化学能与电能的转化学案.docx

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化学能与电能的转化学案

化学能与电能的转化学案

第二单元化学能与电能的转化　　　　　　　　　　　　　　

　　第1课时　原电池的工作原理

[目标要求]　1.理解原电池的工作原理，能够写出电极反应式和电池反应方程式。

2.了解半反应、盐桥、内电路、外电路等概念。

3.会判断原电池的正、负极，能够利用氧化还原反应设计简单的原电池。

一、原电池

1．原电池定义：

将化学能转变为电能的装置。

2．实质：

将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动。

即将化学能转化成电能。

3．简单原电池的构成条件：

①活泼性不同的两个电极，②电解质溶液，③形成闭合回路，④能自发进行的氧化还原反应。

二、原电池的工作原理

工作原理：

利用氧化还原反应在不同区域内进行，以适当方式连接起来，获得电流。

以铜锌原电池为例：

1．在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原子失电子，形成Zn2＋进入溶液，从锌片上释放的电子，经过导线流向铜片；

CuSO4溶液中，Cu2＋从铜片上得电子，还原成为金属铜并沉积在铜片上。

锌为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；

铜为正极，发生还原反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。

总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，反应是自发进行的。

2．闭合回路的构成：

外电路：

电子从负极到正极，电流从正极到负极，

内电路：

溶液中的阴离子移向ZnSO4溶液，阳离子移向CuSO4溶液。

3．盐桥

盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液。

当其存在时，随着反应的进行，Zn棒中的Zn原子失去电子成为Zn2＋进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2＋过多，带正电荷。

Cu2＋获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2＋过少，SO2－4过多，溶液带负电荷。

当溶液不能保持电中性时，将阻止放电作用的继续进行。

盐桥的存在就避免了这种情况的发生，其中Cl－向ZnSO4溶液迁移，K＋向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。

知识点一　原电池

1．下列装置中能构成原电池产生电流的是（　　）

答案　B

解析　A、D项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池；B项符合原电池的构成条件，两电极发生的反应分别是Zn－2e－===Zn2＋，2H＋＋2e－===H2↑；C项中酒精不是电解质，故不能构成原电池。

2．在图中的8个装置中，属于原电池的是（　　）

A．①②③⑤⑧B．③④⑥⑦C．④⑤⑥⑦D．③⑤⑦

答案　D

知识点二　原电池的原理

3．用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂­KNO3的U型管）构成一个原电池。

以下有关该原电池的叙述正确的是（　　）

①在外电路中，电流由铜电极流向银电极

②正极反应为Ag＋＋e－===Ag

③实验过程中取出盐桥，原电池仍能继续工作

④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同

A．①②B．②③C．②④D．③④

答案　C

解析　该原电池中Cu作负极，Ag作正极，负极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，正极反应式为Ag＋＋e－===Ag，因此②对；在外电路中，电子由Cu电极流向Ag电极，而电流方向与电子流向相反，所以①错；没有盐桥，原电池不能继续工作，所以③错；无论是否为原电池，反应实质相同，均为氧化还原反应，所以④对。

4．下图是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（　　）

NO.28　　Date：

200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Zn―→Cu。

Cu极上有H2产生。

⑤若有1mol电子流过导线，则产生H2为0.5mol。

⑥正极的电子反应式为：

Zn―→Zn＋＋2e－。

A．①②③B．③④⑤C．④⑤⑥D．②③④

答案　B

解析　本题考查了锌、铜和稀H2SO4构成的原电池的基本工作原理。

Zn比Cu活泼，Zn为负极，电极反应为：

Zn－2e－===Zn2＋，Cu为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，每转移1mol电子，产生H20.5mol，电子由Zn流出，经导线流向铜片，溶液中H＋向正极移动，SO2－4向负极移动，故选B。

5．把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。

A、B相连时，A为负极；C、D相连时，D上有气泡逸出；A、C相连时，A极减轻；B、D相连时，B为正极。

则四种金属的活动性顺序由大到小排列为（　　）　　　　　　　　　　　　　

A．ABCDB．ACBDC．ACDBD．BDCA

答案　C

解析　金属组成原电池，相对活泼的金属失去电子作负极，相对不活泼的金属作正极。

负极被氧化，质量减轻，正极发生还原反应，有物质析出，由题意得活动性AB、AC、CD、DB，故正确答案为C。

知识点三　原电池的应用

6．已知电极材料：

铁、铜、银、石墨、锌、铝；电解质溶液：

CuCl2溶液、Fe2（SO4）3溶液、硫酸。

按要求回答下列问题：

（1）电工操作上规定：

不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。

请说明原因

________________________________________________________________________。

（2）若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，能否构成原电池？

________。

若能，请写出电极反应式，负极：

___________，正极：

_____________。

（若不能，后两空不填）

（3）设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池，要求画出装置图（需标明电极材料及电池的正、负极）。

答案　

（1）二者连接在一起时，接头处在潮湿的空气中形成原电池而被腐蚀

（2）能　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

（3）

解析　

（1）当Cu、Al导线连接时，接触到潮湿的空气就易形成原电池而被腐蚀。

（2）因为FeCl3能与Cu发生反应：

2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2，因此根据给出的条件可以设计成原电池，其负极为Cu，反应为Cu－2e－===Cu2＋，正极为石墨，电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

（3）因为总反应式为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，所以负极为Fe，正极可为Cu、Ag或石墨，电解质为稀硫酸，即可画出装置图。

7．利用反应Fe3＋＋Zn===Fe2＋＋Zn2＋设计一个带盐桥的原电池，并在下面方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为_______________________________。

负极为________，电极反应式为____________________________________________。

此装置中盐桥的作用为___________________________________________________。

答案　Pt　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

Zn　Zn－2e－===Zn2＋

使两个半电池连成一个通路；使两溶液保持电中性

解析　根据反应Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋知该反应中的氧化反应为Zn－2e－===Zn2＋，故应采用Zn片作负极，还原反应为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，故应选择比Zn不活泼的金属或非金属石墨等作正极，根据应选择与电极材料相同的阳离子的电解质溶液作电解液，故负极区应选含Zn2＋的盐溶液如ZnSO4溶液，正极区选含Fe3＋的溶液作电解液如FeCl3、Fe2（SO4）3溶液等。

练基础落实

1．在理论上不能用于设计原电池的化学反应是（　　）

A．H2SO4（aq）＋BaCl2（aq）===2HCl（aq）＋BaSO4（s）　ΔH0

B．2CH3OH（l）＋3O2（g）―→2CO2（g）＋4H2O（l）　ΔH0

C．4Fe（OH）2（s）＋2H2O（l）＋O2（g）===4Fe（OH）3（s）　ΔH0

D．3Cu（s）＋8HNO3（aq）===3Cu（NO3）2（aq）＋2NO（g）＋4H2O（l）　ΔH0

答案　A

2．有关原电池的下列说法中正确的是（　　）

A．在外电路中电子由正极流向负极

B．在原电池中，只有金属锌作为负极

C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动

D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动

答案　C

解析　在原电池中，电子从负极流向正极；原电池中活泼的金属作负极，而不一定是Zn；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。

答案为C。

3．锌银电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的电池反应是Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn（OH）2，则负极上发生反应的物质是（　　）

A．AgB．Zn（OH）2　　C．Ag2O　　　D．Zn

答案　D

解析　判断原电池的正、负极，要根据总反应式确定失电子物质和得电子物质，然后根据在原电池中失去电子的物质作负极作出判断。

由题给总方程式得Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，故Zn为负极。

4.根据反应：

2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是（　　）

A．X可以是银或石墨

B．Y是硫酸铜溶液

C．电子从铜电极经外电路流向X电极

D．X极上的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag

答案　B

解析　根据题意，铜应为负极，X为正极，则X应为活泼性比铜弱的金属或导电的非金属，A项正确；电解质溶液应含Ag＋，B项错；在原电池中，电子从负极经外电路流向正极，Ag＋在正极X上得电子，Ag＋＋e－===Ag，故C、D项正确。

5．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。

下列判断不正确的是（　　）

A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B．反应开始时，甲中石墨电极上的Fe3＋被还原

C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

答案　D

解析　由反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2可知，反应开始时，甲中Fe3＋发生还原反应，乙中I－发生氧化反应；当电流计读数为零时，则反应达到了平衡状态，此时在甲中溶入FeCl2固体，平衡向逆反应方向移动，乙中I2发生还原反应，则乙中石墨电极为正极；故选D。

6.科学家正在研究高铁可充电电池，据研究人员推测，这种电池具有容量大、放电电流大、稳定性好等优点，将有广泛的应用前景。

高铁电池放电时，锌、K2FeO4分别在两极上发生反应，以KOH溶液为电解液，电池总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn（OH）2↓＋2Fe（OH）3↓＋4KOH，下列说法中错误的是（　　）

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为2FeO2－4＋8H2O＋6e－===2Fe（OH）3↓＋10OH－

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D．外电路中每通过1.204×1023个电子，锌的质量理论上减少6.5g

答案　C

练方法技巧

7．以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，当导线中通过2mol电子时，下列说法正确的是（　　）

A．锌片溶解了1mol，铜片上析出1molH2

B．两极上溶解和析出的物质质量相等

C．锌片溶解31g，铜片上析出1gH2

D．锌片溶解了1mol，硫酸消耗0.5mol

答案　A

解析　在涉及原电池的有关计算中，关键是要把握住一点，即两极得、失电子数相等。

利用这一特点，我们从电极反应看：

负极：

Zn－2e－===Zn2＋；正极：

2H＋＋2e－===H2↑。

当溶解1mol锌时失去2mol电子，铜片上析出1mol氢气也得到2mol电子，得失电子守恒，这样即可推出A正确。

8．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．用锌片作负极，铜片作正极，在CuSO4溶液中，铜片质量增加

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　铜片和铁片紧靠并浸入稀H2SO4中，铜片上的H＋获得由铁片传递过来的电子2H＋＋2e－===H2↑，所以可观察到铜片表面出现气泡；锌片作负极，铜片作正极，发生反应：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，生成的Cu在铜片上析出使其质量增加；铜片插入FeCl3溶液，发生的反应是Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，并没有单质铁的析出；向盛有锌粒和盐酸的试管中，滴入几滴CuCl2溶液，发生反应：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，置换出的Cu与剩余的Zn接触，置于盐酸中，构成了原电池，加速2H＋＋2e－===H2↑的反应，可观察到气泡放出速率加快。

9．银器皿日久表面会逐渐变成黑色，这是由于生成硫化银，有人设计用原电池进行“抛光”，其处理方法是：

将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银恢复光泽，且不会损失，试回答：

（1）食盐的作用是

________________________________________________________________________。

（2）在此原电池反应中，负极发生的电极反应为

________________________________________________________________________，

正极发生的电极反应为

________________________________________________________________________。

（3）反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，溶液中发生的反应为

________________________________________________________________________，

原电池总反应方程式为

________________________________________________________________________。

（4）实际操作中，配制食盐水时，通常还加入一定量的小苏打，其主要作用是

________________________________________________________________________，

这一反应的化学方程式是

________________________________________________________________________。

答案　

（1）作电解质起导电作用

（2）2Al－6e－===2Al3＋

3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－

（3）2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al（OH）3↓＋3H2S↑

2Al＋3Ag2S＋6H2O===2Al（OH）3＋3H2S↑＋6Ag

（4）除去生成的H2S，防止污染空气

H2S＋NaHCO3===NaHS＋H2O＋CO2↑

解析　

（1）形成原电池需要电解质导电，因此NaCl是作电解质起导电作用。

（2）根据题给信息“黑色褪去而银不会损失”，必然发生Ag2S―→Ag变化。

铝比银活泼，为负极，失电子变成Al3＋，反应为：

Al－3e－===Al3＋。

Ag2S变为Ag和S2－，得电子，是原电池的正极，反应为：

Ag2S＋2e－===2Ag＋S2－。

（3）溶液中

2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al（OH）3↓＋3H2S↑

因此，总反应为：

2Al＋3Ag2S＋6H2O===6Ag＋2Al（OH）3＋3H2S↑

（4）硫化氢有毒，需除去，因此，NaHCO3的作用是除去生成的H2S，防止污染空气，反应为：

H2S＋NaHCO3===NaHS＋H2O＋CO2↑。

练综合拓展

10．依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如下图所示。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是________；电解质溶液Y是________；

（2）银电极为电池的__________极，发生的电极反应为______________________；

X电极上发生的电极反应为________________________________________________；

（3）外电路中的电子是从__________电极流向__________电极。

答案　

（1）铜　AgNO3溶液

（2）正　Ag＋＋e－===Ag　Cu－2e－===Cu2＋

（3）Cu　Ag

解析　根据所给氧化还原反应的化学方程式，结合原电池反应原理以及所给原电池装置，Cu应作负极，AgNO3溶液为电解质溶液，从而推知：

（1）X的材料为铜，Y是AgNO3溶液。

（2）银为原电池的正极，发生的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag。

X电极上发生的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋。

（3）外电路中的电子从铜（负）电极流向银（正）电极。

11．某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极，但甲同学将电极放入6molL－1的稀H2SO4中，乙同学将电极放入6molL－1的NaOH溶液中，如图所示。

（1）写出甲池中发生的有关电极反应的反应式：

负极_________________________________________________________________，

正极__________________________________________________________________。

（2）写出乙池中发生的有关电极反应的反应式：

负极___________________________________________________________________，

正极___________________________________________________________________。

总反应离子方程式为____________________________________________________。

（3）如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出________活动性更强，而乙会判断出________活动性更强（填写元素符号）。

（4）由此实验，可得到如下哪些结论？

________。

A．利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质

B．镁的金属性不一定比铝的金属性强

C．该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值

D．该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变，应具体问题具体分析

（5）上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池中正、负极”的做法________（填“可靠”或“不可靠”）。

如不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案______________________________________________________________。

答案　

（1）Mg－2e－===Mg2＋　2H＋＋2e－===H2↑

（2）2Al＋8OH－－6e－===2AlO－2＋4H2O

6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑

2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO－2＋3H2↑

（3）Mg　Al　（4）AD

（5）不可靠　将两种金属电极连上电流表而构成原电池，利用电流表检测电流的方向，从而判断电子的流动方向，再来确定原电池的正、负极

解析　

（1）甲池中电池总反应方程式为Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑，Mg作负极，电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，Al作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。

（2）乙池中电池总反应方程式为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极上为Al被氧化生成Al3＋后与OH－反应生成AlO－2，电极反应式为2Al－6e－＋8OH－===2AlO－2＋4H2O；正极产物为H2，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑。

（3）甲池中Mg为负极，Al为正极；乙池中Al为负极，Mg为正极，若根据负极材料金属比正极活泼，则甲判断Mg活动性强，乙判断Al活动性强。

（4）选AD。

Mg的金属活动性一定比Al强，金属活动性顺序表是正确的，应用广泛。

（5）判断正、负极可根据回路中电流方向或电子流向等进行判断，直接利用金属活动性顺序表判断原电池的正、负极是不可靠的。

　第2课时　化学电源

[目标要求]　1.了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池。

2.了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。

3.正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式。

一、化学电池

1．电池的分类

化学电池化学能转变为电能一次电池：

如普通锌锰干电池、　碱性锌锰电池、银锌钮扣电池二次电池：

如铅蓄电池等燃料电池：

如氢氧燃料电池

2．一次电池与二次电池的不同点

（1）一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度就不能使用了，如普通的锌锰干电池、碱性锌锰干电池。

（2）二次电池又称充电电池或蓄电池。

放电后可以再充电使活性物质获得再生。

这类电池可以多次重复使用，如铅蓄电池等。

二、一次电池

1．锌银电池

锌银电池负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH溶液，其电极反应如下：

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极：

Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－；

电池总反应式：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

2．碱性锌锰电池

碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH溶液，其电极反应为：

负极：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；

正极：

2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；

电池总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

三、燃料电池

1．概念

燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。

燃料电池的氧化剂和还原剂不是全部储藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此，燃料电池能连续不断地提供电能。

2．氢氧燃料电池

（1）结构（如图所示）

氢氧燃料电池示意图

（2）工作原理