2.2.2 化学反应能量转化的重要应用——化学电池 学案 2024-2025学年高一下学期化学鲁科版（2019）必修第二册

化学反应能量转化的重要应用——化学电池 学习目标　1.知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化。2.以原电池为例认识化学能可以转化为电能。3.从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。4.体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。 一、原电池的工作原理 (一)原电池的构造 1.原电池 一种利用　　　　　　　　　　　　　　　　　　将 　　　　　　直接转化成电能的装置。  2.初识氢氧燃料电池 (1)图示 (2)电极反应和总反应 负极反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　,  正极反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　,  总反应方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (3)此装置中的能量变化:　　　　　　　　　　　　　　　　　　转化为 　　　　　　。  (4)稀硫酸的作用:　　　　　　　　　　　　　　　　　　,  导线的作用:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (二)深化认识原电池 1.原电池的构成条件 (1)能自发发生氧化还原反应(放热反应); (2)电子导体:两个电极,一般为两种活动性不同的金属或金属和非金属; (3)离子导体:电解质溶液或传导离子的固体; (4)构成闭合回路。 2.原电池工作原理归纳 铜锌原电池工作原理图示 　　　　　　　　　　　　　　　　 1.下列各装置中的电解质均为稀硫酸,能构成原电池的是 (　　) 2.如图所组成的原电池装置, 下列叙述错误的是 (　　) A.a为原电池的正极 B.电子由b极流出 C.溶液中阳离子向a极移动 D.b极发生还原反应 3.如图是Zn和Cu形成的原电池, 某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记下结论,其中正确的一组是 (　　) ①Zn为正极,Cu为负极　②电子是由Zn经外电路流向Cu　③Cu极上有H2产生　④正极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+ A.①② B.②③ C.③④ D.①④ 【题后归纳】 原电池正、负极的判断方法 二、设计一个简单的原电池　发展中的化学电源 1.原电池原理应用 (1)加快氧化还原反应速率 实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制备H2,常用粗锌。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸形成原电池,加快了锌的腐蚀,使产生H2的速率加快。用Zn和稀H2SO4制取H2时也可以滴入几滴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。 (2)比较金属的活动性强弱 原电池中,一般活动性强的金属作负极,活动性弱的金属作正极。如有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,由原电池原理可知,金属活动性:A>B。 (3)金属的防护 轮船外壳上镶嵌锌块,在海水中形成原电池,锌作负极失去电子,保护铁不被腐蚀。 2.发展中的化学电源 (1)干电池——一次电池 ①特点:放电之后不能充电。 ②实例:锌锰干电池。 (2)充电电池——二次电池 ①特点:放电时所进行的氧化还原反应,充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。 ②实例:铅蓄电池,锂离子电池。 (3)燃料电池 ①特点:燃料的利用率高、能量转换效率高,能长时间提供电能等。 ②实例 以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下: 负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  总反应方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  　　　　　　　　　　　　　　　　 1.某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池正确的组成是 (　　) 选项 正极 负极 电解质溶液 A Cu Zn HCl B Zn Cu CuSO4 C Cu Zn CuSO4 D Cu Zn ZnCl2 2.X、Y、Z、M、N代表五种金属,有以下反应:①Y与M用导线连接放入稀硫酸中,M上冒气泡;②M、N为电极,与N的盐溶液组成原电池,电子从M极流出,经过外电路,流入N极;③Z+2H2O(冷水)===Z(OH)2+H2↑;④水溶液中,X+Y2+===X2++Y,则这五种金属的活动性由强到弱的顺序为 (　　) A.Z>X>Y>M>N B.Z>Y>X>M>N C.Z>X>Y>N>M D.X>Y>M>N>Z 3.(2024·河南信阳高一期中)图所示是几种常见的化学电源示意图,有关说法正确的是 (　　) A.上述电池分别属于二次电池、一次电池和燃料电池 B.干电池工作时,H+向锌筒移动 C.铅蓄电池工作过程中,每通过2 mol 电子,负极质量减轻207 g D.酸性氢氧燃料电池的正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O 【题后归纳】 设计原电池 设计原电池要依据原电池的构成条件来进行。 (1)一个自发的氧化还原反应; (2)两个导电的电极; (3)电解质溶液及导线构成闭合回路。 例如:以Cu+2FeCl3===2FeCl2+CuCl2设计原电池 设计思路 实例 以自发进行的氧化还原反应为基础 Cu+2FeCl3===2FeCl2+CuCl2 把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个反应,从而确定电极反应 负极反应(氧化反应): Cu-2e-===C; 正极反应(还原反应): 2F+2e-===2F 以电极反应为原理,根据原电池的工作原理确定电极材料和电解质溶液 负极:Cu 正极:石墨 电解质溶液:FeCl3溶液 画出原电池的装置简图 　　　　　　　　　　　　　　　　 1.下列装置能构成原电池的是 (　　) 2.如图为某课外小组自制的氢氧燃料电池,a、b均为石墨。下列叙述不正确的是 (　　) A.a电极是负极,该电极上发生氧化反应 B.总反应式为2H2+O2===2H2O C.b极反应是O2+4H++4e-===2H2O D.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 3.对于铝、铜和稀硫酸组成的原电池(如图),下列有关说法正确的是 (　　) ①Al是负极　②Cu是正极 ③负极:Al-3e-===Al3+ ④正极:Cu2++2e-===Cu A.仅①② B.仅①②③ C.仅②③④ D.仅①②③④ 4.(2023·北京通州运河中学高一月考)某研究小组以相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池,得到的实验数据如表所示。 实验编号 水果种类 电极间距离/cm 电流/μA ① 番茄 1 98.7 ② 番茄 2 72.5 ③ 苹果 2 27.2 下列说法中不正确的是 (　　) A.该实验所用的装置实现了化学能向电能的转化 B.该实验所用装置中,负极的材料为锌片 C.实验①和③表明水果种类对电池电流的大小有影响 D.该实验的目的是研究水果种类和电极间距对电池电流的影响 5.原电池是将化学能转化为电能的装置。 Ⅰ .a为铜片,b为铁片,烧杯中是稀硫酸溶液 (1)当开关K断开时产生的现象为　　　　　　　　　　　　　　　　　　;  当开关K闭合时,产生的现象为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  A.a不断溶解 B.b不断溶解 C.a上产生气泡 D.b上产生气泡 E.溶液逐渐变蓝 (2)闭合开关K,反应一段时间后断开开关K,经过一段时间后,下列叙述不正确的是　　　　。  A.溶液中H+浓度减小 B.正极附近S浓度逐渐增大 C.溶液中含有FeSO4 D.溶液中S浓度基本不变 Ⅱ .(3)FeCl3溶液常用于腐蚀印刷电路铜板,反应过程的离子方程式为　　　　　　　　　　　,  若将此反应设计成原电池,请写出该原电池负极电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　,  正极电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 化学反应能量转化的重要应用——化学电池 一、1.氧化还原反应　化学能　2.(2)2H2-4e-4H+　O2+4e-+4H+2H2O　2H2+O22H2O　(3)化学能　电能 (4)传导电荷　传导电子 对点训练 1.B　[两种电极为同种物质,均可以和电解质溶液发生反应,故不会出现电流,不构成原电池,A错误;两电极的活动性不同,Fe在电解质溶液中发生反应,两电极相互接触,构成闭合回路,故构成原电池,B正确;两电极均不和电解质溶液反应,不构成原电池,C错误;Fe可以和电解质溶液发生反应,但两个烧杯并没有构成闭合回路,不构成原电池,D错误。] 2.D　[电流是由正极流向负极的,由图可知,a为原电池的正极,A正确;b是负极,电子由负极流出,B正确;a是正极,阳离子移向正极,故C正确;b是负极,负极发生氧化反应,故D错误。] 3.B　[在该原电池中,Zn比Cu活泼,故Zn做负极,Cu做正极,负极反应为Zn-2e-Zn2+,正极反应为2H++2e-H2↑,故①④错误,②③正确。] 二、2.(1)②锌　锌　碳棒　氯化铵、氯化锌　(3)②2H2-4e-+4OH-4H2O　O2+4e-+2H2O4OH-　2H2+O22H2O 对点训练 1.C　[由电池反应式Zn+Cu2+Zn2++Cu知,锌失电子发生氧化反应,失电子的物质在负极上发生氧化反应,所以锌作负极;不如锌活泼的金属或导电的非金属作正极,可用铜作正极;正极上铜离子得电子发生还原反应,所以电解质溶液中应含有铜离子,可用含铜离子的盐溶液作电解质溶液。] 2.A　[①Y与M用导线连接放入稀硫酸中,M上冒气泡,说明M作为原电池的正极,活动性:M<Y;②M、N为电极,与N的盐溶液组成原电池,电子从M极流出,经过外电路,流入N极,电子经外电路从负极流向正极,故M极为负极,活动性:M>N;③Z+2H2O(冷水)Z(OH)2+H2↑,说明Z的化学性质非常活泼;④水溶液中,X+Y2+X2++Y,X可以置换出Y的盐溶液中的Y,活动性:X>Y。综上可知,五种金属活动性由强到弱的顺序为Z>X>Y>M>N,故选A。] 3.D　[干电池属于一次电池,铅蓄电池属于二次电池,氢氧燃料电池属于燃料电池,A错误;在干电池中,Zn作负极,石墨电极为正极,氢离子向正极石墨电极移动,B错误;铅蓄电池的负极反应式为Pb+S-2e-PbSO4,则每通过2 mol 电子时,该极质量应该增加而非减少,C错误;酸性氢氧燃料电池的正极反应式为O2 +4H++4e-2H2O,D正确。] 课堂达标训练 1.B　[A项,两电极材料相同且和稀硫酸都不反应;C项,未形成闭合回路;D项,无水乙醇为非电解质,无自由移动的阴、阳离子,无法形成离子导体。] 2.C　[a电极通入氢气,是负极,电极上发生氧化反应,故A正确;负极反应为2H2-4e-+4OH-4H2O,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-,电池总反应为2H2+O22H2O,故B正确、C不正确;氢氧燃料电池的产物是水,无污染,是一种具有应用前景的绿色电源,故D正确。] 3.B　[Al的金属性比Cu活泼,在电解质溶液稀H2SO4的作用下形成原电池,Al为负极,发生Al-3e-Al3+;Cu为正极,发生2H++2e-H2↑。] 4.C　[该实验所用的装置为原电池装置,故可实现化学能向电能的转化,A正确;该实验所用装置中,由于Zn比铜活泼,故负极的材料为锌片,B正确;实验①和③除了水果的种类不同之外,电极间的距离也不同,故不能得出水果种类对电池电流的大小有影响,实验②和③才能得出此结论,C错误;实验①和②研究电极间距对电池电流的影响,实验②和③研究水果种类对电池电流的影响,D正确。] 5.Ⅰ .(1)BD　BC　(2)B　Ⅱ.(3)2F Cu-2e-C 解析　Ⅰ.(1)当开关K断开时铁片直接与稀硫酸反应,所以可以看到b不断溶解,并且b上产生气泡,所以选B、D;当开关K闭合时,形成原电池,铁片作为负极被氧化成亚铁离子,铜片为正极,氢离子在铜片上被还原成氢气,所以可以看到b不断溶解,a上产生气泡,所以选B、C。(2)当开关K闭合时,形成原电池,铁片作为负极:Fe-2e-F,铜片为正极:2H++2e-H2↑;则反应过程中溶液中氢离子浓度减小,故A正确;原电池中阴离子向负极移动,所以负极附近硫酸根浓度增大,正极减小,故B错误;电池的总反应为Fe+H2SO4FeSO4+H2↑,所以溶液中含有FeSO4,故C正确;根据总反应可知反应过程中不产生也不消耗S,所以S浓度基本不变,故D正确。Ⅱ.(3)铁离子与铜单质反应的离子方程式为2F;根据总反应可知铜为负极,电极反应式为Cu-2e-C;F在正极反应,正极反应式为2F。 学科网（北京）股份有限公司 $$