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(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中化学必修第二册（鲁科版2019）

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池 [素养目标]　1.掌握原电池的构成和工作原理。2.了解常见的化学电源。3.了解化学能与电能的相互转化及化学反应的其他应用。 知识点一　原电池的构成与工作原理 1．原电池的构造 (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。 (3)原电池的构造(以氢氧燃料电池为例)： 2．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。 1．在氢氧燃料电池形成过程中电解质溶液和导线的作用相同吗？ 提示　不同。电解质溶液用于传导离子，属于离子导体；导线的作用用于传导电子，属于电子导体。 2．学习了原电池后，学习兴趣小组的同学设计了以下4个装置，其中能构成原电池的是(连接两个电极的均是金属导线)哪些？若不能，原因是什么？ 提示　A．不能，两极材料相同。B.不能，无电解质溶液。C.不能，没有构成闭合回路。D.能。 3．原电池的工作原理。 下面为铜、锌的原电池的装置图： 回答下列问题： (1)分析电极名称和溶液中的离子移动方向。 (2)写出锌铜电极上发生的电极反应及类型。 (3)原电池工作时怎样形成“闭合回路”？ (4)原电池工作时，负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系？为什么？ 提示　(1)锌为负极，铜为正极，稀硫酸作为电解质溶液，在溶液中H＋移向铜电极，而SO移向锌电极。 (2)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＋，铜电极为电源的正极，H＋在铜电极上得到电子发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。 (3)原电池在工作时，带电粒子是按照一定的规律，沿一定的方向运动的。应当从两方面掌握，一是溶液中的阴离子向负极方向运动，而带电的阳离子向正极方向运动。二是导线上的电子从负极流向正极，电流从正极流向负极。 (4)相等。原电池中，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，根据氧化还原反应中得失电子守恒规律知，正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。 【归纳提升】 1．“四看”原电池的构成条件 (1)看本质——有自发进行的氧化还原反应发生。 (2)看电极——两极为导体，且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般都为惰性电极)。 (3)看溶液——两极插入电解质溶液中(或熔融电解质)。 (4)看回路——形成闭合回路。 2．原理(以铜锌原电池为例) 3．正负极的判断 (1)通常是能自发进行的氧化还原反应才能组成原电池。 (2)形成闭合回路的方式有多种，可以用导线连接两个电极构成闭合回路，也可以让两个电极相接触构成闭合回路。 (3)在原电池中，电子在导线中定向移动(由负极流出，流入正极)，离子在溶液中定向移动(阳离子移向正极，阴离子移向负极)，即“电子不下水，离子不上岸”或“电子走陆路，离子走水路”，它们共同组成了一个完整的闭合回路。 (4)很活泼的金属单质一般不作原电池的负极，如K、Na、Ca等，因为它们与水剧烈反应。 (5)非电解质溶液不能形成原电池。 (6)燃料电池正、负极的判断 对于燃料电池而言，电极为惰性材料(Pt、C)，电极本身不反应，只起传导电子的作用，故可根据向两极通入的物质来判断两极的正、负。燃料电池的负极通入的一定是燃料，即还原剂(如可燃性气体)；正极通入的一定是氧化剂(如助燃性气体)。　 题组一　原电池的构成条件 1．(2023·怀仁月考)下列反应从原理上不可以设计成原电池的是(　　) ①CaO＋H2O===Ca(OH)2　②NaOH＋HCl===NaCl＋H2O　③2H2O===2H2＋O2　④2CO＋O2===2CO2 A．①②　　　　　　　 B．①②③ C．①②④ D．②③④ 解析　能作为原电池的反应必须为能自发进行的氧化还原反应，①、②不是氧化还原反应，不能设计成原电池；③不能自发进行，不能设计成原电池；④为能自发进行的氧化还原反应，能设计成原电池，B正确。 答案　B 2．(2023·廊坊联考)在如图所示的8个装置中，属于原电池的是(　　) A．②⑥⑦　　　 B.③④⑤ C．④⑧ D．②③④⑥⑦ 解析　由原电池的构成条件及题图可知：①中只有1个电极，不能构成原电池；⑤中酒精为非电解质，不能构成原电池；⑧中没有形成闭合回路，不能构成原电池。只有②③④⑥⑦符合原电池的构成条件，能形成原电池。 答案　D 题组二　原电池的工作原理 3．有关原电池的下列说法中，正确的是(　　) A．在外电路中电子由正极流向负极 B．在原电池中负极发生还原反应 C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动 D．原电池中正极一定是不活泼金属 解析　在原电池外电路中，电子从负极流向正极，A错误；原电池中负极发生氧化反应，B错误；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，C正确；原电池中一般正极金属比负极金属活泼性差，但不一定是不活泼金属，D错误。 答案　C 4．(2024·济宁兖州区高一期中)将纯锌棒和铜棒插入稀硫酸中(如图1)，下列说法正确的是(　　) 　　　　 A．无论K是否闭合，都存在化学能转化为电能 B．无论K是否闭合，在相同时间内，溶液上升的温度相同 C．无论K是否闭合，图1装置中反应的能量变化如图2所示 D．当K闭合时，每当溶解32.5 g Zn，铜棒处会得到11.2 L氢气 解析　当K闭合时该装置为原电池，锌比铜活泼，Zn做负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Cu做正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，据此作答。只有当K闭合，形成闭合回路，才能形成原电池，存在化学能转化为电能，A项错误；当K断开时，Zn与稀硫酸发生置换反应，产生氢气，为放热反应，但K闭合，形成原电池，反应速率更快，相同时间下，溶液上升的温度不同，B项错误；由于没有指出气体所处状态，无法计算生成气体的物质的量，D项错误。 答案　C 5．(2023·郑州检测)如图所示为氢氧燃料电池工作原理示意图。下列叙述错误的是(　　) A．M处通入氢气，a极是电池的正极 B．该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O C．N处通入氧气，在b极上发生还原反应 D．该电池产物为水，属于环境友好型的绿色电源 解析　电子由负极流向正极，故a极是电池的负极，M处通入氢气，A错误；氢氧燃料电池总反应式与氢气燃烧方程式相同，则电池总反应式为2H2＋O2===2H2O，B正确；b极为正极，N处通入氧气，在b极上发生还原反应，C正确；该电池产物为水，属于环境友好型的绿色电源，D正确。 答案　A 知识点二　原电池原理的应用 1．设计原电池 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)，氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。 2．制造多种化学电源 干电池、充电电池和新型燃料电池均是根据原电池的原理设计而成的。 3．加快氧化还原反应的速率 实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制H2，常用粗锌，它产生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，使产生H2的速率加快。 4．比较金属的活动性 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，根据电极现象判断出A是负极，B是正极；通常情况下，由原电池原理可知，金属活动性：A＞B。 1．氧化还原反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑设计成原电池时，负极材料是什么？发生的电极反应是什么？正极材料如何选择？发生的电极反应是什么？ 提示　负极材料为金属锌；负极的电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋；正极材料应选择不与正极反应物和离子导体发生反应且能导电的固体，如金属铜、石墨等；正极的电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑。 2.某科研小组设计如图装置研究铁的腐蚀，当关闭K时，铁片上产生气泡，一段时间后，取出干燥，称量其质量没有明显变化。当断开K时，铁片上也产生气泡，一段时间后，取出干燥，其质量减小。从中你得到什么启示？ 提示　为了防止金属被腐蚀，可以将该金属作为原电池的正极从而得到保护。 3．用等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液。 根据上述要求画出产生H2的体积(V)与时间(t)的关系。 提示　 【归纳提升】 1．设计原电池的基本思路 设计思路 实例 以自发进行的氧化还原反应为基础 Zn＋H2SO4=== ZnSO4＋H2↑ 把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应 氧化反应(负极)： Zn－2e－===Zn2＋ 还原反应(正极)： 2H＋＋2e－===H2↑ 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。正极材料必须比负极材料的活动性弱或选石墨作电极 负极：Zn 正极：Cu(活动性比Zn弱) 电解质溶液：稀硫酸 画出原电池的装置简图 2.电极反应式的书写 (1)负极反应式的书写 ①活泼金属作负极时，电极本身被氧化： a．若生成的阳离子不与电解质溶液反应，其产物可直接写为金属阳离子，如Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋。 b．若生成的金属阳离子与电解质溶液反应，其电极反应式为两反应合并后的反应式。如Mg­Al(KOH)原电池，负极反应式为Al－3e－＋4OH－===－。 ②负极本身不反应时，常见书写方法为 a．氢氧(酸性)燃料电池，负极反应式为H2－2e－===2H＋。 b．氢氧(碱性)燃料电池，负极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O。 (2)正极反应式的书写 ①首先根据化合价变化或氧化性强弱判断得电子的微粒； ②其次确定该微粒得电子后变成哪种形式。 如氢氧(酸性)燃料电池，正极反应式为 O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 氢氧(碱性)燃料电池，正极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 3．金属腐蚀的防护 在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，铁受到保护而不被腐蚀。 1．abcd四个金属电极，反应装置及反应现象见表，由此可判断四种金属的活动性顺序(　　) 实验装置 部分实验现象 a极质量减小，b极质量增加 b有气体产生，c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a极流向d极 A.a>b>c>d　　　 B.b>c>d>a C．d>a>b>c D．a>b>d>c 解析　a、b电极和硫酸铜溶液构成的原电池中，a极质量减小、b极质量增加，则a被氧化，金属活动性：a＞b；b、c没有闭合回路，不能构成原电池，b极有气体产生，c极无变化，说明b较活泼，则金属活动性：b＞c；c、d和稀硫酸构成的原电池中，d极溶解、c极有气体产生，则d发生氧化反应，金属活动性：d＞c；a、d和稀硫酸构成的原电池中，电流从a极流向d极，则a作正极、d作负极，金属活动性：d＞a。 答案　C 2．为保护地下钢管不受腐蚀，可采取的措施是(　　) A．与石墨棒相连 B．与铜板相连 C．埋在潮湿、疏松的土壤中 D．与锌板相连 解析　A项，石墨棒与铁构成原电池，铁活泼，失电子负极，被腐蚀，B项，铜板与铁构成原电池，铁比铜活泼，失电子作负极，被腐蚀；C项，在潮湿、疏松的土壤中，铁与土壤中的碳、水、空气构成原电池，铁失电子作负极，被腐蚀，D项，锌板与铁构成原电池，锌比铁活泼，锌失电子负极，锌被腐蚀，铁被保护。 答案　D 3．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性Cu2＋强。 (1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：___________________________。 (2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是： ①负极：________________________________________________________________。 ②正极：________________________________________________________________。 答案　(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ (2)①Cu－2e－===Cu2＋　②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ 1．下列可设计成原电池的化学反应是(　　) A．H2O(l)＋CaO(s)===Ca(OH)2(s) B．Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3·H2O＋8H2O C．2KClO32KCl＋3O2↑ D．CH4(g)＋2O2(g)CO2(g)＋2H2O(l) 答案　D 2．原电池要有特定的装置。下列装置中能构成原电池的是(　　) 　　　　　　 　A　　　　　　　　　　　B 　　　　　　 　 C　　　　　　　　　　　D 解析　该装置中，虽然有用导线连接的两个活动性不同的电极，但酒精为非电解质，不能传导电流，A不符合题意；该装置中，虽然有两个用导线连接的活动性不同的电极，且与电解质溶液相接触，但不能形成闭合回路，不能形成原电池，B不符合题意；两个电极都为Zn，活动性相同，不能发生电子转移，不能形成原电池，C不符合题意；该装置中，虽然两个活动性不同的电极放在两个烧杯内的稀硫酸溶液中，但两烧杯内的溶液用盐桥相连，能形成闭合回路，所以能形成原电池，D符合题意。 答案　D 3．某原电池总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，则该反应的原电池组成正确的是(　　) 选项 A B C D 正极 Zn Cu Ag Cu 负极 Cu Zn Cu Fe 电解质溶液 CuCl2 CuSO4 H2SO4 ZnCl2 解析　根据原电池中发生的化学反应，负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B符合题意。 答案　B 4．(2024·聊城一中高一期中)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述中正确的是(　　) A．锌电极上发生还原反应 B．电子由锌电极经导线、铜、电解质溶液又回到锌电极，形成闭合回路 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，保持溶液中电荷平衡 解析　锌铜原电池，锌作负极，发生反应：Zn－2e－===Zn2＋，铜作正极，发生电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu。据此分析作答。原电池中锌做负极，发生氧化反应，A错误；锌作负极，失电子，铜作正极，得电子，所以电子由锌电极经导线流到铜电极，电子转移不经过电解质溶液，电解质溶液中是离子的定向移动，从而形成闭合回路，B错误；乙池中铜离子反应生成铜单质析出，甲池中的锌离子通过交换膜进入乙池，所以乙池中总质量增加，C正确；因为是阳离子交换膜，只能通过阳离子，不能通过阴离子，D错误。 答案　C 5．(1)如图所示在银圈和铁圈(用细塑料棒连接)的连接处吊着一个绝缘的细丝，使之平衡，然后小心地在烧杯中央滴入CuSO4溶液。 ①片刻后可观察到的现象是____________________________________________； ②产生上述现象的原因是_______________________________________________。 (2)将(1)中细塑料棒取下，使两环靠在一起，连接处吊着一个绝缘的细丝，调整圈的大小，使之平衡，然后小心地在烧杯中央滴入CuSO4溶液。 ①片刻后可观察到的现象是_______________________________________________； ②其原因是_____________________________________________________________。 (3)在下列方框内绘出以Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋为原理的原电池，并注明两极、电解质溶液及电子的流向。 解析　(1)铁圈与CuSO4溶液置换出铜并存于铁圈上，每溶解56 g铁，则析出64 g铜，铁圈质量增加，而银圈不反应，质量不变，故可观察到铁圈下沉，银圈上浮。 (2)二者连接形成原电池，铁为负极溶解，质量减小，Ag上析出铜，质量增加，则铁圈上浮，银圈下沉。 (3)以铁作负极、Ag或C作正极，含Cu2＋的可溶性盐作电解质溶液。 答案　(1)①铁圈下沉，银圈上浮 ②Fe与CuSO4反应析出铜，使铁圈的质量增加，而银圈质量不变 (2)①铁圈上浮，银圈下沉 ②铁、银与CuSO4溶液形成原电池，铁为负极溶解，质量减小，Ag为正极，析出铜，质量增加 (3) 学科网（北京）股份有限公司 $$