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）-【优化指导】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 课程标准要求 学业质量水平 1.以原电池为例认识化学能可以转化为电能。 2．能举出化学能转化为电能的实例，能辨识简单原电池的构成要素。 3．能从氧化还原反应的角度分析简单原电池的工作原理。 4．知道原电池原理的基本应用，了解常见化学电源的类型。 5．能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。 1.能辨识化学电池，知道化学电池可以实现化学能到电能的转化。(水平1) 2．能分析化学电池的结构和工作原理。(水平2) 3．能说明化学电池在生产和生活中的重要作用。(水平3) [对应学生用书P61] 一、原电池的构成及其工作原理 1．原电池：是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．实验探究——氢氧燃料电池 实验装置 实验现象 电流表指针发生明显偏转 发生反应 2H2＋O2===2H2O 能量转化 化学能转化为电能 理论解释 H2具有还原性，O2具有氧化性，H2在石墨电极A上失去电子发生氧化反应形成H＋，电子沿导线转移到石墨电极B，H＋经稀硫酸转移到右侧区域，O2在石墨电极B上得到电子发生还原反应并与H＋结合成H2O，通过电子在导线中定向移动和离子在电解质溶液中的定向移动，进而在闭合回路中形成电流 3.构成及作用 构成 作用 得失电子能力不同的两电极反应物 形成电势差 两个电极 反应介质 导线 传导电子 电解质溶液 传导电荷 闭合回路 形成电流 4.工作原理 原电池反应的还原剂在负极发生氧化反应，氧化剂在正极发生还原反应，外电路电子从负极流出，经导线流向正极，内电路阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，在闭合回路中形成电流。 二、简单原电池的设计 1．设计思路 (1)基本思路 (2)具体流程 2．实验探究——根据还原反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑设计原电池装置 设计思路 用品选择 选择依据 实验装置 实验 现象 确定 负极 负极 反应物　 锌片 与H＋反应失去电子 稀硫酸 锌片逐渐溶解，铜片上有大量无色气泡产生并逸出，电流表指针发生偏转 负极材料 锌片 导电固体 确定 正极 正极 反应物　 稀硫酸或稀盐酸 电离产生的H＋得到电子 正极 材料 铜片或石墨棒 不与稀硫酸和稀盐酸反应，导电固体 构成 闭合 回路 离子 导体 稀硫酸或稀盐酸 能提供自由移动的离子，导电 电子 导体 导线 能传递自由电子，导电 三、常见的化学电源 1．锌锰干电池 锌筒是负极，碳棒是正极，在碳棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质，在使用过程中，锌逐渐被氧化消耗，电子由锌筒流向碳棒，二氧化锰不断被还原，电池电压逐渐降低，最后失效，这种电池内部的氧化还原反应无法逆向进行，放电之后不能充电，属于一次电池。 2．铅蓄电池 放电时PbO2是正极，发生还原反应，Pb是负极，发生氧化反应，稀硫酸是电解质；在充电时与放电时所进行的氧化还原反应是可逆的，可以实现放电与充电的循环，属于二次电池，又称充电电池。 3．燃料电池——以氢氧酸性燃料电池为例 燃料电池是通过燃料与氧气分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置，通入燃料的电极是负极，通入氧气的电极是正极。该类电池能量转化效率高，能长时间提供电能等优点。 1．巧判断(对的打“√”，错的打“×”) (1)原电池是一种将电能转化为化学能的装置(×) (2)铜片和锌片用导线连接插入稀硫酸中，锌片表面产生大量气泡(×) (3)原电池中负极一定参加化学反应(×) (4)原电池外电路中电子由负极流向正极，内电路中电子由正极流向负极(×) (5)原电池工作时，在负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应(√) (6)盐酸与NaOH溶液反应放出热量，故可利用此反应设计原电池(×) 2．(2020·江西南昌九江高一检测)下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，其中能构成原电池且在铜电极上能产生气体的是(　　) B　[A装置中，铜和银都不与稀硫酸反应，不能形成原电池；B装置能形成原电池，铜为正极，铜片上2H＋＋2e－===H2↑；C装置中，C与Cu都不与稀硫酸反应，不能形成原电池；D装置没有形成闭合回路，不能形成原电池。] 3．若将反应Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑设计成原电池，用稀H2SO4作电解质溶液，碳棒为原电池的某一电极材料，则碳棒为原电池的________极(填“正”或“负”)，该极上的现象为______________，另一电极材料为________，外电路中电子由________极(填“正”或“负”，下同)向________极移动，电解质溶液中H＋向________极移动，该电池工作一段时间，锌片的质量减少了3.25 g，碳棒表面析出了氢气________L(标准状况)，导线中通过________mol 电子。 答案　正　有气泡放出　锌　负　正　正　1.12　0.1 [对应学生用书P63] 学习任务一　原电池的工作原理及其正负极的判断方法 根据下列甲、乙两个原电池的结构，分析讨论回答下列问题： 1．甲电池中：(1)负极是_____，电极反应是______________，发生现象是_______________；正极是______，电极反应是__________________，发生现象是________________________________________________________________________。 (2)外电路中电子由_____流向_______，内电路中阳离子向____移动，阴离子向_______移动 (填“铜片”或“铁片”)。 提示　(1)铁比铜活泼，铁片容易失去电子发生氧化反应。铁片作负极，发生反应Fe－2e－===Fe2＋，铁片逐渐溶解；铜片作正极，发生反应2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，铜片没有明显变化。 (2)根据电流的流动方向可知，外电路中电子由铁片流向铜片，内电路中阳离子向铜片移动，阴离子向铁片移动。 2．乙电池中：(1)负极是_____，电极反应是______________，发生现象是_______________；正极是______，电极反应是______________，发生现象是_______________。 (2)外电路中电子由______流向______，内电路中阳离子向____移动，阴离子向____移动(填“铜片”或“石墨棒”)。 提示　(1)铜比石墨活泼，铜片容易失去电子发生氧化反应。铜片作负极，发生反应Cu－2e－===Cu2＋，铜片逐渐溶解；石墨棒作正极，发生反应2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，石墨棒没有明显变化。 (2)根据电流的流动方向可知，外电路中电子由铜片流向石墨棒，内电路中阳离子向石墨棒移动，阴离子向铜片移动。 1．原电池工作原理分析模型 2．原电池正、负极判断的“5种方法” 1．如图所示，两电极中一个为碳棒，一个为铁片，若电流计的指针发生偏转， 且a极上有大量气泡生成，则以下叙述正确的是(　　) 选项 a电极名称 a电极材料 烧杯溶液 A 负极 Fe 稀硫酸 B 负极 Fe 硫酸铜溶液 C 正极 碳棒 稀硫酸 D 正极 碳棒 硫酸铜溶液 C　[在如图所示的原电池中，两个电极分别为碳棒和铁片，电流计的指针发生偏转， a极上有大量气泡生成，说明电解质溶液为稀硫酸，则a电极发生还原反应2H＋＋2e－===H2↑，b电极发生氧化反应，故a为正极，是碳棒；b为负极，是铁片，C项正确。] 2．(2019·6月浙江学业水平测试，17)银锌纽扣电池的构造如图所示。其电池反应方程式为：Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2 下列说法正确的是(　　) A．锌粉为正极 B．Ag2O发生氧化反应 C．电池工作时，电子从锌粉经KOH溶液流向Ag2O D．正极的电极反应式为：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－ D　[原电池反应中正极发生还原反应，负极发生氧化反应，根据电池总反应可知，锌粉为负极，Ag2O为正极反应物，发生还原反应Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，A、B项错误，D项正确；电解质溶液只能传递离子而导电，不能传导电子，电子经外电路由负极流向正极，C项错误。] [思维模板]　分析原电池问题的思维流程 1．如图是铅蓄电池的结构示意图，电池反应的总方程式：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O，则原电池放电时负极反应物和正极反应物分别是什么？ 提示　根据化合价变化判断，Pb的化合价升高，发生氧化反应，作负极材料和反应物；PbO2中铅元素化合价降低，作正极材料和反应物。 2．如图是酸性和碱性锌锰干电池示意图。 酸性和碱性电池的负极材料、负极反应是否一样？ 提示　负极材料都是锌，发生的反应不一样。酸性条件下为Zn－2e－===Zn2＋，碱性条件下为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。 3．以下是酸性、碱性氢氧燃料电池的示意图。 电池工作时，负极反应物氢气和正极反应物氧气在两种电池中分别生成什么物质？ 提示　氢气在酸性氢氧燃料电池中变为氢离子，在碱性氢氧燃料电池中变为水；氧气在酸性氢氧燃料电池中变为水，在碱性氢氧燃料电池中变为氢氧根离子。 学习任务二　原电池原理的应用 1．某科研小组设计如下装置进行有关原电池方面的探究。通过讨论回答下列问题： (1)能否通过该装置比较铁和锌两种金属单质的活动性强弱？ 提示　能，闭合开关K，若锌片逐渐溶解，铁片上有气泡产生，说明锌片被氧化，铁片没有被氧化，即由此可说明锌的活泼性比铁强。 (2)当关闭K时，铁片上产生气泡，一段时间后，取出干燥后称量，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，取出干燥后称量，其质量减小。从中你得到什么启示？ 提示　当闭合开关K时，锌片活泼优先被氧化腐蚀，电子由锌片流向铁片，从而保护了铁片。 (3)另外发现，闭合K时比断开K时铁片上产生气泡的速率更快，为什么？ 提示　由于锌与铁得失电子的能力不同，闭合开关K时在铁与锌两个电极间产生了较大的电势差，使电子的转移发生得更快，所以闭合K时比断开K时铁片上产生气泡的速率更快。 2．根据反应Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2，设计原电池并画出其工作原理示意图。 提示　在氧化还原反应Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2中，由于Cu失去电子生成Cu2＋，发生氧化反应Cu－2e－===Cu2＋，Fe3＋得到电子生成Fe2＋，发生还原反应Fe3＋＋e－===Fe2＋，故铜是负极反应物，用铜片作负极，FeCl3是正极反应物，以FeCl3溶液为离子导体，选择比Cu不活泼的金属或石墨棒作正极，构成闭合回路即可。其工作原理示意图为： 原电池原理的应用 (1)加快氧化还原反应速率。 如实验室用Zn和稀硫酸(或稀盐酸)反应制备H2时常用粗锌，原因是粗锌中的杂质与锌和稀硫酸形成原电池，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。 原电池中，一般活动性强的金属做负极，活动性弱的金属做正极。如有两种金属A和B，用导线连接后插入稀硫酸中，若观察到A极溶解，B极上有气泡产生，则由原电池原理可知，金属活动性为A>B。 (3)金属腐蚀的防护。 把两种活泼性不同的金属连在一起，其中活泼性强的金属可以保护另一种活泼性较差的金属，如在轮船外壳上镶嵌锌块，在海水中形成原电池，锌做负极失去电子，铁受到保护而不被腐蚀。 (4) 1．将过量的两份锌粉 a、b 分别加入等体积、等浓度的两份稀硫酸中，同时向a 中加少量CuSO4溶液，下图中产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是(　　) B　[向a 中加入少量CuSO4溶液，Zn与CuSO4发生置换反应生成Cu，Zn、Cu、稀硫酸形成原电池，使生成氢气的速率增大，故a中硫酸先反应完。由于两份锌粉均过量，硫酸的物质的量相等，故产生H2的体积相等，则B项符合要求。] 2．各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为(　　) A．②①③④　　　　　　　 B．④③①② C．④②①③ D．③②④① C　[②③④均为原电池装置。③中Zn为负极，Fe为正极，Zn对Fe起到保护作用，Fe不发生反应；②④中Fe为负极，均被腐蚀。但相对来说，Fe和Cu的金属活动性差别较Fe和Sn的差别大，故Fe—Cu原电池中的Fe被腐蚀得更快；①中不能构成原电池，仅发生化学腐蚀反应，故铁被腐蚀的速率由快到慢为④②①③，C项正确。] 3．(2020·重庆巴蜀中学高一阶段考试)某原电池的总反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是(　　) 选项 正极 负极 电解质溶液 A Cu Fe FeCl3溶液 B C Fe Fe(NO3)3溶液 C Fe Zn Fe2(SO4)3溶液 D Ag Fe Fe2(SO4)3溶液 C　[根据原电池的电池反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋可知，Fe为负极，比Fe不活泼的金属或非金属导体作正极，含Fe3＋的溶液为电解质溶液，Zn和Fe中，Zn比铁活泼，Zn作负极，故C错误。] 　利用生活或实验室中常用物品，根据氧化还原反应知识和电学知识，自己动手设计一个原电池。实验原理：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。 (1)如何选择电池的正负极材料？ (2)如何选择离子导体？除了以上物质还缺少什么实验用品(已有耳机)? (3)实验装置如图： ①按如图所示连接好实验仪器，注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出，如果没有，可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意：接触的同时耳机的另一极是连接在原电池的另一个电极上的)，这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是在原电池中，由化学能转化为________能。 ②如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的________极。电极反应是____________。另一极应该接电流计的________极，发生________(填“氧化反应”或“还原反应”)。 提示　(1)负极：铁钉或铁条　正极：铜钉(其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确) (2)稀硫酸　烧杯、导线　(3)①电能　②负极　Fe－2e－===Fe2＋　正极　还原反应 学科网（北京）股份有限公司 $$