高中化学人教版 (2019)必修 第二册化学反应与能量变化第二课时导学案

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册化学反应与能量变化第二课时导学案，共12页。学案主要包含了教材挖掘等内容，欢迎下载使用。
知识点一 原电池构成条件及工作原理
（1）发电原理
火力发电是通过 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。
（2）能量转化过程
化学能热能机械能电能
燃烧（氧化还原反应）是火力发电的关键
（3）问题探究
火力发电的缺点是什么？
提示：①煤炭是不可再生能源，会造成能源危机；②煤炭燃烧会产生污染性气体；③经多次转换，能量损耗大，燃料的利用率低。
2.原电池
（1）实验探究
（2）原电池的相关概念
①概念
把 化学 能转化为 电 能的装置。
②本质
发生 氧化还原 反应。
③电极
负极：电子 流出 的一极，发生 氧化 反应；
正极：电子 流入 的一极，发生 还原 反应。
（3）原电池的工作原理（以铜锌稀硫酸原电池为例）
原电池总反应离子方程式：Zn＋2H＋ Zn2＋＋H2↑
【教材挖掘】
你能分析原电池工作时外电路电子和内电路离子的移动方向吗？
提示：外电路电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。内电路离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
（4）原电池的构成条件
①反应：能自发进行的、放热的氧化还原反应；
②电极：具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：两电极均插入 电解质 溶液中；
④导线：两电极用导线相连，形成闭合回路。
【教材挖掘】
图1装置中的铜起什么作用？能否用锌代替铜？铜可以用什么物质代替？
提示：铜作正极，能导电。若用锌代替铜，两极活泼性相同，不能构成原电池。能用石墨、较不活泼的金属等代替铜。
1.正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）。
（1） 火力发电是化学能直接转化为电能的过程。（ × ）
（2）原电池的电极材料必须是金属。（ × ）
（3）原电池工作时，正极与负极转移电子数相同。（ √ ）
（4）在锌铜原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液流回锌。（ × ）
（5）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。（ × ）
（6）在铜—锌—稀硫酸原电池中H＋向正极移动。（ √ ）
（7）HCl＋NaOH NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池。（ × ）
2.如图是某同学学习原电池后整理的学习笔记，错误的是（ ）
A.①电子流动方向B.②电流方向
C.③电极反应D.④溶液中离子移动方向
解析：B Zn为负极，Cu为正极，电子由Zn流向Cu，A正确；电流方向与电子流动方向相反，则电流由Cu经导线流向Zn，B错误；Zn被氧化生成Zn2＋，H＋被还原生成的H2逸出，C正确；原电池工作时，阴离子移向负极，阳离子移向正极，D正确。
3.（鲁科版习题改编）图示为一种简单的原电池装置示意图。请回答：
（1）锌是该电池的 负 （填“正”或“负”）极。
（2）从化学的角度分析，该装置能产生电流的原因是 溶液中发生了氧化还原反应，离子通过稀硫酸在溶液中移动，电子通过导线流向铜片，所以产生了电流 。
解析：（1）锌比铜活泼，发生氧化反应作原电池的负极。
（2）溶液中发生了氧化还原反应，离子通过稀硫酸在溶液中移动，电子通过导线流向铜片，产生了电流。
归纳总结
1.原电池正、负极的判断

2.原电池中反应类型与粒子移动方向
（1）反应类型
负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
（2）粒子移动方向
①电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。
②离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
③电流方向：正极→导线→负极。
知识点二 原电池工作原理的应用
1.加快反应速率
（1）原理
在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中的粒子运动时相互间的干扰减小，反应速率 增大 。
（2）应用
实验室常用粗锌和稀硫酸（或稀盐酸）反应制取H2，产生H2的速率比纯锌快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸（或稀盐酸）形成原电池，加快了反应速率，使产生H2的速率增大。
2.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，活动性较弱的金属为正极。
（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 。
3.设计原电池
问题探究
根据反应Fe＋CuSO4 FeSO4＋Cu 设计一个简易原电池。
（1）用单线桥分析上述反应，标出电子转移的方向和数目，分析你设计原电池的依据是什么？
提示： 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），氧化剂为电解质溶液中的阳离子（或在正极上被还原）。
（2）如何将反应Fe＋CuSO4 FeSO4＋Cu拆分为电极反应？
提示：负极反应：Fe－2e－ Fe2＋ ；正极反应Cu2＋＋2e－ Cu。
（3）如何根据电极反应选择合适的电极材料及电解质溶液？
提示：负极：较活泼金属，一般为发生氧化反应的金属，选择Fe；正极：活泼性弱于负极材料的金属或石墨，可以是Cu或C；电解质溶液一般为与负极反应的电解质，可以选择CuSO4溶液。
（4）请画出你设计的原电池的示意图。
提示：
【教材挖掘】
在“简易电池的设计与制作”的实验中，对影响自制电池效果的因素进行了实验探究。
[提出问题] 影响自制电池效果的因素有哪些？
[查阅资源] 电极材料，电极间距，水果种类对自制水果电池的效果可能有影响。
[实验探究] Ⅰ.按如图连接水果电池。
Ⅱ.实验记录如下：
[解释与结论]
a.实验①②③的目的是 。
对比实验①②③得出的结论是 。
b.欲得出“水果种类对电池效果有影响”的结论，需要对比实验 （填序号）。对比④⑤得出的结论是
。
[反思与探讨]
c.水果电池中，水果的作用是 。
d.对比实验①②③可知构成水果电池的电极必须具备的条件为 ， 构成水果电池的其他要素还有 、 、 。
提示：a.探究电极材料对电池效果的影响 在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电池效果越好 b.①④ 在其他条件相同时，电极间距越小，电流越大，电池效果越好 c.作电解质溶液 d.两极金属活泼性不同 能发生自发的氧化还原反应 形成闭合回路 有电解质溶液
1.有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置及部分反应现象如下：
由此可判断这四种金属的活动性顺序是（ ）
A.d＞a＞c＞bB.b＞c＞d＞a
C.d＞a＞b＞cD.a＞b＞d＞c
解析：C 原电池中较活泼的金属作负极，发生氧化反应；失去的电子经导线传递到正极，所以溶液中的阳离子向正极移动，正极发生还原反应。a极质量减小，b极质量增加，这说明a极是负极，b极是正极，则金属活动性：a＞b；b极有气体产生，c极无变化，说明金属活动性：b＞c；d极溶解，c极有气体产生，说明d极是负极，c极是正极，则金属活动性：d＞c；电流计指示在导线中电流从a极流向d极，这说明d极是负极，a极是正极，则金属活动性：d＞a；综上所述，四种金属的活动性顺序是 d＞a＞b＞c。
2.选择适宜的材料和试剂，请利用反应“Fe＋2Fe3＋ 3Fe2＋”设计一个原电池。
（1）该反应氧化反应的半反应可表示为“Fe－2e－ Fe2＋”，则还原反应的半反应为Fe3＋＋e－ Fe2＋。
（2）若设计成原电池
①负极材料是 铁 ，选择依据是固体铁单质能导电，可被电解质溶液中的Fe3＋氧化为Fe2＋。
②正极材料可选用 铜（或石墨） ，选择依据是铜（或石墨）的还原性比铁弱，且为能导电的固体。
③ FeCl3[或Fe2（SO4）3] 溶液作电解质。
（3）写出电极反应式
正极： Fe3＋＋e－ Fe2＋，负极： Fe－2e－ Fe2＋ 。
（4）该原电池中电子从 铁（负） 极流出，电解质溶液中的阳离子（Fe3＋）移向 铜或石墨（正） 极。
1.（鲁科版习题改编）下列化学反应中，可以用来设计原电池的是（ ）
A.CaCO3＋2HCl CaCl2＋H2O＋CO2↑
B.Zn＋CuSO4 Cu＋ZnSO4
C.NaOH＋HCl NaCl＋H2O
D.2NaOH＋CuSO4 Cu（OH）2↓＋Na2SO4
解析：B A、C、D不是氧化还原反应，所以不能用来设计原电池。
2.（苏教版习题改编）将锌片和铜片按图示方式插入柠檬中，电流计指针发生偏转。下列关于该装置的说法中，正确的是（ ）
A.将电能转换为化学能
B.电子由铜片流出
C.锌片是负极
D.铜片逐渐被氧化
解析：C 此装置为化学能转换为电能的装置；Zn为负极，Cu为正极，电子由锌片流出，Zn片逐渐被氧化。
3.某同学根据化学反应Fe＋2H＋ Fe2＋＋H2↑，并利用实验室材料制作原电池。下列关于该原电池组成的说法正确的是（ ）
解析：C 若将反应Fe＋2H＋ Fe2＋＋H2↑设计为原电池，则Fe为负极，活动性比Fe弱的电极为正极，可以用石墨棒、铜棒等作正极，电解质溶液为硫酸。
4.A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验。
根据实验现象回答下列问题：
（1）装置甲中负极反应是 A－2e－ A2＋ 。
（2）溶液中Cu2＋向 C 极移动（填“B”或“C”）。
（3）装置丙中溶液的c（H＋）变化是 变小 （填“变大”“变小”或“不变”）。
解析：据图（Ⅰ）知，金属活动性：A＞B，A作负极，电极反应为A－2e－ A2＋；据图（Ⅱ）知，金属活动性：B＞C，正极反应为Cu2＋＋2e－ Cu，由阳离子向正极移动可知，Cu2＋向C极移动；据图（Ⅲ）知，金属活动性：D＞A，正极反应为2H＋＋2e－ H2↑，故c（H＋）减小。据图（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）知，金属活动性：D＞A＞B＞C。
题组一 原电池构成条件及工作原理
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（ ）
解析：C 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。
2.某化学兴趣小组设计了一个如图所示的水果电池，下列有关该电池的说法正确的是（ ）
A.锌片作正极
B.电子流向：锌片→导线→LED灯→铜片→柠檬→锌片
C.铜片上发生还原反应，质量一定增加
D.水果种类会影响LED灯的亮度
解析：D 锌的金属活动性强于铜，所以锌片作负极，A错误；电子只能经过外电路导线进行移动，不能经过内电路电解质溶液进行移动，B错误；铜片作正极，没有金属析出，铜片质量不变，C错误；水果种类不同，相当于电解质溶液不同，会影响LED灯的亮度，D正确。
3.锌铜原电池的装置如图，下列说法正确的是（ ）
A.若用乙醇代替CuSO4溶液，则也能构成原电池
B.铜电极的电极反应式为Cu2＋＋2e－ Cu
C.电子由锌电极流出，经电解质溶液传递到铜电极
D.电池工作时，溶液中的Cu2＋向锌电极迁移
解析：B 乙醇是非电解质，构成原电池需要电解质溶液，A错误；原电池中发生总反应：Zn＋Cu2＋ Zn2＋＋Cu，锌作负极，铜作正极，正极Cu2＋得电子，电子由负极流出经导线传递到正极，阳离子向正极迁移，B正确，C、D错误。
4.以硫酸铜为电解质的原电池装置如图所示，下列叙述错误的是（ ）
A.红色的铜在锌片表面生成
B.电池的总反应为Zn＋CuSO4 ZnSO4＋Cu
C.锌片为负极，发生氧化反应
D.铜片质量逐渐增大，锌片质量逐渐减小
解析：A 锌比铜活泼，锌为负极，电极反应为Zn－2e－ Zn2＋，锌电极逐渐溶解；铜为正极，电极反应为Cu2＋＋2e－ Cu，在铜电极表面生成红色的铜单质；红色的铜在铜片表面生成，A错误；锌为负极，电极反应为Zn－2e－ Zn2＋，铜为正极，电极反应为Cu2＋＋2e－ Cu，则电池的总反应为Zn＋CuSO4 ZnSO4＋Cu，B正确；锌片为负极，发生氧化反应，C正确；铜电极表面生成红色的铜单质，铜片质量逐渐增大，锌电极逐渐溶解，锌片质量逐渐减小，D正确。
题组二 原电池原理的应用
5.将过量的等质量的两份锌粉a、b，分别加入相同质量、相同浓度的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，图中产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系，其中正确的是（ ）
解析：B a中加入硫酸铜溶液，会置换出金属铜，形成锌、铜、稀硫酸原电池，加速金属铁和硫酸反应的速率，所以反应速率：a＞b，速率越大，锌完全反应时所用的时间越短，所以a所用的时间小于b所用的时间；产生氢气的量取决于稀硫酸的物质的量，而a、b中金属锌均过量，分别和相同量的硫酸反应生成氢气的量相等，所以氢气的体积：a＝b。
6.比较X、Y、Z、W四种金属的活动性，方案及相关现象如下：
①将四种金属各自浸入稀硫酸中，只有W表面无气泡产生；②将X、Y用导线连接浸入稀硫酸中，X上产生气泡；③将Y、Z用导线连接浸入稀硫酸中，Z极质量减小。
则四种金属的活动性由强到弱的顺序为（ ）
A.Z＞Y＞X＞WB.Z＞X＞Y＞W
C.Z＞Y＞W＞XD.Y＞Z＞X＞W
解析：A ①中W表面无气泡产生，说明金属活动性W最弱；②中X上产生气泡，说明金属活动性：Y＞X；③中Z极质量减小，Z为负极，说明金属活动性：Z＞Y。
7.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，下列说法错误的是（ ）
A.Zn为负极，发生氧化反应
B.a电极反应式为Fe3＋＋e－ Fe2＋
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
解析：C 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发生氧化反应，A正确；正极发生还原反应，a电极反应式为Fe3＋＋e－ Fe2＋，B正确；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。
8.某原电池的总反应离子方程式为Zn＋Cu2＋ Zn2＋＋Cu，则该原电池的正确组成可以是下列的（ ）
解析：C 该原电池的负极为锌，正极是比锌活动性弱的金属或导电的非金属，电解质溶液中含有Cu2＋。
9.某实验小组同学设计如图所示对比实验，探究原电池的构成条件，下列相关说法错误的是（ ）
A.实验1形成原电池，将化学能转化为电能
B.实验1中锌粒作负极，铜丝作正极
C.对比实验1和实验2，说明形成原电池可以使Cu与稀硫酸反应
D.对比实验1和实验3，说明形成原电池需要导线连成闭合回路
解析：C 实验1中形成原电池，化学能转化为电能，锌粒作负极，发生氧化反应：Zn－2e－ Zn2＋，铜丝作正极，H＋在正极发生还原反应：2H＋＋2e－ H2↑，A、B正确；实验1的本质是锌粒与稀硫酸的反应，C错误；原电池需要形成闭合回路，D正确。
10.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中的Zn、Cu下端接触，Zn片逐渐溶解，Cu片上能看到气泡产生
B.图2中H＋向Zn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，Zn片减轻的质量相等时，正极产物的质量之比为1∶32
解析：B 图1中，Zn、Cu直接接触就能构成闭合回路而形成原电池，Zn片逐渐溶解，Cu片上可看到有气泡产生，A项正确；图2中，H＋带正电荷，应该向正极Cu片移动，B项错误；图2中，由于Mg的失电子能力强于Zn，所以将Zn片改为Mg片后，电子转移速率加快，生成H2的速率也加快，C项正确；图2中假设消耗负极65 g Zn，则转移2 ml电子，正极产生2 g H2，而图3中消耗负极65 g Zn，也转移2 ml电子，则正极析出64 g Cu，正极产物的质量之比为1∶32，D项正确。
11.某兴趣小组依据反应Zn＋CuSO4 ZnSO4＋Cu探究原电池的工作原理，将质量相等的锌片和铜片用导线相连浸入硫酸铜溶液中构成如图1装置。

（1）该反应的能量变化可用图2中的 甲 （填“甲”或“乙”）表示。
（2）若K断开，锌片上 有 （填“有”或“无”，下同）氧化还原反应发生，导线上 无 电流产生。
（3）连接K，锌片上的电极反应式为 Zn－2e－ Zn2＋ 。
2 min后测得锌片和铜片之间的质量差为1.29 g，则导线中通过电子的物质的量为 0.02 ml。
解析：（1）Zn＋CuSO4 ZnSO4＋Cu是置换反应，也是放热反应，则反应物总能量大于生成物总能量，图甲符合。
（2）若K断开，不能形成原电池，但Zn＋CuSO4 ZnSO4＋Cu反应继续进行，则锌片上有氧化还原反应发生，导线上无电流产生。
（3）由图1知，连接K，构成原电池，Zn作负极，电极反应为Zn－2e－ Zn2＋，2 min后测得锌片和铜片之间的质量差为1.29 g，由Zn＋CuSO4 ZnSO4＋Cu可知，溶解锌的物质的量和析出铜的物质的量相等，设转移电子的物质的量为x ml，12x ml×65 g·ml－1＋12x ml×64 g·ml－1＝1.29 g，解得x＝0.02。
12.化学电源在生产生活中有着广泛的应用，请回答下列问题：
（1）某同学利用原电池反应检测金属的活动性顺序，设计了相同条件下如图1（6 ml·L－1的H2SO4溶液）、图2（6 ml·L－1的NaOH溶液）的两个实验。
①图1中放电时H＋向 铝片 （填“镁片”或“铝片”）移动。
②图2中铝片为 负 极，其电极反应式为 Al－3e－＋4OH－ [Al（OH）4]－ 。
③依据该实验得出的下列结论中，正确的有 AD （填字母）。
A.利用原电池反应判断金属活动性强弱时应注意选择合适的介质
B.镁的金属性不一定比铝的金属性强
C.初中所学的金属活动性顺序已过时，没有实用价值
D.电极不变，电解质溶液不同，电极反应也可能不同
（2）一定量的Zn与足量的稀硫酸反应制氢气，反应过程中生成气体的体积随时间的变化如图3中的曲线①。某同学欲通过改变某一条件将曲线①变成曲线②。下列措施能实现其目的的是 B （填字母）。
A.滴加少量的CuSO4溶液
B.滴加少量的浓硫酸
C.加入少量的ZnSO4固体
D.加入少量的CH3COONa固体
解析：（1）①图1中镁作负极，铝作正极，原电池工作时，H＋向铝片移动。②图2中铝为负极，镁为正极，负极上电极反应式为Al－3e－＋4OH－ [Al（OH）4]－。③初中所学的金属活动性顺序仍是正确的，仍有实用价值，因为一些特殊的化学反应，如铝能与NaOH反应而镁不行，使得部分金属性相对弱的金属作负极，说明利用原电池反应判断金属活动性强弱时应注意选择合适的介质，A、D正确，B、C错误。
（2）Zn置换出单质铜，与硫酸构成原电池，加快反应速率，但是生成氢气的量变少，A错误；对反应没有明显影响，生成气体的速率不变，C错误；生成弱酸醋酸，降低了溶液中氢离子浓度，反应速率减小，D错误。1.知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例认识化学能可以转化为电能。
2.通过原电池的学习，能辨识简单原电池的构成要素，能分析简单原电池的工作原理。
实验操作
将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象
用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象
用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表的指针是否偏转
实验装置
实验现象
锌片表面产生大量气泡，铜片表面无明显现象
锌片逐渐溶解，铜片表面产生大量气泡
锌片逐渐溶解，铜片表面产生气泡，电流表指针发生偏转
实验结论
锌与稀硫酸反应产生氢气，而铜与稀硫酸不反应
锌失去电子，经导线流向铜片，H＋在铜片上得到电子被还原生成H2
导线中有电流通过，反应过程中产生了电能
序号
电极
电极间距
水果种类
电流表示数（μA）
①
Cu—Al
2.0 cm
西红柿
78.5
②
Cu—Fe
2.0 cm
西红柿
70.3
③
Al—Al
2.0 cm
西红柿
0
④
Cu—Al
2.0 cm
柠檬
45.7
⑤
Cu—Al
1.0 cm
柠檬
98.4
⑥
石墨棒—Al
1.0 cm
柠檬
104.5
实验装置
部分实验现象
a极质量减小；
b极质量增加
b极有气体产生；
c极无变化
d极溶解；
c极有气体产生
电流计指示在导线中电流从a极流向d极
选项
A
B
C
D
正极
锌棒
铁棒
石墨棒
铁棒
负极
铁棒
石墨棒
铁棒
铜棒
电解质溶液
H2SO4溶液
H2SO4溶液
H2SO4溶液
H2SO4溶液
装置
现象
金属A不断溶解为二价离子
C的质量增加
A上有气体产生
实验1
实验2
实验3
实验装置
实验现象
①锌粒逐渐变小；
②铜丝远离锌粒的一端有气泡产生
无明显现象
①锌粒逐渐变小；
②锌粒上有气泡产生；
③铜丝无明显变化