1、高中同步學案優化設計GAO ZHONG TONG BU XUE AN YOU HUA SHE JI第2課時化學反應與電能第六章2022內容索引0102課前篇 素養初探課堂篇 素養提升素養目標1.通過對比火力發電,認識化學能直接轉變為電能的裝置原電池的優勢,了解化學電源在實際生活中的應用及廢舊電池的處理和利用,發展科學態度與社會責任等學科核心素養。2.通過實驗探究,掌握構成原電池裝置的條件,發展變化觀念、科學探究與創新意識等學科核心素養。課前篇 素養初探【自主梳理】一、化學能轉化為電能1.化學能間接轉化為電能火力發電(1)過程(2)關鍵 燃燒 (氧化還原反應)。【微思考1】火力發電存在幾種形式能

2、量的轉化?試分析火力發電有哪些弊端。提示 化學能轉化為熱能、熱能轉化為機械能、機械能轉化為電能。火力發電的不足:使用的化石燃料屬于不可再生資源;化石燃料的燃燒會產生大量的有害氣體(如SO2、CO等)及粉塵,污染環境;能量經過多次轉化,能量利用率低。2.化學能直接轉化為電能原電池(1)定義:把化學能轉變為電能的裝置。 能量轉化方式(2)工作原理(以銅鋅稀硫酸原電池為例): 原電池原理示意圖 電極材料電極名稱電子流向電極反應式反應類型鋅負極電子流出Zn-2e-=Zn2+氧化反應銅正極電子流入2H+2e-=H2還原反應總反應Zn+2H+=Zn2+H2(3)電子的流向:電子由負極經導線流向正極。電解質

3、溶液中離子移動方向:陽離子向正極定向移動,陰離子向負極定向移動。可簡記為:正正負負解釋:正(指陽離子)正(指正極)、負(指陰離子)負(指負極)。(4)反應本質:原電池反應的本質是自發進行的氧化還原反應。【微思考2】原電池的電極材料都必須是金屬嗎?提示 原電池的電極材料可以是兩種活潑性不同的金屬,也可以是一種金屬與一種可導電的惰性材料(如石墨);在燃料電池中,電極本身均不發生反應,故兩極均可用惰性材料。二、化學電池新能源和可再生能源的重要組成部分1.一次電池酸性鋅錳干電池構造示意圖工作原理負極鋅筒鋅被氧化,逐漸消耗電解質氯化銨正極石墨棒二氧化錳被還原特點放電后不能充電便于攜帶,價格低2.二次電池

4、 【微思考3】生活中電動車、手機的電池屬于一次電池還是二次電池?提示 電動車、手機的電池都可以反復充電使用,都屬于二次電池。3.發展中的燃料電池 【自我檢測】1.正誤判斷(正確的打“”,錯誤的打“”)(1)原電池是一種將電能轉化為化學能的裝置。()(2)原電池中,電子由負極經導線流向正極。()(3)原電池的電解質溶液中,陽離子移向負極,陰離子移向正極。()(4)鹽酸與NaOH溶液反應放出熱量,故可利用此反應設計原電池裝置。() 2.(2021天津第二南開學校高一階段檢測)下列裝置中能形成原電池的是() A.B.C.D.答案 D解析 結合原電池的構成要素進行判斷。中Zn和Cu未用導線連接,也未接

5、觸,不能形成原電池,錯誤;中Zn、Cu是不同種金屬,用導線相連后插入電解質溶液中,形成原電池,正確;中Zn、Fe接觸,插入稀硫酸中形成原電池,正確;中Zn、Pb接觸,插入醋酸溶液中形成原電池,正確;中兩極都是Zn,不能形成原電池,錯誤;中蔗糖是非電解質,其溶液不導電,不能形成原電池,錯誤;中兩個燒杯中稀硫酸不相通,不能形成閉合回路,故不能形成原電池,錯誤。3.(原創題)關于下圖所示裝置的敘述正確的是()A.鋅是正極,電極反應式為Zn-2e- = Zn2+B.氫離子在銅片表面被還原,產生氣泡C.電流從鋅片經導線流向銅片D.溶液中 向銅片移動答案 B解析 鋅片和銅片用導線連接,插入稀硫酸中形成原電

6、池,Zn比Cu活潑,則鋅是負極,電極反應式為Zn-2e- = Zn2+,A錯誤;銅片是正極,電極反應式為2H+2e- = H2,B正確;原電池中,電流由正極流向負極,故電流由銅片經導線流向鋅片,C錯誤;原電池中,電解質溶液中陰離子向負極移動,則 向鋅片移動,D錯誤。課堂篇 素養提升任務一原電池的工作原理【問題探究】上面是某實驗小組設計的水果電池,生活中還有多種常見的電池,如干電池、鉛酸蓄電池、鋰離子電池等。你知道原電池是如何工作的嗎?請按如下裝置進行探究吧!(1)裝置甲和乙中銅片上產生的現象是否相同?其原因是什么?提示 銅是不活潑金屬,不能與稀硫酸發生反應,裝置甲中銅片無明顯現象;裝置乙中形成

7、原電池,H+在銅片上獲得電子被還原生成H2,表面產生大量氣泡。(2)裝置乙和丙中電流計的指針是否都發生偏轉?為什么?提示 裝置乙形成原電池,電流計指針發生偏轉;裝置丙不能形成原電池,因為乙醇是非電解質,不導電,電流計指針不偏轉。(3)若將裝置乙中銅片換成鋅片,電流計指針是否發生偏轉?從中得到什么啟示?提示 將裝置乙中銅片換成鋅片,電流計的指針不發生偏轉。由此可知,形成原電池時,兩個電極若均為金屬,應選用活潑性不同的兩種金屬。【深化拓展】1.原電池的構成條件“兩極一液一連環一反應”2.原電池的工作原理 3.原電池正、負極判斷的五個依據 【素能應用】典例1如圖是Zn和Cu形成的原電池,某實驗興趣小

8、組做完實驗后,在讀書卡片上記錄如下。在卡片上描述合理的是()實驗后的記錄:Zn為正極,Cu為負極H+向負極移動電子流動方向為由Zn經外電路流向CuCu極上有H2產生若有1 mol電子流過導線,則產生H2的物質的量為0.5 mol正極的電極反應式為Zn-2e- = Zn2+A.B.C.D.答案 B解析 在該原電池中,Zn比Cu活潑,故Zn作負極,Cu作正極,電子由Zn流出經導線流向Cu,負極反應為Zn-2e- = Zn2+,正極反應為2H+2e- = H2,故每轉移1 mol電子時,產生H2 0.5 mol,在溶液中H+向正極移動, 向負極移動,故錯誤,正確。【變式設問】將Cu片換成Fe片、稀硫

9、酸換成CuSO4溶液,兩電極表面分別發生怎樣的變化?提示 Fe片表面析出紅色金屬:Cu2+2e- = Cu;Zn片逐漸溶解:Zn-2e- = Zn2+。變式訓練1如圖所示,電流計指針發生偏轉,同時A極質量減小,B極上有氣泡產生,C為電解質溶液,下列說法錯誤的是()A.B極為原電池的正極B.A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸C.C中陽離子向A極移動D.A極發生氧化反應答案 C解析 原電池中,負極金屬失去電子,溶解,質量減小,故A極是負極,B極是正極,根據構成情況判斷A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸,A、B兩項正確;原電池中,陽離子向正極移動,陰離子向負極移動,C項錯誤;負極發生氧化反應

10、,正極發生還原反應,D項正確。任務二原電池原理的應用【問題探究】結合原電池的構成及工作原理,交流討論下列問題。(1)利用反應Fe+CuSO4 = FeSO4+Cu能設計成原電池嗎?若能,怎樣選擇原電池的正極和負極材料及電解質溶液?提示 能;負極為Fe,正極為活潑性比Fe弱的金屬或石墨,電解質溶液為CuSO4溶液。(2)將鐵片和銅片用導線連接,插入稀硫酸中形成原電池,鐵片及銅片表面分別發生怎樣的變化?據此得出哪種金屬的活潑性強?提示 鐵片逐漸溶解,銅片表面產生大量氣泡;說明鐵的活潑性強。(3)實驗室利用鋅粉與稀硫酸反應制取H2時,滴加少量CuSO4溶液后,為什么產生氫氣的速率加快?提示 利用鋅粉

11、與稀硫酸反應制取H2時,滴加少量CuSO4溶液,Zn與CuSO4發生置換反應生成Cu,從而可形成原電池,則產生氫氣的速率加快。【深化拓展】1.原電池的應用(1)加快氧化還原反應速率一個自發進行的氧化還原反應,設計成原電池可以加快反應速率。(2)比較金屬活動性強弱兩種金屬分別作原電池的兩極時,一般作負極的金屬比作正極的金屬活動性強。(3)用于金屬保護將被保護的金屬與比其活潑的金屬連接,形成原電池。2.設計原電池(1)依據已知一個氧化還原反應,首先通過分析找出氧化劑、還原劑,一般還原劑為負極材料(或在負極上被氧化),氧化劑(一般為電解質溶液中的陽離子)在正極上被還原。(2)實例以Zn+H2SO4

12、= ZnSO4+H2為例:【素能應用】典例2某同學依據反應Zn+2H+ = Zn2+H2,利用下列各組材料設計原電池,你認為能組成相應原電池的是()選項ABCD兩極材料Zn片,石墨Cu片,Ag片Zn片,Cu片Fe片,Cu片插入溶液H2SO4溶液AgNO3溶液蔗糖溶液稀鹽酸答案 A解析 分析電池反應確定電池的電極材料,在反應Zn+2H+ = Zn2+H2中,Zn被氧化生成Zn2+,則Zn片是負極,正極是比Zn活潑性弱的金屬或石墨。分析離子變化,確定電解質溶液中H+被還原生成H2,則正極反應式為2H+2e-H2,則電解質溶液應是酸溶液,只有A項符合要求。【變式設問】常溫下,能否利用反應Cu+2H+

13、 = Cu2+H2設計原電池裝置?為什么?提示 不能。Cu是不活潑金屬,常溫下不能與H+反應生成H2。變式訓練2有a、b、c、d四個金屬電極,有關的實驗裝置及部分實驗現象如下:實驗裝置部分實驗現象a極質量減小,b極質量增大b極有氣體產生,c極無變化d極溶解,c極有氣體產生電流從a極流向d極由此可判斷這四種金屬的活動性順序是()A.abcdB.bcdaC.dabcD.abdc答案 C解析 裝置一是原電池,a極質量減小,說明a極金屬易失去電子形成離子,故a極金屬比b極金屬活潑;裝置二沒有形成原電池,由現象可知b比c活潑,且c位于金屬活動性順序中氫的后面;裝置三和四均形成原電池,由現象易知d比c活潑

14、,d比a活潑。因此四種金屬的活動性順序為dabc。任務三原電池電極反應式的書寫方法【問題探究】1.鉛酸蓄電池的負極是Pb,正極是PbO2,電解質溶液為稀硫酸。放電時,發生反應:Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4+2H2O。根據正、負極材料和電解質,寫出各電極反應式。2.堿性氫氧燃料電池以KOH溶液為電解質溶液,工作時電池反應為2H2+O2 = 2H2O。請寫出正、負極的反應式。提示 負極:2H2+4OH-4e- = 4H2O;正極:O2+2H2O+4e- = 4OH-。3.如何根據原電池的總反應判斷原電池的正、負極?正極反應式、負極反應式和總反應式之間有什么關系?提示 發生氧化反應

15、的一極是原電池的負極,發生還原反應的一極是原電池的正極。在得失電子一致的情況下,總反應式=負極反應式+正極反應式。【深化拓展】1.電極反應式的書寫(1)原電池負極反應式的書寫較活潑金屬作負極時,電極本身被氧化若生成的陽離子不與電解質溶液反應,其產物可直接寫為金屬陽離子,如Zn-2e- = Zn2+,Cu-2e- = Cu2+。若生成的金屬陽離子與電解質溶液反應,其電極反應為兩反應合并后的反應。如鉛酸蓄電池負極反應為Pb+ -2e- = PbSO4。負極材料本身不反應氫氧(酸性)燃料電池,負極反應為H2-2e- = 2H+;氫氧(堿性)燃料電池,負極反應為H2+2OH-2e- = 2H2O。(2

16、)原電池正極反應式的書寫書寫時總的原則是首先根據元素化合價變化或氧化性強弱判斷得電子的微粒,其次確定該微粒得電子后生成什么物質。如氫氧(酸性)燃料電池,正極反應為O2+4H+4e- = 2H2O氫氧(堿性)燃料電池,正極反應為O2+2H2O+4e- = 4OH-。(3)書寫復雜電極反應式的方法加減法寫出總反應,如Li+LiMn2O4 = Li2Mn2O4。寫出其中較為簡單的一個半反應(正極或負極),如Li-e- = Li+(負極)。利用總反應與上述一極的反應相減,即得另一電極的反應式,如LiMn2O4+Li+e- = Li2Mn2O4(正極)。2.一般電極反應式的書寫思路 【素能應用】典例3燃

17、料電池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧氣(或空氣)起反應將化學能轉變為電能的裝置,若電解質溶液是強堿溶液,下面關于甲烷燃料電池的說法正確的是()A.負極反應式:O2+2H2O+4e- = 4OH-B.負極反應式:CH4+8OH-8e- = CO2+6H2OC.隨著放電的進行,溶液的氫氧根濃度不變D.放電時,溶液中的陰離子向負極移動答案 D解析 O2+2H2O+4e- = 4OH-應為正極反應式。CH4失電子生成的二氧化碳不可能從強堿溶液中逸出,它將進一步反應轉化成碳酸根,所以負極反應式為CH4+10OH-8e- = +7H2O。由于部分強堿和二氧化碳反應,所以溶液的c(OH-)將減小。【變

18、式設問】若以稀硫酸為電解質溶液,設計氫氧燃料電池,請分別寫出正、負極的電極反應式。提示 正極反應式為O2+4H+4e- = 2H2O,負極反應式為2H2-4e- = 4H+。變式訓練3鋰電池是一代新型高能電池,它以能量密度大而受到普遍重視,目前已成功研制多種鋰電池。某種鋰電池的總反應為Li+MnO2 = LiMnO2,下列說法正確的是()A.Li是正極,電極反應為Li-e- = Li+B.Li是負極,電極反應為Li-e- = Li+C.MnO2是負極,電極反應為MnO2+e- =D.Li是負極,電極反應為Li-2e- = Li2+答案 B解析 根據原電池中,負極發生氧化反應,正極發生還原反應,

19、再結合總反應可知,Li失去電子生成Li+被氧化,為負極;MnO2得到電子被還原,為正極。 隨堂檢測1.下列圖中表示的裝置,能構成原電池的是()A.B.C.D.答案 C解析 中只有金屬Zn,缺少另一種電極材料,錯誤;中Zn和Cu未用導線連接,也未接觸,不能形成原電池,錯誤;中酒精是非電解質,不能導電,不能形成原電池,錯誤;中兩個電極都是Cu,不能形成原電池,錯誤;中Fe和Cu用導線連接,插入稀硫酸中形成原電池,正確。2.(2021廣東湛江高一期中)某小組同學用鋅片、銅片、導線、電流表、食醋、燒杯等用品探究原電池的組成。下列結論錯誤的是()A.原電池是將化學能轉化成電能的裝置B.原電池的負極發生氧

20、化反應C.若圖中電極a為銅片、電極b為鋅片時,電極a上有氣泡產生D.若圖中電極a為銅片、電極b為鋅片時,電子由銅片通過食醋流向鋅片答案 D解析 原電池是把化學能轉化為電能的裝置,A正確;原電池的負極上還原劑失去電子,發生氧化反應,B正確;圖中若電極a為銅片、電極b為鋅片時,電極a上有氣泡產生,電子由鋅片通過導線流向銅片,電子不能在電解質溶液中流動,C正確,D錯誤。3.(2021山東聊城二中高一檢測)將過量的兩份鋅粉a、b分別加入等體積、等濃度的兩份稀硫酸中,同時向a中加少量CuSO4溶液,下圖中產生H2的體積V(L)與時間t(min)的關系中正確的是()答案 B解析 等體積、等濃度的兩份稀硫酸中H2SO4的物質的量相等,向a中加少量CuSO4溶液,Zn與CuSO4發生置換反應生成Cu,Zn、Cu及稀硫酸形成原電池,生成氫氣的速率加快,故a中硫酸先反應完。由于