資源簡介

6.3第1課時　化學能轉化為電能
【學習目標】
1.通過實驗探究認識化學能與電能之間轉化的實質。
2.認識構成原電池的條件及其原理,學會判斷原電池的正負極,掌握書寫電極反應式和總反應式的方法。
3.了解化學能與其他形式能量的轉化,認識化學能轉化為電能的實際應用,形成化學有助于提高人類生活質量的觀念。
【合作探究】
【學習情境】
現代生活中,化學電源發揮著越來越重要的作用。大到人造衛星、飛機、新能源汽車,小到手機、電子表,都離不開化學電源。尤其是電子產品的日趨豐富,化學電源與人類生活的關系越來越密切?；瘜W電源是根據原電池原理制成的,原電池是一種利用氧化還原反應將化學能直接轉化為電能的裝置。那么,原電池是由哪些部分組成的 原電池的工作原理是怎樣的呢
任務1　原電池裝置及其工作原理
【新知生成】
一、探究原電池的工作原理
序號 實驗步驟 現象 解釋或說明
① 鋅片　　　　,表面　　　　 銅片表面　　　 　　　　　　　　 　　　　　　　　
② 鋅片　　　　　　 銅片表面　　　 　　　　　　　　 　　　　　　　　
③ 鋅片　　　　　　 銅片表面　　　 電流計指針　　　　　 　　　　　　　　 　　　　　　　　
二、原電池
1.概念:將　　　　能轉變為　　　　能的裝置。
2.工作原理
電極名稱: 　 　,電極反應式:　　　　　　　,
電極反應類型:　　 　　　　。
電極名稱: 　 　,電極反應式:　　　 　　　,
電極反應類型:　　 　　　　。
原電池總反應方程式為 　　　　　　　　,
原電池反應的本質是 　　　　　　　　。
電子的轉移方向是 　　　→ 　　　→ 　　　。
溶液中離子轉移的方向是陰離子→ 　　　,陽離子→ 　　　。
總結:還原劑在　　　　極　　　　電子,發生氧化反應;電子通過　　　　由原電池的　　　　極流向　　　　極;氧化劑在　　　　極　　　　電子,發生還原反應。
【答案】一、①逐漸溶解　有氣泡　無氣泡　鋅與稀硫酸反應產生H2,而銅則不能?、谥饾u溶解　有氣泡　鋅與稀硫酸反應,但氫氣在銅片上產生?、壑饾u溶解　有氣泡　發生偏轉　鋅與稀硫酸反應,但氫氣在銅片上產生,導線中有電流產生
二、1.化學　電　2.負極　Zn-2e-Zn2+　氧化反應
正極　2H++2e-H2↑　還原反應　Zn+2H+Zn2++H2↑　氧化還原反應 　負極　導線　正極　負極　正極　負　失去　導線　負　正　正　得到
【核心突破】
典例1　下列裝置可以構成原電池的是(　　)。
A. B.
C. D.
【答案】D
【解析】兩鋅片失去電子的能力相同,電子不能從一極遷移到另一極形成電流,A項不能構成原電池;Zn與乙醇不能發生氧化還原反應,且乙醇是非電解質,不能構成閉合回路,B項不能構成原電池;C項處在斷路狀態,無法形成電流,C項不能構成原電池;Zn和硫酸銅溶液可發生氧化還原反應,Zn失去的電子沿導線傳遞到C上,被Cu2+得到,形成了電流,D項正確。
【歸納總結】
1.原電池的工作原理
2.原電池正負極的判斷
判斷一個原電池中的正、負極,最根本的方法是失電子(發生氧化反應)的一極是負極,得電子(發生還原反應)的一極是正極。如果給出一個化學方程式判斷正、負極,可以直接根據化合價的升降來判斷,化合價升高發生氧化反應的一極為負極,化合價降低發生還原反應的一極為正極。原電池中正、負極的判斷角度如下圖所示:
訓練1　某興趣小組為研究原電池工作原理,設計的實驗裝置如圖所示。
(1)a和b不連接時,燒杯中發生反應的離子方程式為　　　　　　　　　　。
(2)a和b用導線連接,Cu極為原電池　　　極(填“正”或“負”),電極反應是　　　　　　。Zn極發生　　　　(填“氧化”或“還原”)反應。溶液中H+移向　　　(填“Cu”或“Zn”)極。
　　(3)無論a和b是否連接,Zn片均被腐蝕。若轉移了0.2 mol電子,則理論上Zn片質量減輕　　　　g。
【答案】(1)Zn+2H+Zn2++H2↑　(2)正　2H++2e-H2↑　氧化　Cu　(3)6.5
【解析】a和b不連接時,裝置不能構成原電池,Zn直接和稀硫酸反應生成氫氣。a和b用導線連接,裝置構成原電池,鋅是負極,銅是正極,溶液中H+移向正極發生還原反應。若轉移了0.2 mol電子,則有0.1 mol Zn被氧化,其質量為6.5 g。
任務2　原電池原理的應用
【新知生成】
一、比較金屬活動性
原電池中,作 　　　　極的金屬活動性一般比作　　　　極的金屬活動性強。
二、探究原電池原理對反應速率的影響
向兩支試管中加入相同體積相同濃度的稀硫酸,其中一支試管滴加幾滴CuSO4溶液,然后分別投入大小相同的鋅片,對比產生H2的速率,試分析其原因。
三、鋼鐵的電化學腐蝕
1.概念:不純的金屬與電解質溶液接觸,發生　　　　反應,　　　　的金屬失去電子被　　　,這種腐蝕叫作電化學腐蝕。
2.電極反應與總反應
①負極(鐵)反應:　 ;
②正極(碳)反應:　 ;
③總反應:　 ;
④后續變化:Fe(OH)2→　　　→　　　(鐵銹)
用化學方程式表示為　 ,　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】一、負　正
三、1.原電池　比較活潑　氧化　2.①2Fe-4e-2Fe2+　②O2+2H2O+4e-4OH-　③2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2?、蹻e(OH)3　Fe2O3·xH2O　4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3　2Fe(OH)3 Fe2O3·xH2O +(3-x)H2O
【核心突破】
典例2　X、Y、Z、W四種金屬片浸在稀鹽酸中,用導線連接,可以組成原電池,實驗結果如圖所示。
甲 乙 丙 丁
則四種金屬的活動性順序為(　　)。
A.Z>Y>X>W B.Z>X>Y>W
C.Z>Y>W>X D.Y>Z>X>W
【答案】A
典例3　下列有關鋼鐵銹蝕說法正確的是(　　)。
A.銹蝕過程中構成原電池,電池總反應為2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2,將化學能完全轉化為電能
B.在海水中,鋼鐵的銹蝕速率會比在淡水中快
C.負極的電極反應:Fe-3e-Fe3+
D.最終產生的鐵銹的主要成分是Fe(OH)3
【答案】B
【解析】鋼鐵銹蝕過程是電化學腐蝕,構成了原電池,會將部分化學能轉化為電能、熱能等,A項錯誤;海水中所含的離子濃度高于淡水,電阻小,加快鐵銹蝕速率,B項正確;Fe作負極,失去兩個電子,轉化為Fe2+, C項錯誤;鐵銹的主要成分是Fe2O3·xH2O,D項錯誤。
【歸納總結】
原電池工作原理的應用
1.加快氧化還原反應的反應速率
自發進行的氧化還原反應,形成原電池時反應速率增大。
2.比較金屬的活動性強弱
兩種金屬分別作原電池的兩極時,絕大多數情況下,作負極的金屬比作正極的金屬活動性強。
訓練2　銀具有白色光澤、較高的化學穩定性,深受人們的青睞,廣泛用于飾品、銀器、禮品、獎章和紀念幣。但銀制品久用后表面會生成Ag2S而逐漸變黑。根據電化學原理,某同學設計用如圖方法除去銀制品表面的黑色Ag2S,使其恢復如初。下列說法正確的是(　　)。
A.用酒精代替NaCl溶液也同樣有效
B.Fe盆一極發生還原反應
C.處理后Ag手鐲質量增大
D.電子流向Ag手鐲一極
【答案】D
【解析】酒精是非電解質,其水溶液不能導電,不能用酒精代替NaCl溶液, A項錯誤;Fe盆一極發生氧化反應生成Fe2+,B項錯誤;Ag手鐲發生的反應為Ag2S+2e-2Ag+S2-,S2-進入溶液中使Ag手鐲質量減小,C項錯誤;鐵作負極,銀作正極,電子由負極鐵經過外電路流向銀手鐲一極,D項正確。
訓練3　等質量的兩份鋅粉a、b,分別加入兩支相同的試管中,然后加入等體積等物質的量濃度且均過量的稀硫酸,同時向a中加入少量CuSO4溶液,則產生氫氣的體積(V)與時間(t)的關系用圖像表示如圖,其中正確的是(　　)。
A B
C D
【答案】D
【解析】a和b中,均有反應Zn+2H+Zn2++H2↑,Zn的質量相等,都是H2SO4過量。但a中還發生Zn+Cu2+Zn2++Cu,消耗了一部分Zn,故生成H2的體積小,生成的Cu和剩余的Zn在稀硫酸中形成了原電池,故生成H2的速率大。
【課堂小結】
【隨堂檢測】
1.(2021年江蘇學測)某興趣小組模擬紙電池進行實驗(如圖),有關說法正確的是(　　)。
A.Zn為正極
B.工作時Cu電極發生氧化反應
C.工作時電子經外電路由Cu流向Zn
D.工作一段時間后Cu電極質量增加
【答案】D
【解析】由于Zn比Cu更活潑,故Zn為負極,A項錯誤;電池工作時Cu電極作正極,發生還原反應,電極反應為Cu2++2e-Cu,B項錯誤;電池工作時電子由負極Zn經外電路流向正極Cu,C項錯誤;電解質溶液為硫酸銅溶液,工作時Cu2+在銅電極得電子生成Cu,電極反應為Cu2++2e-Cu,工作一段時間后Cu電極質量增加,D項正確。
2.研究電化學腐蝕及防護的裝置如圖所示。下列有關說法錯誤的是(　　)。
A.若d為石墨,鐵片腐蝕加快
B.若d為石墨,發生的電極反應為2H2O+O2+4e-4OH-
C.若d為鋅塊,鐵片不易被腐蝕
D.若d為鋅塊,鐵片上發生的電極反應為2H++2e-H2↑
【答案】D
【解析】鋅的金屬活動性大于鐵的金屬活動性,當d為鋅塊時,鋅塊為負極,鐵片為正極,電子從鋅經過導線流向鐵,由于海水中氫離子濃度很小,得電子的是溶解在海水中的氧氣,故此時鐵片上電極反應為2H2O+O2+4e-4OH-。
3.某化學興趣小組設計了如圖所示的發光二極管連接的檸檬電池。下列說法不正確的是(　　)。
A.該裝置的能量轉化形式主要為化學能→電能
B.電子的流向:Zn→導線→Cu→檸檬液→Zn
C.鋅片是該電池的負極,質量不斷減小
D.銅片上的電極反應為2H++2e-H2↑
【答案】B
【解析】原電池的能量轉化形式主要為化學能→電能,A項正確;電子的流向:Zn→導線→Cu,電子不能進入檸檬液中,B項錯誤;負極上Zn失去電子,則鋅片是負極,質量不斷減小,C項正確;Cu為正極,正極上H+得到電子,正極反應為2H++2e-H2↑,D項正確。
4.現有A、B、C、D四種金屬片,進行以下實驗:①把A、B用導線連接后同時放入稀硫酸溶液中,A上有氣泡產生;②把C、D用導線連接后同時放入稀硫酸溶液中,D上發生還原反應;③把A、C用導線連接后同時放入稀硫酸溶液中,電子流動方向為A→導線→C。根據上述情況,回答下列問題:
(1)在實驗①中,金屬片　　　　發生氧化反應。
(2)在實驗②中,金屬片　　　　作負極。
(3)如果把B、D用導線連接后同時放入稀硫酸溶液中,則金屬片　　　　上有氣泡產生。
(4)上述四種金屬的活動性順序是　　　　　　。
(5)將A、B直接放入稀硫酸中,不用導線連接,化學能主要轉化為　　　　。
【答案】(1)B　(2)C　(3)D　 (4)B>A>C>D　(5)熱能
【解析】根據原電池原理可知,H+在正極上被還原生成H2,故①中金屬活動性:B>A,②中金屬活動性:C>D。又因為電子從負極經導線流到正極,故③中金屬活動性:A>C。綜上所述,可知四種金屬活動性順序為B>A>C>D。
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