同步备课一体资料之化学鲁科必修2讲义第2章 化学键 化学反应与能量 第3节 第2课时.docx

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同步备课一体资料之化学鲁科必修2讲义第2章化学键化学反应与能量第3节第2课时

第2课时　化学反应为人类提供能量

[目标导航]　1.了解化学反应中能量的转化形式。

2.了解原电池的构成条件、工作原理和应用。

3.了解常见的化学电源。

一、化学能转化为热能

1．放热反应和吸热反应

（1）放热反应：

化学反应过程产生的能量以热能的形式释放出来，像这样的反应属于放热反应。

（2）吸热反应：

化学反应需要不断地吸收热能来维持反应的进行，像这样的反应属于吸热反应。

2．化学反应中的能量转化形式

【议一议】

1．如图为“即热饭盒”的结构示意图。

这种饭盒使用起来非常方便，撤去底部的隔板几分钟后，饭菜就变热了，试从能量转化的角度说明其中的原理。

答案　在铁的催化作用下，镁跟水发生化学反应Mg＋2H2OMg（OH）2＋H2↑，放出热量，即化学能转化为热能。

2．铁路工人经常利用铝热剂来焊接钢轨，你能解释其中的原理吗？

答案　Fe2O3粉末和铝粉的混合物是常用的铝热剂。

Fe2O3粉末和铝粉在较高温度下发生反应Fe2O3＋2AlAl2O3＋2Fe，放出大量的热，高温下铁呈液态，可焊接断裂的钢轨。

二、化学能转化为电能

1．探究原电池的工作原理

实验步骤

现象

结论

锌片逐渐溶解，表面有气泡

锌与稀硫酸反应产生H2

铜片表面无气泡

铜与稀硫酸不反应

锌片逐渐溶解

锌失去电子

铜片表面有气泡

H＋在Cu表面得到电子生成H2

电流表指针发生偏转

导线中有电子定向移动而产生电流

两锌片逐渐溶解且表面都有气泡

锌与稀硫酸反应

电流表指针不偏转

导线中无电流

锌片无现象

Zn、Cu与乙醇不反应

铜片无现象

电流表指针不偏转

导线中无电流

2.原电池

（1）概念

原电池是将化学能转化为电能的装置。

（2）工作原理（以Zn—Cu原电池为例）

电极材料

锌

铜

电极名称

负极

正极

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

2H＋＋2e－===H2↑

反应类型

氧化反应

还原反应

外电路电子流向

由锌片沿导线流向铜片

内电路离子移向

溶液中H＋向正极移动，在铜片上被还原为H2

原电池总反应

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

（3）构成条件

①本质→有自发进行的氧化还原反应；

②电极→有活泼性不同的两个电极（金属与金属或金属与能导电的非金属）；

③溶液→两电极插入电解质溶液或熔融电解质；

④回路→形成闭合回路（两电极接触或用导线连接）。

（4）常见电池

①干电池：

又称一次电池，如锌锰电池。

②蓄电池：

又称二次电池，如铅蓄电池、镍氢电池、锂电池。

③燃料电池：

其能量转化率高，能长时间提供电能。

如氢氧燃料电池。

【议一议】

1．作为原电池两极的材料有什么要求？

原电池的两个电极的电极材料必须都是金属电极吗？

答案　首先必须能导电；其次，若两电极都是金属，则活泼性不同。

原电池的两个电极不一定都是金属材料，如干电池的正极材料是石墨，是非金属。

2．在下图的装置中，属于原电池且有电流产生的是________。

答案　④⑦⑧⑨

解析　①酒精是非电解质；②⑤没有形成闭合回路；③两电极活泼性相同；⑥两电极与H2SO4溶液均不反应。

①②③⑤⑥均不能形成原电池。

3．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？

答案　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。

一、原电池工作原理

1．原电池的工作原理

2．原电池正、负极的判断方法

【关键提醒】　判断原电池要“四看”

一看本质：

反应是自发进行的氧化还原反应。

二看电极：

具有两个活泼性不同的电极（燃料电池的电极一般是惰性电极）。

三看溶液：

电解质溶液（一般负极材料与电解质溶液反应）。

四看回路：

电极、电解质溶液构成闭合回路。

【例1】　如图是Zn和Cu形成的原电池，其实兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记下结论。

其中正确的一组是（　　）

①Zn为正极，Cu为负极　②H＋向负极移动　③电子是由Zn经外电路流向Cu　④Cu极上有H2产生　⑤若有1mol电子流过导线，则产生的H2为0.5mol　⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

A．①②③B．③④⑤

C．④⑤⑥D．②③④

解析　在该原电池中，Zn比Cu活泼，故Zn为负极，Cu为正极，电子由Zn流出经导线流向Cu；负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故每转移1mol电子时，产生0.5molH2；在溶液中H＋向正极移动，SO向负极移动。

故①、②、⑥错误，③、④、⑤正确，选B项。

答案　B

【方法拓展】　判断电极时，有时不能只看金属的活动性强弱，还要看电解质溶液的性质，如：

①Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；②Fe、Al在浓HNO3中钝化后，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。

变式训练1　一个原电池反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池的合理组成是（　　）

选项

正极

负极

电解质溶液

A

Zn

Cu

CuCl2

B

Cu

Zn

H2SO4

C

Cu

Zn

CuSO4

D

Zn

Fe

CuCl2

答案　C

解析　由总反应式知，Zn被氧化，作原电池的负极，符合条件的有B、C，电解质溶液中的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，故应选C。

【方法规律】　

（1）已知原电池的总反应方程式判断原电池的正负极时，可以直接根据化合价的升降来判断。

发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。

（2）根据原电池总反应方程式设计原电池时，一般原电池的负极材料与电解质溶液反应。

二、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，在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。

例如，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。

【例2】　现有如下两个反应：

A．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，

B．Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋。

（1）根据上述两反应的本质，________（填字母）反应能设计成原电池，其原因是________________________。

（2）将上述反应中能设计成原电池的反应设计成原电池。

①写出电极反应式及反应类型：

负极：

____________________________，____________；

正极：

____________________________，____________。

②画出装置图并标明电极材料与名称、电解质溶液、电子流向。

③若导线上通过电子1mol，则正极质量增加________g。

解析　

（1）只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，B是自发进行的氧化还原反应。

（2）根据电池反应式Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜不活泼的金属或导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。

（3）由2Ag＋＋2e－===2Ag知导线上通过电子1mol生成Ag1mol。

答案　

（1）B　A为非氧化还原反应，没有电子转移；B为氧化还原反应，有电子转移

（2）①Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　2Ag＋＋2e－===2Ag　还原反应

②如图

③108

【方法规律】　设计原电池的具体方法

（1）将已知氧化还原反应拆分为两个半反应：

氧化反应和还原反应。

（2）选择电极材料和电解质溶液：

要结合原电池的电极反应特点和两个半反应选择。

①电极材料的选择：

一般选择较活泼的金属作负极，较不活泼金属或非金属导体作正极。

负极一般能与电解质溶液或电解质溶液中溶解的物质反应。

②电解质溶液的选择：

电解质溶液一般能与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的物质能与负极发生反应。

（3）按要求画出原电池装置图，作必要的标注，注意形成闭合回路。

【特别提醒】　

（1）在设计原电池时，若给出的离子方程式如：

Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋，此时电解质不确定为具体的物质，只要是可溶性铜盐即可，如CuSO4、CuCl2等。

（2）两极金属不能是Na、K、Ca等活动性较强的金属。

变式训练2　有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线连结起来浸入电解质溶液中，b不易腐蚀。

将a、d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应剧烈。

将Cu浸入b的盐溶液里，无明显变化。

如果把Cu浸入c的盐溶液里，有c的单质析出。

据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是（　　）

A．d、c、a、bB．d、a、b、c

C．d、b、a、cD．b、a、d、c

答案　B

解析　活动性a＞b，d＞a，b＞Cu＞c。

所以d＞a＞b＞c，B项正确。

【方法总结】　金属活动性强弱的判断方法

（1）与水或酸反应置换出氢气的难易；

（2）最高价氧化物对应的水化物的碱性强弱；

（3）置换反应。

活泼性强的金属置换出活泼性弱的金属；

（4）一般阳离子的氧化性越弱，金属的活动性越强；

（5）通常情况下原电池中负极金属强于正极金属。

1．下列图示的装置不能构成原电池的是（　　）

答案　C

解析　C选项中两种金属都不能和稀H2SO4发生自发的氧化还原反应，故C选项中装置不能构成原电池。

2．关于原电池的下列说法正确的是（　　）

A．在正极上发生氧化反应

B．化学性质较活泼的金属为负极

C．在外电路电子流出的是正极

D．原电池是由电能转化为化学能的装置

答案　B

解析　原电池中相对较活泼的金属作负极，负极本身参与反应，失去电子被氧化，是电子流出的一极。

相对不活泼的金属或非金属作正极，正极上电解质溶液中的阳离子得到电子被还原，是电子流入的一极。

因此，原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。

3．在盛装稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片。

下列叙述不正确的是（　　）

A．负极附近SO的浓度逐渐增大

B．电子由铜片通过导线流向锌片

C．反应一段时间后，溶液中c（H＋）减小

D．铜片上有H2逸出

答案　B

解析　该原电池中锌片为负极，铜片为正极，锌片失电子被氧化为Zn2＋进入溶液，电子沿导线流向铜片，溶液中的H＋从铜片上得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上逸出。

溶液中的SO向负极Zn片方向移动。

故A、C、D正确。

4．如图所示，电流表指针发生偏转，同时A极质量减少，B极上有气泡产生，C为电解质溶液。

下列说法中错误的是（　　）

A．B极为原电池的正极

B．A、B、C可能分别为Zn、Cu、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

5．某实验兴趣小组以Zn和Cu为电极，稀硫酸为电解质溶液研究原电池，并对实验进行了拓展，以下实验