6.1.2化学反应与电能（导学案）

第六章化学反应与能量第一节化学反应与能量变化第二课时化学反应与电能【学习目标】1．通过查阅资料、阅读思考，能举出化学能转化为电能的实例，辨识简单原电池的正负极及正负极上发生的化学反应类型。2．通过实验探究、讨论交流，知道原电池概念及原电池工作原理是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，知道构成原电池的条件。3.通过观察现象、原理分析，会判断原电池的正极、负极，能正确书写简单原电池的电极反应式，了解常见的化学电源，感受化学能转化为电能的奇妙。【学习重点】原电池概念、原理、组成及应用【学习难点】原电池工作原理及构成条件【课前预习】旧知回顾：1．氧化还原反应的特征和本质分别是什么？【答案要点】①氧化还原反应的特征是化学反应前后有元素化合价变化；②氧化还原反应的本质是有电子转移（电子得失或电子对偏移），氧化还原反应中氧化剂得电子，还原剂失电子，且得失电子总数相等。2.化学反应中物质变化和能量变化有何特点？【答案要点】①化学反应中既有物质变化，又有能量变化；②化学反应中物质变化遵循质量守恒定律，能量变化遵循能量守恒定律。新知预习：1.火力发电过程中能量是如何转化的？火力发电存在哪些问题？【答案要点】①火力发电过程中能量是转化：化学能热能机械能电能；②火力发电的缺点：a.化石燃料属于不可再生资源，用化石燃料发电会造成资源的浪费；b.火力发电的过程中，能量经过多次转化，利用率低，能量损失大；c.化石燃料燃烧会产生大量的有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等)，污染环境。2.构成原电池的条件是什么？在原电池中电子、电流的流向有何特点？【答案要点】①原电池构成的条件是具有活动性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液中，且能自发地发生氧化还原反应。②在原电池中，电子由负极经过导线流向正极，电流由正极流向负极。在电解质溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极。【课中探究】情景导入：电能是现代社会中应用最广泛，使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。小到日常生活中使用的手提电脑、、相机、摄像机……大到火箭上天、神州六号宇宙飞船遨游太空，这一切都依赖于电池的应用。播放电池的发展史（见PPT视频）一、原电池原理及构成条件活动一、探究化学能与电能的转化任务一、阅读思考：阅读教材P36页内容，思考生活中人们使用的电能来自于哪里?火力发电中化学能是如何转化为电能的？有何优缺点？【答案要点】①我国目前电能主要来自火力发电，其次来自水力发电、风力发电、核能、水力发电、生物质能等。②火力发电的原理是化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能：化学能eq\o(→,\s\up7(燃料燃烧))热能eq\o(→,\s\up7(蒸汽轮机))机械能eq\o(→,\s\up7(发电机))电能③火力发电的优点是我国煤炭资源丰富，廉价方便。缺点一是煤炭是不可再生资源，会造成能源危机；二是煤炭燃烧会产生污染性气体；转换环节多，能量损耗大，能量的利用率低。任务二、实验探究：根据教材P36页【实验63】，完成实验，观察实验现象，分析实验原理，填写表格内容：【答案要点】（教师演示）【实验63】实验步骤实验现象原因分析实验一：分别将锌片和铜片插入稀硫酸溶液中锌片表面有气泡，铜片无明显变化反应一段时间后，烧杯外壁微热与金属活动性顺序有关：锌与稀硫酸反应生成氢气且放热：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑，而铜不反应。实验二：锌片和铜片先接触插入稀硫酸溶液中，然后再用导线连接铜片表面出现大量气泡，锌片表面有少量（或几乎没有）气泡产生。且产生气泡的速率比实验一快。可能因锌比铜更容易失去电子，且锌失去的电子通过导线移动到铜片上，溶液中的H+再得到电子生成了H2。2H++e==H2↑实验三：锌片和铜片通过导线接电流表插入稀硫酸溶液中铜片上有气泡产生，锌片上逐渐溶解；电流表的指针发生偏转。电流表指针发生偏转，说明导线中有电流产生，整个过程中化学能转化成电能。任务三、讨论交流：结合【实验63】，以铜­锌­稀硫酸原电池为例，思考什么是原电池？有何特点？你认为构成原电池的条件是什么？并填写表格内容。【答案要点】①原电池的概念及工作原理：概念利用氧化还原反应将化学能转变为电能的装置叫原电池装置示意图电极材料电极名称电子转移电极反应式反应类型锌片负极电子流出Zn－2e－=Zn2＋氧化反应铜片正极电子流入2H＋＋2e－=H2↑还原反应电子的流向电子由负极经导线流向正极反应本质自发进行的氧化还原反应总反应式Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑②构成原电池的条件：a.具有活泼性不同的两个电极；b.两电极插入电解质溶液中；c.形成闭合回路；d.能自发地发生氧化还原反应。【对应训练】1．下列叙述不正确的是()A．用天然气火力发电时，每一步都需要化学反应来完成B．利用太阳能等清洁能源代替化石燃料，有利于节约资源，保护环境C．原电池反应一定为氧化还原反应D．在火力发电时，化学能转化为热能的过程实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化【答案】A【解析】A．火力发电的过程包括，化学能→热能→机械能→电能，后两个阶段都未发生化学变化，A项错误；B．利用太阳能等清洁能源代替化石燃料，有利于节约资源，保护环境，B项正确；C．原电池的反应原理为氧化还原反应，所以原电池反应一定为氧化还原反应，C项正确；D．在火力发电时，化学能转化为热能的过程实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化，D项正确；答案选A。2．下列各装置能构成原电池的是()【答案】B【解析】A项中两电极相同，A项错误；C项中蔗糖溶液是非电解质溶液，C项错误；D项中两烧杯中溶液是分开的，没有形成闭合回路，D项错误。活动二、设计简单的原电池任务一、实验探究：结合教材P37页“探究”内容，完成教材三个实验，并回答“问题核讨论”的三个问题。【答案要点】①水果的作用是提供电解质溶液。②电极材料一般选择两种活性不同的金属电极，也可以一个电极选择活泼金属，另一个电极选择石墨。③电池不可或缺的构成部分：a.有两种活泼性不同的金属（或活泼金属核石墨）作电极；b.电极材料均需插入电解质溶液中；c.两级相连形成闭合回路。注意：原电池的设计方法：①找—找一个能够自发进行的氧化还原反应，只有自发进行的氧化还原反应才能被设计成原电池；②拆—将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，分别作为负极和正极的电极反应，还原剂－ne－=氧化产物(负极电极反应)，氧化剂＋ne－=还原产物(正极电极反应)；③定—根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液，正极一般选择比负极活泼性差的金属或能导电的非金属。④画—连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。任务二、归纳小结：请画出原电池的工作原理示意图，思考如何判断原电池的正负极？【答案要点】①原电池的工作原理：注意：①反应类型是负极发生氧化反应，正极发生还原反应；②电子的移动方向是从负极流出，经导线流向正极（电子不下水）；③离子的移动方向是阳离子向正极移动，阴离子向负极移动（离子不上岸）。②原电池正、负极的判断方法：注意：一般是较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极，但也要注意电解质溶液的性质。①镁铝用导线连接插入稀硫酸中，镁作负极，铝作正极；若电解质是氢氧化钠，则镁作正极，铝作负极。②铜铝用导线连接插入稀硫酸中，铝作负极，铜作正极；若插入浓硝酸中，铝作正极，铜作负极。【对应训练】1．某实验小组为研究铁的腐蚀与防护，设计如图所示的实验装置。下列说法正确的是（）A．图1：a点的电极反应式为Fe2e==Fe2+ B．图1：b点溶液变红C．图2：若d为锡，则为牺牲阳极的阴极保护法 D．图2：若d为石墨，两个实验均为铁的吸氧腐蚀【答案】D【解析】A．a点氧气得电子产生OH，电极反应式为O2+4e+2H2O==4OH，A错误；B．a点产生OH，能使酚酞变红，B错误；C．锡活泼性位于铁之后，铁作负极失电子，并没有被保护，C错误；D．两个实验的电解质溶液均为中性，正负极材料相同，均发生铁的吸氧腐蚀，D正确；故选D。2．下列有关原电池的说法正确的是()A．将反应2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋设计为原电池，则可用Zn为负极，Fe为正极，FeCl3为电解质B．铜片和铝片用导线连接后插入浓硝酸中，铜作负极C．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极D．铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，Mg较活泼作负极【答案】B【解析】A．Fe作负极，活泼性比Fe弱的作正极，所以不能用Zn作负极，A项错误；B．Al遇到浓硝酸会钝化，Cu与浓硝酸反应，Cu作负极，B项正确；C．电子由负极(锌)流向正极(铜)，C项错误；D．由Al、Mg、NaOH组成的原电池，Al作负极失电子生成AlO2，D项错误；答案选B。二、原电池原理的应用活动一、几种常见的化学电源任务一、阅读思考：阅读教材P38页内容，思考一次电池、二次电池、燃料电池的概念和特点分别是什么？并完成表格内容。【答案要点】几种电池的特点比较：名称干电池(一次电池)充电电池(二次电池)燃料电池特点①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后，不能再使用②电解质溶液为胶状，不流动①放电后可再充电使活性物质获得再生②可以多次充电，重复使用①电极本身不包含活性物质，只是一个催化转换元件②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出举例普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等。（见教材P38图610）铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池（见教材P38图611）氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等（见教材P39图613）任务二、讨论交流：原电池原理在化学上有哪些应用？【答案要点】=1\*GB3①比较金属活动性强弱：一般作负极的金属比作正极的金属活泼；一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼金属作正极，发生还原反应。=2\*GB3②金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。=3\*GB3③设计制作化学电源：将化学能转化为电能。=4\*GB3④加快化学反应速率：自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。【对应训练】1.化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法错误的是（）A．图甲：通入O2的一极为正极B．图乙：锌锰干电池属于一次电池C．图乙：在使用锌锰干电池的过程中，MnO2被还原D．图丙：正极的电极反应式为PbO22e+SO42+4H+==PbSO4+2H2O【答案】D【解析】A．氧气得到电子发生还原反应，所在电极为正极，故A正确；B．锌锰干电池不能充电操作，属于一次电池，故B正确；C．在使用锌锰干电池的过程中，MnO2得到电子被还原，故C正确；D．铅蓄电池正极的电极反应式为PbO2+2e+SO42+4H+==PbSO4+2H2O，故D错误；故选D。2．把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若A、B相连时，A为负极；C、D相连时，D上有气泡逸出；A、C相连时，A极减轻；B、D相连时，B为正极。则四种金属的活泼性顺序由大到小排列为 ()A.A>C>D>B B.A>C>B>DC.B>D>C>A D.A>B>C>D【答案】A【解析】A、B相连时，A为负极，则说明A与B相比较，A更加活泼；C、D相连，D上有气泡逸出，则C为电源的负极，C比D活泼；A、C相连时，A极减轻，A参与了电极反应，被消耗，应是活泼金属；B、D相连，B为正极，则D是活泼金属，作电源的负极。故有A>C>D>B。活动二、探究发展中的燃料电池任务一、阅读思考：结合教材P39页“科学·技术·社会—发展中的燃料电池”内容，思考燃料电池的概念是什么？有何优点？【答案要点】=1\*GB3①概念：将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)和氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。②优点：①清洁、安全、高效；②反应物不是储存在电池内部，而是由外部提供；③供电量易于调节，能适应用电器负载的变化，且充电时间较短。任务二、讨论交流：以氢氧燃料电池和甲烷燃料电池为例，思考如何书写电极反应式？【答案要点】=1\*GB3①氢氧燃料电池在不同的介质中的总反应式相同，均为2H2＋O2=2H2O。但正、负极反应式与电解质溶液有关，正、负极反应式归纳如下：电解质溶液负极正极酸性(H＋)H2－2e－=2H＋O2＋4H＋＋4e－=2H2O中性(Na2SO4)H2－2e－=2H＋O2＋2H2O＋4e－=4OH－碱性(OH－)H2－2e－＋2OH－=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－②甲烷燃料电池在不同的介质中的总反应式不相同，在酸性条件下，总反应为CH4＋2O2=CO2＋2H2O；在碱性条件下，总反应为CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。在不同电解质中正负极反应式归纳如下：电解质溶液负极正极酸性(H＋)CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋2O2＋8e－＋8H＋=4H2O碱性(OH－)CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O2O2＋8e－＋4H2O=8OH－③原电池电极反应式的书写步骤：a.列物质，标得失：按照负极氧化反应，正极还原反应，判断电极反应物、生成物，标出电子得失。b看环境，配守恒：电极产物在电解质溶液的环境中应能稳定存在，如酸性介质中，OH－不能存在，应生成水；碱性介质中，H＋不能存在，应生成水；电极反应式同样要遵循电荷守恒、原子守恒、得失电子守恒。c.两式加，验总式：正负极反应式相加，与总反应离子方程式验证。注意：若某电极反应式较难写出时，可先写出较易写的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。【对应练习】1．可用于电动汽车的铝－空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是()A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为O2＋2H2O＋4e－=4OH－B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为Al＋3OH－－3e－=Al(OH)3↓C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的碱性保持不变D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极【答案】A【解析】当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料电池的正极发生的反应均为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，A项是正确的；铝作负极，负极反应应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为Al＋4OH－－3e－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，B项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应方程式为4Al＋3O2＋4OH－=4AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，溶液的碱性减弱，C项是错误的；电池工作时，电子从负极流出来经过外电路流向正极，D项是错误的。2.下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是（）A．b电极是正极B．总反应方程式为2H2+O2==2H2OC．a电极每消耗2.24LH2，转移电子0.2molD．氢氧燃料电池是一种具有广泛应用前景的绿色电源【答案】C【解析】A.b电极通入氧气，氧气得到电子，因此是正极，A正确；B.总反应方程式就是氢气燃烧的方程式，为2H2+O2＝2H2O，B正确；C.a电极电极方程式：H22e+2OH=2H2O，标况下每消耗2.24LH2即0.1mol，转移电子0.2mol，但是没有说明气体所处条件，C错误；D.氢氧燃料电池的生成物是水，没有污染，因此是一种具有广泛应用前景的绿色电源，D正确；答案选C。【课后巩固】1.下列有关原电池的说法中正确的是()A．在外电路中，电子由负极经导线流向正极B．在内电路中，电子由正极经电解质溶液流向负极C．原电池工作时，正极表面一定有气泡产生D．原电池工作时，一定不会伴随着热能变化【答案】A【解析】A．外电路中电子由负极流向正极，A正确，B．在内电路中,是阴、阳离子移动，B错误；C．原电池工作时，正极上一般是溶液中的阳离子得电子，则正极表面可能有气泡产生，也可能生成金属单质，C错误；D．原电池工作时，化学能转化为电能，同时可能会伴随着热能变化，D错误。故选A。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．产生气泡的速率甲比乙慢【答案】C【解析】A．甲烧杯中，铜、锌用导线连接，甲构成原电池，铜是正极，铜片表面均有氢气产生，故A错误；B．甲烧杯中，铜、锌用导线连接，甲构成原电池，铜是正极；乙中铜、锌没有连接，不构成原电池，故B错误；C．两烧杯中都发生Zn+2H+==Zn2++H2↑反应，溶液的c(H＋)均减小，故C正确；D．甲烧杯中，铜、锌用导线连接，甲构成原电池，产生气泡的速率甲比乙快，故D错误；选C。3．某同学根据化学反应，并利用实验室材料制作原电池。下列关于该原电池组成的说法正确的是（）选项ABCD正极石墨棒铁棒铁棒铜棒负极铁棒铜棒石墨棒铁棒电解质溶液FeCl3溶液FeSO4溶液Fe2(SO4)3溶液稀硫酸A．A B．B C．C D．D【答案】A【解析】根据反应Fe+2Fe3+=3Fe2+，可知该原电池中Fe为负极，反应过程中Fe3+在正极得电子生成Fe2+，故正极区Fe3+的浓度降低，由电池反应可知电解液为含Fe3+的溶液，综上所述A选项符合。4.有a、b、c、d四种金属。将a与b用导线连接起来，浸入电解质溶液中，a不断腐蚀；将a、d分别投入同浓度的盐酸中，d比a反应剧烈；将铜浸入b的盐溶液中，无明显变化；如果把铜浸入c的盐溶液里，有金属c析出。根据以上现象判断，它们的活动性由强到弱的顺序是（）A．dcab B．dabc C．dbac D．badc【答案】B【解析】将a与b用导线连接起来，浸入电解质溶液中，a不断腐蚀，说明b是正极，因此活泼性是a＞b；将a、d分别投入等浓度盐酸中，d比a反应剧烈，说明金属活动性d＞a；活泼的金属可以将不活泼的金属从其盐溶液中置换出来，所以活泼性是b＞c，综合以上可知活动性由强到弱顺序是：d>a>b>c，答案选B。5．有关如图所示四个常用电化学装置的叙述中，正确的是（）

图Ⅰ碱性锌锰电池图Ⅱ铅硫酸蓄电池图Ⅲ原电池图Ⅳ银锌纽扣电池A．图Ⅰ所示电池属一次电池，是作催化剂B．图Ⅱ所示电池放电过程中，负极被氧化，质量不断增加C．图Ⅲ所示装置工作过程中，电子由铜极经导线流向铁极D．图Ⅳ所示电池属一次电池，正极的电极反应式为Ag2O+2e+2H+==2Ag+H2O【答案】B【解析】A．图Ⅰ所示电池属一次电池，MnO2得电子，MnO2作正极反应物，故A错误；B．图Ⅱ所示电池放电过程中，负极Pb失电子被氧化，电极反应式为Pb2e+SO42==PbSO4，质量不断增加，故B正确；C．图Ⅲ所示装置，铁是负极、铜是正极，工作过程中，电子由铁极经导线流向铜极，故C错误；D．图Ⅳ所示电池属一次电池，正极的电极反应式为Ag2O+2e+2H+==2Ag+H2O，故D错误；选B。6.氢氧燃料电池反应为：，电解液为KOH，反应能保持在较高温度，使生成的蒸发，下列叙述正确的是A．该电池转移4mol电子时，消耗22.4LB．该电池是化学环境友好电池C．电池工作过程中，化学能100%的转化成了电能D．电极反应为：负极；正极【答案】B【解析】A．根据反应方程式可以得知，该电池每转移4mol电子，消耗1molO2，但是题中并未说明反应条件是否为标况，故无法计算消耗O2的体积，A错误；B．该电池的产物只有水，故该电池对环境友好，B正确；C．该电池工作过程中，反应能保持在较高温度，使生成的水蒸发，说明化学能并非100%转化为电能，还有一部分转化为热能，C错误；D．该氢氧燃烧电池中，电解液为KOH，负极反应为2H2+4OH4e=4H2O，正极反应为O2+2H2O+4e=4OH，D错误；故选B。7．某化学兴趣小组，使用相同的铜片和锌片为电极，探究水果电池水果的种类和电极间距离对电流的影响，实验装置图和所得实验所得数据如下：实验编号水果种类电极间距离/cm电流/Ⅰ番茄198.7Ⅱ番茄272.5Ⅲ苹果227.2电池工作时，下列说法不正确的是（）A．负极的电极反应为Zn2e==Zn2+B．水果种类和电极间距离对电流数值的大小均有影响C．电子从锌片经水果流向铜片D．若用石墨电极代替铜片进行实验，电流数值会发生变化【答案】C【解析】A．由图示分析可知，Zn为负极，失去电子，发生氧化反应，即负极的电极反应为Zn2e==Zn2+，故A正确；B．由表中的数据分析可知不同的水果以及同种水果间距离的不同，则电流的大小也不同，所以水果种类和电极间距离对电流的大小均有影响，故B正确；C．电子从锌片经导线流向铜片，而不能经水果流向铜片，故C错误；D．石墨和铜的导电率不同，若用石墨电极代替铜片进行实验，电流数值会发生变化；故D正确；故答案选B。8．根据化学能转化电能的相关知识，回答下列问题：Ⅰ．理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请利用反应“Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+”设计一个化学电池(正极材料用碳棒)，回答下列问题：（1）该电池的负极材料是_________，发生_________(填“氧化”或“还原”)反应，电解质溶液是_____________。（2）正极上出现的现象是_____________________________________________________________。（3）若导线上转移电子1mol，则生成银_________g。Ⅱ．有甲、乙两位同学均想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，两人均用镁片和铝片作电极，但甲同学将电极放入6mol·L1的H2SO4溶液中，乙同学