高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化学案

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化学案，共9页。

知识点一 化学能转化为电能
1．火力发电
(1)火力发电原理：通过化石燃料燃烧时发生的氧化还原反应，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。间接实现了化学能转化为电能。
(2)能量转换过程：化学能eq \(―――――→,\s\up10(燃料燃烧))热能eq \(―――――→,\s\up10(蒸汽轮机))机械能eq \(――→,\s\up10(发电机))电能。其中能量转换的关键环节是燃烧(氧化还原反应)。
2．化学能直接转化为电能——原电池
(1)定义：把化学能转变为电能的装置。
(2)工作原理(以铜­锌­稀硫酸原电池为例)：
原电池原理示意图
现象：锌片溶解，铜片上有气泡产生，电流表指针发生偏转。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)火力发电是将化学能间接转化为电能的过程。(√)
(2)HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池。(×)
(3)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转。(×)
(4)原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(√)
在Zn­H2SO4­Cu形成的原电池中，H＋、SOeq \\al(2－,4)如何移动？
提示：H＋向正极移动，SOeq \\al(2－,4)向负极移动。
知识点二 常见化学电源
1．锌锰干电池
(1)结构：锌锰干电池是以锌筒作负极，石墨棒作正极，氯化铵糊作电解质溶液。
(2)原理：锌锰干电池属于一次电池，放电之后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)。负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NHeq \\al(＋,4)＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。
2．充电电池
(1)充电电池属于二次电池。有些充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是化学能eq \(,\s\up10(放电),\s\d10(充电))电能。
(2)常见的充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
3．燃料电池(了解)
(1)燃料电池
一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)和氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。
(2)eq \x(特点)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(清洁、安全、高效等,能量转化率可以达到80%以上,反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供,供电量易于调节))
生活中电动车、手机的电池属于一次电池还是二次电池？
提示：电动车、手机的电池都可以反复充电使用，都属于二次电池。
已知铅酸蓄电池的原理为
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，该铅酸蓄电池的负极材料是________，发生反应的类型为________________，电极反应式为________________________________________。
提示：Pb 氧化反应 Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4
上面是某实验小组设计的水果电池，你知道其中的工作原理吗？利用下列装置进行探究。
(1)②③装置中，哪个发生的反应更快？
(2)③中Zn、Cu两极发生的反应类型分别是什么？分别是电池的什么极？
(3)③中SOeq \\al(2－,4)移向哪一极？写出正极反应式。
(4)③中的电流和电子流向如何？
提示：①无明显现象 不反应 ②有气泡产生 反应 ③有气泡产生 溶解 偏转 化学能 电能
(1)③反应更快。
(2)Zn极发生氧化反应，Cu极发生还原反应。Zn极为负极，Cu极为正极。
(3)负极。2H＋＋2e－===H2↑。
(4)电流：正极→导线→负→溶液→正极，电子：负极→导线→正极。
1．形成原电池的条件
(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)两电极均插入电解质溶液中；
(3)电解质溶液、电极、导线形成闭合回路。
(4)有一个能自发进行的氧化还原反应。
2．原电池的工作原理
(1)两反应：正极——还原反应；负极——氧化反应。
(2)三方向：
①电流方向：正极→负极；
②电子流动方向(导线中)：负极→正极；
③阴、阳离子移动方向(电解质溶液中)；
阳离子：负极→正极；
阴离子：正极→负极。
注意：(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属，两极材料可以为导电的非金属，例如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。
(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。
1．某小组为研究原电池原理，设计如图装置。下列叙述正确的是( )
A．a和b不连接时，铁片上会有H2产生
B．a和b用导线连接时，铁片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu
C．a和b用导线连接时，电子由a流向b
D．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色
D [A项，a和b不连接时，铁和Cu2＋发生置换反应而析出铜，没有氢气生成，错误；B项，a和b用导线连接时构成原电池，铁是负极，铁片上发生氧化反应：Fe－2e－===Fe2＋，错误；C项，Fe比铜活泼，形成原电池时Fe为负极，则电子由b流向a，错误；D项，无论a和b是否连接，铁片均会溶解，都生成亚铁离子，溶液由蓝色变为浅绿色，D正确。]
2．如图所示，电流表指针发生偏转，同时a极质量减小，b极上有气泡产生，c为电解质溶液，下列说法错误的是( )
A．b极为原电池的正极
B．a、b、c可能分别为Zn、Cu、稀盐酸
C．c中阳离子向a极移动
D．a极发生氧化反应
C [原电池中，负极金属失去电子，溶解，质量减小，故a极是负极，b极是正极，根据构成情况判断a、b、c可能分别为Zn、Cu、稀盐酸，A、B两项正确；原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D项正确。]
原电池电极的判断
1．锌与H2SO4反应制H2时向溶液中加少量CuSO4后为什么反应速率加快？
提示：锌置换出铜构成原电池。
2．“A­稀硫酸­B”形成的原电池中，B为正极，则金属A、B的活泼性谁较强？
提示：A较强。
3．“Mg­NaOH溶液­Al”形成的原电池中，负极是什么物质？负极电极反应式如何书写？
提示：负极是Al，负极电极反应式为Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O。
4．根据反应：Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4，设计简单原电池装置图(注明电极材料和电解质溶液)
提示：
原电池原理的三个应用
1．加快反应速率：如实验室制H2用粗锌与酸反应。
2．比较金属的活泼性：原电池中一般负极金属比正极金属活泼。但注意：“Mg­NaOH溶液­Al”，原电池的负极为Al；“Cu­浓硝酸­Fe(Al)”，原电池的负极为Cu。
3．设计原电池
(1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)选择合适的材料
①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料；正极材料一般活泼性比负极的弱，也可以是能导电的非金属。
②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极材料反应。
3．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：
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a>b>c>d B．b>c>d>a C．d>a>b>c D．a>b>d>c
C [装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，由b极有气泡产生可知金属活动性顺序中b极金属位于氢的前面，c极金属位于氢的后面。装置三和四均形成原电池，根据电极质量变化及电流方向易知d极金属比c极金属活泼，d极金属比a极金属活泼。因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，C正确。]
4．某化学兴趣小组利用反应：Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是( )
A．Zn为负极，发生还原反应
B．b电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
C．电子流动方向是a电极→FeCl3溶液→b电极
D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜电极
D [根据Cl－的移动方向可知，b电极为负极，a电极为正极，根据电池反应式可知，Zn发生失电子的氧化反应，即b电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，A、B错误；电子流动方向是b电极→导线→a电极，C错误；正极材料的活泼性应比负极材料弱，D正确。]
1．下面是四个化学反应，你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是( )
A．2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
B．2H2＋O2eq \(=====,\s\up10(点燃))2H2O
C．Mg3N2＋6H2O===3Mg(OH)2＋2NH3↑
D．CH4＋2O2eq \(=====,\s\up10(点燃))CO2＋2H2O
[答案] C
2．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。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电子流动方向为由Zn经外电路流向Cu ④Cu极上有H2产生 ⑤若有1 ml电子流过导线，则产生H2的物质的量为0.5 ml ⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋
A．①②③ B．③④⑤ C．④⑤⑥ D．②③④
B [在该原电池中，Zn比Cu活泼，故Zn作负极，Cu作正极，电子由Zn流出经导线流向Cu，负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故每转移1 ml电子时，产生H2 0.5 ml，在溶液中H＋向正极移动，SOeq \\al(2－,4)向负极移动，故①②⑥错误，③④⑤正确。]
3．a、b、c都是金属，把a浸入c的硝酸盐溶液中，a的表面有c析出，a、b和酸溶液组成原电池时，b为电池的负极。a、b、c三种金属的活动性顺序为( )
A．a>b>c B．a>c>b
C．b>a>c D．b>c>a
C [a能从c的盐溶液中置换出c，金属活动性：a>c；a、b和酸溶液组成原电池时，b为负极，则金属活动性：b>a。]
4．下列有关电池的叙述不正确的是( )
A．水果电池是方便实用的家用电池
B．铅酸蓄电池是一种常用的二次电池
C．氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置
D．锌锰干电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄
A [水果电池产生的电流非常微弱且不能连续长时间放电，不能作为家用电池；铅酸蓄电池是一种常用的二次电池；氢氧燃料电池产物为水，无污染；锌锰干电池工作时，Zn放电被消耗，故工作一段时间后，锌外壳会逐渐变薄，B、C、D三项正确，A项错误。]
5．(素养题)有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病患者的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中有一定浓度的O2和H2O进行工作。请讨论解答：
(1)负极材料是________，电极反应式为___________________。
(2)正极材料是________，电极反应式为__________________。
[解析] 以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病患者的心脏起搏器的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血液中的O2得到电子被还原。正极的反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；负极的反应式为2Zn－4e－===2Zn2＋。
[答案] (1)锌 2Zn－4e－===2Zn2＋ (2)铂 O2＋2H2O＋4e－===4OH－
学 习 任 务
1．根据实验，了解化学能可以转化为电能，理解原电池的构成和原理，培养“科学探究与模型认知”的核心素养。
2．结合实例，了解常见的化学电池的基本原理与分类，培养“宏观辨识与社会责任”的核心素养。
电极材料
电极名称
电子流向
电极反应式
反应类型
锌
负极
流出
Zn－2e－===Zn2＋
氧化
反应
铜
正极
流入
2H＋＋2e－===H2↑
还原
反应
总反应
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
深化理解原电池的工作原理
装置
实验现象
实验结论
①
铜片上_____________
铜与稀硫酸_________
②
锌片上_______
锌与稀硫酸______
③
铜片上_______________，锌片__________，电流表指针_____________
该装置将________转化为________
原电池原理的应用
实验
装置
部分实验现象
a极质量减小，b极质量增大
b极有气泡产生，c极无变化
d极溶解，c极有气泡产生
电流从a极流向d极