資源簡介

2.2 課時2　化學反應能量轉化的重要應用——化學電池
【學習目標】
1.能分析原電池的工作原理,能書寫簡單的電極反應。
2.能辨識簡單原電池的構成要素。
3.能舉出化學能轉化為電能的實例。
4.能舉例說明化學電源對提高生活質量的重要意義。
【自主預習】
一、原電池的構造
1.原電池
一種利用　　　　　　將　　　　直接轉化成電能的裝置。
2.初識氫氧燃料電池
負極反應:　　　　　　　　　　。
正極反應:　　　　　　　　　　。
總反應:　　　　　　　　　　。
此裝置中的能量變化:　　　　能轉化為　　　　能。
稀硫酸的作用:　　　　。導線的作用:　　　　。
3.原電池的構造
二、設計原電池(以Zn+2H+Zn2++H2↑為例)
1.基本思路
2.實例
(1)原電池設計
依據 Zn+2H+Zn2++H2↑ 實驗現象
確定負極 選擇負極反應物:　　 鋅片　　　　;正極材料　　　　　
選擇負極材料:　　
確定正極 選擇正極反應物:　　
選擇正極材料:　　
構成閉 合回路 選擇離子導體:　　　
選擇電子導體:　　　
(2)裝置
【微點撥】
正極材料最好選擇不與正極反應物和離子導體發生反應且能導電的固體。
三、常見化學電池分類
【微點撥】
(1)原電池中電極不一定參加化學反應,如氫氧燃料電池中電極不參加反應。
(2)金屬K、Na、Ca活潑性強,一般不作原電池電極。
【答案】一、1.氧化還原反應　化學能
2.2H2-4e-4H+　O2+4e-+4H+2H2O
2H2+O22H2O　化學　電　傳導電荷　傳導電子
3.導電的固體　導線　氧化還原
二、2.(1)Zn　Zn　H+　Cu　稀H2SO4　導線　逐漸溶解　表面有氣泡產生
(2)Zn-2e-Zn2+　2H++2e-H2↑
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)
(1)原電池是電能轉化為化學能的裝置。 (　　)
(2)鉛蓄電池是常見的二次電池。 (　　)
(3)鋅、銅、稀硫酸組成的原電池中,溶液中的Zn2+、H+均向正極移動。 (　　)
(4)構成原電池的兩個電極必須是活動性不同的兩種金屬。 (　　)
(5)把銅片插入氯化鐵溶液中,在銅片表面出現一層鐵。 (　　)
(6)把鋅粒放入盛有鹽酸的試管中,加入幾滴氯化銅溶液,氣泡放出的速率增大。 (　　)
(7)鎳氫電池、鋰電池和堿性鋅錳干電池都是二次電池。 (　　)
(8)燃料電池是一種高效但是會污染環境的新型電池。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)×
2.水果電池的示意圖如圖所示,判斷負極材料、電子流向和能量轉化形式。
【答案】鋅片作負極,電子由鋅片沿導線流向銅片,該裝置能將化學能轉化為電能。
3.現有如下兩個反應:
①KOH+HNO3KNO3+H2O　②H2SO4+ZnZnSO4+H2↑。
(1)根據兩個反應的本質判斷其能否設計成原電池:
①　　　　,②　　　　。
(2)如果不能,說明其原因:　。
(3)如果可以,則寫出作原電池正極的材料名稱:　　　　。負極反應:　　　　　　　　　;正極反應:　　　　　　　　　。
【答案】(1)不能　能
(2)反應①是非氧化還原反應,沒有電子轉移
(3)石墨或銅片(合理即可)　Zn-2e-Zn2+　2H++2e-H2↑
【合作探究】
任務1　原電池的原理及形成條件
情境導入　冰心的《小桔燈》里曾有一句話:“天黑了,路滑,這盞小桔燈照你上山吧!”文章里的小桔燈(下圖左)是用蠟燭放在桔皮里做成的。你知道嗎 利用化學知識可以用桔子來制作真正的“小桔燈”(下圖右)。原理很簡單:把一個桔子的桔瓣并聯,將鍍鋅鐵釘、銅線插到桔瓣上,并與放在中心的LED燈珠相連接,就制成了一個真正的小桔燈,據說這盞小桔燈亮了14個小時。
問題生成
1.“小桔燈”中,桔瓣里的桔子汁的作用是什么
【答案】桔子汁的作用是作電解質溶液。
2.鍍鋅鐵釘、銅線在“小桔燈”工作中起到什么作用
【答案】鍍鋅鐵釘作負極,銅線作正極。
3.請分析“小桔燈”中能量轉化形式。
【答案】化學能轉化為電能。
4.如果將鍍鋅鐵釘、銅線分開插入兩瓣桔子中,LED燈珠能否被點亮 為什么
【答案】不能被點亮,因為沒有形成閉合回路。
5.若將問題4中兩瓣桔子緊貼在一起,LED燈珠能否被點亮 請歸納原電池的構成條件。
【答案】能被點亮,因為兩瓣桔子中間的膜能讓離子通過,離子定向移動構成了閉合回路。原電池構成的條件:①有活潑性不同的兩個電極;②有電解質溶液;③形成閉合回路;④能自發進行的氧化還原反應。
6.原電池的電極材料都必須是金屬嗎
【答案】原電池的電極材料可以是兩種金屬活動性不同的金屬,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。
【核心歸納】
1.原電池工作原理圖解
2.原電池正、負極的判斷方法
【典型例題】
【例1】　如圖所示的8個裝置中,屬于原電池的是(　　)。
A.①④⑤ B.②③⑥ C.④⑥⑦ D.⑥⑦⑧
【答案】C
【解析】構成原電池要有四個基本條件:a.電解質溶液;b.兩個電極,其中一個相對較活潑,另一個相對較不活潑,兩個電極直接或間接地連接在一起,并插入電解質溶液中;c.能自發進行氧化還原反應;d.形成閉合電路。
【例2】　某課外活動小組設計的用化學電源使LED燈發光的裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)。
A.銅片表面有氣泡生成
B.裝置中存在“化學能→電能→光能”的轉換
C.如果將硫酸換成檸檬汁,導線中不會有電子流動
D.如果將鋅片換成鐵片,電路中的電流方向不變
【答案】C
【解析】銅鋅原電池中,Cu作正極,溶液中的氫離子在正極上得電子生成氫氣,故Cu上有氣泡生成,A項正確;原電池中化學能轉化為電能,LED燈發光時,電能轉化為光能,B項正確;檸檬汁顯酸性,能作電解質溶液,將硫酸換成檸檬汁,仍然構成原電池,導線中會有電子流動,C項錯誤;金屬活動性Cu比Zn、Fe弱,Cu作正極,電路中的電流方向不變,仍然由Cu流向負極,D項正確。
任務2　原電池原理的應用
【活動探究】
活動1　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極有氣泡產生,c極無明顯變化 c極有氣泡產生,d極溶解 電流從a極流向d極
由此判斷這四種金屬的活動性順序。
【答案】d>a>b>c。
活動2　鋅片與稀H2SO4反應時,加入少量CuSO4溶液能使產生H2的速率加快,試分析其原因。
【答案】Zn與CuSO4反應生成的Cu覆蓋在鋅片表面,Zn、Cu、稀H2SO4構成原電池,加快反應速率。
活動3　將氧化還原反應Fe+Cu2+Fe2++Cu設計成原電池,畫出原電池裝置圖,并標出電極材料及電解質溶液(要求:畫出兩個原電池裝置,一個不帶鹽橋,另一個帶有鹽橋)。
【答案】
【核心歸納】
1.增大氧化還原反應的速率
(1)原理:在原電池中,氧化反應和還原反應分別在兩極進行,使溶液中的粒子運動時相互間的干擾減小,反應速率增大。
(2)應用:實驗室常用粗鋅和稀H2SO4(或稀鹽酸)反應制取H2,產生H2的速率比純鋅快。原因是粗鋅中的雜質和鋅、稀H2SO4(或稀鹽酸)形成原電池,加快了鋅的反應,使產生H2的速率增大。
2.比較金屬的活動性強弱
(1)原理:原電池中,一般活動性強的金屬為負極,活動性較弱的金屬為正極。
(2)應用:有兩種金屬A和B,用導線連接后插入稀硫酸中,觀察到A極溶解,B極上有氣泡產生,由原電池原理可知,金屬活動性A>B。
3.設計原電池的一般步驟
理論上能自發進行的氧化還原反應都可以設計成原電池。
(1)拆反應
將氧化還原反應拆成氧化反應和還原反應兩個半反應,分別作原電池的負極和正極。
(2)確定電極材料
若發生氧化反應的物質為金屬單質,則可用該金屬直接作負極;若為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子,則可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負極。一般情況下,發生還原反應的電極材料的活潑性弱于負極材料。
(3)確定電解質溶液
一般選用反應物中的電解質溶液即可。
(4)構成閉合回路
【典型例題】
【例3】　某原電池總反應為Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+,下列能實現該反應的原電池是(　　)。
A B C D
電極材料 Cu、C Cu、Ag Cu、Zn Fe、Zn
電解質溶液 Fe(NO3)3 FeSO4 FeCl3 CuSO4
　　【答案】A
【解析】根據原電池的總反應可知,Cu的化合價升高,Cu作負極,電解質溶液應含有Fe3+,另一個電極應是活動性比Cu弱的導電物質。B項,電解質溶液中不含Fe3+;C項,Zn比Cu活潑,Zn作負極;D項,發生的電池總反應是Zn+Cu2+Zn2++Cu。
【例4】　有甲、乙兩個裝置,下列說法錯誤的是(　　)。
A.甲、乙裝置中,Zn的質量均減小
B.甲、乙裝置中,Cu上均有氣泡產生
C.化學反應速率:乙>甲
D.甲中H+移向Zn,乙中H+移向Cu
【答案】B
【解析】甲、乙裝置中鋅都失電子生成鋅離子進入溶液,所以鋅的質量均減小,A項正確;甲裝置中,鋅和氫離子發生置換反應生成氫氣,所以鋅棒上產生氣泡,乙裝置構成原電池,氫離子在正極銅上得電子生成氫氣,B項錯誤;甲不能構成原電池,乙能構成原電池,作原電池負極的金屬被腐蝕速率大于金屬直接和電解質溶液反應的速率,所以反應速率:乙大于甲,C項正確;甲中氫離子在鋅上得電子發生還原反應,乙中氫離子在銅上得電子發生還原反應,所以甲中H+移向Zn,乙中H+移向Cu,D項正確。
任務3　化學電源
情境導入　隨著經濟的發展、人民生活水平的提高以及科技的進步,電池已經深入我們工作、學習和生活中的每一個角落。例如,手電筒上的干電池、手機上的鋰電池、汽車上的蓄電池,還有新型環保公交車上的燃料電池等。電池的種類繁多,你知道電池是怎樣分類的嗎 各類電池的應用前景如何呢
問題生成
1.生活中電動車、手機的電池屬于一次電池還是二次電池 可充電電池的反應是可逆反應嗎
【答案】電動車、手機的電池都可以反復充電使用,都屬于二次電池;可充電電池有充電和放電兩個過程,但這兩個過程是在不同條件下進行的,所以并不屬于可逆反應。
2.充電電池在充電和放電時,能量是如何轉化的 燃料電池中能量是如何轉化的
【答案】充電電池放電時是化學能轉化為電能,充電時是電能轉化為化學能;燃料電池中能量的轉化是直接將化學能轉化為電能。
3.氫燃料電池中是不是氫氣直接燃燒
【答案】不是。
4.充電電池與一次電池在我們生活中都非常普遍,結合知識和生活實際,思考充電電池與一次電池相比有何優點。如何科學合理地使用充電電池
【答案】充電電池比一次電池更持久耐用,更方便實惠,可以節約資源,減少廢電池的處理量等。使用充電電池時需注意要合理充電,不能過充,使用時不要虧電,不使用時要從用電器中取出,密封貯存于干燥處等。
【核心歸納】
可充電電池電極與外接電源正負極的連接方式及發生的變化如下:
【典型例題】
【例5】　下列說法正確的是(　　)。
A.堿性鋅錳電池是二次電池
B.鉛酸蓄電池是一次電池
C.二次電池又叫蓄電池,它放電后可以再充電使活性物質獲得再生
D.燃料電池的活性物質儲存在電池內
【答案】C
【解析】蓄電池是二次電池,放電后可以充電重新使用,C項符合題意。
【例6】　銀鋅電池放電過程可表示為Ag2O+ZnZnO+2Ag,此電池放電時,下列有關說法正確的是(　　)。
A.電能轉化為化學能
B.電解質溶液是稀硫酸
C.電子通過外電路從正極流向負極
D.Zn作負極被氧化
【答案】D
【解析】原電池是將化學能轉化為電能的裝置,A項錯誤;從總反應的化學方程式可以看出,電池放電后生成了ZnO,ZnO在酸性溶液中不能存在,所以電解質溶液為堿性溶液,B項錯誤;原電池中,電子從負極流向正極,C項錯誤;Zn作負極發生氧化反應,D項正確。
【隨堂檢測】
1.下列化學反應在理論上不能用于設計原電池的是(　　)。
A.HCl+NaOHNaCl+H2O
B.2CH3OH+3O22CO2+4H2O
C.4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3
D.2H2+O22H2O
【答案】A
【解析】原電池的化學反應原理是自發的氧化還原反應,有電子的轉移,而鹽酸和氫氧化鈉的反應是中和反應,沒有電子的轉移,A項符合題意。
2.下列各組材料中,不能組成原電池的是(　　)。
選項 A B C D
兩極材料 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 稀鹽酸
【答案】C
【解析】構成原電池要有四個基本條件:a.電解質溶液;b.兩個電極,其中一個相對較活潑,另一個相對較不活潑,兩個電極直接或間接地連接在一起,并插入電解質溶液中;c.能自發進行氧化還原反應;d.形成閉合電路。C項中蔗糖是非電解質,不能構成原電池。
3.一種氫能的制取、貯存及利用的示意圖如圖所示,其中能量轉化方式不涉及的是(　　)。
A.電能→化學能 B.光能→化學能
C.化學能→電能 D.電能→機械能
【答案】A
【解析】光催化分解水時光能轉化為化學能,H2被燃料電池車利用時,化學能轉化為電能,汽車將電能轉化為機械能。
4.有甲、乙兩個電極,用導線連接一個電流表,放入盛有丙溶液的燒杯中,電極乙的質量增加,則裝置中可能的情況是(　　)。
A.甲作負極,丙溶液是硫酸銅溶液
B.甲作負極,丙溶液是硫酸溶液
C.乙作負極,丙溶液是硫酸銅溶液
D.乙作正極,丙溶液是硫酸溶液
【答案】A
【解析】電極乙的質量增加,則說明乙為正極,即金屬陽離子在該極轉化為金屬單質析出,所以甲為負極,丙溶液為不活潑的金屬鹽溶液。
5.A、B、C、D四種金屬按表中裝置進行實驗。
(Ⅰ) 甲 (Ⅱ) 乙 (Ⅲ) 丙
二價金屬A不斷溶解 C的質量增加 A上有氣體產生
根據實驗現象回答下列問題:
(1)裝置甲中負極反應是　　　　　　　　　。
(2)裝置乙中正極反應是　　　　　　　　　,
溶液中Cu2+向　　　　(填“B”或“C”)極移動。
(3)裝置丙中溶液的c(H+)變化是　　　　(填“變大”、“變小”或“不變”)。
(4)四種金屬活動性由強到弱的順序是　　　　　　　　　。
【答案】(1)A-2e-A2+
(2)Cu2++2e-Cu　C
(3)變小　(4)D>A>B>C
【解析】據圖(Ⅰ)知,金屬活動性:A>B,A作負極,電極反應為A-2e-A2+;據圖(Ⅱ)知,金屬活動性:B>C,正極反應為Cu2++2e-Cu,由陽離子向正極移動可知,Cu2+向C極移動;據圖(Ⅲ)知,金屬活動性:D>A,正極反應為2H++2e-H2↑,故c(H+)減小。據圖(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)知,金屬活動性:D>A>B>C。
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