高中化学鲁科版 (2019)必修 第二册第2节 化学反应与能量转化第2课时导学案

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池

学业要求

1．知道化学反应可以实现化学能与其他形式的能量转化。

2．以原电池为例认识化学能可以转化为电能。

3．从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。

4．体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

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知识网络

学业基础——自学·思记·尝试

一、原电池的构造及原理

1．原电池原理：

(1)原电池：一种利用______________将______________的装置。

(2)原电池原理：

①氢氧燃料电池：

②原电池原理：(以氢氧燃料电池为例)

2.原电池的构造：

二、设计原电池及原电池的分类

1．原电池的设计：

(1)基本思路：

(2)具体流程：

(3)设计铜锌原电池：

①设计依据：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

②实验装置图：

③设计思路及依据：

④实验现象：

⑤电极反应方程式：

负极：Zn－2e－===Zn2＋　正极：2H＋＋2e－===H2↑

2．原电池的分类：

[即学即练]

1．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

2．对于锌、铜和稀硫酸组成的原电池(如图)，下列说法错误的是(　　)

A．负极电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

B．溶液中向负极移动

C．电子由Zn片通过稀硫酸流向Cu片

D．铜片上有气泡产生

3．下列反应从原理上不可以设计成原电池的是(　　)

①CaO＋H2O===Ca(OH)2　②NaOH＋HCl===NaCl＋H2O　

③2H2O===2H2＋O2　④2CO＋O2===2CO2

A．①②　　　B．①②③    C．①②④　　　D．②③④

4．如图各容器中均盛有稀盐酸，能形成原电池且铁作正极的是(　　)

5．一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(　　)

核心素养——合作·探究·分享

一原电池的构造和工作原理

[例1]　小颖同学用如图所示装置研究原电池原理，下列说法错误的是(　　)

A．若将图1装置的Zn、Cu直接接触，Cu片上能看到气泡产生

B．图2装置中向Cu片移动

C．若将图2中的Zn片改为Mg片，Cu片上产生气泡的速率加快

D．图2与图3中正极生成物的质量比为1∶32时，Zn片减轻的质量相等

状元随笔　解答原电池原理题，首先根据导线中电子流向、溶液中离子移动方向、电极上发生反应的类型、电极及电极附近的现象等判断原电池正、负极，然后根据问题解答；注意电子不进入电解质溶液、离子只在溶液中移动，此点为易错点。

 [提升1]　下图所示装置中，明显有电流产生的是(　　)

状元随笔　1.自发进行的氧化还原反应，理论上可设计成原电池。

2．形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极接触。如图：

有电流产生，说明装置为原电池，根据构成原电池的条件判断。

关键能力

原电池的构造和工作原理

1．原电池的判断

(1)先分析有无外接电源，无外接电源的可能为原电池。

(2)根据原电池的形成条件判断——四看

2．原电池工作原理

(1)装置示意图

(2)工作原理(以铜—锌—稀硫酸原电池为例)

状元随笔　1.电子只能在电极和导线间定向移动，不能通过溶液。

2．离子只能在电解质溶液内部定向移动，不能通过电极和导线。可形象地归纳为“电子不下水，离子不上岸”。

二原电池正、负极的判断

[例2]　如图所示，两电极一为碳棒，一为铁片，若电流表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则下列叙述正确的是(　　)

A．a为负极，是铁片，烧杯中的溶液为稀硫酸

B．b为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液

C．a为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为稀硫酸

D．b为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液

状元随笔　此装置可以组成原电池，且a极上有大量气泡生成，则该气体为氢气，在原电池正极产生，所以b极为负极，失去电子，发生氧化反应。需要注意的是，活泼金属一般作负极，但不要形成“活泼金属一定作负极”的思维定式，如铁、铜和浓硝酸形成的原电池中铁发生钝化，作正极，而铜作负极。

 [提升2]　X、Y两根金属棒插入Z溶液中构成如图所示装置，实验中电流表指针发生偏转，同时X棒变粗，Y棒变细，则X、Y、Z可能是下列中的(　　)

关键能力

原电池正、负极的判断

1．根据电极材料判断

一般是活动性较强的金属(K、Ca、Na太活泼，不能作电极)作负极，活动性较弱的金属或能导电的非金属作正极。

2．根据电流方向或电子流动方向判断

在原电池外电路中，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。

3．根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断

在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

4．根据原电池两极发生的变化判断

原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应。

5．根据现象判断

通常溶解的一极为负极，质量增加或有气泡放出的一极为正极。

以上方法之间的联系如图。

需要注意的是，在判断原电池正、负极时，不要只根据金属活动性的相对强弱判断，有时还需考虑电解质溶液，如Mg、Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属活动性：Mg>Al，但在该条件下却是Al作负极。因此要根据具体情况来判断原电池的正、负极。

三原电池原理的应用

[例3]　将等质量的两份锌粉a、b分别加入两支相同的试管中，然后加入过量的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，下图为产生H2的体积V(L)与时间t (min)的关系，其中正确的是(　　)

状元随笔　1.锌和稀硫酸反应，加入硫酸铜，锌置换出的金属铜附着在锌的表面，形成锌—铜—稀硫酸原电池，加速金属锌和稀硫酸反应的速率。

2．稀硫酸过量，产生氢气的量取决于金属锌的质量。

 [提升3]　某原电池总反应为Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，下列能实现该反应的原电池是(　　)

状元随笔　1.已知原电池总反应方程式判断原电池的正、负极时，可以根据反应类型来判断；发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。

2．一般原电池的负极材料与电解质溶液反应。

关键能力

原电池原理的应用

1．比较金属活动性强弱

一般作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱；如电极分别为Mg和Al，电解质溶液为稀硫酸，Mg可以与稀硫酸反应放出氢气，Al也可以与稀硫酸反应放出氢气，但该原电池中Mg作负极，Al作正极，则可知金属活动性：Mg>Al。

2．加快化学反应(氧化还原反应)速率

例如，在Zn和稀硫酸的反应中，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜与剩余的锌和稀硫酸能构成无数微小的原电池，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。

3．设计原电池

例如，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。

4．保护金属设备

例如，船体一般为钢铁材料，在海水中易被腐蚀，如果在船体外壳焊接上比铁活泼的金属Zn，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。

学考评价——夯实·测控·演练

1．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生大量气泡的是(　　)

2．如图是Zn、Cu和稀硫酸形成的原电池，下列是某兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记下的结论，其中正确的一组是(　　)

①Zn为正极，Cu为负极　②H＋向负极移动　③电子由Zn经外电路流向Cu　④Cu极上有H2产生　⑤若有1 mol电子流过导线，则产生的H2为0.5 mol　⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

A．①②③    B．④⑤⑥

C．③④⑤    D．②③④

3．某化学兴趣小组为了探究铬和铁的活泼性，设计如图所示装置，下列推断正确的是(　　)

A．若铬比铁活泼，则电子经外电路由铁电极流向铬电极

B．若铁比铬活泼，则溶液中H＋向铁电极迁移

C．若铬比铁活泼，则铁电极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

D．若铁电极附近溶液pH增大，则铁比铬活泼

4．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：

①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；　②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C；　③A、C用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；　④B、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应。

据此判断四种金属的活动性顺序为(　　)

A．A>B>C>D    B．A>C>D>B

C．C>A>B>D    D．B>D>C>A

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池

学 业 基 础

一、

1．(1)氧化还原反应　化学能直接转化成电能　(2)①氢气　石墨电极　导线　氧气　石墨电极　稀硫酸　②氧化　还原　闭合回路　电流　失电子　氧化　得电子　还原　负　正

2．导电的固体　电解质　导线　氧化还原

二、

1．(3)④减少

[即学即练]

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

答案：A

2．解析：该装置中，锌失电子发生氧化反应，故作负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，A正确；原电池溶液中阴离子向负极移动，B正确；电子从负极Zn片沿导线流向正极Cu片，电子不进入电解质溶液，C错误；铜作正极，正极上氢离子放电，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故铜片上有气泡产生，D正确。

答案：C

3．解析：能作为原电池的反应必须为能自发进行的氧化还原反应，①、②不是氧化还原反应，不能设计成原电池；③不能自发进行，不能设计成原电池；④为能自发进行的氧化还原反应，能设计成原电池，B正确。

答案：B

4．解析：铝比铁活泼，铝作负极，铁作正极，A正确；铁比银活泼，铁作负极，B错误；铁比石墨活泼，铁作负极，C错误；构成原电池需要两个电极，此装置不能形成原电池，D错误。

答案：A

5．解析：电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，Zn失电子作负极，正极上电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，所以选取含有Cu2＋的溶液作为电解质溶液，正极选择比锌不活泼的金属即可，D项正确。

答案：D

核 心 素 养

[例1]　解析：A对，若将图1装置的Zn、Cu直接接触，形成原电池，金属铜作正极，正极上产生氢气，即Cu片上能看到气泡产生。B错，形成的原电池中，金属锌是负极，金属铜是正极，阳离子移向正极，阴离子向负极移动。C对，若将图2中的Zn片改为Mg片，则形成的原电池中，两极材料活泼性差距加大，则反应速率加快。D对，图2与图3中负极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，图2中正极电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，图3中正极电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，正极生成物的质量比为1∶32时，依据电子守恒计算两个原电池中电子转移相同，所以反应的锌的质量相同。

答案：B

[提升1]　解析：A错，酒精不是电解质且不能自发地进行氧化还原反应，不能构成原电池，没有电流产生。B错，两个电极相同，不能自发地进行氧化还原反应，不能构成原电池，没有电流产生。C对，铜、碳活泼性不同，铜能够与硝酸银溶液发生氧化还原反应，能构成原电池，有电流产生。D错，没有形成闭合回路，不能构成原电池，没有电流产生。

答案：C

[例2]　解析：Fe、C形成的原电池中，铁片作负极，失去电子，生成亚铁离子，由于a极上有大量气泡产生，所以a极为正极碳棒，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，b极为负极铁片，电解质溶液为稀硫酸，故C正确。

答案：C

[提升2]　解析：X、Y两根金属棒插入Z溶液中，实验中电流表指针发生偏转，说明该装置形成原电池，X棒变粗，Y棒变细，则X作正极、Y作负极。A错，该装置中，X锌电极易失电子作负极、Y作正极，与实际不符合。B对，该装置中，Y易失电子作负极、X作正极，X电极上银离子得电子生成银，符合实际。C错，该装置中，X电极易失电子作负极，与实际不符合。D错，该装置中，X电极上氢离子得电子生成氢气，电极质量不变，与实际不符合。

答案：B

[例3]　解析：等质量的两份锌粉中，加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量CuSO4溶液，则a中发生的反应有Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，由于置换出来的Cu附着在Zn的表面上，与Zn在稀硫酸中构成原电池，所以a中的反应速率比b中的反应速率大，即反应完成所需的时间短，但Cu2＋消耗了少量的Zn，因此a中产生的H2比b中产生的H2少。A错，图像中两者生成H2的量相等。B错，图像中b的速率快，且两者生成H2的量相等。C错，图像中a生成H2的量多。D对，图像中a的速率快，b生成H2的量多。

答案：D

[提升3]　解析：根据原电池的总反应，以及原电池工作原理可知，Cu的化合价升高，Cu作负极，电解质溶液应含有Fe3＋，另一个电极应为比Cu不活泼的导电物质。A对，组合符合上述要求。B错，电解质溶液中不含Fe3＋。C错，Zn比Cu活泼，Zn作负极，不符合上述要求。D错，发生的电池总反应是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，不符合题意。

答案：A

学 考 评 价

1．解析：A项、B项装置中Cu、Ag均不能与稀硫酸反应生成H2，所以铜电极上没有气泡产生；C项装置构成原电池，铜作正极，正极上氢离子得电子生成氢气，产生气泡；D项没有形成原电池，Zn表面产生气泡，Cu表面无现象。

答案：C

2．解析：Zn、Cu和稀硫酸形成的原电池中，Zn比Cu活泼，因此Zn作负极，失去电子，发生氧化反应，Cu作正极，电解质溶液中的H＋在正极上得到电子发生还原反应；原电池装置中电子由Zn经外电路流向Cu，正极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，因此有1 mol电子流过导线时，生成的H2为0.5 mol。正确的为③④⑤，故选C。

答案：C

3．解析：若铬比铁活泼，则铬为负极，失电子发生氧化反应，铁为正极，电子经外电路由铬电极流向铁电极，A项错误；若铁比铬活泼，则铁为负极，铬为正极，溶液中的氢离子向正极铬移动，B项错误；若铬比铁活泼，则铁为正极，氢离子在正极铁上得电子发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，C项正确；若铁电极附近溶液pH增大，则发生电极反应2H＋＋2e－===H2↑，所以铁为正极，铬比铁活泼，D项错误。

答案：C

4．解析：①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极，则金属活动性A>B；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C，则C是负极、D是正极，金属活动性C>D；③A、C用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡，则C上H＋得电子发生还原反应，C是正极、A是负极，金属活动性A>C；④B、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应，则D是负极、B是正极，金属活动性D>B；通过以上分析知，金属活动性顺序为A>C>D>B。

答案：B