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化学反应与电能
第2课时
第一节　化学反应与能量变化
学习目标
1.通过实验探究,认识化学能可以转化为电能,能从氧化还原反应的角度初步认识并分析原电池的工作原理。
2.通过实验探究,能举出化学能转化为电能的实例,能辨识简单原电池的构成要素,判断原电池的正、负极并能设计简单的原电池。
3.通过原电池的学习,能列举提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。
任务分项突破
1.火力发电——化学能间接转化为电能
(1)我国目前电能主要来自 发电,其次来自 发电。
(2)火力发电的原理。
通过化石燃料 时发生的氧化还原反应,使 转化为 ,加热水使之 以推动蒸汽轮机,带动发电机发电。
『自主梳理』
学习任务1　探究化学能转化为电能的方式
火力
水力
燃烧
化学能
热能
汽化为蒸汽
(3)能量转化过程。
燃烧
其中能量转化的关键环节是 (氧化还原反应)。
燃烧
实验装置 实验现象 实验结论
Zn片: 逐渐溶解, 　 Cu片: 锌与稀硫酸 ,铜与稀硫酸
2.原电池——化学能直接转化为电能
(1)实验探究[实验6-3]。
有气泡产生
无气泡产生
反应
不反应
Zn片: Cu片: 产生H2(还原反应)的位置发生了改变:


Zn片: Cu片: 电流表: 电流表指针偏转说明:

逐渐溶解
有气泡产生
溶液中的氢离子在铜片
表面获得电子,发生还原反应
产生氢气
逐渐溶解
有气泡产生
指针偏转
导线中有
电流
(2)微观探析电流产生的原因。
负极
氧化反应
正极
还原反应
①总反应式: 。
②能量转化: 能转化为 能。
③电子的移动方向:从 流出,经导线流向 (与电流的方向恰好相反,电流是 )。
④离子的移动方向:阳离子向 移动,阴离子向 移动。
(3)原电池。
①概念:将 能转化为 能的装置。
②本质:发生 反应。
Zn+2H+ Zn2++H2↑
化学
电
负极
正极
从正极流向负极
正极
负极
化学
电
氧化还原
3.构成原电池的必要组成部分
理论上,自发的 均可设计成原电池。
(1)(正、负极)电极材料(活动性不同的金属,或金属与非金属等)。
(2)还原剂与氧化剂。
(3)形成 。
氧化还原反应
闭合回路
『互动探究』
探究　原电池的工作原理
被称为“软电池”的纸质电池,采用一个薄层纸片作为传导体,在其一边镀锌,另一边镀二氧化锰。在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解质溶液。电池的总反应式为Zn+2MnO2+H2O ZnO+
2MnO(OH)。
问题1:在该“软电池”中,哪种物质作负极
提示:由电池的总反应式可知,金属锌失去电子,发生氧化反应,作负极。
问题2:电子是怎样移动的 电子能否通过电解质溶液 如果不能,电流是如何形成的
提示:电子从负极流出通过外电路流向二氧化锰(正极)。电子不能通过电解质溶液,纸内的阳离子移向二氧化锰,阴离子移向锌,阴、阳离子定向移动形成电流。
问题3:若将该“软电池”中的电解质换为酒精,还能否产生电流
提示:酒精不能导电,此时不能构成原电池,因此不能产生电流。
问题4:若将该“软电池”中的二氧化锰换为石墨,能否构成原电池 若能,指出正、负极反应物。
提示:能。负极反应物为Zn,正极反应物为O2。
原电池的工作原理
归
纳
拓
展
『题组例练』
题点一　原电池的构成条件判断
1.下列关于原电池的叙述正确的是(　　)
A.原电池中失去电子的电极称为正极
B.原电池中失去电子的一极发生氧化反应
C.原电池的两极,一定要由活动性不同的两种金属组成
D.必须有电解质溶液存在,才能构成原电池
B
解析:原电池中失去电子的电极称为负极,A错误;原电池的负极失去电子,发生氧化反应,B正确;原电池的两极不一定全部是金属,可能一种为活泼金属,一种为非金属,如石墨,C错误;电解质溶液存在的目的是形成闭合回路,也可以是熔融盐或氧化物,D错误。
2.下列各装置中,能产生电流的是(　　)
C
A B C D
解析:该装置中只有一种金属,不能构成原电池,A错误;乙醇不是电解质,不能导电,不符合原电池构成条件,B错误;Fe的金属性强于Cu的,CuCl2溶液为电解质溶液,溶液中发生的反应为Fe+Cu2+ Fe2++Cu,符合原电池构成条件,C正确;没有构成闭合回路,不能构成原电池,D错误。
题点二　原电池的工作原理分析
3.某小组设计的化学电池使LED灯发光的装置如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.装置中存在“化学能→电能→光能”的转换
B.锌片为正极
C.锌片质量减轻,发生还原反应
D.电子由铜片通过稀硫酸流向锌片
A
解析:装置中存在“化学能→电能→光能”的转换,A正确;锌的金属性强于铜的,锌片失电子发生氧化反应,则锌片为负极,Zn在负极失去电子,则锌片的质量减轻,B、C错误;该原电池中电子从负极锌片流出经导线流向正极铜片,D错误。
4.某装置如图所示。
(1)铁作　　　　(填“正极”或“负极”),溶液中的H+向　
(填“铁”或“铜”)电极方向移动。
负极
铜
解析:(1)Fe-Cu-稀硫酸原电池中,铁的金属性强于铜的,所以铁为负极,Cu为正极,溶液中H+向正极铜电极方向移动。
(2)正极的现象是　　　　　　　　　　　　,负极的电极反应式为　 。
有气泡产生
Fe-2e- Fe2+
解析:(2)正极发生还原反应,电极反应式为2H++2e- H2↑,现象是有气泡产生,负极的电极反应式为Fe-2e- Fe2+。
(3)若反应过程中有0.2 mol 电子发生转移,则生成的氢气在标准状况下的体积为　　　　L。
2.24
解析:(3)由正极电极反应式2H++2e- H2↑可知,若反应过程中有0.2 mol 电子发生转移,产生 0.1 mol H2,在标准状况下的体积为2.24 L。
原电池正、负极的判断方法
题后悟道
学习任务2　原电池原理的简单应用
『自主梳理』
1.比较金属活动性
两种金属分别作原电池的两极时,一般活动性强的金属为 ,活动性弱的金属为 。
2.增大氧化还原反应的速率
一个氧化还原反应,构成原电池时的反应速率比直接接触的反应速率大。
[示例] 如利用粗锌和盐酸制备H2,比纯锌和盐酸反应要快。
负极
正极
3.设计原电池
理论上,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池。
利用原电池原理设计和制造原电池,可以将化学能直接转化为电能。
[示例] 如将Fe+CuSO4 FeSO4+Cu设计成原电池,Fe应为负极发生氧化反应,可用Cu作正极发生还原反应,其电解质溶液应选用CuSO4溶液。
『互动探究』
探究　简单原电池的设计
提示:①②不能。因为反应①不是氧化还原反应;反应②虽然是氧化还原反应,但不是自发的氧化还原反应。③能。因为反应③是能够自发进行的氧化还原反应。
问题2:能否利用Al片、Cu片、浓硝酸设计一个简单的原电池 若能,试画出装置图。
提示:能。装置如图所示。
问题3:上述装置中正、负极如何判断 请写出装置中产生大量气泡时的电极反应式。
提示:金属性Al>Cu,开始时,Al失电子,作负极;Cu作正极。但很快,
Al表面被迅速氧化生成致密的氧化膜而钝化,不再失去电子,正、负极调换,Cu失去电子作负极,表面存在致密氧化膜的Al作正极。
归
纳
拓
展
设计原电池的基本思路
『题组例练』
1.有X、Y、Z三块金属片,进行如下实验:
①X、Y用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,Y极产生大量气泡;
②Y、Z用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,电流由Y→导线→Z;
③X、Z用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,Z极发生氧化反应。
据此判断三种金属的活动性顺序为(　　)
A.X>Y>Z B.X>Z>Y
C.Z>X>Y D.Y>Z>X
C
解析:根据①的描述可知,X极为负极,Y极为正极,则X的金属活动性大于Y的;根据②的描述可知,Y极为正极,Z极为负极,则Z的金属活动性大于Y的;根据③的描述可知,Z极为负极,X极为正极,则Z的金属活动性大于X的。综上分析可知,金属活动性顺序为Z>X>Y。
2.回答下列问题。
(1)试用实验室提供的下列试剂,设计两个原理不同的简单实验
(只要写出两个实验方案即可),证明镁元素的金属性比铝的强。
可选用试剂:Mg条、Al条、AlCl3溶液、MgCl2溶液、稀盐酸、NaOH溶液。
实验方案①:
　;
实验方案②:
　。
用形状、大小相同的Mg条和Al条分别与等体积、等浓度的稀盐酸反应,观察其反应速率的大小　
将Mg条和Al条靠在一起,插入稀盐酸中,观察其气泡产生的情况
解析:(1)证明镁元素的金属性比铝元素的强,可利用金属与酸的反应,最高价氧化物对应水化物的碱性来比较,或者利用原电池原理。则方案①为用形状、大小相同的Al条和Mg条分别与等体积、等浓度的稀盐酸反应,观察其反应速率大小;方案②为将Mg条和Al条靠在一起,插入稀盐酸中,观察其气泡产生的情况。
解析:(2)Cu+2FeCl3 2FeCl2+CuCl2中铜元素化合价升高,失去电子,被氧化,则铜作负极,铁离子得到电子,在正极放电,所以该原电池的负极材料为铜,正极材料可用石墨,电解质溶液为FeCl3溶液。
(2)请利用氧化还原反应Cu+2FeCl3 2FeCl2+CuCl2设计一个原电池: 　。
负极材料为铜,正极材料可用石墨,电解质溶液为FeCl3溶液
“四步法”设计简单原电池
(1)定——确定能够自发进行的氧化还原反应及氧化剂、还原剂。
(2)拆——负极电极反应:还原剂-ne- 氧化产物;
正极电极反应:氧化剂+ne- 还原产物。
(3)找——负极材料一般选择活泼金属作还原剂;
正极材料一般选择比负极稳定的金属或能导电的非金属;
电解质溶液一般选择含氧化剂的溶液为电解质溶液。
(4)画——连接电路,画出原电池示意图。
思维建模
知识整合
学科素养测评
某同学用如图所示装置进行水果电池的实验,测得数据如表所示:
实验 编号 电极材料 水果品种 电极间 距/cm 电压/mV
1 锌 铜 菠萝 3 900
2 锌 铜 苹果 3 650
3 锌 铜 柑橘 3 850
4 锌 铝 菠萝 3 650
5 锌 铝 苹果 3 450
请回答下列问题。
(1)实验5中负极的电极反应式为　 。
Al-3e- Al3+
解析:(1)实验5中电极材料是Zn与Al,因Al比Zn更活泼,则负极反应式为Al-3e- Al3+。
(2)实验1、4中电流方向相反的原因是
。
实验1中锌比铜活泼,锌为
负极;实验4中锌不如铝活泼,锌为正极,所以两实验中电流方向相反
解析:(2)因实验1中Zn比Cu活泼,Zn作负极;实验4中Al比Zn活泼,Zn作正极,则两实验中电流方向相反。
(3)分析实验数据可知,影响水果电池电压的因素有　　　 　、
　　　 　。
水果品种
解析:(3)分析实验数据可知,水果电池的电压与水果品种及电极材料有关。
电极材料
(4)若在实验中发光二极管不亮,该同学用铜、锌作电极,用菠萝作介质,将多个此电池串联起来,再接发光二极管,这样做
(填“合理”或“不合理”)。
合理
解析:(4)这样做可使电压增大,做法合理。
命题解密与解题指导
情境解读:本题以水果电池的设计为背景,创设了真实、有意义的测试情境,有利于促进思考、推理和判断。
素养立意:根据电流表、电压表的变化研究不同因素对水果电池的影响,培养宏观辨识与微观探析学科素养;从简单化学原电池的工作原理迁移到真实情境当中,培养证据推理与模型认知学科素养。
思路点拨:
(1)根据金属活泼性判断电极。
(2)从构成原电池的条件出发,推测可能影响电压大小的因素。
谢 谢 观 看

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