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第三单元 化学能与电能的转化
专题6　化学反应与能量变化
课程标准 核心素养目标
1.知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。
2．能举出化学能转化为电能的实例，能辨识简单原电池的构成要素，并能分析简单原电池的工作原理。 1.(变化观念与平衡思想)通过实验探究认识化学能可以转化为电能，从电子转移的角度理解化学能向电能转化的本质，知道原电池中正、负极得失电子守恒。
2．(证据推理与模型认知)掌握原电池的构成条件，理解原电池的定义、工作原理及其在生产、生活中的应用。
一、化学能转化为电能
1．实验探究电流的产生
实验装置 实验现象 实验结论
锌片：
铜片： 锌与稀硫酸
，铜与稀硫酸
逐渐溶解，有气泡产生
没有变化
反应生
成氢气
不反应
实验装置 实验现象 实验结论
锌片：
铜片： 锌与稀硫酸 ，铜与稀硫酸
锌片：
铜片： 锌 电子，生成 进入溶液，氢离子在铜片上 电子生成
逐渐溶解，有气泡产生
没有变化
逐渐溶解
表面有气泡产生
反应生成氢气
不反应
失去
Zn2+
得到
H2
实验装置 实验现象 实验结论
锌片：
铜片：
电流计： 锌 电子，生成 ，电子经过导线流向 ，产生电流， 在铜片上
电子生成 ，反应过程中产生了电能
逐渐溶解
表面有气泡产生
指针发生偏转
失去
Zn2+
铜电极
H＋
得到
H2
[微点拨]锌、铜不连接插入稀硫酸中，锌与硫酸反应，化学能转化为热能。锌、铜连接后插入稀硫酸中，化学能转化为电能。
2．原电池的概念
原电池是将 能转化为 能的装置；原电池反应的本质是
反应。
3．原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
(1)工作原理
化学
电
氧化
还原
原电池总反应式： 。
(2)能量转化： 能转变为 能。
(3)电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。
(4)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
4．原电池的构成条件
Zn＋2H＋===Zn2+＋H2↑
化学
电
5．原电池原理的应用
(1)加快氧化还原反应的进行
①实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制取H2，常用粗锌。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸(或稀盐酸)形成 ，加快了锌的溶解，使产生H2的速率加快。
②生活中常用的取暖产品——暖贴
暖贴内的铁粉、活性炭、食盐一旦与空气中的氧气和水蒸气接触就会形成 ，加快了铁被氧气氧化的速率，短时间内产生较多的热，供人们取暖。
原电池
原电池
(2)比较金属的活动性
一般，若两种金属A、B与电解质溶液构成原电池，若金属A作负极，则金属活动性： 。在特定的条件下，比如Mg、Al两金属与NaOH溶液形成原电池时，Al为负极，但金属活动性：Mg>Al。
A＞B
电极反应式 材料选择 装置
负极：
正极：
负极：
正极：Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或能导电的石墨棒均可)
电解质溶液： 溶液
(3)设计原电池
例如：利用氧化还原反应Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu可设计原电池。
Fe－2e－===Fe2+
Cu2+＋2e－===
Cu
Fe
CuSO4
(4)解释生活中的现象——钢铁的电化学腐蚀
钢铁在潮湿的空气中容易生锈，分析如下：
形成条件 钢铁表面形成的电解质溶液中溶有 ，通常溶液呈中性或弱碱性
电极材料 负极是 ，正极是
电极反应 负极：
正极：
总反应式
少量H＋、OH－和O2
Fe
C
2Fe－4e－===2Fe2+
2H2O＋O2＋4e－===4OH－
2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2
进一步的
反应 4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，
2Fe(OH)3===Fe2O3·nH2O＋(3－n)H2O，Fe2O3·nH2O是铁锈的主要成分
电化学腐
蚀概念 不纯金属与电解质溶液接触，发生 反应，比较活泼的金属 被氧化，这种腐蚀叫作
原电池
失去电子
电化学腐蚀
微诊断（判断正误）
(1)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流计指针发生偏转 (　　　　)
(2)原电池中阳离子向正极移动(　　　　)
(3)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子(　　　　)
×
√
×
二、化学电源
1．化学电源的分类
一次电池 用过之后 复原，如锌锰干电池等
二次电池 充电后能 ，如铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等
燃料电池 燃料不贮存在电池内部，可持续使用，能量利用率高，如氢氧燃料电池、甲醇 空气燃料电池
不能
继续使用
2.常见的化学电池
(1)锌锰干电池
负极材料： ；电极反应： ；正极材料： ；
电池反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)。
(2)银锌纽扣电池
负极材料： ；电极反应： ；
正极材料： ；电极反应： ；
电池反应：Zn＋Ag2O＋H2O Zn(OH)2＋2Ag。
Zn
Zn－2e－===Zn2+
石墨棒
Zn
Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
Ag2O
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
Pb
PbO2
H2SO4
(4)镍氢电池
负极材料： ；
正极材料： ；
电解质溶液： ；
电池反应：
NiO(OH)＋MH NiO＋M＋H2O。
MH
NiO(OH)
KOH溶液
(5)氢氧燃料电池
负极材料： ；电极反应： ；
正极材料： ；电极反应： ；
铂碳、H2
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
铂碳、O2
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
钯碳、甲醇
铂-烧结镍、空气
O2＋2H2O＋4e－===
4OH－
三、电解池
1．概念：将 能转化为 能的装置。
2．电解在物质制备中的应用
(1)电解水制得氢气和氧气
电
化学
(3)电解制备金属
①电解熔融的氧化铝制备铝
阴极：Al3+＋3e－===Al
阳极：2O2-－4e－===O2↑
②电解制备其他金属
电解熔融的氯化钠、氯化镁、氯化钙，分别得到 、 、 的单质和 。
[微点拨]电解是在通电的条件下强制化学反应进行，此类反应属于氧化还原反应，但不属于自发进行的氧化还原反应。
钠
镁
钙
氯气
探究一　原电池原理及其应用
[问题探究]
(1)锌与稀硫酸反应在上述装置中能量的转化效率哪个高？
提示：装置乙。
(2)化学反应中能量一定转化为热能吗？
提示：不一定。
(3)装置乙中的铜能换为石墨吗？
提示：可以，石墨能导电，活动性比负极锌弱。
(4)装置乙中的铜可换成锌吗？
提示：不可以，没有电势差，不会有电子的定向移动。
(5)装置乙中锌和铜电势较高的电极是？
提示：铜。
(6)稀硫酸能换为蔗糖水溶液吗？
提示：不能，蔗糖不是电解质，其水溶液中不能电离出自由移动的阴、阳离子，故不导电。
1．构成原电池的必要条件
(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生，一般是活动性强的金属与电解质溶液反应。
(2)二看两电极：一般是活动性不同的两电极。
(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：电解质溶液、两电极直接或间接接触、两电极插入电解质溶液中。
2．原电池正、负极的判断
解答“设计原电池”类试题流程
B
[例1] 某实验兴趣小组用如图所示装置做完实验后，在读书卡片上记下了如下6条记录，其中合理的是 (　　)
A.①②③ B．③④⑤
C.④⑤⑥ D．②③④
实验后的记录：
①Zn为正极，Cu为负极
②H＋向负极移动
③电子流动方向为Zn→导线→Cu
④Cu极有H2产生
⑤若有1 mol电子通过导线，则产生0.5 mol H2
⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2+
在铜锌原电池中，锌为负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2+，Cu为正极，得到电子，发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，所以H＋向正极移动，电子由锌流出，经过导线流向铜，每流过1 mol电子，生成0.5 mol H2，正确答案为③④⑤。
1．某化学兴趣小组的同学为了探究铬和铁的活动性，设计如图所示装置，回答下列问题。
(1)若铬比铁活泼，则电子流向如何？写出铁电极的电极反应。
(2)若铁比铬活泼，溶液中H＋向哪个电极迁移？
(3)若铁电极附近溶液pH增大，铁、铬哪个是负极？
答案：(1)若铬比铁活泼，则铬为负极，铁为正极，电子在外电路由铬电极流向铁电极；铁为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑
(2)若铁比铬活泼，则铬为正极，阳离子(H＋)向铬电极迁移
(3)若铁电极附近溶液pH增大，说明消耗H＋，则铁电极发生还原反应，铁是正极，铬是负极
探究二　化学电源
[问题探究]
(1)新能源汽车有哪些？
提示：①混合动力汽车：内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故在消耗等量燃油的情况下，其行程和普通汽车不一样。
②纯电动汽车：以蓄电池提供电能作为动力。
③燃料电池汽车：以燃料电池提供电能作为动力。
④氢动力汽车。
⑤超级电容汽车。
(2)氢气燃料电池汽车的电池反应原理是什么？
提示：2H2＋O2 ===2H2O。
(3)氢氧燃料电池装置如下：
酸性电解质环境下正、负极反应是什么？
提示：正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O、负极反应为H2－2e－===2H＋。
2．熟记“2”种环境正极反应的书写
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
A
[例2] “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.镁片为正极
B.食盐水为电解质溶液
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
从电池反应看，Mg由0价升高到＋2价，则镁片失电子，作负极，A错误；食盐水中含有Na＋和Cl－，具有导电性，可作为电解质溶液，B正确；电池工作时，镁片不断失电子生成Mg2+进入溶液，所以镁片逐渐被消耗，C正确；电池工作时，发生化学反应产生电流，从而实现化学能向电能的转化，D正确。
2．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源，该电池以金属锂和钢板为电极材料。以LiOH为电解质溶液，使用时加入水即可放电。
该电池的负极材料是什么？OH－的移动方向？如何书写反应的总化学方程式？
答案：该电池的负极是锂，氧化剂水在正极上得到电子生成氢气，电解质是LiOH溶液，OH－向负极移动，总化学方程式为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
D
2．化学电源在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示)，锌锰干电池的负极材料是________，负极发生的电极反应为_______________________
_________________________________________________。
若反应消耗16.25 g负极材料，则电池中转移电子的物质的量为________mol。
(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池的电池总反应式可以表示为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法正确的是________。
A.NiO(OH)作负极
B.Cd作负极
C.此电池是一次电池
D.放电时化学能转变为电能
(3)如图为氢氧燃料电池的构造示意图，根据电子运动方向可知，X极为电池的________(填“正”或“负”)极，Y极的电极反应为______________________________。
答案：(1)锌　Zn－2e－===Zn2+　0.5
(2)BD　(3)负　O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电解质溶液是KOH溶液，O2得到电子生成OH－，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

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