2019-2020学年新教材高中化学 第二章 化学键 化学反应规律 第二节 化学反应与能量转化 第2课时 化学反应能量转化的重要应用——化学电池学案 鲁科版必修第二册.doc

第2课时化学反应能量转化的重要应用化学电池课程标准核心素养1.能分析原电池的工作原理，能书写简单的电极反应。2.能辨识简单原电池的构成要素。3.能举出化学能转化为电能的实例。4.能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。1.宏观辨识与微观探析能从宏观(能量变化)和微观(电子转移)相结合的视角分析原电池的组成和工作原理。2.科学探究与创新意识提高实施实验的能力，发展创造性体验和想象创新能力。原电池的工作原理1现在，化学电池已成为人类生产和生活的重要能量来源之一，各式各样的化学电池的发明也是化学科学对人类的一个重大贡献。化学电池是根据原电池原理制成的。2原电池化学能转化为电能原电池是一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。3初识氢氧燃料电池如图是一个简易的氢氧燃料电池的实验装置示意图。用图a装置电解获得氢气和氧气，再按图b所示连接装置进行实验。(1)在图b所示装置中，氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行，其中氢气分子中的氢原子在左侧石墨电极上失去电子，氢气作为电池的负极反应物；氧气分子中的氧原子在右侧石墨电极上得到电子，氧气作为电池的正极反应物。稀硫酸中存在的自由移动的离子起到传导电荷的作用，导线起到传导电子的作用。(2)物理学认为，在一个有电源的闭合回路中，产生电流的原因是电源给用电器提供了电势差。简易氢氧燃料电池能够给用电器提供电势差，是由于在两个石墨电极上有得失电子能力不同的物质氢气和氧气；当形成闭合回路时，便会产生电流。(3)工作原理原电池的基本工作原理是，还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生氧化反应和还原反应，并通过能导电的物质形成闭合回路产生电流。其中，还原剂(如氢气)在负极上失去电子，是负极反应物；氧化剂(如氧气)在正极上得到电子，是正极反应物；电极材料(如石墨电极)通常是能够导电的固体。此外，还要有能传导电荷的电解质(如稀硫酸)作为离子导体；而导线则作为电子导体，起到传导电子形成闭合回路的作用。4简单原电池的构成要素(1)一个反应：氧化还原反应；(2)两个电极：相对活泼的金属做负极，相对不活泼的金属或能导电的非金属做正极；(3)两个导体：能提供自由移动的离子的电解质溶液作为离子导体；用电子导体(即导线)连接成闭合回路。1原电池的工作原理工作过程中电解质溶液中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，与外电路构成闭合回路。2原电池正负极判断(从5个角度思考判断)一般而言，原电池负极金属活泼性大于正极金属，但也有特例，如mgalnaoh(aq)原电池中，mg做正极，al做负极；fecu浓hno3原电池中，fe做正极，cu做负极。1判断正误(1)所有的化学反应均能设计成原电池。()(2)原电池的负极金属一定比正极金属活泼。()(3)原电池的负极一定发生氧化反应。()(4)原电池工作时，电子通过电解质溶液由正极移向负极。()(5)原电池工作时，正极一定产生气体。()(6)原电池中化学能全部转变为电能。()(7)原电池的两极只能用金属材料。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)2下列装置能构成原电池的是(连接两个电极的均是金属导线)()解析：选d。a中两极金属活泼性相同；b中无电解质溶液；c中没构成闭合回路。3已知空气锌电池的电极反应为锌片：zn2oh2e=znoh2o；碳棒：o2h2o2e=2oh，据此判断，锌片是()a正极并被还原 b正极并被氧化c负极并被还原 d负极并被氧化解析：选d。由电极反应式：zn2oh2e=znoh2o可知，zn失电子被氧化，发生氧化反应，做负极。设计原电池1设计原电池的基本思路以znh2so4=znso4h2为例说明。(1)将氧化还原反应分成两部分，负极反应为氧化反应：还原剂ne=氧化产物；正极反应为还原反应：氧化剂ne=还原产物。实例：负极反应为zn2e=zn2；正极反应为2h2e=h2。(2)选择正负极材料和离子导体，以电极反应为依据，根据原电池的工作原理确定电极材料和离子导体。通常，还原剂为负极材料，氧化剂为离子导体中某种阳离子，正极材料比负极材料的活动性弱或使用石墨做电极。(3)画出原电池的装置简图。2锌铜原电池工作原理实验装置现象锌片不断溶解，铜片上有气泡产生，电流表指针发生偏转结论导线中有电流通过，化学能转化为电能解释锌失电子发生氧化反应形成zn2进入溶液：zn2e=zn2(填电极反应式)，锌片上的电子沿导线流向铜片溶液中的h从铜片上得电子发生还原反应生成h2逸出：2h2e=h2(填电极反应式)3.常见化学电池(1)干电池：属于一次电池，如锌锰电池。(2)充电电池：又称二次电池，如铅蓄电池、锂离子电池。(3)燃料电池：能量转换效率高、能长时间提供电能。原电池原理的其他应用1比较金属的活动性强弱(1)原理：一般原电池中活动性较强的金属做负极，活动性较弱的金属做正极。(2)应用：a、b两种金属用导线连接后插入稀h2so4中，若a极溶解，b极上冒气泡，则活动性：ab。2加快化学反应(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的微粒运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。(2)应用：实验室中用zn和稀h2so4制取h2时，通常滴入几滴cuso4溶液，原因是zn与置换出的cu构成原电池，加快了反应的进行。1x、y、z、w四种金属片在稀盐酸中，用导线连接，可以组成原电池，实验结果如图所示：则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为()azyxwbzxywczywx dyzxw解析：选a。甲中z为负极，活泼性：zy；乙中x上有气泡生成，则x为正极，活泼性：yx；丙中根据电子的流向可知，z为负极，活泼性：zw；丁中w上发生还原反应，则w为正极，活泼性：xw；综上可知活泼性：zyxw。2下列叙述是某同学做完锌铜原电池的实验后得出的结论和认识，你认为正确的是()a构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属b由铜、锌做电极与硫酸铜溶液构成的原电池中铜是负极c电子经外导线由锌流向铜，通过硫酸溶液被h得到而放出h2d锌铜原电池工作时，若13 g锌被溶解，电路中就有0.4 mol 电子通过解析：选d。两种活动性不同的金属与电解质溶液能构成原电池，但不能因此说构成原电池电极的材料一定都是金属，如锌和石墨电极也能跟电解质溶液构成原电池；在原电池中，电子由较活泼金属移向较不活泼的金属，因此活泼金属是负极；电子不能通过电解质溶液，应该是h在铜极上得到由锌沿导线转移过来的电子；锌铜原电池工作时，负极锌失电子，电极反应为zn2e=zn2，1 mol zn失去2 mol电子，0.2 mol zn(质量为13 g)被溶解，电路中有0.4 mol电子通过。3铁及铁的化合物应用广泛，如fecl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出fecl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：_。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。正极反应式：_；负极反应式：_。解析：首先分析fe3与cu反应中的氧化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2fe3cu=2fe2cu2，cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用比铜不活泼的铂丝，或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用fecl3溶液。答案：(1)2fe3cu=2fe2cu2(2)2fe32e=2fe2cu2e=cu2课堂小结化学电池原电池合格考训练1下列装置中有电流产生的是()解析：选c。a项中两电极材料相同，b项中没有构成闭合回路，d项中四氯化碳为非电解质。2将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是()a两烧杯中铜片表面均无气泡产生b甲中铜片是正极，乙中铜片是负极c两烧杯中溶液的c(h)均减小d铜片上产生气泡的速率甲比乙慢解析：选c。甲构成原电池，铜片表面有气泡产生，乙不能构成原电池，铜片表面无气泡产生，也不做正极。形成原电池会加快反应速率，故甲中产生气泡的速率较快；甲、乙两烧杯中h均参加反应，c(h)均减小。3如图为番茄电池，下列说法中正确的是()a一段时间后，锌片质量会变小b铜片附近会出现蓝色c电子由铜片通过导线流向锌片d锌片是该电池的正极解析：选a。番茄电池中锌片是负极，铜片是正极，负极锌片会失去电子而溶解，质量减小，a项正确、d项错误；铜片是正极，电子由负极锌片流向正极铜片，c项错误；铜片附近不会出现蓝色，b项错误。4一个化学电池的总反应为zncu2=zn2cu，该化学电池的组成可能为()选项abcd正极cucuznfe负极znzncuzn电解质溶液h2so4cucl2zncl2zncl2解析：选b。电解质溶液中一定含有cu2，只有b项正确。5有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置图及部分反应现象如下：a极质量减小，b极质量增大b极有气泡产生，c极无变化d极溶解，c极有气泡产生电流从a极流向d极则这四种金属的活动性由强到弱的顺序是()aabcdbbcdacdabc dabdc解析：选c。装置甲中，a极质量减小，b极质量增大，a极为负极，b极为正极，所以金属的活动性顺序：ab；装置乙中，b极有气泡产生，c极无变化，所以金属的活动性顺序：bc；装置丙中，d极溶解，c极有气泡产生，d极为负极，c极为正极，所以金属的活动性顺序：dc；装置丁中，电流从a极流向d极，a极为正极，d极为负极，所以金属的活动性顺序：da；故这四种金属的活动性顺序为dabc。6.如图所示，在银锌原电池中，以硫酸铜为电解质溶液，锌为_极，该电极上发生_反应(填“氧化”或“还原”)，电极反应式为_，锌片上观察到的现象为_；银为_极，电极上发生_反应(填“氧化”或“还原”)，电极反应式是_，银片上观察到的现象是_。解析：在银、锌及cuso4溶液形成的原电池中，由于活泼性znag，所以zn做负极：zn2e=zn2，zn片逐渐溶解；ag做正极：cu22e=cu，析出的cu沉积在ag片上。答案：负氧化zn2e=zn2zn片逐渐溶解正还原cu22e=cu银片上有红色物质析出等级性测试1.暖宝宝(如图所示)采用的是铁的“氧化放热”原理，使其发生原电池反应，铁粉在原电池中充当()a负极b正极c阴极 d阳极解析：选a。铁被氧化，负极发生氧化反应，铁粉在原电池中充当负极，故a正确。2.如图是某课外活动小组设计的用化学电源使led灯发光的装置。下列说法错误的是()a铜极反应式为2h2e=h2b电子从锌片通过溶液流向铜片c装置中存在化学能电能光能的转化d如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变解析：选b。铜锌原电池中，cu做正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以cu上有气体生成，电极反应式为2h2e=h2，故a正确；锌比铜活泼，形成原电池时，锌为负极，失去电子，电子沿外电路由锌流向铜，电子不能通过溶液，溶液中是离子做定向移动，故b错误；原电池中化学能转化为电能，led灯发光时，电能转化为光能，故c正确；金属性cu比zn、fe弱，将锌片换成铁片后，cu仍做正极，所以电路中的电流方向不变，故d正确。3某原电池反应的离子方程式为2fe3fe=3fe2。下列不能实现该反应原理的原电池是()a正极为cu，负极为fe，电解质溶液为fecl3溶液b正极为c，负极为fe，电解质溶液为fe(no3)3溶液c正极为cu，负极为fe，电解质溶液为fe2(so4)3溶液d正极为ag，负极为fe，电解质溶液为cuso4溶液解析：选d。由2fe3fe=3fe2和原电池的构成条件可知，原电池的电解质溶液为含fe3的盐溶液，负极为fe，正极为活动性比fe弱的金属或能导电的非金属。4如图是fe和cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录的下列内容正确的是()fe为正极，cu为负极h向负极移动电子是由fe电极经外电路流向cu电极cu电极上有h2产生若有1 mol电子流过导线，则产生的h2为11.2 l负极的电极反应式为fe3e=fe3abc d解析：选b。fe为负极，cu为正极，错误；h向正极移动，错误；电子由fe电极经外电路流向cu电极，正确；cu电极上发生反应：2h2e=h2，正确；由2h2e=h2可知，若有1 mol电子流过导线，则产生氢气0.5 mol，但未注明条件，不能计算h2的体积，错误；负极的电极反应式为fe2e=fe2，错误。5将铂电极放置在koh溶液中，然后分别向两极通入ch4和o2，即产生电流，称为甲烷燃料电池。下列有关说法中错误的是()ach4在负极上反应，o2在正极上反应b放电过程中电解质溶液的碱性减弱c此电池属于环境友好型电池d此电池中化学能100%转化为电能解析：选d。a项，甲烷燃料电池中，燃料失电子发生氧化反应，所以ch4在负极上反应，o2得电子发生还原反应，所以o2在正极上反应，正确；b项，根据电池总反应ch42o22oh=co3h2o知，oh参加反应，所以溶液中oh浓度降低，溶液的碱性减弱，正确；c项，该电池放电时不产生对环境有污染的物质，所以属于环境友好型电池，正确；d项，此电池中化学能转化为电能和少量热能，错误。6有a、b、c、d四块金属片，进行如下实验：a、b用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，a为负极；c、d用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流方向为d导线c；a、c相连后，同时浸入稀硫酸中，c极产生大量气泡；b、d用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，d极发生氧化反应。据此，判断四种金属的活泼性顺序是()aacdb bdcbacadcb dcabd解析：选a。中，a为负极，b为正极，可知金属活泼性：ab；中，外电路电流方向为d导线c，则d是正极，c是负极，金属活泼性：cd；中，c极产生大量气泡，说明该极发生了还原反应：2h2e=h2，则c是正极，a是负极，金属活泼性：ac；中，d极发生氧化反应，则d是负极，b是正极，金属活泼性：db。综上所述可得几种金属的活泼性顺序为acdb。7.如图所示，电流表的指针发生偏转，正极变粗，负极变细，符合这种情况的是()a正极为cu，负极为zn，s为稀h2so4b正极为zn，负极为cu，s为cuso4溶液c正极为ag，负极为zn，s为agno3溶液d正极为fe，负极为cu，s为agno3溶液解析：选c。原电池中，负极失去电子，根据题意负极变细，即金属单质失电子，负极应该是活泼金属，故b、d错误；又因为正极变粗，即该电池的总反应应该是金属与盐溶液之间的置换反应，故a错误，c正确。8.有如图所示的装置，当电流表中显示产生持续电流时，下列说法正确的是()acu是原电池的负极bal是原电池的负极c电子由铝沿导线流向铜d铝片上的电极反应式为al3e=al3解析：选a。铜、铝、浓硝酸构成的原电池中，常温下，金属铝遇到浓硝酸会发生钝化，所以金属铜是负极，金属铝是正极，负极上发生金属失电子的氧化反应，正极上发生得电子的还原反应，a正确，b错误；电子从负极(铜)沿导线流向正极(铝)，c错误；铝是正极，该电极上金属不反应，而是硝酸中的硝酸根离子发生得电子的还原反应，d错误。9由a、b、c、d四种金属按下表中装置进行实验。装置现象金属a不断溶解c的质量增加a上有气体产生根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是_(生成二价阳离子)。(2)装置乙中正极的电极反应式是_。(3)装置丙中溶液的酸性_(填“增强”“减弱”或“不变”)。(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是_。解析：甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理，装置甲中金属a不断溶解，则a为负极、b为正极，活泼性ab；装置乙中c的质量增加，即析出cu，则c为正极、b为负极，活泼性bc；装置丙中a上有气体即h2产生，则a为正极、d为负极，活泼性da，随着h的消耗，溶液的酸性减弱。答案：(1)a2e=a2(2)cu22e=cu(3)减弱(4)dabc10利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计一个原电池。请填写下列空白：(1)实验原理：fe2h=fe2h2。(2)实验用品：电极(_、_)、稀硫酸、烧杯、_、耳机、电流计(填写所缺的实验用品)。 (3)实验装置如图。(4)原电池设计及注意的问题按如图所示连接好实验仪器，这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是在原电池中，化学能转化为_。 如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的_极，电极反应式为_；另一极接电流计的_极，电极上发生了_(填“氧化”或“还原”)反应。 解析：原电池的构成条件是电极、导线、电解质溶液。负极应用铁钉或铁条，正极可选铜棒、铜钉或石墨(如铅笔芯)等，电解质溶液盛放在烧杯中；原电池是将化学能转化为电能的装置，电流计的负极应与电源负极相连，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。答