第一節(jié)　第2課時(shí)　化學(xué)反應(yīng)與電能

1、高中同步學(xué)案優(yōu)化設(shè)計(jì)GAO ZHONG TONG BU XUE AN YOU HUA SHE JI第2課時(shí)化學(xué)反應(yīng)與電能第六章2022內(nèi)容索引0102課前篇 素養(yǎng)初探課堂篇 素養(yǎng)提升素養(yǎng)目標(biāo)1.通過對比火力發(fā)電,認(rèn)識化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置原電池的優(yōu)勢,了解化學(xué)電源在實(shí)際生活中的應(yīng)用及廢舊電池的處理和利用,發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)。2.通過實(shí)驗(yàn)探究,掌握構(gòu)成原電池裝置的條件,發(fā)展變化觀念、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等學(xué)科核心素養(yǎng)。課前篇 素養(yǎng)初探【自主梳理】一、化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能1.化學(xué)能間接轉(zhuǎn)化為電能火力發(fā)電(1)過程(2)關(guān)鍵 燃燒 (氧化還原反應(yīng))?！疚⑺伎?】火力發(fā)電存在幾種形式能

2、量的轉(zhuǎn)化?試分析火力發(fā)電有哪些弊端。提示 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能?；鹆Πl(fā)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(chǎn)生大量的有害氣體(如SO2、CO等)及粉塵,污染環(huán)境;能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化,能量利用率低。2.化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能原電池(1)定義:把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。 能量轉(zhuǎn)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(yīng)式反應(yīng)類型鋅負(fù)極電子流出Zn-2e-=Zn2+氧化反應(yīng)銅正極電子流入2H+2e-=H2還原反應(yīng)總反應(yīng)Zn+2H+=Zn2+H2(3)電子的流向:電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極。電解質(zhì)

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(fù)極定向移動?？珊営洖?正正負(fù)負(fù)解釋:正(指陽離子)正(指正極)、負(fù)(指陰離子)負(fù)(指負(fù)極)。(4)反應(yīng)本質(zhì):原電池反應(yīng)的本質(zhì)是自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)?！疚⑺伎?】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(dǎo)電的惰性材料(如石墨);在燃料電池中,電極本身均不發(fā)生反應(yīng),故兩極均可用惰性材料。二、化學(xué)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(gòu)造示意圖工作原理負(fù)極鋅筒鋅被氧化,逐漸消耗電解質(zhì)氯化銨正極石墨棒二氧化錳被還原特點(diǎn)放電后不能充電便于攜帶,價(jià)格低2.二次電池

4、 【微思考3】生活中電動車、手機(jī)的電池屬于一次電池還是二次電池?提示 電動車、手機(jī)的電池都可以反復(fù)充電使用,都屬于二次電池。3.發(fā)展中的燃料電池 【自我檢測】1.正誤判斷(正確的打“”,錯(cuò)誤的打“”)(1)原電池是一種將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。()(2)原電池中,電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極。()(3)原電池的電解質(zhì)溶液中,陽離子移向負(fù)極,陰離子移向正極。()(4)鹽酸與NaOH溶液反應(yīng)放出熱量,故可利用此反應(yīng)設(shè)計(jì)原電池裝置。() 2.(2021天津第二南開學(xué)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(jié)合原電池的構(gòu)成要素進(jìn)行判斷。中Zn和Cu未用導(dǎo)線連接,也未接

5、觸,不能形成原電池,錯(cuò)誤;中Zn、Cu是不同種金屬,用導(dǎo)線相連后插入電解質(zhì)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(cuò)誤;中蔗糖是非電解質(zhì),其溶液不導(dǎo)電,不能形成原電池,錯(cuò)誤;中兩個(gè)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(cuò)誤。3.(原創(chuàng)題)關(guān)于下圖所示裝置的敘述正確的是()A.鋅是正極,電極反應(yīng)式為Zn-2e- = Zn2+B.氫離子在銅片表面被還原,產(chǎn)生氣泡C.電流從鋅片經(jīng)導(dǎo)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(dǎo)線連接,插入稀硫酸中形成原電

6、池,Zn比Cu活潑,則鋅是負(fù)極,電極反應(yīng)式為Zn-2e- = Zn2+,A錯(cuò)誤;銅片是正極,電極反應(yīng)式為2H+2e- = H2,B正確;原電池中,電流由正極流向負(fù)極,故電流由銅片經(jīng)導(dǎo)線流向鋅片,C錯(cuò)誤;原電池中,電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動,則 向鋅片移動,D錯(cuò)誤。課堂篇 素養(yǎng)提升任務(wù)一原電池的工作原理【問題探究】上面是某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)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(jìn)行探究吧!(1)裝置甲和乙中銅片上產(chǎn)生的現(xiàn)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(fā)生反應(yīng),裝置甲中銅片無明顯現(xiàn)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(chǎn)生大量氣泡。(2)裝置乙和丙中電流計(jì)的指針是否都發(fā)生偏轉(zhuǎn)?為什么?提示 裝置乙形成原電池,電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);裝置丙不能形成原電池,因?yàn)橐掖际欠请娊赓|(zhì),不導(dǎo)電,電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)。(3)若將裝置乙中銅片換成鋅片,電流計(jì)指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)?從中得到什么啟示?提示 將裝置乙中銅片換成鋅片,電流計(jì)的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由此可知,形成原電池時(shí),兩個(gè)電極若均為金屬,應(yīng)選用活潑性不同的兩種金屬?！旧罨卣埂?.原電池的構(gòu)成條件“兩極一液一連環(huán)一反應(yīng)”2.原電池的工作原理 3.原電池正、負(fù)極判斷的五個(gè)依據(jù) 【素能應(yīng)用】典例1如圖是Zn和Cu形成的原電池,某實(shí)驗(yàn)興趣小

8、組做完實(shí)驗(yàn)后,在讀書卡片上記錄如下。在卡片上描述合理的是()實(shí)驗(yàn)后的記錄:Zn為正極,Cu為負(fù)極H+向負(fù)極移動電子流動方向?yàn)橛蒢n經(jīng)外電路流向CuCu極上有H2產(chǎn)生若有1 mol電子流過導(dǎo)線,則產(chǎn)生H2的物質(zhì)的量為0.5 mol正極的電極反應(yīng)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(fù)極,Cu作正極,電子由Zn流出經(jīng)導(dǎo)線流向Cu,負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e- = Zn2+,正極反應(yīng)為2H+2e- = H2,故每轉(zhuǎn)移1 mol電子時(shí),產(chǎn)生H2 0.5 mol,在溶液中H+向正極移動, 向負(fù)極移動,故錯(cuò)誤,正確。【變式設(shè)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(fā)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(xùn)練1如圖所示,電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),同時(shí)A極質(zhì)量減小,B極上有氣泡產(chǎn)生,C為電解質(zhì)溶液,下列說法錯(cuò)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(fā)生氧化反應(yīng)答案 C解析 原電池中,負(fù)極金屬失去電子,溶解,質(zhì)量減小,故A極是負(fù)極,B極是正極,根據(jù)構(gòu)成情況判斷A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸,A、B兩項(xiàng)正確;原電池中,陽離子向正極移動,陰離子向負(fù)極移動,C項(xiàng)錯(cuò)誤;負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)

10、,正極發(fā)生還原反應(yīng),D項(xiàng)正確。任務(wù)二原電池原理的應(yīng)用【問題探究】結(jié)合原電池的構(gòu)成及工作原理,交流討論下列問題。(1)利用反應(yīng)Fe+CuSO4 = FeSO4+Cu能設(shè)計(jì)成原電池嗎?若能,怎樣選擇原電池的正極和負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液?提示 能;負(fù)極為Fe,正極為活潑性比Fe弱的金屬或石墨,電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液。(2)將鐵片和銅片用導(dǎo)線連接,插入稀硫酸中形成原電池,鐵片及銅片表面分別發(fā)生怎樣的變化?據(jù)此得出哪種金屬的活潑性強(qiáng)?提示 鐵片逐漸溶解,銅片表面產(chǎn)生大量氣泡;說明鐵的活潑性強(qiáng)。(3)實(shí)驗(yàn)室利用鋅粉與稀硫酸反應(yīng)制取H2時(shí),滴加少量CuSO4溶液后,為什么產(chǎn)生氫氣的速率加快?提示 利用鋅粉

11、與稀硫酸反應(yīng)制取H2時(shí),滴加少量CuSO4溶液,Zn與CuSO4發(fā)生置換反應(yīng)生成Cu,從而可形成原電池,則產(chǎn)生氫氣的速率加快。【深化拓展】1.原電池的應(yīng)用(1)加快氧化還原反應(yīng)速率一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),設(shè)計(jì)成原電池可以加快反應(yīng)速率。(2)比較金屬活動性強(qiáng)弱兩種金屬分別作原電池的兩極時(shí),一般作負(fù)極的金屬比作正極的金屬活動性強(qiáng)。(3)用于金屬保護(hù)將被保護(hù)的金屬與比其活潑的金屬連接,形成原電池。2.設(shè)計(jì)原電池(1)依據(jù)已知一個(gè)氧化還原反應(yīng),首先通過分析找出氧化劑、還原劑,一般還原劑為負(fù)極材料(或在負(fù)極上被氧化),氧化劑(一般為電解質(zhì)溶液中的陽離子)在正極上被還原。(2)實(shí)例以Zn+H2SO4

12、= ZnSO4+H2為例:【素能應(yīng)用】典例2某同學(xué)依據(jù)反應(yīng)Zn+2H+ = Zn2+H2,利用下列各組材料設(shè)計(jì)原電池,你認(rèn)為能組成相應(yīng)原電池的是()選項(xiàng)ABCD兩極材料Zn片,石墨Cu片,Ag片Zn片,Cu片F(xiàn)e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(yīng)確定電池的電極材料,在反應(yīng)Zn+2H+ = Zn2+H2中,Zn被氧化生成Zn2+,則Zn片是負(fù)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(zhì)溶液中H+被還原生成H2,則正極反應(yīng)式為2H+2e-H2,則電解質(zhì)溶液應(yīng)是酸溶液,只有A項(xiàng)符合要求?！咀兪皆O(shè)問】常溫下,能否利用反應(yīng)Cu+2H+

13、 = Cu2+H2設(shè)計(jì)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(yīng)生成H2。變式訓(xùn)練2有a、b、c、d四個(gè)金屬電極,有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下:實(shí)驗(yàn)裝置部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象a極質(zhì)量減小,b極質(zhì)量增大b極有氣體產(chǎn)生,c極無變化d極溶解,c極有氣體產(chǎn)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(zhì)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(xiàn)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(xiàn)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?yàn)閐abc。任務(wù)三原電池電極反應(yīng)式的書寫方法【問題探究】1.鉛酸蓄電池的負(fù)極是Pb,正極是PbO2,電解質(zhì)溶液為稀硫酸。放電時(shí),發(fā)生反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4+2H2O。根據(jù)正、負(fù)極材料和電解質(zhì),寫出各電極反應(yīng)式。2.堿性氫氧燃料電池以KOH溶液為電解質(zhì)溶液,工作時(shí)電池反應(yīng)為2H2+O2 = 2H2O。請寫出正、負(fù)極的反應(yīng)式。提示 負(fù)極:2H2+4OH-4e- = 4H2O;正極:O2+2H2O+4e- = 4OH-。3.如何根據(jù)原電池的總反應(yīng)判斷原電池的正、負(fù)極?正極反應(yīng)式、負(fù)極反應(yīng)式和總反應(yīng)式之間有什么關(guān)系?提示 發(fā)生氧化反應(yīng)

15、的一極是原電池的負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)的一極是原電池的正極。在得失電子一致的情況下,總反應(yīng)式=負(fù)極反應(yīng)式+正極反應(yīng)式?！旧罨卣埂?.電極反應(yīng)式的書寫(1)原電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫較活潑金屬作負(fù)極時(shí),電極本身被氧化若生成的陽離子不與電解質(zhì)溶液反應(yīng),其產(chǎn)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(zhì)溶液反應(yīng),其電極反應(yīng)為兩反應(yīng)合并后的反應(yīng)。如鉛酸蓄電池負(fù)極反應(yīng)為Pb+ -2e- = PbSO4。負(fù)極材料本身不反應(yīng)氫氧(酸性)燃料電池,負(fù)極反應(yīng)為H2-2e- = 2H+;氫氧(堿性)燃料電池,負(fù)極反應(yīng)為H2+2OH-2e- = 2H2O。(2

16、)原電池正極反應(yīng)式的書寫書寫時(shí)總的原則是首先根據(jù)元素化合價(jià)變化或氧化性強(qiáng)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(zhì)。如氫氧(酸性)燃料電池,正極反應(yīng)為O2+4H+4e- = 2H2O氫氧(堿性)燃料電池,正極反應(yīng)為O2+2H2O+4e- = 4OH-。(3)書寫復(fù)雜電極反應(yīng)式的方法加減法寫出總反應(yīng),如Li+LiMn2O4 = Li2Mn2O4。寫出其中較為簡單的一個(gè)半反應(yīng)(正極或負(fù)極),如Li-e- = Li+(負(fù)極)。利用總反應(yīng)與上述一極的反應(yīng)相減,即得另一電極的反應(yīng)式,如LiMn2O4+Li+e- = Li2Mn2O4(正極)。2.一般電極反應(yīng)式的書寫思路 【素能應(yīng)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(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置,若電解質(zhì)溶液是強(qiáng)堿溶液,下面關(guān)于甲烷燃料電池的說法正確的是()A.負(fù)極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e- = 4OH-B.負(fù)極反應(yīng)式:CH4+8OH-8e- = CO2+6H2OC.隨著放電的進(jìn)行,溶液的氫氧根濃度不變D.放電時(shí),溶液中的陰離子向負(fù)極移動答案 D解析 O2+2H2O+4e- = 4OH-應(yīng)為正極反應(yīng)式。CH4失電子生成的二氧化碳不可能從強(qiáng)堿溶液中逸出,它將進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化成碳酸根,所以負(fù)極反應(yīng)式為CH4+10OH-8e- = +7H2O。由于部分強(qiáng)堿和二氧化碳反應(yīng),所以溶液的c(OH-)將減小?！咀?/p>

18、式設(shè)問】若以稀硫酸為電解質(zhì)溶液,設(shè)計(jì)氫氧燃料電池,請分別寫出正、負(fù)極的電極反應(yīng)式。提示 正極反應(yīng)式為O2+4H+4e- = 2H2O,負(fù)極反應(yīng)式為2H2-4e- = 4H+。變式訓(xùn)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(yīng)為Li+MnO2 = LiMnO2,下列說法正確的是()A.Li是正極,電極反應(yīng)為Li-e- = Li+B.Li是負(fù)極,電極反應(yīng)為Li-e- = Li+C.MnO2是負(fù)極,電極反應(yīng)為MnO2+e- =D.Li是負(fù)極,電極反應(yīng)為Li-2e- = Li2+答案 B解析 根據(jù)原電池中,負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),

19、再結(jié)合總反應(yīng)可知,Li失去電子生成Li+被氧化,為負(fù)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(gòu)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(cuò)誤;中Zn和Cu未用導(dǎo)線連接,也未接觸,不能形成原電池,錯(cuò)誤;中酒精是非電解質(zhì),不能導(dǎo)電,不能形成原電池,錯(cuò)誤;中兩個(gè)電極都是Cu,不能形成原電池,錯(cuò)誤;中Fe和Cu用導(dǎo)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(xué)用鋅片、銅片、導(dǎo)線、電流表、食醋、燒杯等用品探究原電池的組成。下列結(jié)論錯(cuò)誤的是()A.原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置B.原電池的負(fù)極發(fā)生氧

20、化反應(yīng)C.若圖中電極a為銅片、電極b為鋅片時(shí),電極a上有氣泡產(chǎn)生D.若圖中電極a為銅片、電極b為鋅片時(shí),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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,A正確;原電池的負(fù)極上還原劑失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng),B正確;圖中若電極a為銅片、電極b為鋅片時(shí),電極a上有氣泡產(chǎn)生,電子由鋅片通過導(dǎo)線流向銅片,電子不能在電解質(zhì)溶液中流動,C正確,D錯(cuò)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(shí)向a中加少量CuSO4溶液,下圖中產(chǎn)生H2的體積V(L)與時(shí)間t(min)的關(guān)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(zhì)的量相等,向a中加少量CuSO4溶液,Zn與CuSO4發(fā)生置換反應(yīng)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(yīng)完。由于