高中化学必修1电化学基础（1）教学设计

高中化学必修 1 电化学基础（1）教学设计 授课人：董 xx ①理解原电池原理。初步了解化学电源。 教学目标： ②理解电解原理。了解铜的电解精炼、镀铜、氯碱工业反应原理。 ③原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写。 教学重点： 原电池原理、理解电解原理、电极方程式书写 教学难点： 原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写 教学方法： 分析比较法 教学过程： 第一课时 基础知识精析 一、原电池 1．原电池 (1)定义：把化学能转变为电能的装置叫做原电池。 (2)原理：将氧化还原反应中的还原剂失去的电子经过导线传给氧化剂，使 氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行，从而形成电流。 （3）构成原电池的一般条件： ①活泼性不同的两个电极； ②合适的电解质溶液（与负极发生氧化还原反应）； ③形成闭合回路。 说明：用于原电池的反应必须是能自发进行的放出热量的氧化还原反应。 （4）电极反应：以铜－锌原电池为例 负极(Zn)：Zn－2e－=Zn2+(氧化反应) 正极(Cu)：Cu2＋+2e－= Cu (还原反应) 总反应： Zn+ Cu2＋=Zn2++ Cu 负极(Zn)：Zn－2e－=Zn2+(氧化反应) 正极(Cu)：2H＋+2e－=H2 ↑(还原反应) 总反应：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑或 Zn+2H+=Zn2++H2↑ （5）原电池原理的应用①用于金属的防护 ②设计制作化学电源 ③比较金属活动性强弱 ④加快氧化还原反应的速率 例如，在 Zn 与稀 H2SO4 反应时加入少量 CuSO4 溶液能使产生 H2 的反应速率 加快。 2、电极判断： 负极：电子流出的极为负极，发生氧化反应，一般较活泼的金属做负极； 正极：电子流入的极为正极，发生还原反应，一般较不活泼金属做正极。 判断方法： ①由组成原电池的两极电极材料判断:一般是活泼的金属为负极，活泼性较 弱的金属或能导电的非金属为正极。 注意：Cu-Fe(Al)与浓 HNO3 组成的原电池以及 Mg-Al 与 NaOH 溶液组成的 原电池例外。 ②根据电流方向或电子流动方向判断:电流是由正极流向负极；电子流动方向是 由负极流向正极。 ③根据原电池两极发生的变化来判断：原电池的负极总是失电子发生氧化反 应，其正极总是得电子发生还原反应。 ④根据现象判断：溶解的电极为负极，增重或有气泡放出的电极为正极。 ⑤根据离子的流动方向判断：在原电池内的电解质溶液，阳离子移向的极是 正极，阴离子移向的极是负极。 3、原电池电极反应式的书写技巧： ①分析法： 若已知总方程式，先将化学方程式改为离子方程式，再分析化合价，确定正 负极及电极的反应物和生成物，然后根据电子转移数目、电荷守恒、原子守恒配 平，从而得出正负电极反应式。 说明：①H+、OH－、H2O 是否参加反应，要根据实际情况具体分析。 ②电子带负电荷，得电子为负电荷，失去电子为正电荷。例 1，将 2KMnO4＋16HCl===2KCl＋2MnCl2＋5Cl2↑＋8H2O 设计成原电池时 的正负极反应式为： 总反应：2MnO4 —＋16H++10Cl—==2Mn2＋＋5Cl2↑＋8H2O 负极：10Cl——10e—==5Cl2↑ 正极：2MnO4 —＋16H++10e—==2Mn2＋＋8H2O 例 2：已知 K2FeO4－Zn 组成碱性电池的总反应，写出正极反应。 2FeO＋3Zn＋8H2O===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－ 首先，利用电子转移数目写出：FeO＋3e－—Fe(OH)3；然后，利用电荷守恒 得出：FeO＋3e－—Fe(OH)3＋5OH－；最后，利用原子守恒得出： 正极反应：FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－ ②加减法： 正负极反应式相加得到电池反应的总方程式，若能写出已知电池反应的总方 程式，可以减去较易写出的电极反应式，从而得到较难写出的电极反应式。 口诀：先写总方程，再写简单极，相减得结果。 【小贴士】 一、O2-在电极反应中的表现： O2-不能单独存在，若是酸性环境，则与 H+结合生产 H2O，若是碱性环境，则 与 H2O 结合生成 OH-。 酸性：O2- +2H+=H2O； 碱性：O2-+H2O =2OH-。 二、铝在原电池反应中的表现 ①中性溶液电极反应式： Al－3e－=Al3＋ ②酸性溶液电极反应式：Al－3e－=Al3＋ ③碱性溶液电极反应式：Al+4OH－－3e－=AlO2 －+2H2O ④某些盐溶液(NaHCO3)电极反应式： Al－3e－＝Al3+ Al3+＋3HCO3 －＝Al(OH)3↓＋3CO2↑ 或 Al－3e－＋3HCO3 －＝Al(OH)3↓＋3CO2↑例如，我国首创以铝－空气－海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水 为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中数分 钟，就会发出耀眼的白光。由题给信息，电源负极材料应为 Al，正极材料为石 墨等能导电的惰性材料。 负极反应：4Al－12e－=4Al3＋； 正极反应：3O2+6H2O+12e－=12OH-； 总反应：4Al＋3O2+6H2O＝4Al(OH)3 说明：①若正极上的反应物质是 O2 且电解质溶液为中性或碱性，则 H2O 必 须写入正极反应式中，且 O2 生成 OH-；若电解质溶液为酸性，则 H+必须写入正 极反应式中，O2 生成 H2O。 ②负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存，若不共存，则 该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式。例如，碱性溶液中生成 Zn2+，变成 Zn(OH)2。 ③蓄电池放电时做原电池，充电时做电解池。蓄电池是原电池和电解池二者 功能的结合。原电池的负极反应与电解池的阴极反应以及原电池的正极反应与电 解池的阳极反应互为逆反应。 三、燃料电池电极反应式的书写技巧 根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是 O2，根据电池 总反应式和正极反应式写出负极反应式：负极反应式＝总反应式－正极反应式。 随着电解质溶液的不同，氧气的正极反应有所不同： (1)酸性电解质溶液电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O (2)碱性电解质溶液电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ (3)固体电解质(高温下能传导 O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－ (4)熔融碳酸盐(如：K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 例题：请写出在以氢氧化钾为电解液时，用汽油（C8H18）做燃料电池的负极 反应。 方法一：加减法 根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是 O2，根据电池 总反应式和正极反应式写出负极反应式：负极反应式＝总反应式－正极反应式。 酸性电解质溶液电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O 碱性电解质溶液电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 说明：酸性电解质溶液电极反应式中不能出现 OH－；碱性电解质溶液电极反 应式不能出现 H＋。 总反应：C8H18+25/2O2+16OH-=8CO32-+17H2O正极反应式：25/2O2＋25H2O＋50e－===50OH－ 负极反应式：C8H18+66OH－-50e－===8CO32-+42H2O 方法二：分析法 根据燃烧的总反应，先写出电极上发生电子转移的反应物和生成物，然后分 析并写出转移电子数目，再利用 H+或 OH-使电荷守恒，最后利用原子守恒确定水的 个数。 电子带负电荷，得电子为负电荷，失去电子为正电荷。 总反应：C8H18+25/2O2+16OH-=8CO32-+17H2O C8H18-50e－——8CO32- C8H18+66OH－-50e－——8CO32- 负极反应式：C8H18+66OH－-50e－===8CO32-+42H2O 方法三：直接分析法 先写出利用化合价分析，确定电极上发生电子转移的反应物和生成物，并算 出转移电子数目，然后先后利用电荷守恒和原子守恒配平。 C8H18-50e－——8CO32- C8H18+66OH－-50e－——8CO32- 负极反应式：C8H18+66OH－-50e－===8CO32-+42H2O 4、化学电源 ①干电池： 酸性锌锰干电池： 负极：Zn－2e－＝Zn2＋ 正极：2NH4 ＋＋2e－＝2NH3↑+H2↑ 电池总反应式：Zn +2NH4 ＋＝Zn2＋+2NH3↑+H2↑ 碱性锌锰干电池： 正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ 负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。 总反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2 ②铅蓄电池 铅蓄电池可放电亦可充电，具双重功能。它是用橡胶或微孔塑料制成长方形 外壳，正极板上有一层棕褐色 PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定 浓度的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 a. 铅蓄电池放电时电板反应： 负极：Pb+SO42--2e-=PbSO4 正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O 总方程式为：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2Ob.铅蓄电池充电(作电解池)的电极反应为： 【方法指导】 ①可充电电池的充电总反应与放电总反应互为逆反应，正极反应和阳极反应 互逆，负极反应和阴极反应互逆。 ②可充电电池充电时，电极与外接电源的正、负极连接方式是： 正极接正 极，负极接负极。 阳极：PbSO4+2H2O-2e-= PbO2+4H++SO42- 阴极：PbSO4+2e-= Pb+SO42- 总方程式为：2PbSO4+2H2O= PbO2+Pb+2H2SO4 ③Ag-Zn 高能电池：锌做负极，氧化银做正极，氢氧化钾做电解质溶液。 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH －； 总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 充电的电极反应为： 阴极： Zn(OH)2+2e－===Zn＋2OH－ 阳极： 2Ag＋2OH－—2e－=== Ag2O＋H2O 总反应式： Zn(OH)2＋2Ag === Zn＋Ag2O＋H2O ④新型燃料电池 a.氢氧燃料电池： 氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。 种类 酸性 碱性 负极反应 2H2－4e－=4H＋ 2H2＋4OH－－4e－=4H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋=2H2O O2＋2H2O＋4e－=4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O b.甲烷氧气燃料电池 酸性：用金属铂片插入硫酸溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气。 负极：CH4+2H2O+8e-= CO2+8H+ 正极：2O2+8H+—8e-=4 H2O 电极总反应式：CH4+2O2=CO2+2H2O碱性：用金属铂片插入 KOH 溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气。 负极：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O 正极：2O2+4H2O+8e-=8OH- 电极总反应式：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O 【活学活用】 1、请同学们分别写出在碱性和酸性条件下以下几种燃料电池的总反应和电 极反应。①CH4O ②C2H6O ③C3H8 ④C3H8O ⑤锂电池 用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚 硫酰氯(SOCl2)中组成。 负极：8Li-8e-=8Li+ 正极：3SOCl2+8e-=SO32-+2S+6C1- 电池反应式：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S 2、(2013 年高考题)某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔 黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为 6C＋xLi＋＋xe－===LixC6。 充放电过程中，发生 LiCoO2 与 Li1－xCoO2 之间的转化，写出放电时该电池反应的 总方程式________。 分析：充电时负极发生反应 6C＋xLi＋＋xe－===LixC6，LiCoO2 转化为 Li1－xCoO2，充电时正极上发生的反应为 LiCoO2 —xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋。放电总反应为 Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋6C。 3、 [2012·新课标全国卷，26(4)]与 MnO 2Zn 电池类似，K2FeO4Zn 也可以组 成碱性电池，K2FeO4 在电池中作为正极材料，其电极反应为_________，该电池 总反应的离子方程式为__________________。 答案　FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－ 2FeO＋3Zn＋8H2O===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－ 解析　正极发生还原反应，K2FeO4 被还原为 Fe3＋，由于是碱性环境，故生 成 Fe(OH)3，电极反应式为 FeO＋3e－＋4H2O=Fe(OH)3＋5OH－；负极发生氧化反 应，由于是碱性环境，Zn 被氧化生成 Zn(OH)2，电极反应式为 Zn－2e－＋2OH－ =Zn(OH)2，两电极反应式相加得 2FeO＋3Zn＋8H 2O=2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH －。 说明：总方程式也可以利用缺项陪平。FeO＋Zn—Fe(OH)3＋Zn(OH)2【深度思考】 1．可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？ 答案: 2．铅蓄电池是典型的可充电电池，它的正负极极板是惰性材料，请回答下 列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)： (1)放电时电解液中 H2SO4 的浓度将变：______________； 当外电路通过 1 mol 电子时，理论上负极板的质量增加_____g。 (2)在完全放电耗尽 PbO2 和 Pb 时，若按右图连接，电解一段时间后，则在 A 电极上生成________，B 电极上生成____________，此时铅蓄电池的正负极的极 性将________。 答案　(1)小 　48　(2)Pb　PbO2　对换 解析：(1)放电时为原电池，正极为 PbO2，其电极反应式为 PbO2＋4H＋＋SO ＋2e－===PbSO4＋2H2O。从电池总反应式可知，随着电池放电，H2SO4 不断被消 耗，因此，其浓度逐渐变小；由 Pb＋SO－2e－===PbSO4 可知，当外电路通过 1 mol e－时，理论上负极板有 0.5 mol Pb 变为 0.5 mol PbSO4，即质量增加 96 g·mol－1× 0.5 mol＝48 g。(2)当完全放电耗尽 PbO2 和 Pb 时，两极均变为 PbSO4，再按图中 通电——电解时，A 极板发生反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SO，B 极板发生反应： PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO。此时铅蓄电池的正负极的极性将对换。 3．(1)氢氧燃料电池以 KOH 溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解 质溶液的浓度将______，溶液的 pH________。(填“减小”、“增大”或“不 变”) (2)氢氧燃料电池以 H2SO4 溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质 溶液的浓度将______，溶液的 pH________。(填“减小”、“增大”或“不 变”) 答案　(1)减小　减小　(2)减小　增大 〖教后记〗