学年人教版必修2 第2章第2节 化学能与电能第1课时 学案.docx

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学年人教版必修2第2章第2节化学能与电能第1课时学案

第二节　化学能与电能

第1课时　化学能转化为电能

[学习目标定位]　1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。

2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，会判断原电池的正极、负极，会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。

一、化学能与电能的转化

1.化学能是能量的一种形式，你知道的化学能转化形式有哪些？

答案　化学能可转化成热能、光能、电能等。

2.电能

使用电器时都需要电能。

电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。

3.火力发电

火力发电（火电）是通过化石燃料（如煤、石油、天然气）燃烧，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，然后带动发电机发电。

燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转换过程，该过程可表示为

化学能

热能

机械能

电能

其中，燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键。

4.化学能与电能的直接转化

化学能可通过氧化还原反应直接转化成电能。

归纳总结

能源常见的分类形式

能源类别

定义

按利用历史

按性质

举例

一次能源

直接从自然界中取得的能源

常规能源

可再生能源

水能

不可再生能源

煤、石油、天然气等化石能源

新能源

可再生能源

太阳能、风能、地热能、潮汐能、沼气

不可再生能源

核能

二次

能源

由一次能源经过加工、转化得到的能源

电能（水电、火电、核电）、氢能、蒸汽、工业余热等

1.下列叙述不正确的是（　　）

A.根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源

B.电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源

C.火力发电是将燃料中的化学能直接转化为电能的过程

D.在火力发电过程中，化学能转化为热能实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化

答案　C

解析　氢气不能从自然界中直接取得，是二次能源，A正确；电能也是二次能源，且使用方便、污染最小，B正确；以煤为燃料，火力发电的能量转化过程：

（煤）化学能

热能

机械能

电能，故C错误，D正确。

知识拓展　火力发电的优缺点

优点：

（1）我国煤炭资源丰富；

（2）电能清洁、安全，又快捷方便。

缺点：

（1）排出大量的温室气体CO2；

（2）有些废气可能导致酸雨，如SO2；（3）消耗大量的不可再生能源；（4）能量转化率低；（5）产生大量的废渣、废水。

2.下列各项中，属于一次能源的是（　　）

①煤　②石油　③天然气　④煤气　⑤电力

A.①②③B.①②④

C.②③⑤D.③④⑤

答案　A

解析　煤、石油、天然气等没有经过加工或转换而直接从自然界中取得，称为一次能源；煤气、电力、汽油、煤油、焦炭等，是在一次能源基础上经过加工转换而来的，称为二次能源。

二、原电池的工作原理

1.按要求完成下列实验，并填表：

实验步骤

现象

锌片逐渐溶解，表面有气泡；铜片表面无气泡

锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡，电流表指针发生偏转

两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，电流表指针不偏转

无现象

解释或说明

锌与稀硫酸发生置换反应产生H2，而铜则不能

锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流

锌与稀硫酸反应产生氢气，但导线中无电流

乙醇是非电解质，与Zn、Cu都不反应

2.原电池

（1）原电池的概念是将化学能转化为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应。

（2）原电池的构成条件

理论上，自发的氧化还原反应均可构成原电池。

具体条件是：

①具有活动性不同的两个电极（金属与金属或金属与能导电的非金属）；

②溶液：

两电极均插入电解质溶液中；

③导线：

两极用导线相连，形成闭合回路。

（3）原电池的工作原理

①分析下图并填空

原电池总反应式：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑；

②能量转化过程：

原电池在工作时，负极失去电子，电子通过导线流向正极，溶液中氧化性物质得到电子，发生还原反应，这样氧化反应和还原反应不断发生，闭合回路中不断有电子流产生，也就形成了电流，即化学能转变为电能。

（4）原电池工作原理的应用

①比较金属活动性

作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱；

②改变化学反应速率

如：

在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率；

③设计原电池

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；

④保护金属设备

如：

船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，在船体外壳焊接上比铁活泼的金属（如Zn），则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。

3.在如图所示的8个装置中，属于原电池的是。

答案　DFG

解析　图中A、B都只有一个电极，C中是两个活泼性相同的电极，E中酒精不是电解质溶液，H不能形成闭合回路，它们不属于原电池，属于原电池的只有D、F、G。

思维启迪　原电池的判定方法：

一看反应原理（能否自发地进行氧化还原反应）；二看构成条件（两极一液成回路：

两个活泼性不同的电极，插入电解质溶液中，装置形成闭合回路）。

4.由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。

装置

现象

二价金属A不断溶解

C的质量增加

A上有气体产生

根据实验现象回答下列问题：

（1）装置甲中负极的电极反应式是。

（2）装置乙中正极的电极反应式是。

（3）装置丙中溶液的pH变化是。

（4）四种金属活动性由强到弱的顺序是。

答案　

（1）A－2e－===A2＋　

（2）Cu2＋＋2e－===Cu

（3）增大　（4）D>A>B>C

解析　据装置甲知活动性：

A>B，A作负极，电极反应式为A－2e－===A2＋；据装置乙知活动性：

B>C，正极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu；据装置丙知活动性：

D>A，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故c（H＋）减小，pH增大。

据甲、乙、丙知活动性强弱顺序：

D>A>B>C。

　原电池是把化学能转化为电能的装置。

其工作原理是

1.化学与能源开发、环境保护、资源利用等密切相关。

下列说法正确的是（　　）

A.天然气、石油、流水、风力、氢气为一次能源

B.无论是风力发电还是火力发电，都是将化学能转化为电能

C.PM2.5含有的铅、镉、铬、钒、砷等对人体有害的元素均是金属元素

D.发展低碳经济、循环经济，推广可利用太阳能、风能的城市照明系统

答案　D

解析　A项，H2不是一次能源；B项，风力发电不是将化学能转化为电能；C项，砷不是金属元素。

2.下列叙述正确的是（　　）

①原电池是把化学能转化成电能的一种装置

②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应

③不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现

④碳棒不能用来作原电池的正极

⑤反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，能以原电池的形式来实现

A.①⑤B.①④⑤C.②③④D.②⑤

答案　A

解析　①原电池是把化学能转化为电能的一种装置，①正确；②在发生反应时，原电池的正极要得到电子而发生还原反应，负极要失去电子而发生氧化反应，②错误；③铜与稀硫酸不能发生反应，若用铜作负极，碳棒作正极，稀硫酸作电解质溶液，组成原电池，此反应仍然不能发生，③错误；④因为碳棒可以用来作原电池的正极，④错误；⑤可以用铜作负极，碳棒作正极，AgNO3溶液作电解质溶液，组成原电池，此时即可发生反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，⑤正确。

A正确。

3.将纯锌片和纯铜片按下图所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（　　）

A.两个装置都构成了原电池

B.甲装置构成了原电池，乙装置没有构成原电池

C.两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生

D.产生气泡的速率甲比乙慢

答案　B

解析　甲中构成了铜锌原电池，锌作负极，失电子；铜作正极，氢离子在铜极上得电子，生成氢气；总反应式为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑。

乙装置没有构成原电池，因为没有形成闭合电路。

构成原电池后生成氢气的速率加快。

4.X、Y、Z都是金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极。

X、Y、Z三种金属的活动性顺序为（　　）

A.X>Y>ZB.X>Z>Y

C.Y>X>ZD.Y>Z>X

答案　C

解析　根据原电池原理，负极的金属比正极活泼，可知活泼性Y>X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知活泼性X>Z，故三种金属的活泼性顺序为Y>X>Z。

5.在铜锌原电池中（如下图），以硫酸铜为电解质溶液，锌为极，电极上发生的是（填“氧化”或“还原”）反应，电极反应式为。

锌片上观察到的现象为；

铜为极，电极上发生的是（填“氧化”或“还原”）反应，电极反应式是；

铜片上观察到的现象是，

原电池总反应的离子方程式为。

答案　负　氧化　Zn－2e－===Zn2＋　锌片溶解　正　还原　Cu2＋＋2e－===Cu　铜极变粗　Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

解析　CuSO4为电解质溶液时，铜锌原电池的负极为锌，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，所以锌片不断溶解，正极为铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，所以铜极不断变粗，电池总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。

[基础过关]

题组一　能源及其能量转换

1.下列关于能量转换的认识中不正确的是（　　）

A.白炽灯工作时，电能全部转化为光能

B.普通干电池工作时将化学能转变为电能

C.化学反应中的能量变化，通常主要表现为热量的变化

D.火电是通过化石燃料燃烧，使化学能经过一系列能量转化最终转变为电能

答案　A

解析　A项，白炽灯工作时，电能除转化为光能外，还转化为热能。

2.下列有关能源的说法错误的是（　　）

A.风能是人类通过风车等工具获取的能源，但属于一次能源

B.在即将到来的新能源时代，核能、太阳能、氢能将成为主要能源

C.月球土壤中含有丰富的质量数为3的氦，它可作为未来核能的重要原料

D.原电池把化学能直接转化为电能，所以由原电池提供的电能是一次能源

答案　D

解析　风能是直接从自然界中取得的能源，属于一次能源，原电池提供的电能是由化学能转化而得到的，不是直接获得的，属于二次能源，A正确，D错误；随着时代的发展，化石能源逐渐枯竭，所以新能源时代污染小的核能、太阳能、氢能将成为主要能源，B、C正确。

题组二　原电池及正负极的判断

3.下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是（　　）

答案　D

4.如图所示装置，电流表指针发生偏转，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（　　）

A.A是Zn，B是Cu，C为稀硫酸

B.A是Cu，B是Zn，C为稀硫酸

C.A是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3溶液

D.A是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3溶液

答案　D

解析　A极逐渐变粗，说明A极为原电池的正极，溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出；B极逐渐变细，说明B极为原电池的负极，失去电子后变成离子进入溶液中。

A和B两项中的反应为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，则A项A极变细，B项A极不变；C和D两项中的反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2，其中C项A极变细，D项A极变粗。

5.某学生用如图装置研究原电池原理，下列有关说法错误的是（　　）

A.图（3）中Zn片增重质量与Cu片减轻质量的比为65∶64

B.图

（2）中如果两极上都有气体产生，则说明Zn片不纯

C.图

（1）中铜片上没有气体产生

D.图

（2）与图（3）中正极生成物的质量比为1∶32时，Zn片减轻的质量相等

答案　A

解析　图（3）中Zn片作负极，发生氧化反应而溶解，质量减轻，Cu片作正极，Cu2＋在此电极上发生还原反应析出Cu，质量增加，A错误；图

（2）中Zn作负极，铜作正极，溶液中的H＋在铜电极上生成H2，若Zn片不纯，会形成另一个原电池，Zn片表面也有气体生成，B正确；Cu与稀硫酸不反应，C正确；图

（2）与图（3）中正极生成物分别是H2和Cu，两者质量比为1∶32时，物质的量之比n（H2）∶n（Cu）＝1∶1，转移电子的物质的量也相等，消耗锌片的质量相等，D正确。

6.X、Y两根金属棒插入Z溶液中构成如图所示装置，实验中电流表指针发生偏转，同时X棒变粗，Y棒变细，则X、Y、Z可能是下列中的（　　）

编号

X

Y

Z

A

Zn

Cu

稀硫酸

B

Cu

Zn

稀硫酸

C

Cu

Ag

硫酸铜溶液

D

Ag

Zn

硝酸银溶液

答案　D

解析　由题中所给信息（X棒变粗，Y棒变细）可知X棒是正极，Y棒是负极，金属活动性Y比X活泼，所以选项A、C均错；再看电解质溶液，B选项中硫酸里的H＋在正极X棒上得电子生成氢气，X棒不会变粗；D选项中负极Y棒Zn失电子生成Zn2＋，Y棒变细，Ag＋在正极X棒上得电子生成Ag附着在X棒上使其变粗。

题组三　原电池的工作原理及应用

7.在如右图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，下列关于此装置的叙述不正确的是（　　）

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　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极流出经电流表流向b极。

8.按下图装置进行实验，若x轴表示流入正极的电子的物质的量，则y轴可以表示（　　）

①c（Ag＋）　②c（NO

）　③a棒的质量　④b棒的质量

⑤溶液的质量

A.①③B.②④

C.①③⑤D.②④⑥

答案　A

解析　根据图中装置可判断，Fe、Ag、AgNO3构成的原电池中，活泼金属Fe为负极，Ag为正极，Fe和硝酸银之间发生氧化还原反应，所以银离子浓度减小，硝酸根浓度不变，①正确、②错误；在负极上金属铁本身失电子，即a棒质量减轻，③正确；正极b棒上析出金属银，即b棒质量增加，④错误；负极上金属铁本身失电子，正极Ag上析出金属银，所以溶液的质量是增加了Fe，但是析出了Ag，在转移电子数相等情况下，析出的金属质量多，所以溶液质量减轻，但不能为零，⑤错误。

故A正确。

9.如图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下，在卡片上描述合理的是（　　）

实验后的记录：

①Zn为正极，Cu为负极

②H＋向负极移动

③电子流动方向：

从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H20.5mol

⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

A.①②③B.③④⑤C.④⑤⑥D.②③④

答案　B

解析　在该原电池中，金属活动性Zn＞Cu，故Zn作负极，Cu作正极，电子由Zn流出经导线流向Cu片，负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故转移1mol电子时，产生H20.5mol，在溶液中H＋向正极移动，SO

向负极移动，故①②⑥错误，③④⑤正确，选B项。

10.现有M、N、P、E四种金属，已知：

①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；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

答案　A

解析　由①知，金属还原性：

M>N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属还原性：

P>M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属还原性：

N>E。

[能力提升]

11.在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡（如右图所示）。

小心地往烧杯中央滴入CuSO4溶液。

（1）片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）。

（填字母）

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）加入CuSO4溶液后，构成Fe－Ag原电池，铁溶解，质量减轻，Cu2＋在银圈上得电子，生成的Cu沉积在银圈上，质量增加　（3）Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu

解析　加入CuSO4溶液后，构成Fe－Ag原电池，Fe失电子作负极，质量减轻，Cu2＋在正极银圈上得电子，生成的金属铜沉积在上面使其质量增加。

12.

（1）现有如下两个反应：

（A）NaOH＋HCl===NaCl＋H2O

（B）Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋

①根据两反应本质，判断能否设计成原电池：

。

②如果不能，说明其原因：

。

③如果可以，则写出正、负极材料，电极反应式及反应类型（“氧化反应”或“还原反应”）：

负极：

，，。

正极：

，，。

（2）利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池。

①负极材料是（写名称），电极反应为。

②正极电极反应式为。

③溶液中SO

向极移动。

答案　

（1）①（A）不能，（B）可以　②（A）不是氧化还原反应，没有电子转移　③Cu　Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　碳棒、Ag、铂、金（任选一种）　2Ag＋＋2e－===2Ag　还原反应

（2）①铜　Cu－2e－===Cu2＋　②O2＋4e－＋4H＋===2H2O　③负

解析　

（1）①只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，（B）是氧化还原反应且能自发进行。

③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能导电的非金属。

（2）该氧化还原反应中还原剂为Cu，故负极是铜，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，氧化剂是O2，故正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，溶液中阴离子SO

向负极移动。

13.某同学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，自己动手设计了一个原电池。

请填写下列空白：

（1）实验原理：

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

（2）实验用品：

电极（铁钉、铜钉）、稀硫酸、烧杯、导线、耳机（或者电流表）。

（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个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表，则铁钉应该接电流表的极，电极反应式为，

发生了反应；铜钉应该接电流表的极，电极反应式为，

发生了反应。

答案　（4）①电能　电能　②负　Fe－2e－===Fe2＋　氧化　正　2H＋＋2e－===H2↑　还原

解析　原电池是将化学能转变为电能的装置，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。

电流表正极应接原电池正极，电流表负极应接原电池负极。

14.某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，在常温下，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下。

编号

电极材料

电解质溶液

电流表指针偏转方向

1

Al、Mg

稀盐酸

偏向Al

2

Al、Cu

稀盐酸

偏向Cu

3

Al、C（石墨）

稀盐酸

偏向石墨

4

Al、Mg

氢氧化钠溶液

偏向Mg

5

Al、Zn

浓硝酸

偏向Al

试根据上表中的实验现象回答下列问题：

（1）实验1、2中Al所作的电极（正极或负极）是否相同（填“是”或“否”）？

。

（2）由实验3完成下列填空：

①铝为极，电极反应式：

；

②石墨为极，电极反应式：

；

③电池总反应式：

。

（3）实验4中铝作负极还是正极？

，理由是。

写出铝电极的电极反应式：

。

（4）解释实验5中电流表指针偏向铝的原因：

。

（5）根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素：

。

答案　

（1）否　

（2）①负　2Al－6e－===2Al3＋　②正

6H＋＋6e－===3H2↑　③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑

（3）负极　在NaOH溶液中，活动性Al＞Mg　Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O

（4）Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中发生反应，被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Al是原电池的正极

（5）①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液

解析　在稀盐酸中的活动性Mg＞Al、Al＞Cu。

由实验1和2可知，原电池中电流表指针是偏向正极。

在实验3中电流表指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极，化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋，盐酸中的H＋得到电子被还原为H2。

在NaOH溶液中活动性Al＞Mg，则Al是负极，Mg是正极。

Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流表指针偏向铝。