学年高中化学专题2第1课时化学能转化为电能化学电源学案苏教版必修2.docx

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学年高中化学专题2第1课时化学能转化为电能化学电源学案苏教版必修2

第1课时　化学能转化为电能　化学电源

学习目标：

1.通过铜锌原电池的实验探究，初步了解原电池原理。

（重点）2.了解化学电源的原理与应用。

3.了解钢铁的电化学腐蚀。

[自主预习·探新知]

一、化学能转化为电能

1．实验探究

实验步骤

现象

解释或说明

锌片溶解，表面有气泡产生；铜片无明显变化

锌与稀硫酸发生反应生成H2，而铜与稀硫酸不反应

锌片溶解，铜片表面有气泡产生，电流计指针发生偏转

锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流

2.原电池

（1）概念：

将化学能转变为电能的装置。

（2）工作原理（以锌铜稀硫酸原电池为例）

装置

电极

Zn电极

Cu电极

现象

锌片逐渐溶解

铜片上产生气泡

得失电子

失电子

得电子

正、负极判断

负极

正极

电子流向

流出

流入

电极反应式

Zn－2e－===Zn2＋

2H＋＋2e－===H2↑

总反应式

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

（3）构成原电池的“一个反应，三个条件”

①原理反应：

自发进行的氧化还原反应。

②三个条件

二、钢铁的电化学腐蚀

实验内容

在一块表面无锈的铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水，放置一段时间

实验现象

溶液周围逐渐呈现红色，并慢慢形成褐色的锈斑

实验结论

钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀

钢铁的电化学腐蚀原理

图示

形成条件

钢铁表面形成的电解质溶液中溶有O2，通常溶液呈中性弱酸性或弱碱性

电极材料

负极是Fe，正极是C

电极反应

负极反应式：

2Fe－2e－===2Fe2＋，正极反应式：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－

总反应式

2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2

溶液中的反应

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

Fe（OH）3脱水生成红色铁锈

电化学腐蚀概念

不纯金属或合金与电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀

三、化学电源

1．优点：

能量转化率比燃料燃烧要大得多。

2．化学电源的分类

（1）一次电池：

用过之后不能复原，如锌锰干电池等。

（2）二次电池：

充电后能继续使用，如银锌纽扣电池。

（3）燃料电池：

燃料和氧化剂分别在两个电极上反应，如氢氧燃料电池、甲醇空气燃料电池等。

3．实例

（1）银锌纽扣电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O

Zn（OH）2＋2Ag，则该电池的负极为Zn，发生氧化反应。

（2）氢氧燃料电池工作时负极反应的物质为H2，正极反应的物质为O2。

[基础自测]

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）原电池是一种将电能转化为化学能的装置。

（　　）

（2）原电池中活泼金属作负极，失去电子，发生氧化反应。

（　　）

（3）原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动。

（　　）

（4）燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能。

（　　）

【答案】　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

2．将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（　　）

①两装置中铜片表面均无气泡产生

②甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

③两装置中溶液中的c（H＋）均减小

④产生气泡的速率甲比乙慢

⑤甲中SO

向Zn片移动，H＋向Cu片移动

⑥乙中电流从Cu片流向Zn片

⑦两装置中Cu片的质量均不变

A．①②③　　B．③⑤⑦C．④⑤⑥D．②③④⑤⑦

B　[甲是原电池，甲中锌片作负极，铜片作正极，正极上发生还原反应：

2H＋＋2e－===H2↑，有气泡产生，乙装置中锌片上发生反应：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，铜片上无气体产生，①错；乙中装置不构成原电池，②、⑥错；两装置中溶液中的氢离子均发生反应，c（H＋）均减小，③正确；原电池反应的反应速率较快，④错；阳离子H＋向正极Cu片移动，阴离子SO

向Zn片移动，⑤正确；两装置中Cu片未参加反应，质量均不变，⑦正确。

故选B。

]

3．下列说法正确的是（　　）

A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池

B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池

C．化学电池的反应基础是氧化还原反应

D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2

C　[碱性锌锰干电池是一次电池；燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池；铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。

]

[合作探究·攻重难]

原电池的工作原理

[背景材料]

铜锌原电池工作原理如图所示：

[思考交流]

（1）在铜锌原电池中，电子是怎样移动的？

电子能否通过电解质溶液？

原电池工作时电流是怎样形成的？

【提示】　锌失去电子，电子通过导线流向铜片。

电子不能通过电解质溶液，在溶液中阳离子流向正极，阴离子流向负极，阴阳离子定向移动形成电流。

（2）若将铜锌原电池中的稀硫酸换作硫酸铜溶液，能否产生电流？

电极反应有何不同？

【提示】　将稀硫酸换作硫酸铜溶液，也可以构成原电池，产生电流。

锌为负极，发生氧化反应Zn－2e－===Zn2＋，铜为正极，发生还原反应：

Cu2＋＋2e－===Cu，总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。

（3）某种燃料电池的工作原理示意图如下所示，a、b均为惰性电极。

根据电子流向判断燃料和氧气应在哪个入口通入？

【提示】　A口通入燃料，B口通入氧气。

原电池正、负极的判断方法

原电池原理的应用

[背景材料]

[思考交流]

（1）结合原电池构成的条件，思考怎样依据反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋设计一个原电池？

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，再找活泼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，所以用硝酸银作电解质溶液。

装置图：

（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。

然后铜、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速率。

原电池原理的应用

（1）加快氧化还原反应的速率

自发进行的氧化还原反应，形成原电池时反应速率增大。

例如，Zn与稀H2SO4反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn和置换出的Cu在稀H2SO4中构成原电池，加快Zn与稀硫酸反应的速率。

（2）比较金属的活动性强弱

两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

例如，有两种金属a、b，用导线连接插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，则a为负极，b为正极，金属活动性a>b。

（3）用于金属腐蚀保护

使金属制品作原电池的正极而得到保护。

例如，将铁质输水管道与锌块相连，锌作原电池的负极失电子，保护铁不被腐蚀。

（4）设计电池

理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。

如：

把Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋设计成原电池，可用Fe作负极，铜（或石墨）作正极，FeCl3溶液作电解质溶液。

[当堂达标·固双基]

题组1　构成原电池的条件

1．如图所示的装置，能够组成原电池产生电流的是（　　）

D

2．下列各组材料中，不能组成原电池的是（　　）

A

B

C

D

两极材料

Zn片、石墨

Cu片、Ag片

Zn片、Cu片

Fe片、Cu片

插入溶液

稀H2SO4溶液

AgNO3溶液

蔗糖溶液

稀盐酸

C　[蔗糖是非电解质，不能构成原电池。

]

题组2　原电池中正极、负极的判断

3.李明在学完了原电池的知识之后，设计了如图所示的柠檬水果电池，观察到外电路上的电流从电极X流向电极Y。

已知他选择了铁为X极，则Y极应该是（　　）

A．锌　　　B．石墨C．银D．铜

A　[电流的方向与电子的流动方向相反，则电子由电极Y经导线流向电极X，因此Y电极的活泼性强于铁，故Y电极只能为锌。

]

4．下列叙述中正确的是（　　）

A．原电池的负极发生得电子的还原反应

B．原电池中较活泼的金属作正极

C．原电池中的电极一定要由两种不同的金属组成

D．原电池中发生氧化反应的电极是负极

D　[原电池的两极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是由金属与非金属（例如石墨）构成，原电池的负极失去电子发生氧化反应，故A、B、C选项错；只有D选项正确。

]

题组3　原电池的工作原理

5.右图是Zn和Cu组成的原电池示意图，某小组做完该实验后，在读书卡片上记录如下，卡片上描述合理的是（　　）

A．①②③B．④⑤⑥C．③④⑤D．②③⑥

D　[锌比铜活泼性强，因此在Cu—Zn—H2SO4原电池中，锌为负极，电子由锌→铜，导线中电流由铜→锌，锌失去电子而溶解，溶液中的H＋移向铜片，在Cu极得到电子而产生H2气泡。

故D项正确。

]

6．碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn（OH）2＋2MnO（OH），下列说法不正确的是（　　）

A．该电池Zn为负极，MnO2为正极，电解质是KOH

B．放电时外电路电流由Zn流向MnO2

C．电池工作时OH－向锌电极移动

D．该电池的正极反应为

MnO2＋e－＋H2O===MnO（OH）＋OH－

B　[放电时，Zn为负极，MnO2为正极，电子从Zn电极（负极）流向MnO2（正极），电流方向与电子流向相反，从正极流向负极，故B项错误。

]

原电池工作中“三个方向”和“一个类型”

题组4　原电池工作原理的应用

7．M、N、P、E四种金属，已知：

①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡产生；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。

则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是（　　）

A．P>M>N>EB．E>N>M>P

C．P>N>M>ED．E>P>M>N

A　[由①知金属活动性：

M>N；由②知M作原电池的正极，故金属活动性：

P>M；由③知N作负极，故金属活动性：

N>E。

A正确。

]

8．试根据氧化还原反应：

2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计原电池，回答下列问题。

电解质溶液是________，负极是________，电极反应式为

___________________________________________________________，

正极是________，电极反应式为________________________。

【解析】　氧化还原反应中的氧化剂在正极反应，还原剂在负极反应。

根据方程式可知，铜作负极，FeCl3为电解质，正极宜选用不与FeCl3反应但能导电的物质。

【答案】　FeCl3　Cu　Cu－2e－===Cu2＋　石墨　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

题组5　钢铁的电化学腐蚀

9．钢铁发生吸氧腐蚀时，正极上发生的电极反应是（　　）

A．2H＋＋2e－===H2↑

B．Fe2＋＋2e－===Fe

C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－

D．Fe3＋＋e－===Fe2＋

C　[钢铁发生吸氧腐蚀时，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C正确。

]

10．如图所示，液面上浮着一个空心铁球。

数天后可观察到的现象是（　　）

①铁球表面出现红棕色锈斑

②铁球表面出现黑色锈斑

③量筒内水位下降

④量筒内水位上升

A．①③　B．①④　　　C．②③　　　D．③④

B　[量筒中的空气、溶有O2的食盐水和铁球（铁碳合金）组成原电池，发生了电化学腐蚀。

其负极反应式是2Fe－4e－===2Fe2＋，正极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

Fe2＋与OH－结合成Fe（OH）2，再被氧化成Fe（OH）3，Fe（OH）3脱水成为Fe2O3·xH2O而在铁球表面出现红棕色锈斑。

由于量筒中的O2被吸收，所以量筒内的水位会上升。

]

题组6　化学电源

11．常用的纽扣电池为银锌电池，它分别以锌和氧化银为电极。

放电时锌极上的电极反应是Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，氧化银极上的反应是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，下列判断中，正确的是（　　）

A．锌是负极，发生氧化反应，氧化银是正极，发生还原反应

B．锌是正极，发生氧化反应，氧化银是负极，发生还原反应

C．锌是负极，发生还原反应，氧化银是正极，发生氧化反应

D．锌是正极，发生还原反应，氧化银是负极，发生氧化反应

A　[放电时是原电池。

负极是较活泼金属，失电子，发生氧化反应；正极是较不活泼金属或非金属导体，发生还原反应。

]

12．氢氧燃料电池是一种能在航天飞机上使用的特殊电池，其反应原理示意图如图。

下列有关氢氧燃料电池的说法不正确的是（　　）

A．由于A、B两电极材料没有活泼性差别，故不能构成原电池

B．A电极是负极，电极上发生氧化反应

C．产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池

D．外电路中电流由B电极通过导线流向A电极

A　[A项，燃料电池中电极的活泼性可以是相同的，错误；B项，A电极通入的是氢气，A电极作负极，电极上发生氧化反应，正确；C项，产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池，正确；D项，B电极是正极，则外电路中电流由B电极通过导线流向A电极，正确。

]