13 第2章 第2节 第2课时 化学反应能量转化的重要应用——化学电池(基础课)-【名师导航】2024-2025学年高中化学必修第二册同步讲义(鲁科版)

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池(基础课) 素养 目标 1．了解原电池的工作原理及构成条件，学会设计原电池，形成“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。 2．能举例说明化学能转化成电能的实例及其应用。了解研制新型电池的重要性及常用的化学电池，形成“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。 旧知 回顾 1．氧化还原反应：在反应过程中有元素化合价变化的化学反应。 2．氧化还原反应的实质：反应中有电子的转移(包括电子的得失和共用电子对的偏移)。 3．氧化还原反应与化合价升降及电子转移的关系 (1)氧化反应：反应物所含某种(或某些)元素化合价升高的反应。 (2)还原反应：反应物所含某种(或某些)元素化合价降低的反应。 (3)氧化还原反应中电子转移的总数与化合价升高或降低的总数相等。 一、原电池的构造及原理 1．初识原电池 (1)原电池：一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。 (2)初识氢氧燃料电池 ①实验设计 实验装置 两极 反应 负极 氢气失去电子，发生氧化反应 正极 氧气得到电子，发生还原反应 电子转移 电子由负极通过导线流向正极，形成电流 ②结论：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。 2．原电池的构造 3．原电池的基本工作原理 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。 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)原电池是把电能转化为化学能的装置。 (　　) (2)在原电池中，正极发生氧化反应。 (　　) (3)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。 (　　) (4)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。 (　　) [答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)× 二、设计原电池及常见化学电源分类 1．设计原电池 (1)原电池设计(以Zn、Cu、稀硫酸原电池为例) 依据 Zn＋2H＋===Zn2+＋H2↑ 实验现象 确定负极 选择负极反应物：Zn 锌片逐渐溶解；正极材料表面有气泡产生 选择负极材料：Zn 确定正极 选择正极反应物：H＋ 选择正极材料：Cu 构成闭 合回路 选择离子导体：稀硫酸 选择电子导体：导线 (2)装置 2．常见化学电源的分类 原电池的工作原理及正、负极的判断 在下列两装置中： 1．(1)能量转化方式：甲为________，乙为_________。 (2)甲、乙中的反应实质是否相同？ 提示：(1)化学能转化为热能　化学能转化为电能 (2)相同，都是Zn＋Cu2+===Zn2+＋Cu。 2．分析装置乙中的电极名称和溶液中的离子移动方向。 提示：锌为负极，铜为正极。在CuSO4溶液中Cu2+移向铜电极，而移向锌电极。 3．写出上述乙装置中锌电极上发生的电极反应并判断铜电极上发生反应的类型。 提示：锌电极为电池的负极，发生失电子的氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2+；铜电极为电池的正极，发生得电子的还原反应。 1．原电池工作原理示意图(以铜-锌-CuSO4溶液原电池为例) 2．正、负极的判断(大多数原电池) 1．在盛有稀硫酸的烧杯中放入导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是(　　) A．正极附近的浓度逐渐增大 B．电子通过导线由铜片流向锌片 C．正极有O2逸出 D．铜片上有H2逸出 D　[原电池工作时，电子由负极(锌)经外电路(导线)流向正极(铜)。负极锌片的电极反应为Zn－2e－===Zn2+；正极铜片的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，总反应为Zn＋2H＋===Zn2+＋移向负极，负极附近的浓度增大。] 2．(双选)干电池反应原理为Zn＋===Zn2+＋2NH3↑＋H2↑，工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．碳棒为电池的正极　 　 B．H2在Zn片上生成 C．电流由Zn片流向碳棒 D．Zn片上发生氧化反应 AD　[放电时，锌元素化合价由0价变为＋2价，氢元素化合价由＋1价变为0价，所以Zn是负极，碳棒是正极，A项正确；Zn片的电极反应式为Zn－2e－===Zn2+，H2在碳棒上生成，B项错误；电流由正极流向负极，应是由碳棒流向Zn片，C项错误；Zn片上失电子发生氧化反应，D项正确。] 原电池原理的应用 用覆铜板制作印刷电路板的原理是，利用FeCl3溶液作为“腐蚀液”，将覆铜板上不需要的铜腐蚀。即把预先设计好的电路在覆铜板上用蜡或不透水的物料覆盖，以保护不被腐蚀；然后，把覆铜板放到FeCl3溶液中。 1．写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式。 提示：FeCl3溶液腐蚀铜板的离子方程式为2Fe3+＋Cu===2Fe2+＋Cu2+。 2．若将1中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。 提示：氧化反应为Cu－2e－===Cu2+，还原反应为2Fe3+＋2e－===2Fe2+，则设计思路为，原电池组成为Cu作负极、石墨作正极、含Fe3+的FeCl3溶液作电解质溶液。 原电池装置图： 正极：2Fe3+＋2e－===2Fe2+， 负极：Cu－2e－===Cu2+。 原电池原理的应用 1．把A、B、C、D四块金属片浸入稀硫酸中，分别用导线两两相连可以组成原电池。A、B相连时，A为负极；C、D相连时，电流由D→C；A、C相连时，C极上产生大量气泡，B、D相连时，D极发生氧化反应。这四种金属的活动性顺序是(　　) A．A>B>C>D B．A>C>D>B C．C>A>B>D D．B>D>C>A B　[A、B相连时，A为负极，则活动性顺序：A>B；C、D相连时，电流由D→C，说明C为负极，则活动性顺序：C>D；A、C相连时，C极上产生大量气泡，则C为原电池的正极，活动性顺序：A>C；B、D相连时，D极发生氧化反应，D应为原电池的负极，活动性顺序：D>B；则活动性顺序：A>C>D>B。] 2．(双选)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是(　　) A．水既是还原剂又是溶剂 B．放电时正极上有氢气生成 C．放电时OH－向正极移动 D．总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ AC　[由题意知此电池名称叫锂水电池，可推测其总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，再依据原电池原理写出其电极反应，负极：2Li－2e－===2Li＋，正极：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。结合选项分析A错误，B、D正确，在原电池内部，放电时OH－向负极移动，故C项错误。] [教材　活动·探究] 根据反应Fe＋2H＋===Fe2+＋H2↑，某学生动手设计一个原电池，并证明其产生了电流(物品中包括功能正常的耳机)。 (1)正、负极材料可选用什么物品？ (2)离子导体选用什么物质？ (3)画出装置图，并指出证明有电流产生的现象。 [答案]　(1)负极材料选用铁片，正极材料可选用石墨棒(或铜片等，合理即可)。 (2)盐酸等。 (3)，耳机发出“嚓嚓嚓”的声音。 1．(双选)下列关于原电池的说法不正确的是(　　) A．①②装置都能将化学能转化为电能 B．②中的向负极移动 C．②中的电子由Zn经导线流向Cu D．②中撤掉导线后发生的反应改变 AD　[①装置中盛放的乙醇是非电解质，因此该装置不能构成原电池，即不能将化学能转化为电能，②装置符合原电池的构成条件，可以将化学能转化为电能，A错误；②中Zn与稀硫酸反应，Zn发生氧化反应，为负极，Cu为正极，在原电池的电解质溶液中，阴离子向负极移动，电流由正极经导线流向负极，电子流向与电流流向相反，因此B、C正确；②中撤掉导线后发生的反应不改变，D错误。] 2．下列有关原电池的说法不正确的是(　　) A．在内电路中，电子由正极流向负极 B．原电池的正、负极材料不一定都参与反应 C．原电池工作时，正极上发生还原反应 D．原电池工作时，可能会伴随着热量变化 A　[原电池中，内电路不存在电子流动，A错误；氢氧燃料电池的正、负极材料都不参与反应，B正确；原电池的正极发生还原反应，负极发生氧化反应，C正确；原电池工作时，可能会伴随着热量变化，D正确。] 3．有a、b、c、d四种金属电极，有关实验装置及部分实验现象如图： 实验 装置 部分 实验 现象 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 由此可判断这四种金属的活动性由大到小的顺序为(　　) A．a>b>c>d B．b>c>d>a C．d>a>b>c D．a>b>d>c C　[根据原电池原理可知，负极金属的活动性大于正极金属的活动性，故只要判断出原电池的正、负极就可以比较两种金属的活动性。装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属失电子生成阳离子，发生氧化反应作负极，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，由b极有气泡产生，c极无变化可知，b比c活泼，且c位于金属活动性顺序表中氢的后面；装置三和四均形成原电池，知d比c活泼，d比a活泼。 因此这四种金属的活动性由大到小的顺序为d>a>b>c。] 4．某同学为了探究原电池产生电流的过程，设计了如图实验。 (1)断开K，观察到的现象为____________________________________________ ____________________________________________________________________。 (2)闭合K，观察到的现象是_____________________________________________ ____________________________________________________________________。 此电池负极的电极反应为______________________________________________ ____________________________________________________________________。 (3)闭合K，溶液中阳离子向________(填“Zn”或“C”)电极移动，外电路中，电子流动方向是________。 [解析]　(1)断开K，锌与硫酸铜溶液接触，置换出铜，所以可以看到锌棒上附着有红色固体。(2)闭合K，形成原电池，锌作负极，失电子生成锌离子，可以看到锌电极逐渐溶解；碳作正极，溶液中的铜离子在碳棒上得到电子生成铜，可以看到碳棒上附着有红色固体。负极反应为Zn－2e－===Zn2+。(3)闭合K，溶液中的阳离子向正极移动，即向碳棒移动，电子从锌电极流出经导线流向碳棒。 [答案]　(1)锌棒上附着有红色固体 (2)锌电极逐渐溶解，碳棒上附着有红色固体　Zn－2e－===Zn2+ (3)C　Zn→C(或负极→正极) 课时分层作业(十)　化学反应能量转化的重要应用——化学电池 (选择题只有一个选项符合题目要求) 1．下列各装置能构成原电池的是(　　) A　　　　　　　　B C　　　　　　　　　D C　[A项，只有一个电极，所以该装置不能构成原电池，错误；B项，该装置没有构成闭合回路，所以不能构成原电池，错误；C项，该装置符合原电池的构成条件，能构成原电池，正确；D项，酒精不是电解质，所以不能构成原电池，错误。] 2．下列有关电化学知识的描述正确的是(　　) A．CaO＋H2O===Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能 B．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成 C．从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池 D．原电池工作时，正极表面一定有气泡产生 C　[该反应不是氧化还原反应，所以不能设计成原电池，故A错误；燃料电池中原电池的两极相同，可均为Pt电极，则原电池的两极不一定是由活动性不同的两种金属组成，故B错误；原电池工作时，正极表面不一定有气泡产生，如铁—铜—硫酸铜原电池，正极上析出铜固体，故D错误。] 3．已知空气—锌电池的电极反应为，锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；碳棒：O2＋H2O＋2e－===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 D　[由电极反应式：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O可知，Zn失电子被氧化，发生氧化反应，作负极。] 4．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。下列说法不正确的是(　　) A．铜片表面有气泡生成，且溶液中向该电极移动 B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换 C．如果将稀硫酸换成柠檬汁，导线中仍有电子流动 D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变 A　[原电池中，Cu作正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以铜片表面有气泡生成，但溶液中的阴离子向负极移动，故A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B正确；柠檬汁显酸性，也能作电解质溶液，所以将稀硫酸换成柠檬汁，仍能构成原电池，导线中仍有电子流动，故C正确；Cu金属性比Zn、Fe弱，形成原电池时Cu均作正极，所以将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变，电流仍然从Cu电极(正极)流出，故D正确。] 5．将纯锌片和纯铜片按如图所示方式插入同浓度的稀硫酸一段时间，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pH均增大 D．产生气泡的速率甲比乙慢 C　[由题目中所给图示可知，甲中形成闭合回路，满足形成原电池的条件。铜的活动性比锌弱，故铜作正极，发生电极反应为2H＋＋2e－===H2↑；乙不能构成闭合回路，不能形成原电池，只在锌片上发生反应Zn＋2H＋===Zn2+＋H2↑，由于两者都消耗H＋，故溶液的pH都增大。由于原电池的形成，故甲的反应速率比乙的快。] 6．某原电池反应的离子方程式为Fe＋2H＋===Fe2+＋H2↑，则下列说法正确的是(　　) A．稀硝酸为电解质溶液 B．锌为原电池正极 C．铁极质量不变 D．铜为原电池正极 D　[由电池反应式知，Fe作负极，由Fe→Fe2+，Fe不断溶解，故负极Fe的质量减小，正极应为比Fe更不活泼的金属，Zn不符合，Cu符合要求，D正确，B、C错误，如果电解质为稀硝酸，则负极生成Fe3+，还原产物为NO，不会产生H2，A错误。] 7．如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细。由此判断表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是(　　) 选项 M N P A Zn Cu 稀硫酸 B Cu Fe 稀盐酸 C Ag Zn AgNO3溶液 D Zn Fe CuSO4溶液 C　[该装置是原电池，M棒变粗，N棒变细，说明N是负极，M是正极，负极上金属失电子，正极上金属阳离子得电子，发生还原反应生成金属单质，且N的金属活动性大于M，所以符合条件的只有C选项。] 8．银锌纽扣电池的电池反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 下列说法不正确的是(　　) A．锌作负极 B．正极发生还原反应 C．电池工作时，电流从Ag2O经外电路流向Zn D．负极的电极反应为Zn－2e－===Zn2+ D　[Zn失电子发生氧化反应而作负极，故A正确；正极上Ag2O得电子发生还原反应，故B正确；原电池中电流从正极沿外电路流向负极，该电池中Zn是负极、Ag2O是正极，所以放电时电流从Ag2O经外电路流向Zn，故C正确；碱性条件下锌离子生成，所以负极反应为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，故D错误。] (选择题有一个或两个选项符合题目要求) 9．现有X、Y、Z、W四种金属片，①把X、Y用导线连接后同时浸入硫酸溶液中，X上有气泡产生，Y溶解；②把Z、W用导线连接后同时浸入硫酸溶液中，W发生还原反应；③把X、Z用导线连接后同时浸入硫酸溶液中，电子流动方向为X→导线→Z。则下列选项中正确的是(　　) A．①中金属片Y发生还原反应 B．②中金属片W作负极 C．上述四种金属的活动性顺序为Y>X>Z>W D．如果把Y、W用导线相连后同时浸入硫酸溶液中，则电流流动方向为Y→导线→W C　[原电池中，一般来说，较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极，负极上发生氧化反应、正极上发生还原反应；电子从负极沿导线流向正极。①把X、Y用导线连接后同时浸入硫酸溶液中，X上有气泡产生，Y溶解，说明X是正极、Y是负极，则金属活动性：Y>X；②把Z、W用导线连接后同时浸入硫酸溶液中，W发生还原反应，则W是正极、Z是负极，金属活动性：Z>W；③把X、Z用导线连接后同时浸入硫酸溶液中，电子流动方向为X→导线→Z，则X是负极、Z是正极，金属活动性：X>Z，通过以上分析知，金属活动性顺序是Y>X>Z>W。在①中，Y是负极、X是正极，正极X得电子发生还原反应，故A错误；在②中，Z作负极、W作正极，故B错误；通过以上分析知，题述四种金属的活动性顺序是Y>X>Z>W，故C正确；金属活动性：Y>W，如果把Y、W用导线连接后同时浸入硫酸溶液，构成原电池，Y是负极、W是正极，则电流流动方向为W→导线→Y，故D错误。] 10．某种氢氧燃料电池的内部结构如图，下列说法正确的是(　　) A．a处通入氧气 B．电池每消耗11.2 L氢气，电路中通过的电子数目为NA(NA为阿伏加德罗常数的值) C．右侧的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O D．右侧电极为电池的正极 CD　[根据题图可知左侧失去电子，发生氧化反应，作原电池的负极，故a处应该通入的气体是H2，b处应该通入O2，A错误；未指明消耗的H2所处的温度和压强，因此不能确定其物质的量，也就不能计算反应过程中电子转移数目，B错误；在右侧通入O2，O2得到电子，与溶液中的H＋结合形成H2O，故右侧的电极反应是O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C正确；右侧通入O2，得到电子发生还原反应，因此该电极为电池的正极，D正确。] 11．铜锌原电池装置(锌置换铜)如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是(　　) A．铜电极上发生还原反应 B．电池工作一段时间后，甲池的减小 C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动 AC　[题中所述铜锌原电池中，Zn为负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2+；Cu为正极，电极反应为Cu2+＋2e－===Cu，发生还原反应。Zn2+通过阳离子交换膜向正极移动；乙池溶液中消耗的Cu2+与甲池迁移过来的Zn2+的物质的量相同，则乙池溶液质量增加。溶液中的阴离子无法通过阳离子交换膜。] 12．如图所示，组成一种原电池，试回答下列问题(灯泡功率合适)： (1)电解质溶液为稀硫酸时，灯泡________(填“亮”或“不亮”，填“亮”做a题，填“不亮”做b题)。 a．若灯泡亮，Al电极上发生的反应为________________________。 b．若灯泡不亮，其理由为______________________________________________。 (2)电解质溶液为NaOH溶液时，灯泡________(填“亮”或“不亮”，填“亮”做a题，填“不亮”做b题)。 a．若灯泡亮，Al电极上发生的反应为___________________________________ ____________________________________________________________________。 b．若灯泡不亮，其理由为______________________________________。 [解析]　(1)Mg、Al和稀硫酸构成原电池，有电流通过，所以灯泡会亮，Mg易失电子作负极、Al作正极，正极上氢离子得电子发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。 (2)该装置中铝能和氢氧化钠溶液发生氧化还原反应，该装置符合原电池构成条件，所以Mg、Al和NaOH溶液构成原电池，则灯泡亮；Al易失电子作负极，负极上的电极反应式为Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－。 [答案]　(1)亮　2H＋＋2e－===H2↑　(2)亮　Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－ 1/1 学科网（北京）股份有限公司 $$