人教版 (2019)第一节 化学反应与能量变化学案

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一、原电池的工作原理
1．实验探究
2．原电池的概念
原电池是把化学能转化为电能的装置；原电池的反应一般是氧化还原反应。
3．原电池的工作原理
(1)分析下图并填空
答案：负极 氧化反应 Zn-2e-=Zn2+ 正极 还原反应 2H++2e-=H2↑
原电池总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
(2)电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。
(3)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)两极为两种活动性不同的金属（或一种为能导电的非金属）。
(2)电解质溶液。
(3)形成闭合回路。
(4)能自发进行的氧化还原反应。
5．原电池工作原理的简单应用
(1)加快氧化还原反应的速率
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)比较金属的活动性强弱
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。
二、化学电源
1．一次电池
(1)特点：电池放电后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)，如锌锰干电池属于一次电池。
(2)锌锰干电池的构造如图所示。
①锌筒为负极，电极反应是Zn－2e－===Zn2＋。
②石墨棒为正极，最终被还原的物质是二氧化锰。
③NH4Cl糊的作用是作电解质溶液。
2．二次电池(充电电池)
(1)特点：二次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，使电池恢复到放电前的状态。
(2)能量转化：化学能电能
(3)常见的充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池。
3．燃料电池
(1)特点：
①反应物储存在电池外部；
②能量转换效率高、清洁、安全；
③供电量易于调节。
(2)燃料电池常用的燃料有：氢气、甲烷、乙醇等；常用氧化剂：氧气。
►问题一 原电池的工作原理
【典例1】根据原电池原理，结合装置图，按要求解答问题：
(1)若X为Zn，Y为硫酸铜溶液，则X为________(填电极名称)，判断依据：_________________；铜电极的名称是________，溶液中的Cu2＋移向________(填“Cu”或“X”)电极。
(2)若X为银，Y为硝酸银溶液，则X为________(填电极名称)，判断依据：_________________；铜电极的名称是________，溶液中的Ag＋移向________(填“Cu”或“X”)电极。
答案：(1)负极 锌的活泼性比铜强(或Zn的还原性比Cu强) 正极 Cu
(2)正极 铜的活泼性比银强(或Cu的还原性比Ag强) 负极 X
【归纳小结】原电池的工作原理
(1)原电池构成条件
①反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液的反应)。
②电极：一般是活泼性不同的两电极。
③形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：电解质溶液；两电极直接接触或有导线连接；两电极插入电解质溶液中。
(2)工作原理
①反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
②电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。
③离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
④电流方向：正极→导线→负极
【变式练1-1】如图所示电流表的指针发生偏转，同时A极的质量减小，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分别为Zn、Cu和稀盐酸
C．C中阳离子向A极移动
D．A极发生氧化反应
答案：C
解析：原电池中，负极金属失去电子，发生氧化反应，溶解，质量减小，故A极为负极，B极为正极，A、D项正确；A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时，可以构成原电池，且现象符合题意，B项正确；电解质溶液中阳离子移向正极，C项错误。
【变式练1-2】下列装置中能够组成原电池的是________(填序号)，其他不能构成原电池的试分别说明理由：_________________________________________________________________________________。
答案：③⑤ ①中只有一个电极，②中两个电极的活泼性相同，④中为非电解质溶液，不能导电，⑥中电解质溶液(内电路)未形成闭合回路。
►问题二 原电池原理的应用
【典例2】理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请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。
回答下列问题：
(1)选用________为负极，选择依据是______________________________________________。
(2)正极材料可选用________，选择依据是____________________________。
(3)________溶液作电解质溶液。
(4)写出电极反应式
正极：________________，负极：________________。
(5)该原电池中电子从________极流出，电解质溶液中的阳离子(Fe3＋)移向________极。
答案：(1)铁 固体铁单质能导电，可被电解质溶液中的Fe3＋氧化为Fe2＋
(2)铜(或石墨) 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]
(4)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ Fe－2e－===Fe2＋
(5)铁(或负) 铜或石墨(或正)
【归纳小结】原电池的设计思路
(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)设计思路：
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。
【变式练2-1】下列各组材料中，不能组成原电池的是( )
答案：C
解析：构成原电池的条件是活泼性不同的金属或金属和能够导电的非金属，导线相连并插入电解质溶液中，则A、B、D均可以构成原电池，C中蔗糖是非电解质，故C不能构成原电池。
【变式练2-2】利用原电池原理可比较金属的活泼性，原电池中，作负极的金属活动性一般比作正极的金属活动性强。结合相关知识解答下列问题。
A、B、C三种金属片按表中装置进行实验：
(1)在甲中，金属片________(填“A”或“B”)发生氧化反应。
(2)在乙中，金属片________(填“B”或“C”)作负极。
(3)如果把B、C用导线连接后同时浸入稀硫酸中，有一电极产生气泡。则金属片________(填“B”或“C”)上有气泡产生。
(4)上述三种金属的活动性顺序是____________。
答案：(1)A (2)B (3)C (4)A＞B＞C
►问题三 化学电源
【典例3】同学们在“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]
(1)实验①②③的目的是______________________________________________。对比实验①②③得出的结论是_______________________________________________________。
(2)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]
(3)水果电池中，水果的作用是_________________________。
(4)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________________、________________、________________。
答案：(1)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
(2)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 (3)作电解质溶液
(4)两极金属活动性不同 能发生自发的氧化还原反应 形成闭合回路 有电解质溶液
【变式练3-1】铅酸蓄电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总的方程式为：
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
按要求回答下列问题：
(1)负极材料是________，正极材料是________，电解质溶液是________。
(2)工作时，电解质溶液中的H＋移向________极。
(3)工作时，电解质溶液中硫酸的浓度________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)当铅酸蓄电池向外电路提供2 ml e－时，理论上负极板的质量增加_______g。
答案：(1)Pb PbO2 H2SO4溶液 (2)PbO2电(或正) (3)减小 (4)96
解析：负极每个铅原子失去2e－，就生成一个PbSO4，负极增加一个SOeq \\al(2－,4)，故增加的质量为96 g。
【变式练3-2】氯铝电池是一种新型的燃料电池。电解质溶液是KOH溶液。试回答下列问题：
(1)通入Cl2(g)的电极是________(填“正”或“负”)极。
(2)投入Al(s)的电极是________(填“正”或“负”)极。
(3)外电路电子从________(填“Al”或“Cl2”)极流向________(填“正”或“负”)极。
(4)每消耗8.1 g Al(s)，电路中通过的电子数目为________NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。
答案：(1)正 (2)负 (3)Al 正 (4)0.9
解析：判断原电池的正、负极，首先要分析题中所给信息，此题所给信息是具体反应物，根据具体反应物间的化学反应式：2Al＋3Cl2===2AlCl3，可知Cl2得电子在正极发生还原反应，Al失电子在负极发生氧化反应，所以通入Cl2(g)的电极是正极，投入Al(s)的电极是负极，电子由负极(Al)经外电路流向正极。8.1 g Al(s)的物质的量为eq \f(8.1 g,27 g·ml－1)＝0.3 ml,1 ml Al反应转移3 ml电子，0.3 ml Al反应在电路中通过的电子数为 3NA×0.3＝0.9NA。
【基础强化】
1．电能是国民生产、生活中的重要能源，下图是2015年我国电力生产量的构成图。
下列有关火力发电的描述，正确的是( )
A．火力发电的能量转换形式为化学能直接转化为电能
B．火力发电的主要燃料为煤，煤炭是可再生能源
C．火力发电不但排放出大量温室气体，还可能导致酸雨
D．火力发电过程中的能量转化，热能转化为机械能是关键
答案：C
解析：火力发电过程是化学能→热能→机械能→电能，是化学能间接转化为电能，A错误；作火力发电燃料的煤为不可再生能源，B错误；在燃煤过程中，会产生大量CO2和SO2，可导致温室效应及酸雨，C正确；火力发电过程中，燃烧是关键，D错误。
2．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．Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
B．Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
C．Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4
D．C＋CO2eq \(=====,\s\up7(高温))2CO
答案：D
解析：D是吸热的氧化还原反应，反应过程中吸收能量，不能设计为原电池。
3．如图所示，a的金属活动性在氢之前，b为碳棒。下列关于该装置的说法中，正确的是( )
A．a极上发生还原反应，b极上发生氧化反应
B．碳棒上有气体逸出，溶液中c(H＋)增大
C．导线上有电流，电流方向a→b
D．反应后a极质量减小
答案：D
解析：金属a可与稀硫酸反应，a为原电池的负极，a极失电子发生氧化反应，b为正极，发生还原反应，A不正确，D正确；溶液中的H＋在b极上得电子生成氢气，c(H＋)减小，B不正确；导线中电子流向为a→b，电流方向为b→a，C不正确。
4．下列各装置能在外电路获得电流的是( )

答案：B
解析：电极材料没有活泼性差异，不能构成原电池，不能产生电流，A不选；金属活泼性Zn大于Cu，Zn和硫酸铜溶液反应生成硫酸锌和铜，Zn作负极，Cu作正极，构成原电池，可在外电路获得电流，B选；酒精不是电解质溶液，不能导电，不能构成原电池，C不选；电极材料没有活泼性差异，不能构成原电池，不能产生电流，D不选。
5．下列关于如图装置说法正确的是( )
A．碳棒是负极
B．该装置能将电能转化为化学能
C．电子由铁片流出经过电流表流向碳棒
D．铁片上发生的反应为Fe＋2e－===Fe2＋
答案：C
解析：由分析可知，碳棒是原电池的正极，A不正确；该装置属于原电池，能将化学能转化为电能，B不正确；在原电池中，电子从负极沿导线流入正极，所以该原电池中，电子由铁片流出经过电流表流向碳棒，C正确；铁片为负极，发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋，D不正确。
6．如图所示装置中，观察到电流表指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是( )
答案：C
解析：本题通过电极变化来确定电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，N棒金属较活泼，排除A、D，由M棒变粗，可知B不正确。
7．如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是( )
A．外电路的电流方向：X→外电路→Y
B．若两电极分别为Zn和石墨棒，则X为石墨棒，Y为Zn
C．SOeq \\al(2－,4)移向X电极，Y电极上有氢气产生
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
答案：C
解析：由外电路中的电子流向可知，X为负极，Y为正极，由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向应该是Y→外电路→X，故A错误；X为原电池的负极，Y为正极，则X应为Zn，故B错误；X为负极，Y电极上生成氢气，SOeq \\al(2－,4)移向负极X电极，故C正确；X极上发生的是氧化反应，Y极上发生的是还原反应，故D错误。
8．X、Y、Z、W四种金属片浸在稀盐酸中，用导线连接，可以组成原电池，实验结果如图所示：

则四种金属的活动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
答案：A
解析：根据相对活泼的金属作负极，确定原电池的负极就可以解决。甲中Z作负极，乙中Y作负极，丙中Z作负极，丁中X作负极，故四种金属的活动性的强弱顺序为Z＞Y＞X＞W。
9．A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸。
(1)A中反应的离子方程式为_______________________________。
(2)B中锡极为________极，电极反应式为__________________________，锡极附近溶液的酸性______(填“增强”“减弱”或“不变”)。B中Fe极为______极，电极反应式为_______________________________。
(3)C中被氧化的金属是________，总反应的化学方程式为_____________________________。
(4)A、B、C中铁被氧化由快到慢的顺序是___________________________________________。
答案：(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)正 2H＋＋2e－===H2↑ 减弱 负 Fe－2e－===Fe2＋
(3)Zn Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑
(4)B＞A＞C
解析：A中不能形成原电池，铁与稀硫酸发生置换反应。B中能形成原电池，铁比锡活泼，锡为正极，铁为负极，铁被氧化的速率加快。C能形成原电池，锌比铁活泼，锌为负极，不断被氧化，铁为正极，保持不变。
10．选择适宜的材料和试剂，请利用反应“Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋”设计一个化学电池。
回答下列问题：
(1)负极材料：________；正极材料：________；电解质溶液：____________。
(2)写出电极反应式：
正极：_____________________________；负极：_______________________。
(3)原电池中电子从________(填“正”或“负”，下同)极流出，电解质溶液中阴离子流向________极。
答案：(1)铜 银(或碳棒) AgNO3溶液
(2)2Ag＋＋2e－===2Ag Cu－2e－===Cu2＋
(3)负 负
【能力提升】
1．以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，当导线中通过2 ml电子时，下列说法正确的是( )
A．锌片溶解了1 ml，铜片上有1 ml H2生成
B．两极上溶解和析出的物质的质量相等
C．锌片溶解了31 g，铜片上有1 g H2生成
D．锌片溶解了1 ml，消耗了1 ml H＋
答案：A
解析：原电池两极得、失电子数相等。负极Zn－2e－===Zn2＋；正极2H＋＋2e－===H2↑。当溶解1 ml锌时失去2 ml电子，铜片上有1 ml氢气生成，得到2 ml电子。
2．如图所示，杠杆A、B两端分别挂有体积相同、质量相同的空心铜球和空心铁球，调节杠杆使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中不考虑铁丝反应及两边浮力的变化)( )
A．杠杆为导体和绝缘体时，均为A端高B端低
B．杠杆为导体和绝缘体时，均为A端低B端高
C．当杠杆为绝缘体时，A端低B端高；当杠杆为导体时，A端高B端低
D．当杠杆为绝缘体时，A端高B端低；当杠杆为导体时，A端低B端高
答案：D
3．按图1所示装置进行实验，若图2中x轴表示流入正极的电子的物质的量，则y轴可以表示( )
①c(Ag＋) ②c(NOeq \\al(－,3)) ③a棒的质量 ④b棒的质量 ⑤溶液的质量
A．①③ B．②④ C．①③⑤ D．②④⑤
答案：C
解析：NOeq \\al(－,3)不参加反应，因此c(NOeq \\al(－,3))不变，②不符合图像变化；负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应式为Ag＋＋e－===Ag，则a棒的质量逐渐减少，b棒的质量逐渐增加，c(Ag＋)逐渐减小，①③符合图像变化，④不符合图像变化；由电极反应式可知，每溶解56 g铁转移2 ml电子，有216 g银从溶液中析出，故随着反应的进行，溶液的质量减少，⑤符合图像变化。
4．现有如下两个反应：
A：H2SO4＋2KOH===K2SO4＋2H2O
B：Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2
(1)根据上述两反应的本质，________(填字母)反应能设计成原电池，其原因是_________________________。
(2)将上述反应中能设计成原电池的反应设计成原电池。
①写出电极反应式及反应类型：
负极：________________________________，____________________；
正极：________________________________，____________________。
②画出装置图并标明电极材料与名称、电解质溶液、电子流向。
③若导线上通过电子2 ml，则负极质量减轻________g。
答案：(1)B A为非氧化还原反应，没有电子转移；B为氧化还原反应，有电子转移
(2)①Cu－2e－===Cu2＋ 氧化反应 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ 还原反应
②
③64
5．Ⅰ.A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。
根据实验现象回答下列问题：
(1)装置甲中负极的电极反应式是_______________________________。
(2)装置乙中正极的电极反应式是_______________________________。
(3)四种金属活动性由强到弱的顺序是________________________。
Ⅱ.分别按如图所示甲、乙装置进行实验，图中两个烧杯中的溶液为相同浓度的稀硫酸。
(1)下列叙述正确的是________(填字母)。
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极
C．两烧杯中溶液中的H＋浓度均减小
D．产生气泡的速率：甲比乙慢
(2)甲装置中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，原因可能是
___________________________________________________________。
(3)甲装置中，若把稀硫酸换成CuSO4溶液，试写出铜电极的电极反应式：_____________________。
答案：Ⅰ.(1)A－2e－===A2＋ (2)Cu2＋＋2e－===Cu (3)D＞A＞B＞C
Ⅱ.(1)C (2)锌片不纯，锌与杂质构成原电池 (3)Cu2＋＋2e－===Cu
解析：Ⅰ.(1)甲装置中，二价金属A不断溶解，说明A失电子发生氧化反应，则A作负极，B作正极，装置甲中负极的电极反应式是A－2e－===A2＋。(2)乙装置中，C的质量增加，说明C电极上铜离子得电子发生还原反应，则C作正极，B作负极，装置乙中正极的电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。(3)丙装置中，A上有气体产生，说明A上氢离子得电子发生还原反应，则A作正极，D作负极，结合(1)(2)分析可知，四种金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。Ⅱ.(1)铜不能与稀硫酸反应，则乙烧杯中铜片表面无气泡生成，甲装置中形成原电池，铜作正极，则甲烧杯中铜片表面有气泡产生，故A错误；乙装置没有形成闭合回路，不能形成原电池，故B错误；两烧杯中稀硫酸都参加反应，溶液中氢离子浓度均减小，故C正确；甲装置能形成原电池，其反应速率较一般化学反应速率更大，所以甲中产生气泡的速率比乙中快，故D错误。(2)在甲装置中，某同学发现不仅在铜片上有气泡产生，而且在锌片上也产生了气体，可能是由于锌片不纯，在锌片上形成原电池。(3)在甲装置中，如果把稀硫酸换成硫酸铜溶液，Cu2＋在正极上得电子生成Cu，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。
1．理解原电池的概念及工作原理，能正确判断原电池的正、负极。
2．会设计简单的原电池。
3．知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电源的特点。
实验装置
实验现象
实验结论或解释
锌片：逐渐溶解，有气泡产生
铜片：没有变化
锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应
锌片：逐渐溶解
铜片：有气泡产生
电流表：指针发生偏转
锌失去电子，变为锌离子，电子经过导线流向铜片，产生电流，氢离子在铜片上得到电子生成氢气，反应过程中产生了电能
选项
A
B
C
D
两极材料
Zn片，石墨
Cu片，Ag片
Zn片，Cu片
Fe片，Cu片
插入溶液
稀硫酸
AgNO3溶液
蔗糖溶液
稀盐酸
装置
甲
乙
现象
A不断溶解，B上产生气泡
C的质量增加，B的质量减轻
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
选项
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生