化学必修 第二册第2节 化学反应与能量转化第2课时导学案
展开第2课时 化学反应能量转化的重要应用——化学电池
原电池的工作原理
1.现在,化学电池已成为人类生产和生活的重要能量来源之一,各式各样的化学电池的发明也是化学科学对人类的一个重大贡献。化学电池是根据原电池原理制成的。
2.原电池——化学能转化为电能
原电池是一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。
3.初识氢氧燃料电池
如图是一个简易的氢氧燃料电池的实验装置示意图。用图a装置电解获得氢气和氧气,再按图b所示连接装置进行实验。
(1)在图b所示装置中,氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行,其中氢气分子中的氢原子在左侧石墨电极上失去电子,氢气作为电池的负极反应物;氧气分子中的氧原子在右侧石墨电极上得到电子,氧气作为电池的正极反应物。稀硫酸中存在的自由移动的离子起到传导电荷的作用,导线起到传导电子的作用。
(2)物理学认为,在一个有电源的闭合回路中,产生电流的原因是电源给用电器提供了电势差。简易氢氧燃料电池能够给用电器提供电势差,是由于在两个石墨电极上有得失电子能力不同的物质——氢气和氧气;当形成闭合回路时,便会产生电流。
(3)工作原理
原电池的基本工作原理是,还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生氧化反应和还原反应,并通过能导电的物质形成闭合回路产生电流。其中,还原剂(如氢气)在负极上失去电子,是负极反应物;氧化剂(如氧气)在正极上得到电子,是正极反应物;电极材料(如石墨电极)通常是能够导电的固体。此外,还要有能传导电荷的电解质(如稀硫酸)作为离子导体;而导线则作为电子导体,起到传导电子形成闭合回路的作用。
4.简单原电池的构成要素
(1)一个反应:氧化还原反应;
(2)两个电极:相对活泼的金属做负极,相对不活泼的金属或能导电的非金属做正极;
(3)两个导体:能提供自由移动的离子的电解质溶液作为离子导体;用电子导体(即导线)连接成闭合回路。
1.原电池的工作原理
工作过程中电解质溶液中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,与外电路构成闭合回路。
2.原电池正负极判断(从5个角度思考判断)
一般而言,原电池负极金属活泼性大于正极金属,但也有特例,如MgAlNaOH(aq)原电池中,Mg做正极,Al做负极;FeCu浓HNO3原电池中,Fe做正极,Cu做负极。
1.判断正误
(1)所有的化学反应均能设计成原电池。( )
(2)原电池的负极金属一定比正极金属活泼。( )
(3)原电池的负极一定发生氧化反应。( )
(4)原电池工作时,电子通过电解质溶液由正极移向负极。( )
(5)原电池工作时,正极一定产生气体。( )
(6)原电池中化学能全部转变为电能。( )
(7)原电池的两极只能用金属材料。( )
答案:(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)× (7)×
2.下列装置能构成原电池的是(连接两个电极的均是金属导线)( )
解析:选D。A中两极金属活泼性相同;B中无电解质溶液;C中没构成闭合回路。
3.已知空气锌电池的电极反应为锌片:Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O;碳棒:eq \f(1,2)O2+H2O+2e-===2OH-,据此判断,锌片是( )
A.正极并被还原 B.正极并被氧化
C.负极并被还原 D.负极并被氧化
解析:选D。由电极反应式:Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O可知,Zn失电子被氧化,发生氧化反应,做负极。
设计原电池
1.设计原电池的基本思路
以Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑为例说明。
(1)将氧化还原反应分成两部分,负极反应为氧化反应:还原剂-ne-===氧化产物;正极反应为还原反应:氧化剂+ne-===还原产物。
实例:负极反应为Zn-2e-===Zn2+;正极反应为2H++2e-===H2↑。
(2)选择正负极材料和离子导体,以电极反应为依据,根据原电池的工作原理确定电极材料和离子导体。通常,还原剂为负极材料,氧化剂为离子导体中某种阳离子,正极材料比负极材料的活动性弱或使用石墨做电极。
eq \a\vs4\al(实例:电极材料,及离子导体)eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(①负极:Zn,②正极:Cu或C(比Zn的活动性差的,金属或导电的非金属),③离子导体:稀H2SO4))
(3)画出原电池的装置简图。
2.锌铜原电池工作原理
3.常见化学电池
(1)干电池:属于一次电池,如锌锰电池。
(2)充电电池:又称二次电池,如铅蓄电池、锂离子电池。
(3)燃料电池:能量转换效率高、能长时间提供电能。
原电池原理的其他应用
1.比较金属的活动性强弱
(1)原理:一般原电池中活动性较强的金属做负极,活动性较弱的金属做正极。
(2)应用:A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中,若A极溶解,B极上冒气泡,则活动性:A>B。
2.加快化学反应
(1)原理:在原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,溶液中的微粒运动时相互间的干扰小,使化学反应加快。
(2)应用:实验室中用Zn和稀H2SO4制取H2时,通常滴入几滴CuSO4溶液,原因是Zn与置换出的Cu构成原电池,加快了反应的进行。
1.X、Y、Z、W四种金属片在稀盐酸中,用导线连接,可以组成原电池,实验结果如图所示:
则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为( )
A.Z>Y>X>W B.Z>X>Y>W
C.Z>Y>W>X D.Y>Z>X>W
解析:选A。甲中Z为负极,活泼性:Z>Y;乙中X上有气泡生成,则X为正极,活泼性:Y>X;丙中根据电子的流向可知,Z为负极,活泼性:Z>W;丁中W上发生还原反应,则W为正极,活泼性:X>W;综上可知活泼性:Z>Y>X>W。
2.下列叙述是某同学做完锌铜原电池的实验后得出的结论和认识,你认为正确的是( )
A.构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属
B.由铜、锌做电极与硫酸铜溶液构成的原电池中铜是负极
C.电子经外导线由锌流向铜,通过硫酸溶液被H+得到而放出H2
D.锌铜原电池工作时,若13 g锌被溶解,电路中就有0.4 ml 电子通过
解析:选D。两种活动性不同的金属与电解质溶液能构成原电池,但不能因此说构成原电池电极的材料一定都是金属,如锌和石墨电极也能跟电解质溶液构成原电池;在原电池中,电子由较活泼金属移向较不活泼的金属,因此活泼金属是负极;电子不能通过电解质溶液,应该是H+在铜极上得到由锌沿导线转移过来的电子;锌铜原电池工作时,负极锌失电子,电极反应为Zn-2e-===Zn2+,1 ml Zn失去2 ml电子,0.2 ml Zn(质量为13 g)被溶解,电路中有0.4 ml电子通过。
3.铁及铁的化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式:
________________________________________________________________________。
(2)若将(1)中的反应设计成原电池,请在方框内画出原电池的装置图,标出正、负极,并写出电极反应式。
正极反应式:_____________________________________________________;
负极反应式:____________________________________________________。
解析:首先分析Fe3+与Cu反应中的氧化剂、还原剂,然后依据原电池原理,再设计成原电池。依据反应:2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,Cu失电子,应为原电池的负极,正极材料选用比铜不活泼的铂丝,或导电的非金属如石墨棒,电解质溶液选用FeCl3溶液。
答案:(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)
2Fe3++2e-===2Fe2+ Cu-2e-===Cu2+
合格考训练
1.下列装置中有电流产生的是( )
解析:选C。A项中两电极材料相同,B项中没有构成闭合回路,D项中四氯化碳为非电解质。
2.将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是( )
A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
C.两烧杯中溶液的c(H+)均减小
D.铜片上产生气泡的速率甲比乙慢
解析:选C。甲构成原电池,铜片表面有气泡产生,乙不能构成原电池,铜片表面无气泡产生,也不做正极。形成原电池会加快反应速率,故甲中产生气泡的速率较快;甲、乙两烧杯中H+均参加反应,c(H+)均减小。
3.如图为番茄电池,下列说法中正确的是( )
A.一段时间后,锌片质量会变小
B.铜片附近会出现蓝色
C.电子由铜片通过导线流向锌片
D.锌片是该电池的正极
解析:选A。番茄电池中锌片是负极,铜片是正极,负极锌片会失去电子而溶解,质量减小,A项正确、D项错误;铜片是正极,电子由负极锌片流向正极铜片,C项错误;铜片附近不会出现蓝色,B项错误。
4.一个化学电池的总反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该化学电池的组成可能为( )
解析:选B。电解质溶液中一定含有Cu2+,只有B项正确。
5.有a、b、c、d四个金属电极,有关的反应装置图及部分反应现象如下:
则这四种金属的活动性由强到弱的顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>c D.a>b>d>c
解析:选C。装置甲中,a极质量减小,b极质量增大,a极为负极,b极为正极,所以金属的活动性顺序:a>b;装置乙中,b极有气泡产生,c极无变化,所以金属的活动性顺序:b>c;装置丙中,d极溶解,c极有气泡产生,d极为负极,c极为正极,所以金属的活动性顺序:d>c;装置丁中,电流从a极流向d极,a极为正极,d极为负极,所以金属的活动性顺序:d>a;故这四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。
6.如图所示,在银锌原电池中,以硫酸铜为电解质溶液,锌为________极,该电极上发生________反应(填“氧化”或“还原”),电极反应式为______________,锌片上观察到的现象为______________________;银为________极,电极上发生________反应(填“氧化”或“还原”),电极反应式是______________________,银片上观察到的现象是__________________。
解析:在银、锌及CuSO4溶液形成的原电池中,由于活泼性Zn>Ag,所以Zn做负极:Zn-2e-===Zn2+,Zn片逐渐溶解;Ag做正极:Cu2++2e-===Cu,析出的Cu沉积在Ag片上。
答案:负 氧化 Zn-2e-===Zn2+ Zn片逐渐溶解 正 还原 Cu2++2e-===Cu 银片上有红色物质析出课程标准
核心素养
1.能分析原电池的工作原理,能书写简单的电极反应。
2.能辨识简单原电池的构成要素。
3.能举出化学能转化为电能的实例。
4.能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。
1.宏观辨识与微观探析
能从宏观(能量变化)和微观(电子转移)相结合的视角分析原电池的组成和工作原理。
2.科学探究与创新意识
提高实施实验的能力,发展创造性体验和想象创新能力。
实验装置
现象
锌片不断溶解,铜片上有气泡产生,电流表指针发生偏转
结论
导线中有电流通过,化学能转化为电能
解释
锌失电子发生氧化反应形成Zn2+进入溶液:Zn-2e-===Zn2+(填电极反应式),锌片上的电子沿导线流向铜片
溶液中的H+从铜片上得电子发生还原反应生成H2逸出:2H++2e-===H2↑(填电极反应式)
课堂小结
化学电池→原电池eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(构成要素,工作原理,正负极的判断方法,应用——设计原电池))
选项
A
B
C
D
正极
Cu
Cu
Zn
Fe
负极
Zn
Zn
Cu
Zn
电解质溶液
H2SO4
CuCl2
ZnCl2
ZnCl2
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
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