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(共57张PPT)
第2课时　化学反应与电能
第六章
内容索引
01
02
课前篇 素养初探
课堂篇 素养提升
素养目标
1.通过对比火力发电,认识化学能直接转变为电能的装置——原电池的优势,了解化学电源在实际生活中的应用及废旧电池的处理和利用,发展科学态度与社会责任等学科核心素养。
2.通过实验探究,掌握构成原电池装置的条件,发展变化观念、科学探究与创新意识等学科核心素养。
课前篇 素养初探
【自主梳理】
一、化学能转化为电能
1.化学能间接转化为电能——火力发电
(1)过程
(2)关键—— 燃烧 (氧化还原反应)。
【微思考1】火力发电存在几种形式能量的转化 试分析火力发电有哪些弊端。
提示 化学能转化为热能、热能转化为机械能、机械能转化为电能。火力发电的不足:①使用的化石燃料属于不可再生资源;②化石燃料的燃烧会产生大量的有害气体(如SO2、CO等)及粉尘,污染环境;③能量经过多次转化,能量利用率低。
2.化学能直接转化为电能——原电池
(1)定义:把化学能转变为电能的装置。
能量转化方式
(2)工作原理(以铜—锌—稀硫酸原电池为例):
原电池原理示意图
电极 材料 电极 名称 电子流向 电极反应式 反应类型
锌 负极 电子流出 Zn-2e-===Zn2+ 氧化
反应
铜 正极 电子流入 2H++2e-===H2↑ 还原
反应
总反应 Zn+2H+===Zn2++H2↑
(3)电子的流向:电子由负极经导线流向正极。
电解质溶液中离子移动方向:阳离子向正极定向移动,阴离子向负极定向移动。
可简记为:正正负负[解释:正(指阳离子)→正(指正极)、负(指阴离子)→负(指负极)]。
(4)反应本质:原电池反应的本质是自发进行的氧化还原反应。
【微思考2】原电池的电极材料都必须是金属吗
提示 原电池的电极材料可以是两种活泼性不同的金属,也可以是一种金属与一种可导电的惰性材料(如石墨);在燃料电池中,电极本身均不发生反应,故两极均可用惰性材料。
二、化学电池——新能源和可再生能源的重要组成部分
1.一次电池——酸性锌锰干电池
构造示意图
工作原理 负极 锌筒 锌被氧化,逐渐消耗
电解质 氯化铵 —
正极 石墨棒 二氧化锰被还原
特点 放电后不能充电 便于携带,价格低
2.二次电池
【微思考3】生活中电动车、手机的电池属于一次电池还是二次电池
提示 电动车、手机的电池都可以反复充电使用,都属于二次电池。
3.发展中的燃料电池
【自我检测】
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)原电池是一种将电能转化为化学能的装置。(　　)
(2)原电池中,电子由负极经导线流向正极。(　　)
(3)原电池的电解质溶液中,阳离子移向负极,阴离子移向正极。(　　)
(4)盐酸与NaOH溶液反应放出热量,故可利用此反应设计原电池装置。(　　)
√
×
×
×
2.(2021天津第二南开学校高一阶段检测)下列装置中能形成原电池的是(　　)
A.①③⑤
B.②④⑥
C.①⑤⑥
D.②③④
答案 D
解析 结合原电池的构成要素进行判断。①中Zn和Cu未用导线连接,也未接触,不能形成原电池,错误;②中Zn、Cu是不同种金属,用导线相连后插入电解质溶液中,形成原电池,正确;③中Zn、Fe接触,插入稀硫酸中形成原电池,正确;④中Zn、Pb接触,插入醋酸溶液中形成原电池,正确;⑤中两极都是Zn,不能形成原电池,错误;⑥中蔗糖是非电解质,其溶液不导电,不能形成原电池,错误;⑦中两个烧杯中稀硫酸不相通,不能形成闭合回路,故不能形成原电池,错误。
3.(原创题)关于下图所示装置的叙述正确的是(　　)
A.锌是正极,电极反应式为Zn-2e- === Zn2+
B.氢离子在铜片表面被还原,产生气泡
C.电流从锌片经导线流向铜片
D.溶液中 向铜片移动
答案 B
解析 锌片和铜片用导线连接,插入稀硫酸中形成原电池,Zn比Cu活泼,则锌是负极,电极反应式为Zn-2e- === Zn2+,A错误;铜片是正极,电极反应式为2H++2e- === H2↑,B正确;原电池中,电流由正极流向负极,故电流由铜片经导线流向锌片,C错误;原电池中,电解质溶液中阴离子向负极移动,则 向锌片移动,D错误。
课堂篇 素养提升
任务一
原电池的工作原理
【问题探究】
上面是某实验小组设计的水果电池,生活中还有多种常见的电池,如干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池等。你知道原电池是如何工作的吗 请按如下装置进行探究吧!
(1)装置甲和乙中铜片上产生的现象是否相同 其原因是什么
提示 铜是不活泼金属,不能与稀硫酸发生反应,装置甲中铜片无明显现象;装置乙中形成原电池,H+在铜片上获得电子被还原生成H2,表面产生大量气泡。
(2)装置乙和丙中电流计的指针是否都发生偏转 为什么
提示 装置乙形成原电池,电流计指针发生偏转;装置丙不能形成原电池,因为乙醇是非电解质,不导电,电流计指针不偏转。
(3)若将装置乙中铜片换成锌片,电流计指针是否发生偏转 从中得到什么启示
提示 将装置乙中铜片换成锌片,电流计的指针不发生偏转。由此可知,形成原电池时,两个电极若均为金属,应选用活泼性不同的两种金属。
【深化拓展】
1.原电池的构成条件——“两极一液一连环一反应”
2.原电池的工作原理
3.原电池正、负极判断的五个依据
【素能应用】
典例1如图是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记录如下。在卡片上描述合理的是(　　)
实验后的记录:
①Zn为正极,Cu为负极　②H+向负极移动　
③电子流动方向为由Zn经外电路流向Cu　
④Cu极上有H2产生　
⑤若有1 mol电子流过导线,则产生H2的物质的量为0.5 mol　
⑥正极的电极反应式为Zn-2e- === Zn2+
A.①②③ B.③④⑤ C.④⑤⑥ D.②③④
答案 B
解析 在该原电池中,Zn比Cu活泼,故Zn作负极,Cu作正极,电子由Zn流出经导线流向Cu,负极反应为Zn-2e- === Zn2+,正极反应为2H++2e- === H2↑,故每转移1 mol电子时,产生H2 0.5 mol,在溶液中H+向正极移动, 向负极移动,故①②⑥错误,③④⑤正确。
【变式设问】
将Cu片换成Fe片、稀硫酸换成CuSO4溶液,两电极表面分别发生怎样的变化
提示 Fe片表面析出红色金属:Cu2++2e- === Cu;Zn片逐渐溶解:Zn-2e- === Zn2+。
变式训练1如图所示,电流计指针发生偏转,同时A极质量减小,B极上有气泡产生,C为电解质溶液,下列说法错误的是(　　)
A.B极为原电池的正极
B.A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应
答案 C
解析 原电池中,负极金属失去电子,溶解,质量减小,故A极是负极,B极是正极,根据构成情况判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸,A、B两项正确;原电池中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C项错误;负极发生氧化反应,正极发生还原反应,D项正确。
任务二
原电池原理的应用
【问题探究】
结合原电池的构成及工作原理,交流讨论下列问题。
(1)利用反应Fe+CuSO4 === FeSO4+Cu能设计成原电池吗 若能,怎样选择原电池的正极和负极材料及电解质溶液
提示 能;负极为Fe,正极为活泼性比Fe弱的金属或石墨,电解质溶液为CuSO4溶液。
(2)将铁片和铜片用导线连接,插入稀硫酸中形成原电池,铁片及铜片表面分别发生怎样的变化 据此得出哪种金属的活泼性强
提示 铁片逐渐溶解,铜片表面产生大量气泡;说明铁的活泼性强。
(3)实验室利用锌粉与稀硫酸反应制取H2时,滴加少量CuSO4溶液后,为什么产生氢气的速率加快
提示 利用锌粉与稀硫酸反应制取H2时,滴加少量CuSO4溶液,Zn与CuSO4发生置换反应生成Cu,从而可形成原电池,则产生氢气的速率加快。
【深化拓展】
1.原电池的应用
(1)加快氧化还原反应速率
一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池可以加快反应速率。
(2)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活动性强。
(3)用于金属保护
将被保护的金属与比其活泼的金属连接,形成原电池。
2.设计原电池
(1)依据
已知一个氧化还原反应,首先通过分析找出氧化剂、还原剂,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂(一般为电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)实例
以Zn+H2SO4 === ZnSO4+H2↑为例:
【素能应用】
典例2某同学依据反应Zn+2H+ === Zn2++H2↑,利用下列各组材料设计原电池,你认为能组成相应原电池的是(　　)
选项 A B C D
两极材料 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 稀盐酸
答案 A
解析 ①分析电池反应确定电池的电极材料,在反应Zn+2H+ === Zn2++H2↑中,Zn被氧化生成Zn2+,则Zn片是负极,正极是比Zn活泼性弱的金属或石墨。②分析离子变化,确定电解质溶液中H+被还原生成H2,则正极反应式为2H++2e-H2↑,则电解质溶液应是酸溶液,只有A项符合要求。
【变式设问】
常温下,能否利用反应Cu+2H+ === Cu2++H2↑设计原电池装置 为什么
提示 不能。Cu是不活泼金属,常温下不能与H+反应生成H2。
变式训练2有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验 装置
部分实 验现象 a极质量减小,b极质量增大 b极有气体产生,c极无变化 d极溶解,c极有气体产生 电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案 C
解析 装置一是原电池,a极质量减小,说明a极金属易失去电子形成离子,故a极金属比b极金属活泼;装置二没有形成原电池,由现象可知b比c活泼,且c位于金属活动性顺序中氢的后面;装置三和四均形成原电池,由现象易知d比c活泼,d比a活泼。因此四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。
任务三
原电池电极反应式的书写方法
【问题探究】
1.铅酸蓄电池的负极是Pb,正极是PbO2,电解质溶液为稀硫酸。放电时,发生反应:Pb+PbO2+2H2SO4 === 2PbSO4+2H2O。根据正、负极材料和电解质,写出各电极反应式。
2.碱性氢氧燃料电池以KOH溶液为电解质溶液,工作时电池反应为2H2+O2 === 2H2O。请写出正、负极的反应式。
提示 负极:2H2+4OH--4e- === 4H2O;
正极:O2+2H2O+4e- === 4OH-。
3.如何根据原电池的总反应判断原电池的正、负极 正极反应式、负极反应式和总反应式之间有什么关系
提示 发生氧化反应的一极是原电池的负极,发生还原反应的一极是原电池的正极。在得失电子一致的情况下,总反应式=负极反应式+正极反应式。
【深化拓展】
1.电极反应式的书写
(1)原电池负极反应式的书写
①较活泼金属作负极时,电极本身被氧化
若生成的阳离子不与电解质溶液反应,其产物可直接写为金属阳离子,如Zn-2e- === Zn2+,Cu-2e- === Cu2+。
若生成的金属阳离子与电解质溶液反应,其电极反应为两反应合并后的反应。如铅酸蓄电池负极反应为Pb+ -2e- === PbSO4。
②负极材料本身不反应
氢氧(酸性)燃料电池,负极反应为H2-2e- === 2H+;氢氧(碱性)燃料电池,负极反应为H2+2OH--2e- === 2H2O。
(2)原电池正极反应式的书写
书写时总的原则是首先根据元素化合价变化或氧化性强弱判断得电子的微粒,其次确定该微粒得电子后生成什么物质。
如氢氧(酸性)燃料电池,正极反应为O2+4H++4e- === 2H2O
氢氧(碱性)燃料电池,正极反应为O2+2H2O+4e- === 4OH-。
(3)书写复杂电极反应式的方法——加减法
①写出总反应,如Li+LiMn2O4 === Li2Mn2O4。
②写出其中较为简单的一个半反应(正极或负极),如Li-e- === Li+(负极)。
③利用总反应与上述一极的反应相减,即得另一电极的反应式,如LiMn2O4+Li++e- === Li2Mn2O4(正极)。
2.一般电极反应式的书写思路
↓
↓
【素能应用】
典例3燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是(　　)
A.负极反应式:O2+2H2O+4e- === 4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e- === CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的氢氧根浓度不变
D.放电时,溶液中的阴离子向负极移动
答案 D
解析 O2+2H2O+4e- === 4OH-应为正极反应式。CH4失电子生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出,它将进一步反应转化成碳酸根,所以负极反应式为CH4+10OH--8e- === +7H2O。由于部分强碱和二氧化碳反应,所以溶液的c(OH-)将减小。
【变式设问】
若以稀硫酸为电解质溶液,设计氢氧燃料电池,请分别写出正、负极的电极反应式。
提示 正极反应式为O2+4H++4e- === 2H2O,负极反应式为2H2-4e- === 4H+。
变式训练3锂电池是一代新型高能电池,它以能量密度大而受到普遍重视,目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为Li+MnO2 === LiMnO2,下列说法正确的是(　　)
A.Li是正极,电极反应为Li-e- === Li+
B.Li是负极,电极反应为Li-e- === Li+
C.MnO2是负极,电极反应为MnO2+e- ===
D.Li是负极,电极反应为Li-2e- === Li2+
答案 B
解析 根据原电池中,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,再结合总反应可知,Li失去电子生成Li+被氧化,为负极;MnO2得到电子被还原,为正极。
随堂检测
1.下列图中表示的装置,能构成原电池的是(　　)
A.①②
B.③④
C.⑤
D.③⑤
答案 C
解析 ①中只有金属Zn,缺少另一种电极材料,错误;②中Zn和Cu未用导线连接,也未接触,不能形成原电池,错误;③中酒精是非电解质,不能导电,不能形成原电池,错误;④中两个电极都是Cu,不能形成原电池,错误;⑤中Fe和Cu用导线连接,插入稀硫酸中形成原电池,正确。
2.(2021广东湛江高一期中)某小组同学用锌片、铜片、导线、电流表、食醋、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是(　　)
A.原电池是将化学能转化成电能的装置
B.原电池的负极发生氧化反应
C.若图中电极a为铜片、电极b为锌片时,电极a上有气泡产生
D.若图中电极a为铜片、电极b为锌片时,电子由铜片通过食醋流向锌片
答案 D
解析 原电池是把化学能转化为电能的装置,A正确;原电池的负极上还原剂失去电子,发生氧化反应,B正确;图中若电极a为铜片、电极b为锌片时,电极a上有气泡产生,电子由锌片通过导线流向铜片,电子不能在电解质溶液中流动,C正确,D错误。
3.(2021山东聊城二中高一检测)将过量的两份锌粉a、b分别加入等体积、等浓度的两份稀硫酸中,同时向a中加少量CuSO4溶液,下图中产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系中正确的是(　　)
答案 B
解析 等体积、等浓度的两份稀硫酸中H2SO4的物质的量相等,向a中加少量CuSO4溶液,Zn与CuSO4发生置换反应生成Cu,Zn、Cu及稀硫酸形成原电池,生成氢气的速率加快,故a中硫酸先反应完。由于两份锌粉均过量,则硫酸完全反应后产生H2的体积相等,故只有B符合要求。
4.(2021河北石家庄二中高一期中)日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒,以糊状NH4Cl作为电解质,电极反应分别为:Zn-2e- === Zn2+、2MnO2+2 +2e- === Mn2O3+2NH3+H2O。下列有关锌锰干电池的叙述正确的是(　　)
A.干电池中锌筒为正极,石墨棒为负极
B.干电池长时间连续工作后,糊状物可能流出腐蚀用电器
C.干电池工作时,电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒
D.干电池可实现化学能向电能和电能向化学能的相互转化
答案 B
解析 干电池中锌筒为负极,石墨棒为正极,A错误;干电池长时间连续工作后,锌筒放电被腐蚀变薄,糊状物可能流出腐蚀用电器,B正确;干电池工作时,电流方向是由正极流向负极,故由石墨棒经外电路流向锌筒,C错误;干电池是一次电池,放电时将化学能转化为电能,D错误。
5.近年来野外生存的真人秀节目在各大卫视频繁播放。某节目中野外生存达人用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池可用于野外生火。某同学感到好奇,自己制作了一个这样的“超级柠檬电池”。
(1)写出该电池发生反应的离子方程式:　　　　　　。
(2)若用铁片代替锌片,LED灯　　　　　(填“能”或“不能”,下同)亮;若用铁片代替铜片,LED灯　　　　　亮;若用银片代替锌片,
LED灯　　　　　亮。
(3)由上面分析可知,构成原电池的条件有 　 。
答案 (1)Zn+2H+ === H2↑+Zn2+　(2)能　能　不能
(3)①两个活泼性不同的金属电极(或其中一个为导电的非金属电极);②电解质溶液;③形成闭合回路;④自发进行的氧化还原反应

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