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第六章
化学反应与能量
第一节 化学反应与能量变化
课时2 化学反应与电能
学习目标
1. 借助原电池装置和原理的学习，体会化学能到电能的直接转化，提高模型认知能力，学习科学探究方法。
2. 能够辨识简单原电池的构成要素，能正确判断原电池的正、负极，能够用电极反应式对简单原电池的宏观实验现象进行符号表征。
3. 了解各类电池在生产、生活实际中的应用，能够举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。
电是从哪来的？
我们的生活很难离开电
火力发电
核电站
水力发电
风力发电
我们日常使用的电能主要来自火力发电。
2015年我国发电总量构成图
火力发电
我们日常使用的电能主要来自火力发电。火力发电是通过化石燃料燃烧时发生的氧化还原反应，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。火力发电过程中，化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能。其中，燃烧（氧化还原反应）是关键。
化学能
燃料燃烧
热能
蒸汽轮机
机械能
发电机
电能
直接？
火力发电：化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能。
1、煤炭是不可再生资源，会造成能源危机
2、煤炭燃烧会产生污染性气体
3、转换环节多，能量损耗大，能量的利用率低
弊端
煤炭
火力发电的化学深层本质分析
燃烧
氧化还原反应
氧化剂与还原剂之间发生电子的转移
火力发电
将化学能经一系列能量转化为电能
旧键断裂和新键形成、体系能量变化
过程
关键
本质
本质
引起
思考：如何将化学能直接转化为电能？
演示实验6-3
原电池实验
（1）将锌片、铜片插入盛稀硫酸的烧杯中，观察现象；
（2）用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象；
（3）用导线在锌片和铜片间串联一个电流表G，观察电流表指针是否偏转。
H2SO4
稀硫酸
Cu
Zn
A
演示实验6-3
实验探究
[实验6-3]
(1)将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象。
(2)用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象。
(3) 如图6-6所示，用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察
电流表的指针是否偏转。
锌片溶解有气泡，铜片无现象
锌片溶解，铜片有气泡
锌片溶解，铜片有气泡，指针偏转
Zn+H2SO4=ZnSO4+H2
Cu
Zn
稀H2SO4
Cu
Zn
稀H2SO4
Cu
Zn
稀H2SO4
演示实验6-3
序号
实验步骤
实验装置
现象
结论或解释
Ⅰ
将锌片、铜片插入 盛稀硫酸的烧杯中，观察现象。
锌片表面有气泡，铜片表面没有气泡
Zn+2H+ = Zn2++H2↑，铜与稀硫酸不反应
Ⅱ
用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象
锌片、铜片表面都有气泡。
锌失去电子，经导线流向铜片，H+在铜片上得到电子还原成H2。
Ⅲ
用导线在锌片和铜片间串联一个电流表G ，观察电流表指针是否偏转。
铜片（锌片）上有气泡，电流计指针偏转
?
Zn 比Cu活泼，用导线连在一起时，Zn片失去的电子变成Zn2+进入溶液。
锌片：Zn－2e－ = Zn2+（氧化反应）
电子经导线流向Cu片， 溶液中的H＋由于电场作用下移向Cu片得电子被还原成H2。
铜片：2H+＋2e－ = H2 ↑（还原反应）
在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中粒子运动相互间的干扰减小，使反应速率增大
思考：实验Ⅲ中电流表的指针为什么会发生偏转？
思考：你能写出两极发生的电极反应吗？
负极：Zn － 2e- = Zn2+（氧化反应）
正极：2H+ + 2e- = H2 ↑（还原反应）
电池总反应：Zn + 2H+ =Zn2+ + H2↑
实验Ⅰ和实验Ⅲ中能量转化形式有什么不同的？
化学能 热能
化学能 电能
Zn逐渐溶解
Zn表面产生气泡
溶液变热
Zn逐渐溶解
Cu表面产生气泡
指针偏转
原电池
工作原理
（反应方程式）
负极（ ）
?
正极（ ）
?
总反应离子方程式： 。
电子移动方向
由 极经导线流向 极（电流方向相反）。
离子移动方向
阳离子向 极移动，阴离子向 极移动。
Zn - 2e- === Zn2+
2H+ + 2e- === H2↑
Zn + 2H+ === Zn2+ + H2↑
负 正
正 负
失去电子，发生氧化反应
得到电子，发生还原反应
Cu
Zn
-
-
-
Zn2+
H+
H+
Zn－2e－===Zn2+
2H++2e－===H2↑
氧化反应
还原反应
负极
正极
阳离子
阴离子
SO42?
?
发生溶解
产生气泡
原电池总反应：Zn+2H+===Zn2++H2↑
电子流向：负极 沿导线 正极
电流方向：正极 沿导线 负极
外电路
内电路
阴离子 负极
阳离子 正极
外电路
内电路
e－
I
设计化学电源
还原剂 ＋ 氧化剂＝氧化产物＋还原产物
氧化还原反应
还原反应
形成
闭合回路
（失电子）
（得电子）
原电池
负极反应物
负极材料
正极反应物
正极材料
？
设计化学电源
原理：理论上任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池
设计思路
(1)定反应：确定一个能够自发进行的氧化还原反应。
(2)拆两半：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)找材料：电极材料必须导电，负极材料一般选择较活泼的金属材料，
或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料；
电解质溶液一般能与负极反应。
(4)画装置：连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。
设计化学电源
设计原电池，以Fe+CuSO4==FeSO4+Cu进行设计，画出原电池示意图，标出正负极和电子移动方向，并写出该电池的正负极电极反应式。
1. 下列叙述正确的是（ ）
①原电池是把化学能转化成电能的一种装置
②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应
③能自发进行的氧化还原反应可设计成原电池
④碳棒不能用来作原电池的正极
⑤反应Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag可以自发进行
A.①③⑤ B.①④⑤ C.②③④ D.②⑤
A
2. 如图为某兴趣小组制作的番茄电池，下列说法正确的是（ ）
A.电子由铜通过导线流向锌
B.该装置是将电能转化为化学能的装置
C.锌电极发生氧化反应
D.电流由锌通过导线流向铜
C
H2SO4 (aq)
CuSO4 (aq)
Zn
Cu
负极( ): .
正极( ): .
总反应式: .
负极( ): .
正极( ): .
总反应式: .
3. 请在图上标出电子的流动方向和电流方向，并判断正负极，写出电极反应式和总反应式。
Ag
Fe
I
e-
e-
I
Fe
Ag
Fe－2e - = Fe2+
2H++2e - = H2↑
Fe+2H+ = Fe2+ +H2↑
Zn
Cu
Zn－2e - = Zn2+
Cu2+ +2e - = Cu
Zn+Cu2+ = Zn2 ++ Cu
原电池形成条件
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验装置
能否构成原电池
结论
能
不能
1、自发进行的氧化还原反应
2、反应实质：一般原电池的负极和电解质溶液发生氧化反应
Cu
①自发的氧化还原反应
原电池形成条件
②电极材料
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验装置
能否构成原电池
结论
能
能
不能
1、一般有两种活泼性不同的金属电极（或一种是非金属导体，如石墨）
2、一般较活泼的金属作负极；较不活泼的金属、石墨等作正极
例外： Al / NaOH / Mg 原电池 ： 是Al作负极
Cu / HNO3 （浓） / Fe 原电池 ： 是Cu作负极
原电池形成条件
③电解质溶液
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验装置
能否构成原电池
结论
能
能
不能
1、电极材料均浸入的是电解质溶液,或熔融的电解质
原电池形成条件
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}实验装置
能否构成原电池
结论
④闭合回路
能
不能
整个装置应构成闭合电路，导线连接，或直接接触
能
形成原电池的条件
理论上，自发的 反应均可构成原电池。
具体条件是：
①具有 的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)；
②溶液：两电极均插入 溶液中；
③导线：两极用导线相连，形成闭合回路。
活动性不同
电解质
氧化还原
1. 下列各装置露置在空气中，能在外电路获得电流的是(　　)
B
解析　A、D项，两极的材料相同，不能形成原电池；C项，酒精是非电解质，不能形成原电池。
【素养提升】一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu， 该反应的的原电池正确组合是（ ）
C
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Fe
负极
Cu
Zn
Zn
Zn
电解质溶液
CuCl2
H2SO4
CuSO4
HCl
原电池正负极的判断方法
电极材料
反应类型
电子流向
电极现象
离子移向
负极
正极
较活泼金属
较不活泼金属或
能导电的非金属
氧化反应
还原反应
电子流出
电子流入
e-
不断溶解
质量减小
电极增重或
有气体产生
阴离子移向
阳离子移向
稀硫酸
3. 如图所示，电流计指针发生偏转，同时A极质量减少，B极上有气泡产生，C为电解质溶液，下列说法错误的是(　　)
C
A.B极为原电池的正极
B.A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应
解析　原电池中，负极金属失去电子溶解，质量减小，故A极是负极，B极是正极，根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸，A、B两项正确；离子移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D项正确。
原电池原理的应用
（1）加快氧化还原反应的速率
例：纯锌、粗锌(含杂质铜)与HCl反应哪个快？
√
1.下列现象中，不是由于原电池反应造成的是（ ）
A．含杂质的锌与盐酸反应比纯锌与盐酸反应速率快
B．金属在潮湿的空气中易腐蚀
C．纯铁和盐酸反应，如滴入几滴硫酸铜溶液，则可加快反应速率
D．纯银器表面变黑
D
原电池原理的应用
D
（2）比较金属活动性的强弱

例:有两金属a、b，用导线相连后移入稀H2SO4 中，能溶解的金属活动性较_ __，表面出现较多气泡的金属活动性较_ __。
强
弱
2、
原电池原理的应用
课本37页
原电池原理的应用
电解质溶液
序号
电极（大小相同）
电极间距
水果种类
电流表示数(μA)
①
Cu—Al
2.0 cm
西红柿
78.5
②
Cu—Fe
2.0 cm
西红柿
70.3
③
Al—Al
2.0 cm
西红柿
0
④
Cu—Al
2.0 cm
柠檬
45.7
⑤
Cu—Al
1.0 cm
柠檬
98.4
⑥
石墨棒—Al
1.0 cm
柠檬
104.5
原电池原理的应用
序号
电极（大小相同）
电极间距
水果种类
电流表示数(μA)
①
Cu—Al
2.0 cm
西红柿
78.5
②
Cu—Fe
2.0 cm
西红柿
70.3
③
Al—Al
2.0 cm
西红柿
0
④
Cu—Al
2.0 cm
柠檬
45.7
⑤
Cu—Al
1.0 cm
柠檬
98.4
⑥
石墨棒—Al
1.0 cm
柠檬
104.5
对比实验①②③或⑤⑥，得出结论:
在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电池效果越好。
电极材料的选择对电池效果的影响？
原电池原理的应用
自发进行的氧化还原反应
电极材料（金属、石墨棒）
形成闭合回路（导线、电解质溶液等）
2. 原电池的构成要素
常见的化学电源
1.一次电池：放电之后不能充电的电池。
（内部氧化还原反应无法逆向进行）
负极（锌筒）：Zn – 2e- = Zn2+ 氧化反应
正极（石墨棒）：MnO2 得电子 还原反应
锌逐渐消耗，二氧化锰不断被还原，电池电压逐渐降低，最后失效。
课本38页
常见的化学电源
负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4
正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O
正极：PbO2
负极：Pb
电解质：H2SO4溶液
氧化反应
还原反应
正负极材料
Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O
放电
充电
有些电池放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态，从而实现放电（化学能转化为电能）与充电（电能转化为化学能）的循环。这种充电电池属于二次电池。常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前汽车上使用的大多是铅酸蓄电池。
常见的化学电源
发展中的燃料电池
燃料电池是一种将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有清洁、安全、高效等特点。燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。当以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低。燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用。
燃料电池的供电量易于调节，能适应用电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领城有广阔的应用前景。
化学与职业
电池研发人员
电池研发与生产、生活和军事等领域的发展密切相关。电池研发人员的工作包括电池构成材料的研制、电池性能的改进和应用的拓展等。以燃料电池为例，研发中需要研究电极、电解质等电池基本构成材料的性质和材料之间的相容性；研究不同类型的电池构成材料在不同用途时对温度、湿度等环境因素的适应性；还要研究使用什么样的电池材料使电池的容量更大；等等。这些研究工作关系着电池的效率、寿命、安全性、适用性和制造成本。在许多科研机构和生产企业中，都有具备着扎实的化学基础的研究人员从事电池研发工作。
1. 请判断以下能否形成原电池，如果能形成，负极是哪一极？
稀硫酸
Al
Mg
A
氢氧化钠
Al
Mg
A
稀硝酸
Fe
Cu
A
浓硝酸
Fe
Cu
A
稀硫酸
硫酸铜
Zn
2. 下列关于原电池的叙述中，不正确的是(　　)
C
A.原电池的负极发生的反应是氧化反应
B.原电池的正极上发生的反应为还原反应
C.原电池电解质溶液中阳离子移向负极，阴离子移向正极
D.原电池中电子流入的极一定是正极
解析　原电池的负极失去电子被氧化，发生氧化反应，A正确；原电池正极得电子，发生还原反应，B正确；在原电池电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C错误；原电池放电时，电子转移的方向是从负极沿导线流向正极，所以正极为电子流入的电极，D正确。
稀硫酸
3.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该反应的原电池组成合理的是
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2溶液
B
Zn
Cu
ZnCl2溶液
C
Cu
Zn
H2SO4溶液
D
Cu
Zn
CuSO4溶液
√
4.如图所示，a的金属活动性在氢之前，b为碳棒。关于该装置的说法正确的是
A.a极上发生还原反应，b极上发生氧化反应
B.碳棒上有气体逸出，溶液中c(H＋)增大
C.导线上有电流，电流方向a→b
D.反应后a极质量减小
√
a极作负极，失电子发生氧化反应，
b为正极，发生还原反应
H＋在b极上得电子生成氢气，c(H＋)减小
b→a
原电池
电极
正极
负极
电子流出(失电子)的一极
电极材料：
较活泼金属
电极材料：
电子流入(得电子)的一极
较不活泼金属或碳棒
电极
反应
负极:
正极:
电解质溶液中的阳离子得电子，发生还原反应
电极本身失电子，发生氧化反应
电池反应：
两电极反应式相加
电子流动方向：
负极 导线 正极
溶液中离子移动方向：
阳离子移向正极,阴离子移向负极
定义:把化学能转变为电能的装置
原电池形成条件
自发的氧化还原反应,电极材料,电解质溶液,闭合回路
原电池的应用
设计原电池
判断金属活泼性
加快反应速率
防止金属被腐蚀
随堂训练
C
C
随堂训练
还原反应
由Fe片流出经导线和LED灯流向Cu片
Fe
Fe－2e－===Fe2＋
Zn
Zn－2e－===Zn2＋
随堂训练
B
D
随堂训练
A
随堂训练
D
随堂训练
B
随堂训练
A
不可以，该反应不是氧化还原反应，无电子转移
Zn
H2SO4(或H＋)
Cu
稀硫酸
锌电极失去电子，电子通过导线流向铜电极上，溶液中的氢离子在铜电极得到电子。同时，电解质溶液中的离子定向移动，构成闭合回路，形成电流

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