6.1.2.化学反应与电能 课件(共71张PPT)2022-2023学年下学期高一化学人教版（2019）必修第二册

(共71张PPT)
第一节化学反应与能量变化
第六章化学反应与能量
第2课时　化学反应与电能
目录
CONTENT
一、化学能转化为电能
二、原电池
三、生活中的原电池
学习目标与核心素养
学习目标
核心素养
1
1
2
2
3
3
了解化学电源在实际生活中的应用
通过对比火力发电，认识化学能直接转变为电能的装置
分析原电池装置及工作原理
认识化学能与电能的转化关系
掌握构成原电池装置的条件
发展科学态度与社会责任等学科核心素养
情景导学
情景导学
你知道我们日常使用的电能，是如何得来的吗？
1.化学能间接转化为电能——火力发电
(1)过程
一、化学能转化为电能
(2)关键—— 燃烧 (氧化还原反应)。
一种形式的能量可以转化成另一种形式的能量,能量转化过程中要遵循能量守恒定律。
化学能是能量的一种形式,你知道化学能的转化形式有热能、光能、电能等。
电能
发电机
机械能
蒸汽轮机
化学能
热能
燃料燃烧
情景导课
化学能
热能
机械能
电能
燃料燃烧
蒸汽轮机
发电机
？
火电站工作原理示意图
1.火力发电存在什么问题？
2. 哪一类反应最有可能实现将化学能转变为电能的设想？
氧化还原反应
实验探究
实验操作 实验现象 原因解释
Zn片：______________ _____________ Cu片：_______ 反应的离子方程式：__________
______________
Cu片表面无明显变化的原因：
________________________________________________________
锌片溶解，表面
产生无色气泡
无变化
Zn＋2H＋
=Zn2＋＋H2↑
铜排在金属活动性顺序表氢的后面，不能从酸溶液中置换出氢气
化学能直接转化为电能
Zn片是否溶解：_____ Cu片上是否有气泡：_______ 电流表A指针_____ 电流表指针偏转说明：_________
Cu片上有气泡说明：__________
______________________________________________________
溶解
有气泡
偏转
导线中有电流
溶液中的氢离子在铜片表面获得电子发生还原反应产生氢气，从铜片上放出
思考与讨论：从微观角度剖析原电池的工作原理
Zn + 2H+ Zn2+ + H2↑
锌片 Zn → Zn2+ ，失去 2 个 e-
即：Zn - 2e- = Zn2+
铜片 H+ → H2 ，得到 2 个 e-
即：2H+ + 2e- = H2↑
使氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行
电池是谁发现的
二 化学能直接转化为电能——原电池
1 原电池定义:将化学能直接转变为电能的装置。
原电池的反应本质是 反应
自发的氧化还原
2 本质：氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行。
3 原电池的工作原理
（1） 电极
（2）电极反应
Zn - 2e- = Zn2+
2H+ + 2e- = H2↑
负极:
正极:
电池总反应: Zn+2H+=Zn2++H2↑
负极：失去电子，发生氧化反应；
正极：得到电子，发生还原反应。
总结：原电池正、负极的判断方法
电极材料
电极反应
电子流向
电极现象
离子移向
判
断
为
负
极
判
断
为
正
极
不活泼金属或非金属
活 泼 金 属
氧 化 反 应
还 原 反 应
失去电 子
得到电 子
不 断 溶 解
质 量 减 小
质 量 增 大
有气体放出
阴离子流向
阳离子流向
注意：原电池的正负极与电极材料、电解质溶液有关
(1) Mg-Al和稀盐酸构成原电池中，Mg作负极，Al作正极；而若把稀盐酸换为NaOH溶液，Al作负极，Mg作正极。
(2) Al-Cu和NaOH溶液构成的原电池中，Al作负极；而若把NaOH溶液换为浓HNO3，则Cu作负极。
归纳：原电池电极反应式的书写
列物质标得失
判断电极反应产物，找出得失电子总数
看环境配守恒
电极产物在电解质溶液中应稳定存在，依据电解质溶液的酸碱性，选对应离子使电极反应式电荷守恒，巧用水使原子守恒。
两式加验总式
两式相加，与总式对照
技巧：复杂的电极反应式＝总式 简单的电极反应式
书写电极反应式应注意以下几点：
1．电极反应是一种离子反应，遵循书写离子反应的规则（打沉淀符号）；
2．将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应；
3．负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与电解质溶液有关（如酸碱性，- 4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32－形式存在）。
4.构成原电池的两电极材料不一定都是金属,正极材料可以为导电的非金属,如石墨。两极材料可能参与反应,也可能不参与反应。
5.两个活泼性不同的金属电极用导线连接,共同插入电解质溶液中不一定构成原电池,必须有一个能自发进行的氧化还原反应。
6.在判断原电池正负极时,既要考虑金属活泼性的强弱,也要考虑电解质溶液性质。如Mg-Al-HCl溶液构成的原电池中,负极为Mg;但是Mg-Al-NaOH溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。
（3）闭合回路
闭
合
回
路
外电路：
内电路：
电子流向：
电流流向：
阴、阳离子流向：
电流流向：
负极 正极
正极 负极
阴离子流向负极
阳离子流向正极
负极 正极
（电解质溶液）
原电池工作原理口诀:原电池分两极，负氧化正还原；电子不下水，离子不上岸；电子由负流向正，（离子）阳流正阴流负。
学与问：根据所了解的电学知识，你知道电子是怎样流动的吗？如何判定装置的正负极？
实验探究形成原电池的条件
形成条件一：活泼性不同的两个电极材料
形成条件二：必须有电解质溶液
形成条件三：必须形成闭合回路
4 构成原电池的条件
（2）要有电解质溶液或熔融的电解质：
① 电解质溶液一般要能够与负极发生反应
② 电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如：O2）
（3）形成闭合回路：
① 导线相连；
② 电极直接接触
（4）氧化还原反应：
（两极一液一回路一反应）
（1）两个能导电的电极——正极和负极：
① 一般是活泼性不同的两种金属（或金属和非金属）
② 惰性电极：Pt、C
自发的氧化还原反应是条件
拓展：双液原电池
稀硫酸
稀硫酸
Cu
Zn
盐桥中通常装有含KCl饱和溶液的琼脂：K+和Cl-在盐桥中能移动
　　　
SO42－
Zn2+
e－
e－
SO42－
Cu2+
K+
盐桥工作示意图
Cu
Zn
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
Cl－
K+
K+
Cl－
K+
K+
K+
Cl－
Cl－
K+
Cl－
Cl－
Cl－
1.连通电路
2.使溶液呈电中性
3.使电流持续稳定
情景导学
电池在日常生活中的应用随处可见
你知道水果也能制成电池吗
情景导学
超级柠檬电池
三、原电池原理的应用
1．加快氧化还原反应的速率
(1)原理：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。
(2)实例：如实验室用Zn和稀H2SO4(或稀HCl)反应制H2，用粗Zn产生H2的速率快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4溶液形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H2的速率加快。如果用纯Zn，可以在稀H2SO4溶液中加入少量CuSO4溶液，也同样会加快产生H2的速率，原因是Cu2+＋Zn=Cu＋Zn2＋，Zn和生成的Cu在稀H2SO4的溶液中形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H2速率加快。
练习：100 mL 2 mol·L－1的盐酸与过量的锌反应，为加快速率，又不影响产生氢气的总量，可采用的方法是(　　)
A．加入适量的6 mol·L－1的盐酸 B．加入数滴氯化铜溶液
C．加入适量的蒸馏水 D．加入适量的氯化钠
2．判断金属的活动性强弱
(1)原理：一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼金属作正极，发生还原反应。
(2)实例：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a>b，即原电池中，活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。
练习：把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡，b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为：( )
A．a > b > c > d B．a > c > d > b
C．c > a > b .> d D．b > d > c > a
3、保护金属设备
(1)原理：使被保护的金属作原电池的正极而得到保护。
(2)实例：船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，所以经常在船体外壳焊接比铁活泼的锌。
4、设计原电池
已知一个氧化还原反应，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。
以Fe+CuSO4=FeSO4+Cu为例设计一个原电池
步骤 实例
将反应拆分 为电极反应 负极反应 Fe-2e-=Fe2+
正极反应 Cu2++2e-=Cu
选择电极材料 负极:较活泼金属,一般为发生氧化反应的金属 Fe
正极:活泼性弱于负极材料的金属或石墨 Cu或C
选择电解质 一般为与负极反应的电解质 CuSO4溶液
步骤 实例
画出装置图
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。同时画出原电池装置图时，必须符合原电池组成的构成要素。
【误区警示】设计原电池装置的两个易错点
(1)能设计成原电池的反应一般是自发的放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。
(2)设计原电池时,负极材料确定之后,正极材料的选择范围较广,只要合理都可以。
原电池的设计方法规律
(1)找：找一个能够自发进行的氧化还原反应，只有自发进行的氧化还原反应才能被设计成原电池。
(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，还原剂－ne－=氧化产物(负极电极反应)；氧化剂＋ne－=还原产物(正极电极反应)。
(3)定：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活泼性差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。
练习应用
1.如图是一个原电池装置。电流表的指针发生偏转,同时A极的质量减小,B极上有气泡产生，C为电解质溶液。结合电化学的有关知识，回答下列问题：
(1)如何判断该电池的正、负极？
(2)A、B、C可以分别为Zn、Cu和稀盐酸吗？
(3)C中阳离子向哪一极移动？
(4)若A、B、C分别为Fe、Cu和浓硝酸,能否构成原电池？若能,正、负极分别是什么？
2．已知反应Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋，请将该反应设计成原电池，画出原电池装置图并标出正、负极。
知识讲授
一节电池烂在地里，能使一平方米的土地失去利用价值，并造成永久性公害！
一粒纽扣电池可污染60万升水，相当于一个人一生的饮水量 ！
垃圾分类，电池回收，环境保护，从你我做起！
生
活
中
的
化
学
电
源
干电池
碱性电池
蓄电池
锂离子电池
燃料电池
四、化学电池的分类
一次电池（干电池）：
电池消耗到一定程度，就不能使用；
二次电池（充电电池或蓄电池）：
放电后可以再充电重新使用；
燃料电池：
一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
1. 干电池(一次性电池)
(1)锌锰干电池
电极:Zn为负极,碳棒为正极
电解液：NH4Cl、ZnCl2和淀粉糊、MnO2粉末
电极方程式：
负极(Zn): Zn－2e-＝Zn2＋
正极(C)：2MnO2 + 2NH4+ + 2e-= Mn2O3+2NH3+H2O
特点：放电后不能充电,便于携带,价格低
(2)碱性锌锰干电池
随着用电器朝着小型化、多功能化发展的要求，对电池的发展也提出了小型化、多功能化发展的要求。
体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运而生。这类电池的重要特征是电解质溶液由原来的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电流大幅度提高。
电解液: 酸性NH4Cl→碱性KOH（离子导电性更好）
负极：锌片→锌粉（反应面积成倍增长，使放电电流大幅度提高）
优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电.
碱性电池是个人音响、照相机等地首选电源。
（3）纽扣电池
负极：Zn+ 2OH- -2e- =ZnO+H2O
正极：Ag2O+ H2O +2e- =2Ag+ 2OH-
总反应：Ag2O+ Zn =ZnO+ 2Ag
电极反应：
用途：电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的。
2.二次电池也叫充电电池
充电电池：氧化还原反应在充电时可以逆向进行。
充电电池又称二次电池。可充电电池是两极都参加反应的电池。这是一种发展较快的原电池，如铅蓄电池、银锌电池、（纽扣电池）、锂电池、爱迪生蓄电池等，它们的负极是较活泼的金属，正极一般是金属氧化物。放电时，负极被氧化。正极材料的氧化物被还原，充电时的电极反应与放电时相反。电动车、手机的电池都可以反复充电使用,都属于二次电池。。
01
二次电池
1958年10月5日，瑞典的一家医院中，医生为心脏病病人植入了世界上首例埋藏式心脏起搏器，该病人幸运地依赖起搏器使他的生命延续了42年，终年83岁，一生共消耗25台心脏起搏器。
心脏起搏器的电源应该具备什么特点？
体积小、质量轻、比能量高
Li作电极材料时
性质：还原性强，易与水、氧气反应
注意事项：使用非水体系电解液，密封保存隔绝空气
锂是密度最小的金属，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。
化学能
放电
充电
电能
充电电池的能量转化
（1）铅蓄电池
（最早使用的充电电池）。
特点：铅蓄电池的电压稳定，使用方便安全可靠，可再次充电使用。
用途：目前汽车上使用的电瓶大多仍是铅蓄电池，它还广泛用于国防、生产、生活等领域。
负极：
正极：
放电总反应式：
Pb+SO42- —2e- =PbSO4
PbO2+ 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
当硫酸的浓度降低，溶液的密度达1.18g/cm3时应停止使用，需充电，充电时起电解池的作用，电极反应为：
阳极：
阴极：
充电总反应式：
PbSO4 + 2H2O - 2e-= PbO2 + 4H+ + SO42-
PbSO4 + 2e- = Pb + SO42-
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
铅蓄电池放电和充电总反应式：
（2）镍镉电池
镍
镉
电
池
特点：体积小，便于携带。可重复使用500
次以上。寿命比铅蓄电池长。
用途：广泛用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、
电动剃须刀等。
电极反应:（KOH为电解液）
2NiO(OH) + 2H2O + Cd 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2
放电
充电
锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。
以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，这种电池以片状金属及为负极，电解活性MnO2作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液 ：
负极：Li － e ＝ Li+
正极：MnO2 ＋ e ＋ Li+ ＝ LiMnO2
总反应： Li＋ MnO2＝ LiMnO2
3.发展中的燃料电池
它的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极，活性炭电极等。
(例如：H2和O2的燃料电池，CH4和O2的燃料电池)
燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池
⑴ 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铂电极，活性炭电极，电解质溶液一般为40%的KOH溶液。
负极：
正极：
放电总反应式：
2H2 + 4OH- - 4e- = 4H2O
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
2H2 + O2 = 2H2O
若电解质溶液为40%的KOH溶液：
若电解质溶液为稀H2SO4：
负极：
正极：
放电总反应式：
2H2 - 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
2H2 + O2 = 2H2O
负极：
正极：
放电总反应式：
2H2 + O2 = 2H2O
若电解质为熔融碳酸盐：
若电解质为熔融金属氧化物：
负极：
正极：
放电总反应式：
2H2 - 4e- + 2O2- = 2H2O
O2 + 4e- = 2O2-
2H2 + O2 = 2H2O
2H2 - 4e- + 2CO32- = 2H2O + 2CO2
O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32-
高温下能传导O2-
高温下能传导CO32-
工作过程中，电解质熔融盐的组成、浓度不变。
氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结
⑵ 甲烷氧气燃料电池
电解质 电极反应 总反应
H2SO4溶液
KOH 溶液
负极：CH4+2H2O－8e－=CO2+8H+
正极：2O2+4H2O+8e－=8OH－
正极：2O2+8H++8e－=4H2O
负极：CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2O2+2OH－
=CO32－+3H2O
电解质 电极反应 总反应
H2SO4 溶液
KOH 溶液
负极：C2H5OH+3H2O－12e－=2CO2↑+12H+
正极：3O2+6H2O+12e－=12OH－
正极：3O2+12H++12e－=6H2O
负极：C2H5OH +16OH－－12e－=2CO32－+11H2O
C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O
C2H5OH +3O2+4OH－=
2CO32－+5H2O
(3) 乙醇燃料电池
燃料电池解题规律：
通燃料（还原性气体）的一极为负极，通O2（或空气氧化性气体）的一极为正极。负极燃料失电子，正极O2得电子。
① 正、负极判定（电极一般不参与反应）
② 电极反应的书写：根据总反应判断谁得失电子，得失电子后变成谁（以酸性氢氧燃料电池为例）
负极：
2H2 - 4e- = 4H+（看环境，酸性或中性环境H+不再反应，碱性环境H+继续和OH-反应生成水，两步叠加得到负极总反应）
正极：
O2 + 4e- = 2O2-（溶液中不存在O2-,O2-必定和H+反应，酸性环境下有H+直接反应，中性或碱性环境无H+会和H2O里隐含的H+反应，同时释放OH-，两步叠加得到正极电极总反应）
③ 电极反应的书写：根据总反应判断谁得失电子，得失电子后变成谁（以甲烷燃料电池酸性介质为例）
负极：CH4+2H2O－8e－=CO2+8H+
正极：2O2+8H++8e－=4H2O
CH4+2O2 = CO2+2H2O
第一步：先正确书写总反应
第二步：正确书写正极电极反应
第二步：确保总反应和正极电极反应得失电子相等后，
负极反应=总反应-正极反应
（4）Al—空气—海水电池
负极：
正极：
放电总反应式：
4Al - 12e- = 4Al3+
3O2 + 6H2O + 12e- = 12OH-
4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3
课堂总结
1.随着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. 回收其中石墨电极
当堂训练
2.如图所示，下列对于该原电池的叙述正确的是
A.铜是负极，铜片上有气泡产生
B.铜片质量逐渐减小
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
3.X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X和Y组成原电池时,Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为(　　)。
A.X>Y>Z B.X>Z>Y
C.Y>X>Z D.Y>Z>X
4.某同学依据反应Zn+2H+ === Zn2++H2↑,利用下列各组材料设计原电池,你认为能组成相应原电池的是(　　)
选项 A B C D
两极材料 Zn片,石墨 Cu片,Ag片 Zn片,Cu片 Fe片,Cu片
插入溶液 H2SO4溶液 AgNO3溶液 蔗糖溶液 稀盐酸
谢谢