2024版新教材高中化学专题6化学反应与能量变化第三单元化学能与电能的转化第1课时化学能转化为电能学生用书苏教版必修第二册

第1课时化学能转化为电能新课程标准1．理解化学能与其他形式能量的转化。2．理解原电池的概念及工作原理。3．认识化学能转化为电能的实际应用。学业质量水平合格性要求1.能举出化学能转化为电能的实例，能辨识简单原电池要素，并能分析原电池的工作原理。(水平1)2．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。(水平2)等级性要求1.能设计实验认识构成原电池的条件及其原理，提高实验探究能力。(水平3)2．能举例说明化学能转化为电能的实例并了解其应用。(水平4)图说考点基础知识——自学·思记·尝试[新知预习]一、原电池工作原理1．化学能转化为电能的实验实验装置实验现象实验结论步骤1锌片：逐渐溶解，表面有气泡产生铜片：没有变化锌与稀硫酸反应可生成H2，铜与稀硫酸不反应步骤2锌片：逐渐溶解，表面有气泡产生铜片：没有变化锌与稀硫酸反应可生成H2，铜与稀硫酸不反应步骤3锌片：逐渐溶解铜片：表面有气泡产生锌与稀硫酸发生反应，铜片上产生H2步骤4锌片：逐渐溶解铜片：表面有气泡产生，同时发现步骤4中产生气泡的速率比步骤1中的速率大灵敏电流计：指针发生偏转在物质发生化学反应的同时产生了电流，即化学能转化为电能，同时说明在相同条件下，形成原电池能加快化学反应速率原电池原理的应用原理分析：将铜片与锌片同时插入稀硫酸中，并用导线连接起来，反应过程中的电流是这样形成的：(1)在锌片(负极)上，锌失去电子形成Zn2＋进入溶液：Zn－2e－=Zn2＋。电子经锌电极流向导线。表示失去电子(2)从锌电极流出的电子经导线通过电流计流入铜电极。(3)在铜片(正极)上，流入铜电极的电子使溶液中的H＋还原成H2：2H＋＋2e－=H2↑。表示得到电子(4)铜电极附近溶液中的H＋减少，电解质溶液中的阳离子向铜电极附近发生定向迁移，使电极和溶液形成电流回路。上述化学能转化为电能的反应可表示为Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。注意实验中所用电极的表面积要大，并且要洁净。如果锌片和铜片表面有杂质，会形成许多的微电池，现象就会不明显。2．原电池使一个完整的氧化还原反应中的氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行，通过电子和离子的定向移动形成闭合回路(1)定义：将化学能转变为电能的装置称为原电池(2)本质：发生自发的氧化还原反应电池的总反应即氧化还原反应方程式(3)工作原理：负极：还原剂失去电子，发生氧化反应。正极：氧化剂得到电子，发生还原反应电子流向和电流方向：在外电路中，电子从原电池的负极经外电路流向正极，电流从原电池的正极经外电路流向负极。电子不下水，离子不上岸离子移动方向：在电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极(4)构成条件：①有一个能自发进行的氧化还原反应：两极分别发生氧化反应、还原反应。②有两个能导电的电极，一般为两种活动性不同的金属，其中较活泼金属作负极，发生氧化反应；较不活泼金属作正极，发生还原反应。或金属与能导电的非金属(石墨等)作电极，其中金属作负极，非金属作正极。可用于比较金属的活动性强弱③有电解质溶液(或熔融电解质)。④两电极与电解质溶液(或熔融电解质)形成闭合回路可以用导线连接两个电极，也可以让两个电极直接接触巧记：两极一液一线一反应3．钢铁的电化学腐蚀(1)实验探究：实验内容在一块表面无锈的铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水，放置一段时间实验现象液滴周围逐渐呈现红色，并慢慢形成________实验结论钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀钢铁的电化学腐蚀原理图示形成条件钢铁表面吸附一层水膜，形成的电解质溶液里含有少量的H＋、OH－和________电极负极是________，正极是________电极反应式负极反应式：__________________________正极反应式：__________________________总反应式______________________________________溶液中的反应4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)32Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O(2)电化学腐蚀：不纯的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________。☞学而思(1)是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池？(2)在Zn－H2SO4－Cu原电池中，H＋得到的电子是Cu失去的吗？在这个过程中Cu起什么作用？你怎样知道导线中有电子通过？(3)若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨，可以吗？为什么？(4)钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈，但在潮湿的空气里很快就会生锈，纯的铁片在潮湿的空气里也不容易生锈，这是什么原因呢？二、原电池原理的应用1．加快氧化还原反应的速率2．比较金属活动性强弱3．设计原电池(1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。(2)选择合适的材料①电极材料：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。②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应。(3)设计原电池的基本思路(4)示例：原理装置图Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑负极反应：Zn－2e－=Zn2＋正极反应：2H＋＋2e－=H2↑4.金属材料的防护(1)分析：将被保护金属设计成原电池的正极。(2)示例：轮船在海里航行时，为了保护轮船不被腐蚀，可以在轮船上焊上一些活动性比铁更强的金属，如Zn，这样构成的原电池Zn为负极，而Fe为正极，从而防止了铁的腐蚀。[即时自测]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)原电池是一种电能转化为化学能的装置。()(2)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转。()(3)在铜—锌—稀硫酸原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液到达锌。()(4)原电池中阳离子向正极移动。()(5)用导线连接的铜片和锌片插入稀H2SO4中，锌片上有大量气泡产生。()(6)负极失去电子发生氧化反应。()2.如图为锌、铜水果电池装置示意图，下列说法正确的是()A．铜片为负极，发生还原反应B．锌片上发生还原反应：Zn－2e－=Zn2＋C．该装置将电能转变为化学能D．电子由锌片沿导线流向铜极3．下列装置能形成原电池的是()A．②③⑦ B．①②⑤⑥C．①②③④ D．②③⑥⑦4．已知空气—锌电池的电极反应如下：锌电极：Zn＋2OH－－2e－=ZnO＋H2O；石墨电极：12O2＋H2O＋2e－=2OH－可以判断石墨电极是()A．负极，发生还原反应 B．正极，发生氧化反应C．负极，发生氧化反应 D．正极，发生还原反应5．下列做法，能使Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑的反应速率增大的是()A．增大硫酸溶液的体积B．改用浓硫酸代替稀硫酸C．用锌粒代替锌粉D．滴加少量CuCl2溶液6．有A、B、C、D四种金属，做如下实验：①将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀；②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；③将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是()A．A>B>C>D B．C>D>A>BC．D>A>B>C D．A>B>D>C7．为了探究原电池的工作原理，某化学学习小组设计了一组实验，其装置如图：回答下列问题：(1)根据原电池原理填写下表：装置序号正极负极反应式阳离子移动方向甲乙丙(2)电极类型除与电极材料的性质有关外，还与________有关。(3)指出下列电池的放电过程中，电解质溶液酸碱性的变化：甲________丙________。(填“酸性减弱”或“碱性减弱”)技能素养——合作·探究·分享例1电能是现代社会应用最广泛的能源之一。(1)某原电池装置如图所示。其中，Zn电极为原电池的________极(填“正”或“负”)，电极反应式是__________________。Cu电极上发生的反应属于________(填“氧化”或“还原”)反应。(2)能证明产生电能的实验现象是____________________。(3)2019年诺贝尔化学奖授予对锂离子电池研究做出突出贡献的科学家。某锂离子电池的工作原理如图。下列说法正确的是________(填序号)。①A为电池的正极②该装置实现了化学能转化为电能③电池工作时，电池内部的锂离子定向移动例2如图装置久置后铁片会被腐蚀，有关此装置的叙述中正确的是()A．铁片为正极，碳棒为负极B．铁被腐蚀，碳棒上有氯气放出C．碳棒附近的溶液可使酚酞变红D．导线上有电流通过，电流方向是由铁极流向碳极例3设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。(1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：________________________________________________________________________。(2)若将上述反应设计成原电池，电极反应式为①负极：____________________________________________________________________。②正极：____________________________________________________________________。(3)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：关键能力归纳提升一、原电池的组成与工作原理1．构建原电池工作原理模型2．强化常考问题认知(1)电子方向：从负极流出沿导线流入正极。(2)电流方向：从正极沿导线流向负极。(3)离子迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。二、原电池电极类型判断三、原电池电极反应式的书写1．电极反应式书写的一般步骤(类似氧化还原反应方程式的书写)2．利用总方程式书写电极反应式(1)步骤一：写出电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne－)。(2)步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。(3)步骤三：写电极反应式。负极反应：还原剂－ne－=氧化产物正极反应：氧化剂＋ne－=还原产物注意事项1．正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。2．确认电极得失电子后的产物能否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。3．在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。课堂检测——夯实·测控·演练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不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现④碳棒不能用来作原电池的正极⑤反应Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋，能以原电池的形式来实现A．①⑤ B．①④⑤C．②③④ D．②⑤2．有A、B、D、E四种金属，当A、B组成原电池时，电子流动方向A→B；当A、D组成原电池时，A为正极；B与E构成原电池时，电极反应式为E2＋＋2e－=E，B－2e－=B2＋。则A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为()A．A>B>E>D B．A>B>D>EC．D>E>A>B D．D>A>B>E3．下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是()A．钢管与电源正极连接，钢管可被保护B．铁遇冷浓硝酸表面钝化，可保护内部不被腐蚀C．钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀D．钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应是Fe－3e－=Fe3＋4.原电池原理的发现和各式各样电池装置的发明是化学对人类的一项重大贡献。关于如图所示原电池的说法正确的是()A．将电能转化为化学能的装置B．电子由铜片经导线流向锌片C．锌片为负极，发生氧化反应D．铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－=Cu5．如图所示是一位同学在测试橘子电池，下列有关说法错误的是()A．若金属片A是正极，则该金属片上会产生H2B．水果电池的化学能转化为电能C．当A、B分别为Zn、Fe金属片时，Zn作正极D．金属片A、B可以一个是铜片，另一个是铁片6．图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示()A．铜棒的质量 B．c(Zn2＋)C．c(H＋) D．c(SO7．在一块表面无锈的铁片上滴食盐水，放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现。铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式：2Fe+2H2O+O2=2FeA．铁片发生还原反应而被腐蚀B．铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域C．铁片腐蚀中负极发生的电极反应：2H2O＋O2＋4e－=4OH－D．铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀8．由锌片、铜片和200mL稀H2SO4组成的原电池如图所示。(1)原电池的负极反应是____________，正极反应是________________。(2)电流的方向是________________。(3)一段时间后，当在铜片上放出1.68L(标准状况)气体时，H2SO4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗________g锌，有________个电子通过了导线，原硫酸的物质的量浓度是________(设溶液体积不变)。第1课时化学能转化为电能基础知识新知预习一、3．(1)红色的锈斑O2FeC2Fe－4e－=2Fe2＋2H2O＋O2＋4e－=4OH－2Fe+2H2O+O2=2FeOH2、4Fe(OH)2＋O(2)原电池失去电子电化学腐蚀学而思提示：(1)不是。原电池是利用氧化还原反应原理，使还原反应与氧化反应分别在两极发生，电子在导线中定向移动，形成电流。(2)不是；Cu作导体，起传导电子的作用；电流计的指针发生了偏转。(3)可以，因为Cu在该原电池中起到的是传递电子的作用，其本身并未参与电极反应。所以，把Cu电极换成能导电的材料就可以，但该材料的活泼性不能比负极活泼。(4)钢铁腐蚀实质上是发生了原电池反应，潮湿的空气具备了构成原电池的条件，而干燥的空气中不具备与电解质溶液接触的条件；纯的铁片不能构成原电池的两电极，所以不容易生锈。即时自测1．答案：(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×(6)√2．答案：D3．解析：装置①中铜和银都不与稀硫酸反应，装置④没有形成闭合回路，装置⑤只有一个电极，装置⑥中酒精不是电解质溶液，①④⑤⑥均不能形成原电池。答案：A4．答案：D5．解析：A错，增大硫酸溶液的体积不能增大氢离子浓度，反应速率不变。B错，浓硫酸与锌反应生成二氧化硫，不生成氢气。C错，用锌粒代替锌粉，固体表面积减小，反应速率减慢。D对，滴加少量CuCl2溶液，锌置换出铜，铜和锌形成原电池的两极，铜作正极，锌作负极，失电子，溶解加快，反应速率增大。答案：D6．解析：①A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池，B不易腐蚀，说明B为原电池的正极，说明金属活动性：A>B。②A、D与等物质的量浓度的盐酸反应。D比A反应剧烈，说明金属活动性：D>A。③根据置换反应规律，Cu不能置换出B，说明金属活动性：B>Cu；Cu能置换出C，说明金属活动性：Cu>C。则四种金属活动性的排列顺序是D>A>B>C。答案：C7．解析：(1)电池甲：在稀硫酸中，镁比铝活泼，镁为负极，发生氧化反应，铝为正极，H＋在铝极上发生还原反应；乙电池：铁比铂活泼，铁为负极；丙电池：在氢氧化钠溶液中，铝与NaOH溶液反应，铝失去电子，发生氧化反应，铝离子与氢氧化钠反应生成偏铝酸根离子和水；(2)通过比较甲、丙电池可知，电极都是铝、镁，由于电解质溶液不同，故电极名称不同，即电极类型与电极材料、电解质溶液都有关。(3)根据溶液中离子参加反应情况判断溶液酸碱性的变化。答案：(1)装置序号正极负极反应式阳离子移动方向甲AlMg－2e－=Mg2＋铝极乙PtFe－2e－=Fe2＋铂极丙MgAl-3e-镁极(2)电解质溶液的性质(3)酸性减弱碱性减弱技能素养例1解析：(1)Cu－Zn－稀硫酸原电池中，Zn比Cu活泼，发生失去电子的氧化反应，为负极，电极反应式为Zn－2e－=Zn2＋，Cu电极上H＋得到电子生成H2，电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，属于还原反应。(2)灵敏电流计可以检测电流，能证明产生电能的实验现象是电流计的指针发生偏转。(3)①由题图知，Li＋向B电极移动，原电池中阳离子向正极移动，则A为电池的负极，错误；②该装置为原电池，实现了化学能转化为电能，正确；③由题图知，电池工作时，电池内部的锂离子从负极区向正极区定向移动，正确。答案：(1)负Zn－2e－=Zn2＋还原(2)电流计的指针发生偏转(3)②③例2解析：A错，铁和碳用导线相连，浸入NaCl溶液中，构成了原电池。铁失去电子，为负极，碳棒为正极。B错，铁作负极，失去电子：Fe－2e－=Fe2＋，铁被腐蚀，碳棒为正极，在正极得电子的是溶液中溶有的氧气，没有氯气放出。C对，碳棒为正极，发生的反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，碳棒附近的溶液显碱性，可使酚酞变红。D错，导线上有电流通过，电流方向是从正极到负极，即由碳极流向铁极。答案：C例3解析：根据反应2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋，证明氧化性Fe3＋大于Cu2＋。若将上述反应设计成原电池，原电池负极是铜，正极材料可以用碳棒，电解质溶液选含Fe3＋的溶液。答案：(1)2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋(2)①Cu－2e－=Cu2＋②2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋(3)课堂检测1．解析：①原电池是把化学能转化为电能的一种装置，正确；②