学年新教材高中化学化学反应与能量转化第2课时化学反应能量转化的重要应用化学电池教案鲁科版必修二.docx

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学年新教材高中化学化学反应与能量转化第2课时化学反应能量转化的重要应用化学电池教案鲁科版必修二

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池

[核心素养发展目标]　1.掌握原电池的构成及工作原理，能从微观角度理解化学能与电能之间是如何转化的，培养“宏观辨识与微观探析”的学科素养。

2.能根据原电池工作原理，设计简单的原电池，培养严谨求实的科学探究与创新意识。

3.了解常见的化学电源，体会开发高能新型电池的重要性，增强科学态度与社会责任。

一、原电池及工作原理

1．原电池

利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。

2．工作原理（以铜锌原电池为例）

装置

现象

铜片上有气泡产生，锌片不断溶解，灯泡发亮

结论

导线中有电子通过，化学反应中化学能转化为电能

解释

当铜片与锌片一同浸入稀硫酸时：

a.锌原子失去电子被氧化为Zn2＋进入溶液

电极反应为Zn－2e－===Zn2＋

b.电子由负极通过导线流向正极

c.溶液中的H＋从铜片上获得电子被还原为氢气

电极反应为2H＋＋2e－===H2↑

电子在导线上及离子在溶液中做定向移动，形成电流

（1）原电池是电能转化为化学能的装置（×）

提示　原电池是利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。

（2）将铜片和锌片用导线连接插入任何溶液中，电流表指针都会偏转（×）

提示　只有溶液为电解质溶液时，才能形成闭合回路，电流表指针才会偏转。

（3）原电池中负极一定参加化学反应（×）

提示　原电池中并不是所有的负极都参加化学反应，如氢氧燃料电池中两个电极都是铂电极，做负极的金属铂并没有参加化学反应。

（4）原电池外电路中电子的流向是由正极流向负极（×）

提示　外电路中电子是由负极经导线流向正极。

（5）原电池工作时，在负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应（√）

提示　原电池工作时，物质在负极上失去电子，发生氧化反应，电子经导线流向正极，溶液中的阳离子在正极上得到电子，发生还原反应。

（6）原电池在工作时，电子可以通过电解质溶液形成电流（×）

提示　电子只能由电池负极经导线流向正极，溶液中是电解质中的阴、阳离子定向移动形成电流。

工作原理（以铜、锌原电池为例）

1．下图为氢氧燃料电池构成要素图，试回答下列问题：

（1）燃料电池在工作时，H2和O2并没有接触，为什么在线路中会形成电流？

提示　H2和O2在两个石墨电极上得失电子能力不同，在两个电极上形成电势差，H2在左侧石墨电极失去电子，电子在电势差的作用下经导线流向右侧石墨电极，氧气在右侧石墨电极上得到电子，从而形成电流。

（2）稀硫酸在原电池中起到什么作用？

如果换成乙醇，电流表指针还能偏转吗？

提示　稀硫酸中存在自由移动的离子，起到传导电荷的作用，如换成乙醇，则电流表指针则不会偏转，因为乙醇为非电解质，无自由移动的离子，无法传导电荷，无法形成闭合回路，故电流表指针不会偏转。

2．某实验兴趣小组按下图所示装置进行实验

（1）该小组完成实验后，在读书卡片上记录如下：

卡片：

NO.1

实验后记录：

①Fe为正极，Cu为负极

②Cu2＋向负极移动

③电子流动方向：

Fe→导线→Cu

④Fe上析出大量红色物质

⑤正极反应式：

Fe－2e－===Fe2＋

⑥若有0.2mol电子流过导线，则产生Cu为6.4g

关于卡片上的描述合理的是________。

答案　③⑥

解析　在该原电池中，Fe为负极，发生氧化反应，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋；Cu为正极，Cu2＋在Cu电极上发生还原反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，外电路中电子由Fe电极经导线流向Cu电极，溶液中Cu2＋向正极（Cu电极）移动，由电池总反应式：

Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，当有0.2mol电子转移时，则会生成0.1molCu，即6.4g，综上所述③和⑥正确。

（2）如把Cu电极换成碳棒，电流表的指针还偏转吗？

提示　把Cu换成碳棒，电流表的指针和原来偏转方向相同。

（3）该原电池工作时，Fe电极失去的电子总数与Cu电极得到的电子总数有何关系？

提示　原电池工作时，Fe电极上Fe所失电子总数等于Cu电极上Cu2＋所得电子总数。

3．在下图的装置中，属于原电池且有电流产生的是____________。

答案　④⑦⑧⑨

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．在原电池中负极发生还原反应

C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动

D．原电池中正极一定是不活泼金属

答案　C

解析　A项，电子应由负极流向正极；B项，原电池中负极发生氧化反应；D项，原电池中正极可以为导电的非金属，如碳，故选C。

2．如图所示，将镁棒和铜棒插入橙子中，用导线将其接入电流表后电流表指针发生偏转，该电池中（　　）

A．镁棒是正极B．铜棒是负极

C．镁棒被氧化D．铜棒被氧化

答案　C

解析　在该电池中Mg失电子发生氧化反应，做电池的负极，故选C。

3．下列装置能构成原电池的是（　　）

答案　B

解析　A项，两电极材料相同且和稀H2SO4都不反应；C项，没形成闭合回路；D项，无水乙醇为非电解质，无自由移动的阴、阳离子，无法形成离子导体。

4．用锌棒、石墨和CuCl2溶液组成如图原电池。

（1）锌棒为________极，电极上发生的是________（填“氧化”或“还原”）反应，该电极反应式为________________________________________________________________________。

（2）石墨为________极，电极上发生的是________（填“氧化”或“还原”）反应。

该电极反应式为________________________________________________________________________，

观察到的现象为________________。

（3）该原电池反应的离子方程式为___________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）负　氧化　Zn－2e－===Zn2＋

（2）正　还原　Cu2＋＋2e－===Cu　有红色固体生成

（3）Cu2＋＋Zn===Zn2＋＋Cu

二、原电池原理的应用

1．设计简单的原电池

已知Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，设计一套原电池装置，将化学能转化为电能。

思路：

设计及实验

方程式：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

实验装置

现象

确定负极

负极反应物锌

负极材料锌片

锌逐渐溶解有少量气泡生成

确定正极

正极反应物氢离子

铜片上生成大量气泡

正极材料铜片

构成闭合回路

离子导体稀H2SO4

电子导体铜线

电流表指针发生偏转

2．发展中的化学电源

（1）干电池——一次电池

①特点：

放电之后不能充电。

②实例：

锌锰电池

③电极反应：

负极为Zn－2e－===Zn2＋，正极为2MnO2＋2NH

＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。

④为了延长电池寿命和提高其性能，现在使用的电池为碱性锌锰电池。

（2）充电电池——二次电池

①特点：

放电时所进行的氧化还原反应，充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。

②实例：

铅蓄电池，锂离子电池。

（3）燃料电池

①特点

a．燃料和氧化剂（如O2）分别在两个电极上反应将化学能直接转化为电能。

b．与火力发电相比，燃料的利用率高、能量转化率高。

c．与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装置提供燃料和氧化剂等。

②实例

以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：

负极：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O。

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

总反应方程式：

2H2＋O2===2H2O。

（1）对所有的化学反应，都可以设计成原电池（×）

提示　只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，如复分解反应，H2SO4＋2NaOH===

Na2SO4＋2H2O，就不能设计为原电池。

（2）原电池中，一定是还原剂做负极材料（×）

提示　氢氧燃料电池中，H2做还原剂，为负极反应物，但氢气为气体，不能做负极材料，只能选择铂棒或碳棒等固体导体做负极材料。

（3）在原电池中，还原剂做负极反应物，一定和离子导体发生反应（×）

提示　负极反应物在负极上失电子，发生氧化反应，并不一定和离子导体发生反应，如氢氧燃料电池中，H2为负极反应物和电解质H2SO4就不反应。

（4）燃料电池的能量转换效率高，在电池工作中，只有化学能到电能的转化（×）

提示　在电池工作中，还存在化学能到热能的转化等。

设计简单的原电池

[方法导引]设计原电池的基本思路

步骤一：

确定一个自发的氧化还原反应的还原剂和氧化剂，还原剂做负极反应物，氧化剂做正极反应物，把氧化还原反应分为两个半反应。

步骤二：

选择两极材料，正极材料最好选择不与正极反应物和离子导体发生反应且导电的固体，如金属铜、石墨等。

步骤三：

选择离子导体（电解质溶液）和电子导体（导线）并形成闭合回路。

如图：

请利用反应2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，设计一个能产生电流的装置并画出简单的装置示意图，标明电极材料及电极名称。

可选用品：

铜片、锌片、铁片、石墨棒、NaCl溶液、FeCl3溶液、FeCl2溶液、Fe2（SO4）3溶液、导线、滤纸、烧杯。

（1）负极反应物可选择___________________________________________________________，

负极电极反应式：

_____________________________________________________________，

负极材料为___________________________________________________________。

（2）正极反应物可选择____________________________________________________，

正极电极反应式：

_______________________________________________________，

正极材料为____________________________________________________________。

（3）离子导体可选择__________________________________________________________，

电子导体可选择________。

（4）画出实验装置示意图______________________________________________________。

答案　

（1）单质铁　Fe－2e－===Fe2＋　铁片

（2）FeCl3溶液或Fe2（SO4）3溶液　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　石墨棒或铜片

（3）FeCl3溶液或Fe2（SO4）3溶液　导线

（4）

知识拓展

原电池原理的三大应用

1．设计原电池

（1）定：

确定一个能够自发进行的氧化还原反应。

（2）拆：

将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，分别作为负极和正极的电极反应。

还原剂－ne－===氧化产物（负极电极反应）；

氧化剂＋ne－===还原产物（正极电极反应）。

（3）找：

根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液，正极一般选择比负极稳定的金属或能导电的非金属。

（4）画：

连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。

2．加快氧化还原反应的速率

（1）原理：

在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中粒子运动相互间的干扰减小，使反应速率增大。

（2）应用：

实验室用Zn和稀H2SO4（或稀盐酸）反应制取H2，常用粗锌，它产生H2的速率快。

原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4（或稀盐酸）形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。

3．比较金属的活动性强弱

（1）原理：

原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。

（2）应用：

有两种金属A和B，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活动性：

A＞B。

1．对下列化学反应，可设计为原电池的是（　　）

A．H2SO4＋Ba（OH）2===BaSO4↓＋2H2O

B．NH4HCO3

NH3↑＋CO2↑＋H2O

C．CaO＋H2O===Ca（OH）2

D．Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag

答案　D

解析　原电池的两极反应必须是氧化剂和还原剂分别在正极和负极上得失电子，故化学反应必须为氧化还原反应，无电子转移的非氧化还原反应不能设计为原电池，故选D。

2．利用氧化还原反应：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu设计原电池。

该原电池设计合理的是（　　）

选项

负极

正极

电解质溶液

A

Zn

Cu

H2SO4

B

Zn

C

CuCl2

C

Cu

Zn

CuSO4

D

Cu

Zn

ZnSO4

答案　B

解析　由氧化还原反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu可知，该电池负极材料应选择金属Zn，正极应选择金属活泼性比Zn弱的金属或可导电的固体非金属，离子导体应选择含Cu2＋的电解质溶液，综上所述，只有选项B符合要求。

3．氢氧燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它以铂做电极，KOH溶液做电解液，总反应为2H2＋O2===2H2O，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，下列叙述正确的是（　　）

A．H2通入正极区B．O2通入负极区

C．负极发生氧化反应D．正极发生氧化反应

答案　C

解析　由总反应2H2＋O2===2H2O可知，H2为还原剂，为负极反应物，应通入负极区，O2为氧化剂，为正极反应物，应通入正极区，H2在负极上失电子发生氧化反应，O2在正极上得电子发生还原反应，故正确答案为C。

4．（2018·苏州高一检测）下列关于化学能转化为电能的四种装置的说法正确的是（　　）

A．电池Ⅰ中锌是正极

B．电池Ⅱ是一次电池

C．电池Ⅲ工作时，氢气发生还原反应

D．电池Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒

答案　D

解析　A项，锌应为电池的负极，错误；B项，铅蓄电池为充电电池，为二次电池，错误；C项，氢氧燃料电池在工作时，氢气为还原剂，在负极上发生氧化反应，错误；D项，锌锰干电池中，锌为负极，碳棒为正极，电子由锌通过导线流向碳棒，正确。

课时对点练

A组　基础对点练

题组一　原电池及工作原理

1．（2019·烟台高一下期中）下列有关原电池的说法中不正确的是（　　）

A．在内电路中，电子由正极流向负极

B．原电池的正、负极材料不一定都参与反应

C．原电池工作时，正极上发生还原反应

D．原电池工作时，可能会伴随着热量变化

答案　A

解析　原电池中，内电路不存在电子流动，A项错误；氢氧燃料电池的正、负极材料都不参与反应，B项正确；原电池的正极发生还原反应，负极发生氧化反应，C项正确；原电池工作时，可能会伴随着热量变化，D项正确。

2．如图是课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。

下列说法不正确的是（　　）

A．铜片表面有气泡生成，且溶液中SO

向该电极移动

B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换

C．如果将硫酸换成柠檬汁，导线中仍有电子流动

D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变

答案　A

解析　铜锌原电池中，Cu做正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以铜片表面有气泡生成，但溶液中的阴离子向负极移动，故A项错误；原电池中化学能转化为电能，LED灯发光时，电能转化为光能，故B项正确；柠檬汁显酸性，也能做电解质溶液，所以将硫酸换成柠檬汁，仍然构成原电池，导线中仍有电子流动，故C项正确；Cu金属性比Zn、Fe弱，形成原电池时Cu均做正极，所以将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变，仍然由Cu电极（正极）流出，故D项正确。

3．（2018·盐城高一检测）一种氢能的制取、贮存及利用如图所示，图示中能量转化方式不涉及（　　）

A．电能→化学能B．光能→化学能

C．化学能→电能D．电能→机械能

答案　A

解析　由图示可以看出，在能量转化方式上有光能催化分解H2O，是光能→化学能，H2燃料电池车中，是化学能到电能，电能到机械能，整个过程，无电能到化学能转化，故选A。

4．（2019·广东仲元中学高一期中）如图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，记录如下，其中正确的是（　　）

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1g

⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

A．①②③B．③④⑤

C．④⑤⑥D．②③④

答案　B

解析　Cu—Zn原电池中，Zn为负极，①错误；阳离子移向正极，②错误；电子由Zn流出，经外电路流向Cu，③正确；Cu极上发生反应2H＋＋2e－===H2↑，④正确；由得失电子守恒可知1mol电子流过导线可以产生0.5molH2，即1gH2，⑤正确；正极发生还原反应，⑥错误。

故B正确。

题组二　原电池的构成条件及判断

5．（2018·枣庄高一期中）下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，不能形成原电池的是（　　）

答案　D

解析　构成原电池的条件：

①两种活泼性不同的材料做电极；②要有电解质溶液；③要形成闭合回路；④能自发发生氧化还原反应。

D不能形成闭合回路，故选D。

6．（2019·长沙一中高一下期中）由下列各组材料和电解质溶液能组成原电池的是（　　）

选项

A

B

C

D

两极材料

Mg、Mg

Zn、Fe

金刚石、Cu

Zn、Cu

电解质溶液

稀H2SO4

乙醇

浓H2SO4

稀盐酸

答案　D

解析　两个电极都为Mg时不能形成原电池，A项错误；乙醇不是电解质溶液，不能形成原电池，B项错误；金刚石不是导体，不能形成原电池，C项错误；Zn、Cu、稀盐酸组合具备构成原电池的条件，D项正确。

7.如图所示，电流表的指针发生偏转，正极变粗，负极变细，符合这种情况的是（　　）

A．正极为Cu，负极为Zn，S为稀H2SO4

B．正极为Zn，负极为Cu，S为CuSO4溶液

C．正极为Ag，负极为Zn，S为AgNO3溶液

D．正极为Fe，负极为Cu，S为AgNO3溶液

答案　C

解析　原电池中，负极发生失去电子的氧化反应，根据题意知负极变细，即金属单质失电子，负极应为活泼金属，故B、D项错误；又因为正极变粗，即该电池的正极反应生成金属，故A项错误，C项正确。

题组三　原电池原理的应用

8．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

实验

装置

部分实验现象

a极质量减小，b极质量增大

b极有气体产生，c极无变化

d极溶解，c极有气体产生

电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是（　　）

A．a＞b＞c＞dB．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞cD．a＞b＞d＞c

答案　C

解析　装置一为原电池，a极质量减小，可知金属活动性：

a＞b；装置二不构成原电池，b极有气泡，c极无变化，说明金属活动性：

b＞c；装置三为原电池，d极溶解，说明金属活动性：

d＞c；装置四构成原电池，电流从a极流向d极，说明d为负极，d金属活动性大于a，故得出金属活动性d＞a＞b＞c，故选C。

9．将过量的两份锌粉a、b分别加入相同量的稀硫酸中，同时向a中加少量CuSO4溶液，下图中产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系正确的是（　　）

答案　B

解析　Zn和H2SO4反应，加入CuSO4，Zn会置换出金属Cu，形成Zn、Cu、稀H2SO4原电池，加快Zn和H2SO4反应生成H2的速率，故反应速率应为a＞b，速率越大，锌和H2SO4反应所用时间越短，故a所用时间小于b所用时间；因为两份Zn都是过量的，产生H2的量取决于H2SO4的量，因为H2SO4的量相同，故产生H2体积相同，即V（a）＝V（b），故选B。

10．（2018·肇庆高一检测）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、稀硫酸。

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。

原因是________________

________________________________________________________________________。

（2）若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选Fe2（SO4）3溶液，外加导线，________（填“能”或“不能”）构成原电池。

若能，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，要求在下面的方框中画出装置图（需标明电极材料及电池的正、负极）。

答案　

（1）Cu、Al导线连接在一起，接头处在潮湿的空气中形成原电池，Al做负极，易被腐蚀

（2）能　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

（3）

解析　

（2）因为Cu和Fe2（SO4）3发生反应：

Fe2（SO4）3＋Cu===2FeSO4＋CuSO4，因此可以设计原电池，负极为还原剂Cu，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，正极为石墨，电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

（3）因为Fe和H2SO4反应：

Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，故负极材料为Fe，正极材料可以是石墨、Cu或Ag，电解质溶液为稀H2SO4，即可画出示意图。

B组　综合强化练

1．燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应是：

X极：

O2（g）＋H2O（l）＋2e－===2OH－；Y极：

H2（g）＋2OH－－2e－===2H2O（l）。

下列说法正确的是（　　）

A．X是正极B．Y是正极

C．Y极发生还原反应D．X极发生氧化反应

答案　A

解析　由已知电极反应，X极O2得电子发生还原反应，O2为正极反应物，X极应为正极，Y极H2失电子发生氧化反应，H2为负极反应物，Y极为负极，故选A项。

2．（2019·青岛二中月考）将纯银片和纯铜片按如图所示方式插入同浓度的硝酸银溶液中一段时间，以下叙述正确的是（　　）

A．两烧杯中铜片表面生成单质银

B．甲中银片为正极，乙中铜片是负极

C．两烧杯中都是铜失电子发生氧化反应

D．Cu被消耗的速率甲比乙慢

答案　C

解析　甲中形成铜银原电池，铜做负极，失电子，银做正极，Ag＋在银极上得电子，生成Ag，所以甲中银片表面有单质银生成，A项错误；乙中不能构成原电池，铜片不是电极，B项错误；甲、乙两烧杯中的总反应方程式都为Cu＋2AgNO3=