高一化学同步学案人教版必修2第二章 第二节 化学能与电能.docx

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高一化学同步学案人教版必修2第二章第二节化学能与电能

第二节　化学能与电能

重难点一原电池

1．原电池原理示意图

2．原电池正、负极的判断方法

（1）根据组成原电池的两极材料判断

一般是活动性较强的金属为负极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

（2）根据电流方向或电子流动方向判断

电流是由正极流向负极；电子流动方向是由负极流向正极。

（3）根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动方向判断

在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

（4）根据原电池两极发生的变化来判断

原电池的负极总是失电子发生氧化反应，正极总是得电子发生还原反应。

（5）根据现象判断

溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。

3．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H2SO4（或稀HCl）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H2SO4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为负极，活动性弱的金属为正极。

例如有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，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）设计原电池

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（电解质溶液中的阳离子）在正极上被还原。

例如，利用Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag的氧化还原反应可设计成如图所示的原电池，该原电池的电极反应式为：

负极（Cu）：

Cu－2e－===Cu2＋（氧化反应）

正极（C）：

2Ag＋＋2e－===2Ag（还原反应）

重难点二电极反应式和原电池反应式的书写

1．电极反应式的书写

（1）根据原电池的装置书写

负极：

①若负极材料本身被氧化，其电极反应式有两种情况；

一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液的成分反应，此时的电极反应可表示为M－ne－===Mn＋。

另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液的成分反应，此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液反应叠加在一起，如铅蓄电池的负极反应为Pb＋SO

－2e－===PbSO4。

②若负极材料本身不反应，如燃料电池，在书写负极反应式时，要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液中的反应叠加在一起书写，如H2－O2（KOH溶液）电池的负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O。

正极：

首先判断在正极发生反应的物质。

①当负极材料与电解质溶液能发生自发的化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；②当负极材料与电解质溶液不能发生自发的化学反应时，在正极上发生反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。

然后再根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若反应也要书写叠加式。

（2）根据原电池反应书写电极反应式

①找出发生氧化反应和还原反应的物质，确定正负极产物。

②利用电荷守恒分别写出电极反应式。

③验证：

两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书写正确。

2．原电池反应式的书写

两电极反应式，得失电子数相等时，将两电极反应式相加即得原电池反应式。

特别提醒　在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，无论该离子是强电解质提供的，还是弱电解质提供的，一律写离子符号；而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示。

3．常见化学电源的电极反应式

（1）普通锌锰电池

负极：

Zn－2e－===Zn2＋

正极：

2NH

＋2e－===2NH3↑＋H2↑

总反应：

Zn＋2NH

===Zn2＋＋2NH3↑＋H2↑

（2）铅蓄电池

负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4（氧化反应）；

正极：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O（还原反应）；

总反应式：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

（3）氢氧燃料电池（KOH为电解质）

负极：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O（氧化反应）；

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－（还原反应）；

总反应式：

2H2＋O2===2H2O。

题型1原电池工作原理

例1

　在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是

（　　）

A．正极附近的SO

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

解析　由锌片、铜片、稀H2SO4构成原电池，锌片为负极，Zn－2e－===Zn2＋；铜片为正极：

2H＋＋2e－===H2↑，SO

、OH－等阴离子向负极移动，外电路上，电子通过导线由锌片流向铜片。

答案　D

题型2原电池原理的应用

例2

　电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。

下列有关电池的叙述正确的是（　　）

A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细

B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能

C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化

D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅

解析　锌锰干电池工作原理：

碳棒为正极，碱性电池时正极反应为2MnO2＋H2O＋2e－===Mn2O3＋2OH－，酸性时为2NH

＋2e－===2NH3↑＋H2↑，因此碳棒不参与反应，A错误；氢氧燃料电池是利用化学能转化为电能的装置，B错误；C正确，负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O；太阳能电池的主要材料是高纯度的硅，D不正确。

答案　C

例3

　（09·广东理基，34）下列有关电池的说法不正确的是（　　）

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

解析　锂离子电池可以充电后，再次使用，属于二次电池，A项正确；铜锌原电池中铜为正极，故电流为铜流向锌，而电子是由锌流向铜，B项错；电池的实质即是化学能转化成电能，C项正确；Zn失去电子生成Zn2＋，故作为负极，D项正确。

答案　B

在你的生活和学习中，或你了解的范围里，还有哪些……

提示　电子手表、电子计算器使用银锌纽扣电池；心脏起搏器、助听器使用的超小型电池；汽车、风力发电机使用的蓄电池；卫星、宇宙飞船使用的太阳能电池；手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机使用的锂电池和镍氢电池等。

将锌片和铜片用导线连接（导线中间接入一个电流表），平行……

提示　

现象

铜片

产生气泡

锌片

不断溶解

电流表

电流表指针发生偏转

根据你所了解的电学知识，你知道电子是……

提示　电子在电场的作用下定向移动，形成电流，电子由负极流向正极，而电流方向与电子流向恰好相反。

原电池正、负极的判定方案：

（1）依据原电池两极的材料：

较活泼的金属作负极，不活泼的金属或可导电的非金属（石墨）作正极。

（2）根据外电路电流方向或电子流向：

电流由正极流向负极；电子则由负极流向原电池的正极。

（3）根据内电路离子的移动方向：

阳离子移向原电池的正极，阴离子移向原电池的负极。

（4）根据原电池中的反应类型：

正极：

电子流入的一极，发生还原反应，现象是金属的析出或H2的放出等。

负极：

电子流出的一极，发生氧化反应，现象则是电极本身的消耗，质量减小。

目标：

根据已具备的氧化还原反应知识和电学知识，利用……

提示　1.实验方案

（1）Cu—Mg原电池，电解质溶液为橙汁。

（2）Cu—Fe原电池，电解质溶液为苹果汁。

（3）Fe—Mg原电池，电解质溶液为柠檬汁。

2．实验操作

用导线分别将三种方案中的金属片连接到金属夹上，分别将金属片两两插入到盛有果汁的三个250mL的烧杯中，使发光二极管两端分别接触三种方案中金属活泼性不同的金属夹。

3．装置图

4．实验现象：

三种方案中发光二极管均发光。

5．实验结论：

原电池把化学能转变为电能。

通过以上实验和探究，试说明化学电池应由哪几部分构成……

提示　构成原电池在外部条件主要有：

（1）活动性不同的电极：

提供氧化还原反应的还原剂，提供电子。

（2）电解质溶液：

电解质溶液中的阴、阳离子定向移动与外电路一起形成闭合回路；也可以提供氧化还原反应的氧化剂。

锌锰干电池即使不用，放置过久，也会失效（作为电解质的NH4Cl的水溶液显酸性），为了……

提示　对于干电池，在使用和贮存时应注意以下几点：

使用干电池时不要把电池对接；长时间不用时，应从用电器中取出；贮存在干燥、低温环境中，不能与金属接触，不宜贮存过久，购买时应检查生产日期。

充电电池与一次电池相比有何优点？

如何科学合理地使用充电电池？

请与同学讨论、交流。

提示　充电电池比一次电池更经久耐用，更方便实惠，可以节约资源，减少废旧电池的处理量等。

使用充电电池时需注意要合理充电，不使用时要从用电器中取出，密封贮存在干燥处等。

1．氧化还原反应　化学能　电能　负　氧化　正　还原　作反应介质，供离子移动

2．

（1）Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

（2）硫酸溶液　逐渐减小　充电

（3）还原反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

氧化反应：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

3．B

4．C　[蔗糖溶液是非电解质溶液，无自由移动的离子，不能形成闭合回路。

]

5．D

6．一次性电池中的氧化还原反应是不可逆的，放完电之后就不能再使用。

而充电电池中的氧化还原反应是可逆的，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使生成物恢复原状。

7．从电极材料判断：

一般地，活泼金属做负极，不活泼金属（或石墨）做正极。

从发生的反应判断：

发生氧化反应的电极是负极，发生还原反应的电极是正极。

8．家用电器的普及和种类的增加，使得电池的使用量剧增。

废电池含有一些有毒的离子，随意丢弃污染环境，而且造成浪费。

我们应该把废旧电池与其他垃圾分开，集中回收。

9．略。

10．略。

1．据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染，其电池总反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气，则下列叙述正确的是（　　）

A．锌为正极，空气进入负极反应

B．负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O

C．正极发生氧化反应

D．电解液肯定不是强酸

答案　BD

解析　2Zn＋O2===2ZnO，Zn失电子，O2得电子，即Zn为原电池负极，O2在正极上反应，故B正确；若电解液为强酸，ZnO则不能存在，故D也正确。

2．将两个铂电极插入氢氧化钾溶液中，向两极分别通入甲烷和氧气，即构成甲烷燃料电池，已知通入甲烷的一极，其电极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O；通入氧气的另一极，其电极反应式是2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，下列叙述正确的是（　　）

A．通入甲烷的电极为负极

B．氧气在正极发生氧化反应

C．该电池使用一段时间后应补充氢氧化钾

D．燃料电池工作时，溶液中的阴离子向正极移动

答案　AC

解析　根据原电池原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，确定A正确；由于CH4被氧化成CO2要消耗KOH，故应不断补充KOH。

3．某原电池的电池总反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，与此电池反应不符的原电池是（　　）

A．铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池

B．石墨、铁片、Fe（NO3）3溶液组成的原电池

C．铁片、锌片、Fe2（SO4）3溶液组成的原电池

D．银片、铁片、Fe（NO3）2溶液组成的原电池

答案　CD

解析　由电池反应知：

Fe失电子应作原电池负极，而正极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，要求电解液必为含Fe3＋的盐溶液，且电极材料相对Fe较不活泼，从而得到答案。

此题考查了学生的逆向思维。

4.

如图所示装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的相接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。

小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液。

（1）片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）________。

A．铁圈和银圈左右摇摆不定B．保持平衡状态不变

C．铁圈向下倾斜D．银圈向下倾斜

（2）产生上述现象的原因是__________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）写出反应的化学方程式：

________________________________________________________________________。

答案　

（1）D　

（2）滴入CuSO4溶液后，形成原电池，铁圈上铁失电子而溶解，质量减轻；铜在正极银圈上析出，质量增加

（3）Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu

解析　由题意知，滴入CuSO4溶液后，可形成Fe|CuSO4|Ag原电池，Cu在银圈上析出，质量增大，失去平衡。

5.

利用铜、锌、稀硫酸、烧杯、导线等设计如下实验：

（1）常见的原电池装置如图所示，铜与锌直接浸在同一电解质溶液中，当切断外线路时，反应的离子方程式为___________________________________________________。

（2）某同学利用如图装置测定电子电量、气体体积、锌的摩尔质量等数据，实验发现，流过外电路的电子为0.2mol时，金属减少了7.15g，生成的气体在标准状况下的体积为2.464L。

①利用产生气体的体积，计算锌的摩尔质量为________；

②利用通过外电路的电子，计算锌的摩尔质量为________，并说明出现这种结果的原因：

________________________________________________________________________。

答案　

（1）Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

（2）①65g/mol　②71.5g/mol　部分锌直接与稀硫酸反应，电子没有通过导线，部分氢气直接在负极放出

解析　依题意生成氢气的物质的量为2.464L÷22.4L/mol＝0.11mol，转移电子的物质的量为0.22mol；消耗锌0.11mol，其摩尔质量为7.15g÷0.11mol＝65g/mol。

实际上，通过外电路的电子为0.2mol，若按通过外电路的电子计算，锌的摩尔质量为71.5g/mol，因为锌与

稀硫酸接触发生反应，电子没有完全通过导线。

第1课时　化学能与电能的相互转化

1．装置能够组成原电池的是（　　）

答案　B

解析　A项中电极材料相同；C项中乙醇为非电解质；D项中未形成闭合回路，故A、C、D均不能形成原电池。

2．把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。

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极上产生大量气泡；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由强到弱的为（　　）

A．a＞b＞c＞dB．a＞c＞d＞bC．c＞a＞b＞dD．b＞d＞c＞a

答案　B

解析　根据原电池原理，作为负极的金属活动性比正极金属的活动性强。

电子流动方向是由负极流向正极，电流方向与电子流动方向相反，因此可依次作出如下判断：

①活动性：

a＞b；②c＞d；③a＞c；④d＞b，综合得结论：

金属活动性a＞c＞d＞b，故答案应选B。

3.

如图所示装置，电流表G发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的哪一组（　　）

A．A是Zn、B是Cu、C为稀H2SO4

B．A是Cu、B是Zn、C为稀H2SO4

C．A是Fe、B是Ag、C为AgNO3溶液

D．A是Ag、B是Fe、C为AgNO3溶液

答案　D

解析　A、B项为Zn|H2SO4|Cu构成原电池，Zn为负极：

Zn－2e－===Zn2＋，Zn极溶解；Cu为正极：

2H＋＋2e－===H2↑，有气泡冒出，但两极均不会变粗；C、D项构成Fe|AgNO3|Ag原电池，Fe为负极：

Fe－2e－===Fe2＋，因溶解而变细；Ag为正极：

Ag＋＋e－===Ag，沉积在

Ag上而使Ag极变粗，即A为Ag电极。

1．“能源分类相关图”如图所示，下列四组能源选项中，全部符合图中阴影部分的能源是（　　）

A．煤炭、石油、沼气B．水能、潮汐能、天然气

C．太阳能、风能、生物能D．地热能、海洋能、核能

答案　C

2．下列关于原电池的叙述中，正确的是（　　）

A．负极发生的电极反应是还原反应

B．能将化学能转变为电能

C．工作时其正极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

解析　原电池是将化学能转化为电能的装置，负极失去电子被氧化，电子经外电路由负极流向正极。

导电的非金属也可作电极材料。

3．在如下图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是（　　）

A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大

B．a是正极，b是负极

C．导线中有电子流动，电子从a极到b极

D．a极上发生了氧化反应

答案　B

解析　本题考查原电池基本知识，难度不大，但概念容易混淆。

没有扎实的基础知识容易搞错，显然，电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。

因活泼性a>b（碳棒），所以a为电池的负极，b为正极。

电极反应式：

a（负）极：

a－ne－===an＋（氧化反应）

b（正）极：

nH＋＋ne－===

H2（还原反应）

由于正极放电消耗H＋，溶液中c（H＋）减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流计A流向b极。

4．下列关于实验现象的描述不正确的是（　　）

A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡

B．铜锌组成的原电池中锌片质量减少

C．把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁

D．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快

答案　C

解析　C项中由于Fe3＋的氧化性，发生如下反应：

2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，铜片溶解，铁不会析出，而A、B、D项均形成原电池，现象描述正确。

5．等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积（V）与时间（t）的关系，其中正确的是（　　）

答案　D

解析　a中滴加CuSO4溶液后，锌可置换出少量铜，从而形成铜锌原电池，可使锌置换出氢气的速率加快，但由于置换铜时消耗部分锌，与b相比置换出氢气的量较少，符合上述情况的图象是D项。

6．如图所示，将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中，再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液，冷却后形成琼胶（离子在琼胶内可以移动），下列叙述正确的是（　　）

A．a中铁钉附近呈现红色B．b中铁钉上发生还原反应

C．a中铜丝上发生氧化反应D．b中铝条附近有气泡产生

答案　B

解析　依据原电池原理分析可知：

a中铁钉作负极，发生氧化反应，铜丝作正极发生O2＋2H2O＋4e－===4OH－的还原反应，可知A、C错误；b中铁钉作正极，发生O2＋2H2O＋4e－===4OH－的还原反应，而铝条发生氧化反应不会冒气泡，D错误。

7．根据下列事实：

（1）A＋B2＋===A2＋＋B；

（2）D＋2H2O===D（OH）2＋H2↑；（3）以B、E为电极与E的盐溶液组成原电池，电极反应为E2＋＋2e－===E和B－2e－===B2＋。

由此可知A2＋、B2＋、D2＋、E2＋的氧化性强弱顺序为（　　）

A．D2＋>A2＋>B2＋>E2＋B．A2＋>B2＋>D2＋>E2＋

C．D2＋>E2＋>A2＋>B2＋D．E2＋>B2＋>A2＋>D2＋

答案　D

解析　

（1）中A可置换出B，则活泼性A>B。

（2）中D可置换出水中的氢，而

（1）中A不能，则活泼性D>A>B。

（3）中B、E组成原电池，B被氧化，活泼性B>E，综合分析知，四种单质的活泼性D>A>B>E，其对应阳离子氧化性：

E2＋>B2＋>A2＋>D2＋。

8．如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是（实验过程中不考虑铁丝反应及两球浮力的变化）（　　）

A．杠杆为导体和绝缘体时，均为A端高B端低

B．杠杆为导体和绝缘体时，均为A端低B端高

C．当杠杆为绝缘体时，A端低B端高；为导体时，A端高B端低

D．当杠杆为绝缘体时，A端高B端低；为导体时，A端低B端高

答案　D

解析　根据题意，若杠杆为绝缘体，滴入CuSO4溶液后，Cu在铁球上析出，铁球质量增大，B端下沉，若为导体，滴入CuSO4溶液后，形成原电池；Cu在铜球上析出，A端下沉。

9．利用生活中或实验室中常用的物品，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（或者电流计）（填写所缺的实验用品）。

（3）实验装置如图。

（4）原电池设计及注意的问题：

①按如图所示装置连接好实验仪器，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电极上的），这时可以听见耳机发生“嚓嚓嚓……”的声音。

其原因是在原电池中，由化学能转化为____________，在耳机中又由__________转化为声音这种能量。

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，发生了__________反应；铜钉应该接电流计的________极，发生了__________反应。

答案　

（2）铁钉或铁条　铜钉（其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确）　烧杯　导线

（4）①电能　电能　②负　氧化　正　还原

解析　原电池是将化学能变为电能的装置，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼材料作正极，发生还原反应。

电流计正极应接原电池正极、电流计负极接原电池负极。

10．原电池组成条件的实验探究：

实验依据：

原电池的原理：

电子从较活泼的金属（负极）经导线流向较不活泼的金属或非金属导体（正极），电解质溶液中的离子由自由移动变为定向移动，即阳离子向正极移动得到电子，形成闭合回路，从而产生电流。

能量变化：

化学能→电能。

实质：

发生氧化还原反应。

实验设计：

仪器和药品：

灵敏电流计、铁架台、20cm木棒（或其他绝缘棒）、粉笔、胶头滴管、铁丝、铜丝、无水乙醇、0.2mol/L的稀硫酸。

实验方案及操作步骤：

①按图连接装置（灵敏电流计未画出）。

②在粉笔上滴加无水乙醇，用电流计的两笔头分别接触两铜丝，然后再用两笔头接触铜丝和铁丝。

③在粉笔上滴加0.2mol/L的稀硫酸，重复上述操作。

根据上述方案及观察到的现象回答下列问题：

（1）在操作②中，电流