江苏省徐州市高中化学第3单元化学能与电能的转化导学案.docx
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江苏省徐州市高中化学第3单元化学能与电能的转化导学案
第三单元 化学能与电能的转化
第1课时 化学能转化为电能 化学电源
【目标导航】
1.通过实验探究认识化学能可以转化为电能及原电池的构成条件。
2.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。
3.会书写简单的原电池的电极反应式及电池总反应方程式(离子方程式)。
【自主学习】
一、原电池的工作原理
1.实验探究
实验步骤
现象
结论
锌片______________________
锌与稀硫酸
________________
铜片______________
铜与稀硫酸______
锌片__________
____失去电子
铜片______________
H+在____表面得到电子生成H2
电流计指针________
导线中有电子定向
移动而产生______
两锌片____________________
锌与稀硫酸______
电流计__________
导线中________
锌片________
Zn、Cu与
铜片________
乙醇________
电流计____________
导线中________
2.原电池
(1)概念:
将________转化成______的装置称为原电池,在原电池中发生的化学反应是__________反应。
(2)工作原理:
(以Zn-H2SO4-Cu原电池为例)
电极材料
锌
铜
电极名称
电极反应
Zn-2e-===Zn2+
2H++2e-===H2↑
反应类型
______反应
______反应
外电路电
子流向
由____片沿导线流向____片
内电路离
子移向
溶液中____向正极移动,在____片上被还原为____
原电池
总反应
Zn+2H+===Zn2++H2↑
(3)构成条件:
①本质→有自发进行的__________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________溶液或熔融电解质;
④回路→形成闭合回路(电极插入电解质溶液,且两电极接触或用导线连接)。
[议一议]
1.是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池?
2.根据课本中的活动与探究回答:
H+得到的电子是Cu失去的吗?
在这个过程中Cu起什么作用?
你怎样知道导线中有电子通过?
3.以铜和Ag为电极,稀硫酸为电解质溶液能否形成原电池?
4.若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨,可以吗?
为什么?
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
液滴周围逐渐呈现红色,并慢慢形成红色的锈斑
实验结论
钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀
原
电
池
原
理
图示
形成
条件
钢铁表面形成的电解质溶液中溶有______,通常溶液呈______或______性
电极
材料
负极是____,正极是____
电极
反应
负极反应式是______________________,正极反应式是______________________
总反
应式
溶液中
的反应
电化学腐
蚀概念
不纯金属或合金与电解质溶液接触,发生______反应,比较活泼的金属__________被氧化,这种腐蚀叫做____________
[议一议]
1.钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈,但在潮湿的空气里很快就会生锈,纯的铁片在潮湿的空气里也不容易生锈,这是什么原因呢?
2.右图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。
图中A、B、C、D四个区域,
(1)生成铁锈最多的是____(填字母),并解释原因?
(2)如果在B处用导线接上一块锌,能否起到保护铁闸的作用?
三、化学电源
1.分类
(1)一次电池:
不能充电,用过之后不能复原。
(2)二次电池:
可充电,可多次重复使用。
2.常见的化学电源
电池名称
电池组成
电池反应
锌锰干电池
锌筒为____极,石墨棒为____极,MnO2和NH4Cl作______
Zn+2NH4Cl+2MnO2===Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
银锌纽扣电池
负极是____,正极是________,电解质溶液是____________溶液
Zn+Ag2O+H2O
Zn(OH)2+2Ag
铅蓄电池
负极是____,正极是________,电解质溶液是______溶液
Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O
镍氢电池
负极是__________,正极是__________,电解质溶液是____溶液
NiO(OH)+MH
NiO+M+H2O(MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢)
氢氧燃料电池
负极通______,正极通______,____溶液为电解质溶液
甲醇-空气燃料电池
负极通______,正极通入______,电解质溶液是_____溶液
2CH3OH+3O2+4OH-===2CO
+6H2O
[议一议]
燃料电池两电极反应有何特点?
【难点突破】
一、原电池工作原理
1.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。
2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
例1 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( )
实验记录:
①导线中电流方向:
Zn→Cu
②Cu极上有气泡产生,发生还原反应
③锌片变薄
实验结论:
④Zn为正极,Cu为负极
⑤正极反应式:
Cu-2e-===Cu2+,发生氧化反应
⑥H+向Cu极移动,SO
向Zn极移动
A.①②③B.④⑤⑥
C.③④⑤D.②③⑥
方法拓展 判断电极时,有时不能只看金属的活泼性强弱,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( )
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Cu
Zn
H2SO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Cu
Zn
ZnCl2
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,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。
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,________(填序号)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。
方法规律 设计原电池的具体方法
(1)将已知的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。
变式训练2 ①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池,①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。
据此判断这四种金属活动性由强到弱的顺序是( )
A.①③②④B.①③④②
C.③④②①D.③①②④
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,活动性强的金属置换出活动性弱的金属。
(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活动性强于正极金属。
【当堂过关】
1.下列关于原电池的叙述中正确的是( )
A.正极和负极必须是两种不同的金属
B.电子流入的一极为正极
C.原电池工作时,正极和负极上发生的都是氧化反应
D.锌、铜和盐酸构成的原电池工作时,锌片上有6.5g锌溶解,正极上就有1g氢气生成
2.下列装置不能构成原电池的是( )
3.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+
4.常用的纽扣电池为银锌电池,它分别以锌和氧化银为电极。
放电时锌电极上的电极反应是Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2,氧化银电极上的反应是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
5.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
6.回答下列问题:
(1)如图所示,将锌片和铜片插入硫酸铜溶液形成原电池,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__________________________________________。
(2)若将反应Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑设计成原电池,用稀H2SO4作电解质溶液,铜为原电池的某一电极材料,则铜为原电池的________(填“正”或“负”)极。
铜片的现象为________________,另一电极材料为________,外电路中电子由__________(填“正”或“负”,下同)极向________极移动,电解质溶液中H+向________极移动。
(3)若将反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2设计成原电池,负极电极材料为______,电解质溶液选用________,负极电极反应式为________________________________________________
________________________。
(4)将铁棒和锌片连接后浸入CuCl2溶液里,当电池中有2mol电子通过时,负极质量的变化是________(填“增加”或“减少”)_______g。
第2课时 电能转化为化学能
【目标导航】
1.知道电解的原理和电解池的形成条件,会分析电解的应用。
2.能熟练书写电解池的电极反应式和电解反应方程式。
【自主学习】
一、电解池的构成条件及工作原理
1.实验探究:
电解氯化铜溶液
实验装置和
实验步骤
按图示装置连接好仪器,在U形管内加入CuCl2溶液,用石墨棒作电极,接通电源数分钟,用湿润的淀粉碘化钾试纸检验阳极上放出的气体
实验现象
阴极
阳极
原
理
分
析
通电前
溶液中存在的离子是____________________________
通电后
移向阴极的离子是__________________,移向阳极的离子是____________________
阴极反
应式
阳极反
应式
反应方
程式
CuCl2
Cu+Cl2↑
2.电解
(1)电解原理:
使______通过电解质溶液而在阴、阳两极引起__________反应。
(2)电解池
概念
把____能转化为______能的装置
构
成
条
件
①
有一个外加__________
②
有与电源相连的两个______
③
两电极插入____________或熔融态电解质中
④
构成__________
电极与电
极反应
阴极
连接直流电源______,发生______反应
阳极
连接直流电源______,发生______反应
电子流向
从电源____极→导线→电解池的____极
电解池的____极→导线→电源的____极
离子流向
阴离子向____移动,阳离子向____移动
[议一议]
1.从装置上比较原电池与电解池的区别是什么?
2.你怎样判断电解池的阴极和阳极?
3.电解质溶液是如何导电的?
4.电解质溶液导电时,一定会有化学反应发生吗?
二、电解原理的应用
1.制备Na、Mg、Al、F2等活泼金属和非金属
如电解熔融的氧化铝获得铝:
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑。
2.铜的电解精炼(粗铜成分:
锌、铁、Cu、银等)
电解精炼
铜的装置
阳极材料
阴极材料
电解质溶液
电极反
应式
阳极
阴极
[议一议]
1.铜的电解精炼过程中,粗铜中的杂质(锌、铁、金、银等)是怎样被除去的?
2.从阳极沉积下来的阳极泥中含有哪些金属?
3.在电解过程中CuSO4溶液浓度发生怎样的变化?
【难点突破】
一、电解池与原电池工作原理的区别
电池类别
原电池
电解池
能量转变
化学能转化为电能
电能转化为化学能
装置特点
无外接直流电源
有外接直流电源
电极
正极 负极
阴极 阳极
电极确定
由电极材料本身的相对活泼性及电解质溶液决定,较活泼的是负极,较不活泼的是正极
由外接电源的正负极决定,与负极相连的为阴极,与正极相连的为阳极
电极反应
负极发生氧化反应,正极发生还原反应
阴极发生还原反应,阳极发生氧化反应
电子流向
负极流向正极
从电源负极流向阴极,从阳极流向电源正极
形成条件
①两个电极
①外接电源
②电解质溶液
②电极(惰性或非惰性)
③形成闭合回路
③形成闭合回路
④自发发生氧化还原反应
④电解质(水溶液或熔融态)
反应自
发性
能自发进行的氧化还原反应
反应一般不能自发进行,需电解条件
举例
Zn+CuSO4===ZnSO4+Cu
CuCl2
Cu+Cl2↑
相似之处
均能发生氧化还原反应,且同一个装置中两个电极在反应过程中转移的电子总数相等
例1 如图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极。
则下列判断中正确的是( )
A.a为负极、b为正极
B.a为阳极、b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
方法规律 电解池电极名称的判断方法
变式训练1 用石墨电极电解CuCl2溶液(见右图)。
下列分析正确的是( )
A.a端是直流电源的负极
B.通电使CuCl2发生电离
C.阳极上发生的反应:
Cu2++2e-===Cu
D.通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体
方法思路 根据图示信息→判断电池类别→根据电解质溶液中离子移向→电极名称→放电顺序→电极产物→电极现象。
二、电解时两电极产物的判断与电极
反应式的书写
1.阳极产物的判断
(1)活性金属电极(金属活动性顺序表中在Ag之前),电极金属失电子,生成对应的金属阳离子,阴离子不放电。
(2)惰性电极(Au、Pt、石墨),溶液中的阴离子失电子,生成对应的非金属单质或高价化合物。
阴离子放电顺序:
S2->I->Br->Cl->OH->高价态含氧酸根>F-。
2.阴极产物的判断
与电极材料无关,直接根据阳离子放电顺序进行判断,溶液中的阳离子得电子生成对应的单质或低价化合物
阳离子的放电顺序:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Ni2+>Fe2+>Zn2+>Mn2+>较活泼金属阳离子(注意Fe3+的顺序)。
3.电极反应式与电解反应式的书写(以石墨电极电解CuCl2溶液为例)
(1)电极反应式的书写
①确定阴、阳极。
与电源正极相连的为阳极、与电源负极相连的是阴极。
②分别写出两极上出现的离子。
阴极:
Cu2+、H+,阳极:
Cl-、OH-。
③判断阴、阳极放电顺序。
阴极:
Cu2+>H+,阳极:
Cl->OH-。
④写电极反应式。
列物质→标得失→选离子、配电荷→配原子个数
阴极:
Cu2++2e-===Cu,阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
(2)电解反应方程式的书写
①通过最小公倍数法使两个电极反应式的电子数相等。
②把两个电极反应式相加,消去相同项,并注明条件“通电”。
电解CuCl2溶液总反应方程式为CuCl2
Cu+Cl2↑
例2 右图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置,通电后在石墨电极a和b附近分别滴加石蕊溶液,下列实验现象正确的是( )
A.逸出气体的体积:
a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
方法总结 电解池问题解答思路如下:
判断阴、阳电极→观察电极材料→分析放电顺序→确定电极产物→解答。
变式训练2 利用如图装置电解硫酸铜溶液,下列说法正确的是( )
A.b电极上发生氧化反应
B.该装置能将化学能转变成电能
C.电解质溶液中Cu2+从b电极向a电极迁移
D.若a为铜,则a电极的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+
知识拓展 以惰性电极电解含氧酸盐(如CuSO4和NaNO3)溶液、含氧酸(如H2SO4)溶液、强碱(如NaOH)溶液时,阳极的电极反应式均为4OH--4e-===2H2O+O2↑,且阳极附近生成酸。
【当堂过关】
1.关于电解池的叙述不正确的是( )
A.与电源正极相连的是电解池的阳极
B.电解质溶液中的阳离子向阴极移动
C.在电解池的阳极发生氧化反应
D.电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极,再经电解质溶液流入电解池的阳极
2.如图所示装置中,属于电解池的是( )
3.某同学按如图所示的装置进行电解实验。
下列说法正确的是( )
A.电解过程中,铜电极上有H2产生
B.电解初期,主反应方程式为
Cu+H2SO4
CuSO4+H2↑
C.电解一定时间后,石墨电极质量不变
D.整个电解过程中,H+的浓度不断增大
4.用电解法从氯化铜废液中提取出铜,方案正确的是( )
A.用铜片连接电源的正极,另一电极用铂片
B.用碳棒连接电源的正极,另一电极用铜片
C.用氢氧化钠溶液吸收阴极产物
D.用带火星的木条检验阳极产物
5.有关右图的说法正确的是( )
A.构成原电池时溶液中的SO
移向Cu电极
B.构成原电池时Cu极反应式:
Cu-2e-===Cu2+
C.要使Fe极不被腐蚀,Cu片换Zn片或a接直流电源负极
D.a和b分别接直流电源正、负极,Fe片上有气体产生
6.如图所示,A、B两个装置的烧杯中分别盛有足量的CuCl2溶液。
(1)A、B两个装置中属于原电池的是________,属于电解池的是________。
(2)A池中Zn是________极,发生________反应(填“氧化”或“还原”,下同),电极反应式为________________________________________________________________________。
Cu是____极,发生______反应,电极反应式为__________________。
A池中总的化学方程式为________________________________________________________________________。
(3)B池中C是____极,发生______反应,电极反应式为______________________。
Pt是____极,发生________反应,电极反应式为__________________________________________。
B池中总的化学方程式为______________________________________________________。
学案答案精析
第1课时 化学能转化为电能 化学电源
自主学习
一、1.(从左到右,从上到下)逐渐溶解,表面有气泡 反应产生H2
表面无气泡 不反应 逐渐溶解 锌 表面有气泡 Cu 发生偏转 电流 逐渐溶解且表面都有气泡 反应 指针不偏转 无电流 无现象 无现象 不反应 指针不偏转 无电流
2.
(1)化学能 电能 氧化还原
(2)(从左到右,从上到下)负极 正极