专题6 第3单元 第1课时 化学能转化为电能-【金版教程】2024-2025学年高中化学必修第二册创新导学案word（苏教版2019）

第三单元　化学能与电能的转化 第一课时　化学能转化为电能 　1．通过实验探究认识化学能与电能之间转化的实质。2．从氧化还原反应的角度理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正、负极。3．能运用原电池原理解释钢铁的电化学腐蚀现象。 1．原电池的定义 将化学能转变为电能的装置称为原电池。 2．工作原理(以锌－铜－稀硫酸原电池为例) (1)负极：失去电子，发生氧化反应，电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋。 正极：得到电子，发生还原反应，电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑。 电池总反应：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。 (2)电子流向和电流方向：在外电路中，电子从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。 (3)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。 3．钢铁的电化学腐蚀 　判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)原电池是一种化学能转化为电能的装置。(　　) (2)负极发生还原反应。(　　) (3)正极是电子流出极。(　　) (4)用导线连接的铜片和锌片插入稀硫酸中，锌片上有大量气泡产生。(　　) (5)HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，能设计成原电池。(　　) 答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)× 解析：(5)中和反应为非氧化还原反应，不能设计成原电池。 将钢铁制品与水和氧气隔绝，就可以阻止钢铁锈蚀。因此，防止铁生锈最简单的方法是保持钢铁制品表面光洁干燥。防止钢铁生锈的方法还有很多，如在钢铁表面形成保护层、制成不锈钢、利用电化学知识防腐蚀等。 [问题探究] 1．钢铁制品在潮湿空气中易生锈的原理是什么？ 提示：发生了原电池反应。 2．锌与稀硫酸反应时，若滴几滴硫酸铜溶液，反应速率会加快，试分析其原因。 提示：滴加硫酸铜溶液后，会有少量锌与硫酸 铜反应置换出铜，生成的铜、锌分别作为原电池的两个电极而形成原电池，从而加快锌与稀硫酸的反应。 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，负极失电子化合价升高，所以铜作负极，再找活动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，所以用硝酸银溶液作电解质溶液。装置如图所示。 知识点一　原电池原理及正、负极判断 1．原电池原理的实验探究 实验装置 实验现象 实验结论 锌片：逐渐溶解，表面有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 锌片：逐渐溶解，表面有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 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 锌片：逐渐溶解 铜片：表面有气泡产生 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 2．原电池的构成条件 (1)具有不同活动性的两种电极材料(金属和金属或金属和能导电的非金属)。 (2)电解质溶液(或熔融状态的电解质)。 (3)“两极”“一液”形成闭合回路。 (4)能自发进行的氧化还原反应。 [注意]　(1)在原电池中，电子在导线中定向移动，离子在溶液中定向移动，即“电子不下水，离子不上岸”，它们共同组成了一个完整的闭合回路。 (2)当有以水为溶剂的电解质溶液存在时，很活泼的金属单质不能用作原电池的负极，如K、Na、Ca等，因为它们与水反应剧烈。 (3)非电解质溶液不能参与形成原电池。 3．原电池正、负极的判断方法 1．下列关于原电池的叙述正确的是(　　) A．负极发生的电极反应是还原反应 B．能将化学能转化为电能 C．工作时其正极上不断产生电子并经外电路流向负极 D．电极只能由两种不同的金属构成 答案：B 2．某兴趣小组设计如图所示装置进行原电池原理的探究，下列叙述错误的是(　　) A．a和b用导线连接时，电子由Zn经导线流向Cu，再经稀硫酸流回Zn B．a和b用导线连接时铜片为正极，发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑ C．a和b不连接时，锌片上有气体生成，该装置不能形成原电池 D．无论a和b是否连接，稀硫酸均参与反应 答案：A 解析：a和b用导线连接时，构成原电池，电子由Zn经导线流向Cu，电子不会通过溶液传递，A错误。 知识点二　钢铁的电化学腐蚀 1．金属腐蚀的本质 金属原子失去电子变为金属阳离子，金属发生氧化反应。 2．金属腐蚀的类型 类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属与非金属单质或非电解质液体直接接触 不纯金属或合金与电解质溶液接触 现象 无电流产生 有微弱电流产生 本质 金属被氧化 较活泼金属被氧化 两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍 3．析氢腐蚀与吸氧腐蚀 分类 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 形成条件 水膜酸性较强 水膜呈碱性、弱酸性或中性 电极反应 负极 Fe－2e－===Fe2＋ 2Fe－4e－===2Fe2＋ 正极 2H＋＋2e－===H2↑ 2H2O＋O2＋4e－===4OH－ 总反应 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ 2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2 腐蚀速率 一般较快 一般较慢 3．在钢铁腐蚀过程中，下列五种变化可能发生的是(　　) ①Fe(OH)2转化为Fe(OH)3　②O2被还原　③产生H2　④Fe(OH)3脱水形成Fe2O3·xH2O ⑤杂质碳被氧化 A．只有①② B．只有②③④ C．①②③④ D．①②③④⑤ 答案：C 解析：在钢铁腐蚀过程中，负极Fe－2e－===Fe2＋，正极O2或H＋得电子，Fe2＋与OH－结合生成Fe(OH)2，Fe(OH)2被氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱水形成铁锈。 4．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为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2，Fe(OH)2进一步被氧气氧化为Fe(OH)3，再在一定条件下脱水生成铁锈，其原理如图。下列说法正确的是(　　) A．铁片发生还原反应而被腐蚀 B．铁锈的主要成分是Fe2O3 C．铁片腐蚀过程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 答案：D 解析：铁在负极区失去电子被氧化为Fe2＋，氧气在正极区得到电子被还原为OH－，OH－与Fe2＋生成Fe(OH)2，进一步被氧化为Fe(OH)3，再脱水生成铁锈，铁锈的主要成分为Fe2O3·xH2O，A、B错误；负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，C错误。 知识点三　原电池原理的应用 1．加快化学反应速率 (1)分析：构成原电池，加快了化学反应速率。 (2)实例：实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制H2，使用粗锌产生H2的速率快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸(或稀盐酸)形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。 2．比较金属的活动性强弱 (1)分析：原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。 (2)实例：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．金属材料的防护 (1)分析：将被保护金属设计成原电池的正极。 (2)实例：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，这样构成原电池，Zn为负极，Fe为正极，从而防止铁被腐蚀。 4．制作化学电源——设计原电池 (1)分析：①首先将已知氧化还原反应拆分为两个电极反应式。 氧化反应：还原剂－ne－===氧化产物(负极反应式)； 还原反应：氧化剂＋ne－===还原产物(正极反应式)； 正极反应式＋负极反应式===电池的总反应式。 ②根据原电池的反应特点，结合两极反应式找出正、负极材料及电解质溶液。 a．电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生氧化还原反应。 b．电极材料的选择：电极材料必须导电。在原电池中，一般选择活动性较强的金属作为负极，活动性较弱的金属或能导电的惰性材料作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化，氧化性物质在正极上得到电子被还原。 (2)实例：利用氧化还原反应Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu设计成如图所示的原电池。 ①该原电池的电极反应如下： 负极(Zn)：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)； 正极(Cu)：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)。 ②装置： 5．把a、b、c、d四块金属浸入稀硫酸中，用导线两两相连形成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c上有大量气泡产生；b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序为(　　) A．a>b>c>d B．a>c>d>b C．c>a>b>d D．b>d>c>a 答案：B 解析：在原电池中，一般较活泼的金属电极会溶解，较不活泼的金属电极上会有固体析出或产生气体，电子从负极流向正极，电流从正极流向负极。a、b相连时，a为负极，说明活动性：a>b；c、d相连时，电流由d到c，说明活动性：c>d；a、c相连时，c上有大量气泡产生，说明活动性：a>c；b、d相连时，b上有大量气泡产生，说明活动性：d>b。 6．某原电池中发生的离子方程式是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 答案：C 解析：将Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu拆成两个半反应： 氧化反应(负极反应)：Zn－2e－===Zn2＋。 还原反应(正极反应)：Cu2＋＋2e－===Cu。 则电池的负极是Zn，正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属，电解质溶液中含Cu2＋。 本课总结 自我反思：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 随堂提升 1．钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，下列说法正确的是(　　) A．负极发生反应：Fe－3e－===Fe3＋ B．正极发生反应：2H2O＋O2＋2e－===4OH－ C．发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2 D．钢柱在水下的部分比在空气与水交界处的部分更容易被腐蚀 答案：C 解析：由原电池原理可知负极上发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋，A错误；正极上发生的反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，B错误；在空气与水交界处O2浓度大，钢柱更容易被腐蚀，D错误。 2．下列关于实验现象的描述不正确的是(　　) A．铜、锌组成的原电池中，电子从锌极经过导线流向铜极 B．把铜片和锌片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡 C．把铜片插入FeCl3溶液中，在铜片表面出现一层铁 D．将铜片和铁片用导线相连浸入硫酸铜溶液中，一段时间后，铁片质量减轻，铜片质量增加 答案：C 解析：把铜片插入FeCl3溶液中，Cu和FeCl3反应生成CuCl2和FeCl2，故C错误。 3．某化学兴趣小组利用反应：Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是(　　) A．Zn为负极，发生还原反应 B．b电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ C．电子流动方向是a电极→FeCl3溶液→b电极 D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜电极 答案：D 解析：根据Cl－的移动方向可知，b电极为负极，a电极为正极，根据电池总反应可知，Zn发生失电子的氧化反应，即b电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，A、B错误；电子流动方向是b电极→导线→a电极，C错误；正极材料的活动性应比负极材料弱，D正确。 4．金属a、b在金属活动性顺序中均位于氢的前面，a还可以从b的硝酸盐溶液中置换出b。将a、b用导线相连放入CuSO4溶液中，下列叙述不正确的是(　　) A．导线中有电流，电流由b流向a B．a的质量减小，b的质量增大 C．b上有氢气产生 D．a上发生氧化反应，b上发生还原反应 答案：C 解析：由题意可知，a、b、Cu的金属活动性由强到弱的顺序为a>b>Cu，则a、b及CuSO4溶液构成的原电池中，a作负极，b作正极。电子由a经过导线流向b，电流由b流向a。a失去电子，发生氧化反应，质量减小，溶液中的Cu2＋在b上得到电子，发生还原反应析出Cu，从而使b的质量增大，b上不会产生H2。 5．(2024·广东省南阳中学高一下学期月考)铜片、锌片和稀硫酸组成的铜锌原电池，工作一段时间后，铜片上有2．24 L气体(标准状况)放出，下列说法中正确的是(　　) A．外电路中转移电子0．2 mol B．铜为负极，有12．8 g铜溶解 C．锌为正极，有6．5 g锌溶解 D．反应过程中消耗0．4 mol氢离子 答案：A 解析：铜片、锌片和稀硫酸组成的铜锌原电池，其中锌较活泼，失去电子，发生氧化反应，作负极，则铜作正极，B、C错误；负极：Zn－2e－===Zn2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑，由正、负极得失电子守恒可得关系式：Zn～2e－～2H＋～H2，当产生2．24 L氢气(物质的量为0．1 mol)时，需要0．2 mol氢离子，有0．2 mol电子转移，A正确，D错误。 课时分层练 题号 1 2 3 4 5 6 7 难度 ★ ★ ★ ★ ★ ★★ ★★ 对点 原电池的概念和工作原理 原电池的形成条件 原电池的工作原理 原电池的工作原理 原电池工作原理的应用 原电池的工作原理、形成条件 原电池的工作原理 题号 8 9 10 11 12 13 难度 ★★ ★ ★★ ★★★ ★★ ★★★ 对点 原电池的原理、形成条件、金属腐蚀 原电池的工作原理 Cu­Zn原电池的相关考查 原电池的原理及相关计算 原电池的设计 原电池的工作原理、形成条件 [学习·理解] 1．下列有关原电池的说法正确的是(　　) A．电极一定要由两种不同的金属组成 B．电子流出的一极是正极 C．两极均发生氧化还原反应 D．将化学能转化为电能的装置 答案：D 解析：在原电池中电极既可以是金属，也可以是能导电的非金属或其他能导电的物质(如PbO2)，A错误；电子由负极经导线流向正极，所以电子流出的一极是负极，B错误；在原电池中负极发生氧化反应，正极发生还原反应，C错误。 2．下面四个化学反应理论上不可用于设计原电池的是(　　) A．2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑ B．2H2＋O22H2O C．Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2＋2NH3↑ D．CH4＋2O2CO2＋2H2O 答案：C 解析：只有属于氧化还原反应，才能用于设计原电池；C不属于氧化还原反应，不能设计成原电池。 3．人造地球卫星用到的一种高能电池——银锌蓄电池，其电池的电极反应式分别为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。据此判断氧化银是(　　) A．负极，被氧化 B．正极，被还原 C．负极，被还原 D．正极，被氧化 答案：B 4．如图所示装置，下列有关该装置反应开始时的叙述正确的是(　　) A．锌极附近滴入酚酞试液，溶液呈红色 B．铁极发生的电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－ C．铁极发生电化学腐蚀生成铁锈 D．溶液中的OH－向铁极移动 答案：B 5．X、Y、Z都是金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为(　　) A．X>Y>Z B．X>Z>Y C．Y>X>Z D．Y>Z>X 答案：C 6．(2024·广东省南阳中学高一下学期月考)利用金属镁和铝设计成如图所示的原电池。下列说法正确的是(　　) A．铝作该原电池的负极 B．溶液中H＋向Mg电极移动 C．若将稀H2SO4换成乙醇，则电流表的指针也能偏转 D．若将稀H2SO4换成NaOH溶液，则Al电极发生的电极反应为Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O 答案：D 解析：镁作负极，A错误；H＋向正极移动，即向Al电极移动，B错误；若将稀H2SO4换成乙醇，乙醇不能导电，则电流表的指针不能偏转，C错误。 7．在如图所示装置中，观察到电流计指针发生偏转，M棒变粗，N棒变细，P为电解质溶液。由此判断下列M、N、P所代表的物质可以成立的是(　　) 选项 M N P A 锌 铜 稀硫酸 B 铜 铁 稀盐酸 C 银 锌 硝酸银溶液 D 铜 铁 硝酸铁溶液 答案：C 解析：经分析可知该装置是原电池，其中M棒有金属单质析出，作正极，N棒失电子溶解作负极。锌、铜、稀硫酸构成原电池，则锌是负极，M棒变细，A不成立；铁、铜、稀盐酸构成原电池，M棒上无金属单质析出，B不成立；铜、铁、硝酸铁溶液构成原电池，铜作正极，在铜电极上铁离子得到电子转化为亚铁离子，M棒上不能析出金属，D不成立。 8．A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸。 (1)A中反应的离子方程式为________________________________。 (2)B中锡极为____极，电极反应式为__________________________，锡极附近溶液的酸性________(填“增强”“减弱”或“不变”)。 (3)C中被腐蚀的金属是________，总反应的化学方程式为____________________________。 (4)A、B、C中铁被腐蚀由快到慢的顺序是____________。 答案：(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ (2)正　2H＋＋2e－===H2↑　减弱 (3)Zn　Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑ (4)B>A>C 解析：A中不能形成原电池，铁与稀硫酸发生置换反应。B中能形成原电池，铁比锡活泼，锡为正极，铁为负极，铁被腐蚀的速率加快。C中能形成原电池，锌比铁活泼，锌为负极，不断被腐蚀，铁为正极，被保护。 [应用·实践] 9．如图所示，电流计的指针发生偏转，同时A极的质量减小，B极上有气泡产生，C为电解质溶液，下列说法错误的是(　　) A．B极为原电池的正极 B．A、B、C分别可能为Zn、Cu和稀盐酸 C．C中阳离子向A极移动 D．A极发生氧化反应 　答案：C 解析：原电池中，负极金属失去电子，发生氧化反应而溶解，质量减小，故A极为负极，B极为正极，A、D正确；A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时，可以构成原电池，且现象与题述现象一致，B正确；电解质溶液中阳离子移向正极，C错误。 10．如图将锌片和铜片用导线连接后放入稀硫酸中，发生原电池反应，下列叙述错误的是(　　) A．溶液的pH增大 B．溶液中的Zn2＋浓度增大 C．溶液中的SO浓度增大 D．溶液的密度增大 答案：C 解析：A项，氢离子浓度降低，溶液的pH增大，正确；B项，锌不断溶解，溶液中的Zn2＋浓度增大，正确；C项，由于在反应过程中溶液中SO没有参加反应，所以溶液中c(SO)不变，错误；D项，原电池放电时，溶液由硫酸溶液逐渐变成硫酸锌溶液，溶液质量增大，所以溶液的密度增大，正确。 11．质量相同的铁棒、碳棒和足量CuCl2溶液组成的装置如图所示，下列说法正确的是(　　) A．闭合K，电子通过CuCl2溶液移到碳棒上 B．闭合K，铁棒表面发生的电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu C．闭合K，转移0．2 mol电子时，理论上碳棒与铁棒的质量差为24 g D．打开K与闭合K时发生的总反应相同 答案：D 解析：闭合K，该装置构成原电池，Fe作负极，C作正极，电子由铁棒通过导线到达正极碳棒上，故A错误；闭合K，铁棒表面发生的电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，故B错误；闭合K，该装置为原电池，当电路中转移0．2 mol电子时，正极析出铜的物质的量n(Cu)＝＝0．1 mol，m(Cu)＝0．1 mol×64 g·mol－1＝6．4 g，Fe电极溶解的质量为56 g·mol－1×0．1 mol＝5．6 g，理论上碳棒与铁棒质量差为6．4 g＋5．6 g＝12 g，故C错误；打开K，反应为CuCl2＋Fe===Cu＋FeCl2，闭合K时该装置为原电池，电池的总反应为CuCl2＋Fe===Cu＋FeCl2，发生的总反应相同，故D正确。 12．利用生活中或实验室中的常用物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计一个原电池。请填写下列空白： (1)实验原理：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。 (2)实验用品：电极(________、________)、稀硫酸、________、________、耳机。 (3)按如图所示装置连接好实验仪器，该原电池中，Fe在____极发生________反应；H＋在____极发生________反应。 答案：(2)铁钉(或铁片等)　铜钉(或其他的惰性电极，如铅笔芯等)　烧杯　导线　 (3)负　氧化　正　还原 [创新·提高] 13．(1)如图所示，将Mg、Al和电解质溶液组成一种原电池。试回答下列问题： ①若电解质溶液为稀硫酸，则正极为________，电极反应式为__________________________。负极是________，电极反应式为__________________。 ②若电解质溶液为NaOH溶液，则正极为________。 (2)若将铝片与铜片用导线连接后，插入稀硝酸的烧杯中，负极为________，若将铝片与铜片用导线连接后，插入浓硝酸的烧杯中。下列叙述正确的是________(填字母)。 A．Al比Cu活泼，Al为负极，Cu极上析出NO2 B．Cu为负极，Al为正极，Al极上析出Cu C．Cu为负极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋ D．Al为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑ 答案：(1)①Al　2H＋＋2e－===H2↑　Mg　Mg－2e－===Mg2＋　②Mg　(2)Al　C 解析：(1)电解质溶液为稀硫酸时，镁、铝都能与稀硫酸反应，但由于镁的金属活动性比铝强，所以镁为原电池的负极，电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，铝为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。当电解质溶液为NaOH溶液时，由于铝能与NaOH溶液反应，而镁不与NaOH溶液反应，所以镁为原电池的正极。 (2)Al和Cu都与稀硝酸反应，但Al的金属活动性比Cu强，所以负极为Al。Al在浓硝酸中发生钝化，Cu在浓硝酸中发生反应，被氧化，Cu是原电池的负极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，Al是原电池的正极，电极反应式为2H＋＋NO＋e－===NO2↑＋H2O。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$