1、1.3 化学能转化为电能电池第2课时 化学电源、金属的腐蚀与防护 学案（鲁科版选修4）学习目标1.了解常见化学电源的种类、工作原理和用途。2.理解金属电化学腐蚀的原理及类型。3.掌握金属防护的方法以及金属的电化学防护的原理。重点难点1.燃料电池的工作原理。2.金属发生电化学腐蚀的原理和防护措施。1电池的种类及特点电池一次电池可充电电池(二次电池)燃料电池特点只能放电，不能充电可反复充电和放电，充电时是一个电解池，放电时是一个原电池能量利用率高，可连续使用，污染轻2.常见电池(1)锌锰干电池(一次电池)锌锰干电池的正极为石墨棒，负极为锌筒。(2)铅蓄电池(二次电池)组成：正极材料为PbO2，负极
2、材料为Pb，电解质溶液为30%_H2SO4溶液。电极反应及电池反应放电时电极反应为：负极：PbSOPbSO42e；正极：PbO24HSO2ePbSO42H2O。充电时电极反应为：阳极：PbSO42H2OPbO24HSO2e；阴极：PbSO42ePbSO。总反应可表示为：PbPbO22H2SO4放电充电2PbSO42H2O。(3)氢氧燃料电池在以KOH为电解质溶液时，负极反应：2H24OH4H2O4e；正极反应：O22H2O4e4OH。电池反应：2H2O2=2H2O。在以稀H2SO4为电解质溶液时，负极反应：2H24H4e；正极反应：O24H4e2H2O。电池反应：2H2O2=2H2O。(4)甲
3、烷燃料电池在KOH溶液中的总反应式为：CH42O22KOH=K2CO33H2O，则其电极反应分别为：正极：CH410OHCO7H2O8e；负极：4H2O2O28e8OH。3如图所示，水槽中的试管内有一枚铁钉，放置数天观察；(1)若试管内液面上升，则原溶液呈_性，发生_腐蚀，电极反应：负极：_，正极：_。(2)若试管内液面下降，则原溶液呈_性，发生_腐蚀。电极反应：负极_，正极：_。答案(1)中或碱或很弱的酸吸氧2Fe2Fe24eO22H2O4e4OH(2)较强的酸析氢FeFe22e2H2eH2解析若液面上升，说明试管中压强减小，发生了吸氧腐蚀，溶液呈中性或碱性或很弱的酸性；若液面下降，说明有气
4、体生成，发生了析氢腐蚀，溶液呈较强的酸性。4下列表面镀有金属保护层的铁板，当镀层损坏使铁板裸露后，在相同条件下最耐腐蚀的是()A镀锌铁板(白铁) B镀锡铁板(马口铁)C镀银铁板 D镀铜铁板答案A一、化学电源1(1)二次电池在放电时是原电池，电极名称是正极、负极。充电时变为电解池，电极名称是阴极、阳极，原来的负极连接电源的负极成为阴极，原来的正极连接电源的正极成为阳极。(2)已知高铁电池放电时的电极反应式为：负极：Zn2OHZn(OH)22e正极：FeO3e4H2OFe(OH)35OH则充电时的电极反应式如何表示？答案阴极：Zn(OH)22eZn2OH阳极：Fe(OH)35OHFeO4H2O3e
5、2书写燃料电池的电极反应式时应注意：(1)电池的负极一定是可燃性物质，失电子，发生氧化反应；电池的正极一定是助燃性气体，得电子，发生还原反应。(2)电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。(3)在碱性电解质中，电极反应式中不能出现H，在酸性电解质中，电极反应式中不能出现OH。典例1高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn2K2FeO48H2O放电充电3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH下列叙述不正确的是()A放电时负极反应为Zn2OHZn(OH)22eB充电时阳极反应为Fe(OH)35OHFeO4H2O3eC放电
6、时每转移3 mol 电子，正极就有1 mol K2FeO4被氧化D放电时正极附近溶液的碱性增强解析本题主要考查原电池与电解池的反应原理。放电时负极发生氧化反应：Zn2OHZn(OH)22e，A正确；正极发生还原反应：FeO3e4H2OFe(OH)35OH，电极附近溶液的碱性增强，D正确，C不正确；在充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)35OHFeO4H2O3e，B正确。答案C典例2将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，构成甲烷燃料电池。已知通入CH4的一极，其电极反应式是CH410OHCO7H2O8e；通入O2的另一极，其电极反应式是2O24H2O8e8OH。下列叙述不正确
7、的是()A通入CH4的电极为负极B正极发生氧化反应C燃料电池工作时，溶液中的阴离子向负极移动D该电池使用一段时间后应补充KOH解析根据原电池的工作原理和题给电极反应式可知：CH4在负极上被氧化，O2在正极上被还原，内电路中的阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。由于反应过程中消耗KOH生成K2CO3，故该燃料电池工作一段时间后应补充KOH。答案B变式训练1天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴(LiCoO2)，充电时LiCoO2中Li被氧化，Li迁移并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中，以LiC6表示。电池反应为LiCoO2C6放电充电CoO2LiC6，
8、下列说法正确的是()A充电时，电池的负极反应为LiC6LiC6eB. 放电时，电池的正极反应为CoO2LieLiCoO2C羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质D锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低答案B解析可充电电池在放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时，阳极(正极)发生氧化反应，阴极(负极)发生还原反应。该锂离子电池放电时，负极反应为LiC6LiC6e，正极反应为LiCoO2eLiCoO2；充电时，阴极(负极)反应为C6LieLiC6，阳极(正极)反应为LiCoO2LiCoO2e，故A项错B项对；另外，醇为非电解质，C项错；由于锂的摩尔质量较小，所以锂离子电
9、池的比能量高，D项错。变式训练2我国拥有的完全自主产权的氢氧燃料电池车在北京奥运会期间为运动员提供了服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是()A正极反应式为O22H2O4e4OHB工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量不变C该燃料电池的总反应方程式为2H2O2=2H2OD用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24 L Cl2(标准状况)时，有0.1 mol电子转移答案D解析碱性氢氧燃料电池总反应式是2H2O2=2H2O，不消耗和生成KOH，O2为正极反应物，故A、B、C都正确；由Cl生成0.1 mol Cl2转移0.2 mol电子，D错误。二、金属的腐蚀与防
10、护1金属的腐蚀(1)金属表面与周围的物质发生化学反应或因电化学作用而遭到破坏的过程称为金属腐蚀，其实质是金属失去电子被氧化。(2)分类和比较2金属的电化学腐蚀(1)不纯的金属或合金跟电解质溶液接触时发生原电池反应，较活泼金属失去电子被氧化的过程称为金属的电化学腐蚀。其实质是被腐蚀金属成为原电池的负极而被溶解。(2)钢铁电化学腐蚀的比较 腐蚀类型区别与联系析氢腐蚀吸氧腐蚀相同点腐蚀的本质被腐蚀金属为原电池的负极，其原子失去电子变成金属阳离子，发生氧化反应电极反应式负极：FeFe22e不同点条件水膜酸性较强水膜呈很弱的酸性、中性或碱性电解质溶液溶有CO2、SO2等的水溶液溶有O2的水溶液氧化剂HO
11、2电极反应式正极：2H2eH2正极：O22H2O4e4OH产物H2Fe(OH)2普遍性吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍3.金属腐蚀的快慢规律(1)在同一电解质溶液中，金属腐蚀由快到慢的顺序为：电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀应用原电池原理有保护措施的腐蚀应用电解池原理有保护措施的腐蚀。(2)同一种金属在不同介质中的腐蚀由快到慢的顺序为：强电解质溶液中的腐蚀弱电解质溶液中的腐蚀非电解质溶液中的腐蚀。4金属的防护方法有哪些？答案(1)改变金属内部结构，如制成合金等。(2)加防护层，如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀等。(3)电化学防护电化学防护分为牺牲阳极保护法和阴极电保护法。知识总结典例3如
12、图所示各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀，腐蚀的速率由快到慢的顺序为()A B C D解析中纯铁在海水中的腐蚀属于化学腐蚀(直接与电解质溶液接触，发生化学反应)；、构成原电池，中铁是负极(活泼性FeSn，活泼性较强的金属Fe先腐蚀)，属于原电池原理引起的腐蚀，中铁是正极(活泼性ZnFe，金属Zn先腐蚀)，属于利用原电池原理有保护措施的腐蚀；、构成电解池，中铁是阴极(与外接电源的负极直接相连)，属于利用电解原理有保护措施的腐蚀；中铁是阳极(与外接电源的正极直接相连)，在外加电流作用下铁不断溶解，腐蚀速率较快，属于电解原理引起的腐蚀。所以铁腐蚀快慢顺序为：，故选D。答案D变式训练3如图装置中，U形管
13、内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是()A生铁块中的碳是原电池的正极B红墨水柱两边的液面变为左低右高C两试管中相同的电极反应式是FeFe22eDa试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀答案B解析a、b试管中均发生铁的电化学腐蚀，在食盐水中的Fe发生吸氧腐蚀，正极为碳：2H2OO24e4OH，负极为铁：2Fe2Fe24e，由于吸收O2，a试管中气压减小；b试管中的电解质溶液是酸性较强的NH4Cl溶液，故发生析氢腐蚀，正极：2H2eH2，负极：FeFe22e；由于放出氢气，b试管中气压增大，故U形管中的红墨水应是左高右低，B选项错误。