2025版高一化学必修第二册（含不定项选择）第六章 第一节 第3课时 原电池原理的应用 化学电源

第3课时原电池原理的应用化学电源课标定向目标定位1.能辨识简单原电池的构成要素,掌握原电池原理的应用。(变化观念与平衡思想)2.能举出化学能转化为电能的实例,并能分析简单原电池的工作原理。(证据推理与模型认知)3.能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义,体会研制新型电池的重要性。(科学态度与社会责任)厘清重点结合相关信息分析化学电源的工作原理突破难点结合相关信息,判断原电池正负极并能书写简单电极反应式学习任务一:原电池原理的应用必备知识·探究1.现有如图所示装置:(1)产生H2的位置有什么不同?能量转化形式有什么不同?提示:装置甲中Zn棒表面产生H2,化学能转化为热能。装置乙中Cu棒表面产生H2,化学能转化为电能。(2)哪个装置产生的气泡快?为什么?提示:装置乙产生气泡快。装置甲中,氧化反应和还原反应都在Zn表面进行,生成的Zn2+排斥H+,使H+越来越难靠近Zn表面得电子。装置乙构成了原电池,氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行,Zn失去的电子沿导线聚集在Cu棒上,溶液中H+非常容易靠近Cu表面得电子生成H2,因此反应速率快。2.利用原电池原理,设计实验比较锌和锡金属性的强弱。提示:将锌片与锡片用导线相连,浸入稀H2SO4中,发现锌片逐渐溶解、锡片表面有气泡产生,即锌作原电池的负极,锡作原电池的正极,可知金属性:锌>锡。3.已知反应Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,请将该反应设计成原电池,画出原电池装置图并标出正、负极。提示:先确定两个电极,负极上物质失电子,元素化合价升高,所以铜作负极,再找活泼性比铜弱的碳棒或银棒作正极;从反应中可以看出电解质溶液中必须含有银离子,所以可用硝酸银溶液作电解质溶液。装置图如图所示:核心要点·归纳1.加快化学反应速率把某些在水溶液中发生的置换反应,设计成原电池可以加快化学反应速率。2.比较金属活动性强弱两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼,但注意:“Mg-NaOH溶液-Al”原电池的负极为Al;“Cu-浓硝酸-Fe(Al)”原电池的负极为Cu。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(如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;正极材料一般活泼性比负极的弱,也可以是能导电的非金属。②电解质溶液:电解质溶液一般能与负极材料反应。(3)实例:以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu为例微点拨·拓教材金属的防护通常在海水内被保护的钢铁设备(如钢闸门)上装一定数量的锌块。原因:钢铁设备一般是用铁做的,装上锌块后,铁跟锌形成原电池,此时锌作为负极发生氧化反应,而铁作为正极被保护起来不受腐蚀。学力诊断·测评1.有X、Y、Z、M四种金属,按如下装置进行实验,实验现象如表所示。装置现象金属X不断溶解Z的质量增加X上有气体产生下列说法不正确的是()A.装置甲中电子从X极流出,经外电路流入Y极B.装置乙的正极反应式为Cu2++2e-===CuC.装置丙溶液中阳离子往M极移动D.四种金属活动性由强到弱的顺序是M>X>Y>Z【解析】选C。装置甲中金属X不断溶解,说明X为负极,活动性X>Y,电子由负极X经外电路流向正极Y,A正确;装置乙中金属Z质量增加,说明Z为正极,活动性Y>Z,正极反应式为Cu2++2e-===Cu,B正确;装置丙中X上有气体产生,说明X为正极,活动性M>X,阳离子移向正极X,C错误;由上述三个选项分析可知,四种金属活动性由强到弱的顺序是M>X>Y>Z,D正确。[规律方法]根据原电池原理比较金属性强弱(1)若两种金属作电极,一般负极的金属性(即还原性)强于正极;(2)电子是从负极经外电路流向正极,一般负极的金属性(即还原性)强于正极;(3)金属阳离子的氧化性越弱,对应金属的还原性越强。【补偿训练】1.有a、b、c、d四个金属电极,有关的反应装置及部分反应现象如下,由此可判断这四种金属的活动性顺序是()实验装置部分实验现象a极质量减小,b极质量增加c极有气体产生,b极无变化实验装置部分实验现象d极溶解,c极有气体产生电流计指示,导线中电流从d极流向a极A.b>c>d>a B.a>d>c>bC.d>a>b>c D.a>b>d>c【解析】选B。a极质量减小,b极质量增加,则表明a极金属失电子作负极,溶液中的Cu2+在b极得电子生成Cu附着在b极,金属活动性a>b;c极有气体产生,b极无变化,则表明c极金属能与H2SO4发生置换反应,而b极不能,金属活动性c>b;d极溶解,c极有气体产生,则d极为负极,c极为正极,金属活动性d>c;电流计指示,导线中电流从d极流向a极,则a极为负极,d极为正极,金属活动性a>d;综合以上分析,金属活动性a>d>c>b,B项正确。2.关于图中所示装置,下列说法正确的是()A.装置1中锌棒溶解的速率比装置2的快B.装置2铜片上反应为2H++2e-===H2↑C.两装置产生气体的速率相等D.反应相同时间,两装置中温度计的示数一定相等【解析】选B。装置1中锌棒直接与稀硫酸接触,发生置换反应产生ZnSO4和H2,装置2中Zn、Cu、稀硫酸构成原电池,锌为原电池的负极,发生失去电子的氧化反应,故装置2中锌溶解的速率比装置1的快,A错误;装置2中Zn、Cu连接,置于稀硫酸中形成原电池,Zn作负极,Cu作正极,正极反应为2H++2e-===H2↑,B正确;两装置总反应相同,装置2形成原电池,能加快反应速率,C错误;装置1中化学能转化为热能,而装置2中化学能主要转化为电能,因此,反应相同时间,装置2中温度计的示数低于装置1,D错误。2.(2024·济南高一检测)将足量且等量的形状相同的锌块分别加入等浓度等体积的两份稀硫酸X、Y中,同时向X中加入少量饱和CuSO4溶液,发生反应生成氢气的体积(V)与时间(t)的关系如图所示,反应速率变快的原因是()A.Zn首先与Cu2+反应,生成的Cu与Zn、稀硫酸构成原电池B.加入硫酸铜增大了c(SO4C.加入硫酸铜溶液增大了溶液体积D.CuSO4作催化剂【解析】选A。由题意可知,曲线X表示的反应速率更快,原因是Zn首先与Cu2+反应生成Cu,Cu与Zn、稀硫酸构成原电池加快反应速率,导致X比Y的反应速率快,故A正确。学习任务二:化学电源必备知识·导学[引入]随着我国大力推进碳达峰和碳中和,汽车行业迎来新的产品,推出全电动车型。但消费者更关心的是电动汽车的续航问题。你知道电动汽车用的是什么电池吗?1.一次电池——锌锰干电池工作原理负极锌筒锌被氧化,逐渐消耗正极石墨棒二氧化锰被还原电解质氯化铵糊特点放电后不能充电便于携带,价格低[思考]锌锰干电池使用时间过长可能会产生渗漏的问题,试分析原因。提示:锌锰干电池的外壳锌筒作负极在电池工作中损耗,逐渐变薄甚至局部破损会产生内部糊状物渗出的情况。2.二次电池(充电电池)能量转化:化学能电能【注意事项】可充电电池充电时,负极与直流电源负极相连,正极与直流电源正极相连,也就是“负接负、正接正”。实例:铅酸蓄电池的构造如图所示,工作时该电池总反应的化学方程式为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。[思考]分析其正负极、工作时稀硫酸中H+的移动方向及浓度变化。提示:负极材料是Pb,正极材料是PbO2,工作时,电解质溶液中的H+移向正极(PbO2),硫酸因参加反应而浓度减小。3.燃料电池实例:氢氧燃料电池总反应为2H2+O2===2H2O通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为稀硫酸时)和碱式(当电解质溶液为氢氧化钾溶液时)两种。[思考](1)若电解质溶液为稀硫酸,正极和负极的电极反应式是什么?提示:正极为O2+4e-+4H+===2H2O,负极为2H2-4e-===4H+。(2)若电解质溶液为氢氧化钾溶液,正极和负极的电极反应式是什么?提示:正极为O2+4e-+2H2O===4OH-,负极为2H2-4e-+4OH-===4H2O。(3)两种情况下,电池总反应的化学方程式一样吗?提示:相同。将两种情况下的正、负极反应式相加,总反应式都为2H2+O2===2H2O。判对错·通教材判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子。(×)提示:燃料电池的电极材料不参与反应。(2)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。(×)提示:锌锰干电池碳棒为正极,不参与反应。(3)氢氧燃料电池是将热能直接转化为电能。(×)提示:氢氧燃料电池是化学能转化为电能。(4)充电电池可以无限制地反复充电、放电。(×)提示:充电电池不可以无限制地反复放电、充电,有其使用寿命。(5)原电池中负极在参加反应时质量有可能增加。(√)提示:如铅酸蓄电池放电时,负极反应为Pb-2e-+SO42-===PbSO4,核心要点·归纳燃料电池几点注意事项(1)燃料电池不燃烧,不写“点燃”条件。(2)电极一般都为Pt或C。(3)燃料[包括H2、CO、CH4、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)等]在负极反应,O2在正极反应。(4)电极反应式的书写方法。①写出燃烧反应,根据电解质溶液改写燃料电池总反应。②写出正极的电极反应式:酸性电解质溶液环境下的电极反应式:O2+4H++4e-===2H2O;碱性电解质溶液环境下的电极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-。③由燃料电池总反应减去正极的电极反应式(必须转移电子数相同),得负极的电极反应式。学力诊断·测评1.(2024·北京等级考)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理,下列说法正确的是()A.石墨作电池的负极材料B.电池工作时,NH4C.MnO2发生氧化反应D.锌筒发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+【解析】选D。酸性锌锰干电池,锌筒为负极,石墨电极为正极,故A错误;原电池工作时,阳离子向正极(石墨电极)方向移动,故B错误;MnO2发生得电子的还原反应,故C错误;锌筒为负极,负极发生失电子的氧化反应Zn-2e-===Zn2+,故D正确。【补偿训练】1.如图所示是铅酸蓄电池构造示意图,下列说法不正确的是()A.铅酸蓄电池是二次电池,充电时电能转化为化学能B.电池工作时,电子由Pb板通过导线流向PbO2板C.电池工作时,负极反应为Pb-2e-===Pb2+D.电池工作时,H+移向PbO2电极【解析】选C。二次电池是可充电电池,典型的是铅酸蓄电池,充电时是把电能转化成化学能的装置,故A正确;依据原电池的工作原理,电子从负极经外电路流向正极,Pb作负极,PbO2作正极,电子从Pb板通过导线流向PbO2板,故B正确;负极上的电极反应式:Pb+SO42--2e-===PbSO4,故C错误;依据原电池的工作原理,阳离子向正极移动,2.有关下列四个常用电化学装置的叙述正确的是()图Ⅰ普通锌锰电池图Ⅱ碱性锌锰电池图Ⅲ铅酸蓄电池图Ⅳ银锌纽扣电池A.图Ⅰ所示电池中,电子从锌筒出发沿导线经电解质溶液流向石墨电极B.图Ⅱ所示电池中,MnO2的作用是作氧化剂C.图Ⅲ所示装置工作过程中,SO42-向D.图Ⅳ所示电池中,Zn是还原剂,在电池工作过程中被还原【解析】选B。图1所示电池中,电子由锌极流出经导线流向石墨,电子不能进入溶液,A错误;图Ⅱ所示电池中,MnO2得电子,所以作氧化剂,B正确;图Ⅲ所示装置工作过程中,阴离子向负极移动,Pb为负极,C错误;图Ⅳ所示电池中,Zn是还原剂,在电池工作过程中被氧化,D错误。2.(2024·枣庄高一检测)燃料电池能将燃料和氧化剂(如O2)的化学能直接转化为电能。如图所示为CH4燃料电池的工作示意图(电极A、B为多孔碳棒)。下列说法正确的是()A.电极A为正极,发生还原反应B.电极B的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-C.电子移动方向:电极A→导线→电极B→KOH溶液→电极AD.电极A附近溶液的碱性增强【解析】选B。A.电子从负极流向正极,故A为负极,发生氧化反应,A错误;B.电极B的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,B正确;C.电子移动方向:电极A→导线→电极B,电子不进入溶液且不能在溶液中迁移,C错误;D.电极B附近溶液的碱性增强,D错误。学情检测·素养达标1.下列有关电池叙述正确的是()A.锌锰干电池工作一段时间后锌外壳逐渐变薄B.铅酸蓄电池放电时,是电能转化为化学能的过程C.锌锰干电池碳棒是负极,锌是正极D.化学电池的反应本质是复分解反应【解析】选A。锌锰干电池中锌片为负极,锌失去电子变为锌离子,则一段时间后锌外壳逐渐变薄,故A正确;铅酸蓄电池放电时,是化学能转化为电能的过程,故B错误;锌锰电池中锌为负极,故C错误;化学电池的反应有电子的转移,本质是氧化还原反应,故D错误。2.(双选)用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示,下列说法错误的是()A.Y电极为正极B.电池工作时,电子由X电极经外电路流向Y电极C.电池工作时,H+通过质子交换膜从右往左迁移D.该电池的负极反应式为CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2+12H+【解析】选C、D。A.由图示可知,酸性燃料电池酒精检测仪中,乙醇发生失电子的氧化反应生成醋酸,则乙醇所在的铂电极为负极,电极Y是正极,A正确;B.该原电池中左侧Pt电极为负极,右侧Pt电极为正极,放电时电子由负极经过导线流向正极,即电子由X电极经外电路流向Y电极,B正确;C.原电池中阳离子向正极移动,即H+向正极迁移,H+通过质子交换膜从左往右迁移,C错误;D.乙醇发生失电子的氧化反应生成醋酸,负极反应式为CH3CH2OH-4e-+H2O===4H++CH3COOH,D错误。3.锂海水电池常用在海上浮标等助航设备中,其原理如图所示。电池反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑。电池工作时,下列说法正确的是()A.该装置可将电能转化为化学能B.电子从锂电极经外电路流向镍电极C.金属锂作负极,发生还原反应D.理论上每转移2mol电子可以生成22.4LH2【解析】选B。原电池是将化学能转化为电能,A错误;电子从负极锂电极经外电路流向正极镍电极,B正确;金属锂作负极,发生失电子的氧化反应,C错误;未指明气体是否处于标准状况,无法用气体摩尔体积计算,D错误。【补偿训练】Mg-H2O2电池是一种化学电源,以Mg和石墨为电极,海水为电解质溶液,示意图如图所示。下列说法不正确的是()A.镁电极是该电池的负极B.H2O2在石墨电极上发生还原反应C.Mg电极的电极反应式:Mg-2e-===Mg2+D.电池工作时,电子从Mg电极经外电路流向石墨电极,再出石墨电极经电解质溶液流向Mg电极【解析】选D。Mg-H2O2电池中Mg发生失电子的氧化反应,作负极,石墨电极作正极,故A正确;H2O2在石墨电极上得电子发生还原反应,故B正确;Mg易失电子发生氧化反应而作负极,电极反应为Mg-2e-===Mg2+,故C正确;