“正”或“负”)极。
(4)每消耗8.1 g Al(s)，电路中通过的电子数目为________NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。
答案　(1)正　(2)负　(3)Al　正　(4)0.9
15.如图所示，可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式[当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时]两种。试回答下列问题：
(1)酸式电池的电极反应：负极：_________________________________，
正极：______________________________________________________；
电池总反应：________________________________________________。
(2)碱式电池的电极反应：负极：_________________________________，
正极：_______________________________________________________；
电池总反应：_________________________________________________。
答案　(1)2H2－4e－===4H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　2H2＋O2===2H2O
(2)2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　2H2＋O2===2H2O
解析　(1)正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，酸性条件下与H＋结合成H2O。负极上，H2失电子变为H＋，H＋进入电解质溶液。
(2)正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，碱性条件下与H2O结合成OH－。负极上，H2失电子变为H＋，碱性条件下H＋不能大量存在，与OH－结合成H2O。
Thanks！
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