课堂新坐标教师用书高中化学 专题1 第二单元 化学能与电能的转化教学设计 苏教版选修4.docx
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课堂新坐标教师用书高中化学专题1第二单元化学能与电能的转化教学设计苏教版选修4
第二单元 化学能与电能的转化
第一课时 原电池的工作原理
(教师用书独具)
●课标要求
体验化学能与电能相互转化的探究过程,了解原电池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
●课标解读
1.以铜锌原电池为例,体验化学能与电能相互转化的探究过程。
2.熟悉原电池的工作原理。
3.会正确判断原电池的正板和负极;学会原电池电极反应式的书写方法。
●教学地位
本课时内容在必修2已有一定的了解,本课时是该内容的加深和发展。
不仅要求理解原电池的工作原理,而且要求根据有关原理进行原电池设计,并写出相应方程式,这是电化学知识中的重要内容之一,因此成为历年高考的必考内容。
(教师用书独具)
●新课导入建议
1780年11月的一天,意大利生物学家伽伐尼教授正在厨房里做菜,今天他准备做的菜是烩蛙腿——这是一道传统的波洛尼亚名菜。
伽伐尼教授是位解剖专家,当用铜钩将剥光了皮的青蛙勾住挂在铁制架子上时,他发现蛙腿抽搐了几下,这使他大为惊奇,难道青蛙又复活了?
1791年伽伐尼发表了一篇关于蛙腿抽搐的论文,错误地指出:
使蛙腿抽搐的电流来自青蛙本身,并称之为“动物电”。
著名科学家伏特教授通过多次的反复对比实验发现,在铜制解剖盘里做实验,蛙腿出现抽搐现象,在木板上实验时蛙腿不再出现抽搐现象了,终于找到了一个重要的事实:
只有用活泼性不同的两种金属同时接触蛙腿时才会产生抽搐现象,由此伏特得出一个重要的结论,并据此设计出了世界上第一个将化学能转化为电能的装置——伏打电池(伏特曾叫它伽伐尼电池)。
伏特得出的一个重要的结论是什么?
●教学流程设计
课前预习安排:
1.看教材P13-14填写[课前自主导学]中的“一、原电池的工作原理”
并完成[思考交流1],看教材P14,填写[课前自主导学]中的“二、原电池构成条件”
并完成[思考交流2]
2.建议方式:
同学之间可以进行讨论交流⇒步骤1:
导入新导入新课,本课时教学地位分析⇒步骤2:
建议对[思考交流]1、2多提问几个学生,使80%以上的学生都能掌握该内容,以利于下一步对该重点知识的探究
⇓
步骤5:
在老师指导下由学生自主完成[变式训练1]和[当堂双基达标]中的1、2、5题,验证学生对探究点的理解掌握情况。
⇐步骤4:
教师通过[例1]和教材P13的讲解对探究1中的“原电池正负极的判断方法”进行总结。
⇐步骤3:
师生互动完成探究1“原电池正负极的判断方法”。
互动方式:
可利用[问题导思]所设置的问题,由浅入深进行师生互动。
建议除例1外,再变换一下命题角度,设置一些备选例题以拓展学生的思路。
⇓
步骤6:
师生互动完成探究2“原电池原理的应用”。
互动方式:
可利用[问题导思]所设置的问题,由浅入深进行师生互动。
建议除例2外,可使用“教师备课资源”为您提供的备选例题以拓展学生的思路。
⇒步骤7:
教师通过[例2]和教材P14的讲解对探究2中的“原电池的设计方法”进行总结。
⇒步骤8:
在老师指导下由学生自主完成[变式训练2]和[当堂双基达标]中的3、4题,验证学生对探究点的理解掌握情况。
⇒步骤9:
先由学生自主总结本课时学习的主要知识,然后对照[课堂小结]以明确掌握已学内容。
安排学生课下完成[课后知能检测]
课 标 解 读
重 点 难 点
1.体验化学能与电能相互转化的探究过程。
2.使学生进一步了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。
3.能够写出电极反应式和电池反应方程式。
1.加深对原电池工作原理的理解。
(重难点)
2.熟悉电极反应式书写的注意事项。
(重点)
3.能根据提供的氧化还原反应设计简单的原电池。
(难点)
(对应学生用书第1页)
原电池的工作原理
1.原电池定义
将化学能转化为电能的装置。
2.原电池的构成条件
发生氧化还原反应两个电极构成闭合回路原电池电解质溶液
3.原电池原理(以锌铜原电池为例)
得失电子
失电子
得电子
电极名称
负极
正极
电子流向
流出
流入
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
总反应式
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
1.原电池工作时,电解质溶液中的离子是怎样移动的?
【答案】 电解质溶液中,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。
原电池构成条件
1.首要前提(反应本质)——自发进行的氧化还原反应。
2.有两种活泼性不同的导体(金属或导电的非金属作电极)。
3.两个电极均需插入电解质溶液(可以是同一种溶液,若为不同溶液则用盐桥相连)。
4.两极必须相互接触或连接,构成闭合回路。
韵语巧记:
一强一弱两块板,两极必用导线连,同时插入电解液,活泼性导体溶里边。
2.盐桥在原电池中有何作用?
【答案】 利用溶液中离子的移动,使两个半电池中的溶液形成闭合回路。
(对应学生用书第2页)
原电池正负极的判断方法
【问题导思】
①原电池的正负极与电子的得失有何关系?
【答案】 正极,得到电子;负极,失去电子。
②发生原电池反应时,一般质量减轻的电极是正极还是负极?
为什么?
【答案】 一般质量减轻的电极是负极,因为负极材料较活泼,易失去电子而变成离子进入溶液中。
1.由组成原电池两极的电极材料判断。
一般是较活泼的金属为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
2.根据电流方向或电子流向判断。
电流是由正极流向负极;电子是由负极流向正极。
3.根据原电池里电解质溶液内离子的定向移动方向判断。
在原电池的电解质溶液内,阳离子移向的极是正极,阴离子移向的极是负极。
4.根据原电池两极发生的变化来判斯。
原电池的负极总是失电子发生氧化反应,其正极总是得电子发生还原反应。
5.根据电极现象判断。
溶解的一极为负极,增重或有气泡放出的一极为正极。
原电池的电极类型不仅跟电极材料有关,还与电解质溶液的性质有关。
如镁—铝电极在稀硫酸中构成原电池,镁为负极,铝为正极;而镁—铝电极在氢氧化钠溶液中构成原电池,铝为负极,镁为正极。
(多选)铜锌原电池(如下图)工作时,下列叙述正确的是( )
A.正极反应为:
Zn-2e-===Zn2+
B.电池反应为:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
C.在外电路中,电子从负极流向正极
D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
【解析】 A项,正极发生还原反应:
Cu2++2e-===Cu,负极发生氧化反应:
Zn-2e-===Zn2+;B项,由正、负两极发生的半反应合并得总反应:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu;C项,电子流向为负极沿导线到正极;D项,由于Cu2+放电,为使CuSO4溶液保持电中性,则盐桥中的K+移向CuSO4溶液,Cl-移向ZnSO4溶液。
【答案】 BC
原电池图示如下
负极氧化
反应e-正极还原
反应电解质溶液
1.关于如图所示装置的叙述,正确的是( )
A.铜是负极,铜片上有气泡产生
B.铜片质量逐渐减少
C.电流从锌片经导线流向铜片
D.氢离子在铜片表面被还原
【解析】 由所给图示可知Zn为原电池负极,失去电子被氧化,电子经导线流向正极铜电极,溶液中的氢离子在正极得到电子而被还原为H2。
电流与电子流动的方向相反。
【答案】 D
原电池原理的应用
【问题导思】
①某金属与酸反应,如设计成原电池,反应速率怎样变化?
【答案】 加快。
②利用原电池反应,如何比较金属的活动性强弱?
【答案】 通常情况下,做负极的是较活泼的金属。
③由已知反应,怎样设计化学电池?
【答案】 步骤如下:
a.将总反应式拆成两个半反应;b.选电极材料;c.确定电解质溶液;d.构成闭合回路。
1.加快氧化还原反应的速率
例如:
在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。
2.比较金属活泼性强弱
例如:
有两种金属a和b,用导线连接后插入到稀H2SO4中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生。
根据电极现象判断出a是负极,b是正极,由原电池原理可知,金属活动性a>b。
3.设计化学电池
例如:
以2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2为依据,设计一个原电池。
(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应,分别写出原电池的负极、正极电极反应式。
负极:
Cu-2e-===Cu2+
正极:
2Fe3++2e-===2Fe2+
(2)确定电极材料
如发生氧化反应的物质为金属单质,可用该金属直接做负极;如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子,可用惰性电极(如Pt、碳棒)做负极。
(3)确定电解质溶液
一般选用反应物中的电解质溶液即可。
(4)构成闭合回路。
设计化学电池时,为验证所设计的电池反应是否符合要求,可将所设计的电池进行分析,明确正、负极的电极反应,得出总反应,再与要求设计的反应对照即可。
(云南禄丰高二期中)依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是________;电解质溶液Y是________。
(2)外电路中的电子是从________电极流向________电极。
(3)银电极上发生的电极反应式为_________________。
【解析】 由总反应知负极:
Cu-2e-===Cu2+;正极:
2Ag++2e-===2Ag。
(1)由图示分析知X做负极,电极材料是铜,Y中电解液中含Ag+,只能是AgNO3溶液。
(2)在外电路中,电子从负极流向正极,故电子从X电极流向Ag电极。
【答案】
(1)Cu AgNO3
(2)X(或Cu) Ag (3)2Ag++2e-===2Ag
2.X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中组成原电池。
X、Y相连时,X为负极,Z、W相连时,电流方向是W―→Z;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡,W、Y相连时,W极发生氧化反应。
据此判断四种金属的活动性顺序是( )
A.X>Z>W>Y B.Z>X>Y>W
C.X>Y>Z>WD.Y>W>Z>X
【解析】 电解质溶液:
稀硫酸
【答案】 A
【教师备课资源】
注意原电池工作原理中的三种特殊情况
1.不要认为“活泼金属一定作负极”,如下图甲池中Mg作负极:
Mg-2e-===Mg2+,Al作正极:
2H++2e-===H2↑;乙池中由于镁不与NaOH反应,而Al和NaOH溶液的反应能自发进行,所以Al作负极:
Al-3e-+4OH-===AlO
+2H2O,Mg作正极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
甲池 乙池
2.原电池中,电极材料可能与电解质溶液反应,也可能与电解质溶液不反应。
如下图所示。
3.形成闭合回路的方式有多种,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极直接接触。
如下图所示。
原电池电子流动方向离子移动方向能量变化构成条件电极反应类型电极判断依据电极反应式书写
1.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
【解析】 本题考查的是原电池的工作原理。
在原电池中,电子由负极流向正极,A错误;在原电池中,活泼金属作负极,不一定是锌;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。
故正确答案为C。
【答案】 C
2.在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片,下列叙述正确的是( )
A.正极附近的SO
浓度逐渐增大
B.电子通过导线由铜片流向锌片
C.正极有O2逸出
D.铜片上有H2逸出
【解析】 在Zn-Cu-H2SO4组成的原电池中,Zn为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,产生H2,电子由锌片流向铜片,由于Zn极带正电,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,故选D。
【答案】 D
3.事实证明,原电池中发生的反应通常是放热反应。
利用下列化学反应可以设计成原电池的是( )
A.C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH>0
B.NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l) ΔH<0
C.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH<0
D.CaCO3(s)+2HCl(aq)===CaCl2(aq)+H2O(l)+CO2(g) ΔH<0
【解析】 原电池是自发进行的氧化还原反应,由条件知是放热反应,A为吸热反应,B、D不是氧化还原反应,选C。
【答案】 C
4.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该反应的原电池的正确组成是( )
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Mg
负极
Cu
Zn
Zn
Zn
电解质溶液
CuCl2溶液
H2SO4溶液
CuSO4溶液
CuCl2溶液
【解析】 根据Zn+Cu2+===Zn2++Cu知,Zn发生氧化反应,Zn-2e-===Zn2+,是电池负极;正极反应为Cu2++2e-===Cu,故正极材料可以是石墨或Cu等,电解质溶液应是可溶性铜盐溶液,C符合。
【答案】 C
5.
(1)下列装置属于原电池的是________。
(2)在选出的原电池中,________是负极,发生________反应,________是正极,该极的现象是________。
(3)此原电池反应的化学方程式为_________________。
【解析】
(1)构成原电池的条件:
a.两个活泼性不同的电极;b.电解质溶液;c.形成闭合回路;d.自发进行的氧化还原反应。
根据此条件知⑤属于原电池。
(2)(3)在⑤原电池中,Fe为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,表面有气泡冒出,反应实质为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑。
【答案】
(1)⑤
(2)Fe 氧化 CuCu表面有气泡产生
(3)Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
1.(2012·浙江嘉兴南湖高二期中)由铜片、锌片和稀硫酸组成的原电池,硫酸根离子移向的一极是( )
A.阳极 B.阴极 C.负极 D.正极
【解析】 原电池工作时,阴离子移向负极。
【答案】 C
2.在图中的8个装置中,能够发生原电池反应的是( )
① ② ③ ④ ⑤
⑥ ⑦ ⑧
A.①②③⑤⑧B.③④⑥⑦
C.④⑤⑥⑦D.①③⑤⑦
【答案】 D
3.有关如图所示原电池的叙述,正确的是(盐桥中装有含琼胶的KCl饱和溶液)( )
A.铜片上有气泡逸出
B.取出盐桥后,检流计依然发生偏转
C.反应中,盐桥中的K+会移向CuSO4溶液
D.反应前后铜片质量不改变
【解析】 由题图可得知,Cu为正极,电极反应为:
Cu2++2e-===Cu,Zn为负极,电极反应为:
Zn-2e-===Zn2+,则铜片上应有固体析出,反应后铜片质量增加,所以A、D均错误;取出盐桥后,原电池成为断路,因此检流计不会再发生偏转,B错误;左池中由于铜离子的反应,正电荷减少,为保持电中性,盐桥中的K+会移向CuSO4溶液,C正确。
【答案】 C
4.如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向为:
X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn和石墨棒,则X为石墨棒,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活泼性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
【解析】 由图可知,电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y为正极,X的活动性比Y的强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。
所以,A、B、D错误,C正确。
【答案】 C
5.如图所示装置中,可观察到检流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断下表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是( )
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
锌
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
【解析】 N棒变细,说明N为较活泼金属做负极,M棒变粗,说明M为正极,电解质溶液中的阳离子得电子析出金属。
【答案】 C
6.实验室准备较快地制取氢气,可采用的方法是( )
A.用纯锌与稀H2SO4溶液反应
B.用纯锌与浓HCl溶液反应
C.用粗锌与HNO3溶液反应
D.用在CuSO4溶液中浸泡过的锌与稀H2SO4溶液反应
【解析】 B项会混入大量的HCl;C项不产生H2;D项中锌表面有置换出的铜,放入稀H2SO4溶液时,会构成原电池而加快H2的逸出,故D正确。
【答案】 D
7.(2012·金华高二月考)将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸中,并经过一段时间后,下列各叙述中正确的是( )
A.负极有Cl2逸出,正极有H2逸出
B.负极附近Cl-的浓度减小
C.正极附近Cl-的浓度逐渐增大
D.溶液中Cl-的浓度基本不变
【解析】 Fe为负极:
Fe-2e-===Fe2+;Ag为正极:
2H++2e-===H2↑,Cl-的浓度基本不变。
【答案】 D
8.(2011·福建高考)研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。
该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。
关于该电池的下列说法不正确的是( )
A.水既是氧化剂又是溶剂
B.放电时正极上有氢气生成
C.放电时OH-向正极移动
D.总反应为:
2Li+2H2O===2LiOH+H2↑
【解析】 金属锂比铁活泼,作原电池的负极,电极反应式为:
Li-e-===Li+,LiOH溶液中的阳离子有Li+和H+,由于氧化性H+>Li+,所以正极反应是:
2H++2e-===H2↑,由于H+来自于水的电离,所以H+放电的同时溶液中产生了OH-,即该反应的总反应为:
2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,水既是氧化剂又是溶剂。
在原电池的放电过程中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以OH-向负极移动,C选项错误。
【答案】 C
9.茫茫黑夜中,航标灯为航海员指明了方向。
航标灯的电源必须长效、稳定。
我国科技工作者研制出以铝合金、Pt-Fe合金网为电极材料的海水电池。
在这种电池中( )
①铝合金是阳极 ②铝合金是负极 ③海水是电解液 ④铝合金电极发生还原反应
A.②③B.②④C.①③D.①④
【解析】 分析航标灯的电源结构,活泼金属铝合金作负极,相对不活泼金属Pt-Fe合金作正极,电解质溶液是海水。
铝合金作负极发生的是氧化反应,故①④错误;②③正确。
【答案】 A
10.(2012·无锡高二质检)(双选)以锌片和铜片为电极,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,下列说法中正确的是( )
A.锌片溶解了1mol,铜片上析出1mol氢气
B.两极上溶解和析出的物质的质量相等
C.锌片溶解了1g,铜片上析出1g氢气
D.锌片溶解了1mol,硫酸消耗了1mol
【解析】 Zn、Cu作电极,以H2SO4为电解质溶液的电池反应为
Zn + H2SO4===ZnSO4+H2↑ 2e-
1mol1mol1mol2mol
65g2g
故通过2mol电子时,溶解1molZn片,同时铜极产生1molH2,消耗1molH2SO4。
【答案】 AD
11.如图所示的装置,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。
小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液。
(1)片刻后可观察到的现象是(指悬吊的金属圈)( )
A.铁圈和银圈左右摇摆不定
B.铁圈和银圈仍保持平衡状态不变
C.铁圈向下倾斜,银圈向上倾斜
D.银圈向下倾斜,铁圈向上倾斜
(2)产生上述现象的原因是________________________________________________________________________。
【解析】 该装置是一个Fe为负极、Ag为正极、CuSO4溶液为电解质溶液的原电池。
【答案】
(1)D
(2)原电池反应Fe+Cu2+===Fe2++Cu,生成的铜附着在银圈上
12.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________(填“变大”、“变小”或“不变”)。
(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是________。
【解析】 甲、乙、丙均为原电池装置。
依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活泼性A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活泼性B>C;丙中A上有气体即H2产生,则A为正极,活泼性D>A,随着H+的消耗,pH变大。
【答案】
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大 (4)D>A>B>C
13.一个完整的氧化还原反应方程式可以拆分,写成两个“半反应式”,一个是“氧化反应”式,一个是“还原反应”式。
如2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,可以写成:
氧化反应:
Cu-2e-===Cu2+;还原反应:
2Fe3++2e-===2Fe2+。
(1)根据以上信息将反应3NO2+H2O===2H++2NO
+NO拆分为两个“半反应式”:
氧化反应式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________;
还原反应式________________________________________________________________________。
(2)已知某一反应的“半反应式”为CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O;O2+2H2O+4e-===4OH-,则总反应式为________________________________________________________________________。
【解析】
(1)3NO2+H2O===2HNO3+NO,通过分析化合价变化,发生氧化反应的为负极反应,发生还原反应的为正极反应,因此“氧化反应”式为2NO2+2H2O-2e-===2NO
+4H+,“还原反应”式为NO2+2H++2e-===NO+H2O。
(2)本题已给出了两个“半反应式”,因此据氧化还原反应中得失电子数相等,将二式合并,即得总反应式:
C
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