第07讲 化学反应与电能（讲义）（教师版）-【精准提分】2020-2021学年高一化学必修第二册同步培优（新教材人教版）教案

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第07讲 化学反应与电能

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模块一 原电池的基本原理与应用

知识精讲

实验探究——锌铜原电池
实验装置
实验操作
实验现象
实验结论

将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中
锌片上有气泡冒出，铜片上无现象
装置中有电流产生，化学能转化为电能
用导线连接锌片和铜片
铜片上有气泡冒出
用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表
电流表指针发生偏转



一、原电池的基本概念
1．概念：原电池是将化学能转化为电能的装置。
2．本质：氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行。
3．电极：（1）负极：________电子，发生________反应；
（2）正极：________电子，发生________反应。
4．构成原电池的条件：
（1）自发进行的氧化还原反应；
（2）两个活动性不同的电极；
（3）电解质溶液（或熔融电解质）；
（4）形成闭合回路。
【答案】失去 氧化 得到 还原

二、锌铜原电池的工作原理
工作原理
（反应方程式）
负极（Zn）


正极（Cu）

总反应离子方程式： 。
电子移动方向
由 极经导线流向 极（电流方向相反）。
离子移动方向
阳离子向 极移动，阴离子向 极移动。
【答案】 Zn - 2e- === Zn2+ 2H+ + 2e- === H2↑ Zn + 2H+ === Zn2+ + H2↑ 负 正 正 负

思考与交流
（1）判断下列原电池的负极材料是什么？
a极
b极
电解质溶液
负极
Al
Fe
稀盐酸

Al
Mg
稀H2SO4

Al
Mg
浓HNO3

Al
Cu
浓HNO3

Al
Mg
NaOH溶液

Fe
C
CuSO4


（2）如何判断原电池的负极？



【答案】（1）Al Mg Mg Cu Al Fe
（2）①一般较活泼的金属作负极。
②失去电子，发生氧化反应的是负极。
③电子流出（电流流入）的是负极。
④阴离子移向的一极是负极。
⑤电极溶解（质量减少）的为负极。

经典例题

l 原电池的工作原理
【例1】理论上不能设计为原电池的化学反应是（ ）
A．CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
B．2FeCl3 + Fe === 3FeCl2
C．2Al + 2NaOH + 2H2O === 2NaAlO2 + 3H2↑
D．HNO3 + NaOH === NaNO3 + H2O
【答案】D

【变1】下列关于原电池的叙述，正确的是（ ）
A．构成原电池的正极和负极材料必须是两种活动性不同的金属
B．原电池是将化学能转变为电能的装置
C．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
D．原电池放电时，电流的方向是从负极到正极
【答案】B

l 原电池的构成条件及电极反应式的书写
【例2】下列装置能构成原电池的是________，能构成原电池的，写出其电极反应式。




A
B
C
D









E
F
G

【答案】CDE
CD 负极：Zn - 2e- === Zn2+ 正极：2H+ + 2e- === H2↑
E 负极：Fe - 2e- === Fe2+ 正极：Cu2+ + 2e- === Cu

l 原电池的具体工作原理
【例3】下图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，记录如下：
① Zn为正极，Cu为负极；② H+ 向负极移动；③ 电子流动方向，从Zn经外电路流向Cu；
④ Cu极上有H2产生；⑤ 若有1 mol电子流过导线，则产生0.5 mol H2；
⑥正极的电极反应式为Zn - 2e- === Zn2+。描述合理的是（ ）

A．①②③ B．③④⑤ C．④⑤⑥ D．②③④
【答案】B

【变3-1】在如图所示的装置中，a的金属性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是（　　）
A．碳棒上有气体放出，溶液酸性变弱
B．a 极上发生了氧化反应
C．导线中有电子流动，电子从a极到b极
D．a 是正极，b 是负极
【答案】D

【变3-2】小颖同学用如图所示装置研究原电池原理，下列说法错误的是（　　）

A．若将图1装置的Zn、Cu直接接触，Cu片上能看到气泡产生
B．图2装置中SO42-向Cu片移动
C．若将图2中的Zn片改为Mg片，Cu片上产生气泡的速率加快
D．图2与图3中正极生成物的质量比为1∶32时，Zn片减轻的质量相等
【答案】B

l 带离子交换膜的原电池
【例4】锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（ ）

A．铜电极上发生氧化反应
B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO42-) 减小
C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴离子、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
【答案】 C

知识精讲

三、原电池的应用
1．比较金属活动性
两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比正极的金属活泼。
2．加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。
3．设计原电池
利用原电池原理设计和制造原电池，将化学能直接转化为电能。

经典例题

l 利用原电池比较金属活动性
【例5】有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线连结起来浸入电解质溶液中，b不易腐蚀。将a、d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应剧烈。将Cu浸入b的盐溶液里，无明显变化。如果把Cu浸入c的盐溶液里，有c的单质析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是（　　）
A．d、c、a、b B．d、a、b、c C．d、b、a、c D．b、a、d、c
【答案】B

【变5-1】X、Y、Z、W四种金属片浸在稀盐酸中，用导线连接，可以组成原电池，实验结果如图所示：

则四种金属的活动性由强到弱的顺序为（　　）
A．Z＞Y＞X＞W B．Z＞X＞Y＞W
C．Z＞Y＞W＞X D．Y＞Z＞X＞W
【答案】　A

【变5-2】有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置及部分反应现象如下：
实验装置




部分实
验现象
a极质量减小
b极质量增加
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

l 利用原电池加快反应速率
【例6】实验室中制取氢气，化学反应速率最快的方法是（　　）
A．纯铁与稀硫酸反应 B．纯锌与稀硫酸反应
C．纯锌与稀盐酸反应 D．粗锌（含铜、银）与稀硫酸反应
【答案】 D

【变6-1】欲提高Cu粉与1.2 mol/L的HNO3溶液的反应速度，可加入下列什么试剂（　　）
A．蒸馏水 B．碳酸钠固体 C．食盐水 D．AgNO3溶液（少量）
【答案】 D

【变6-2】铁在下列情况下腐蚀最快的是（　　）
A．铁放入海水中 B．将铁和锌连接后放入到海水中
C．将铁和锌连接后放入到淡水中 D．将铁和锡连接后放入到海水中
【答案】 D

l 设计原电池
【例7】如图所示的装置中，铁棒上析出铜，而铁的质量不变，符合要求的原电池是（　　）
A．铁棒作负极，铜棒作正极，电解质溶液是CuSO4溶液
B．镁棒作负极，铁棒作正极，电解质溶液是CuSO4溶液
C．镁棒作负极，铁棒作正极，电解质溶液是FeCl3溶液
D．铁棒作负极，铜棒作正极，电解质溶液是H2SO4溶液
【答案】 B

【例8】铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用于催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：_________________________________。
（2）若将（1）中的反应设计成原电池，请画出你所设计的原电池简易装置图，并写出电极反应式：正极___________________________；负极___________________________。




（3）该电池向外提供0.2 mol 电子，负极材料的质量变化为________________________。
（4）利用反应2Cu + O2 + 2H2SO4 === 2CuSO4 + 2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极的反应式为____________________________________________。
【答案】（1）2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ （2） 2Fe3+ + 2e- === 2Fe2+ ；Cu- 2e- === Cu2+ ；
；（3）减少6.4 g； （4）O2 + 4e- + 4H+ === 2H2O


模块二 常见的化学电池

知识精讲

一、锌锰干电池（一次电池）
常见的锌锰干电池的构造如图所示。其中，石墨棒作正极，氯化铵糊作电解质溶液，锌筒作负极。在使用过程中，电子由锌筒（负极）流向石墨棒（正极），锌逐渐消耗，二氧化锰不断被还原，电池电压逐渐降低，最后失效。这种电池放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行），属于一次电池。
总反应
Zn + 2MnO2 + 2NH4+ === Zn2+ + 2MnO(OH) + 2NH3↑

负极
Zn﹣2e- === Zn2+
正极
2MnO2 + 2NH4+ + 2e- === 2MnO(OH) + 2NH3↑

二、铅酸蓄电池（二次电池）
有些电池放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态，从而实现放电（化学能转化为电能）与充电（电能转化为化学能）的循环。这种充电电池属于二次电池。常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前汽车上使用的大多是铅酸蓄电池。
总反应
Pb + PbO2 + 2H2SO4 === 2PbSO4 + 2H2O

负极
Pb + SO42-﹣2e- === PbSO4
正极
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- === PbSO4 + 2H2O

三、燃料电池
燃料电池是一种将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有清洁、安全、高效等特点。燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。当以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。
1．氢氧燃料电池
电解质
H2SO4溶液
KOH溶液

总反应
2H2 + O2 === 2H2O
负极
反应式


正极
反应式



【答案】2H2 - 4e- === 4H+ 2H2 + 4OH- - 4e- === 4H2O
O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-

2．甲烷燃料电池
甲烷电池
H2SO4作电解质
KOH作电解质
负极反应式


正极反应式


总反应式


【答案】CH4 + 2H2O - 8e- === CO2 + 8H+ CH4 + 10OH- - 8e- === CO32- + 7H2O
2O2 + 8H+ + 8e- === 4H2O 2O2 + 8e- + 4H2O === 8OH-
CH4 + 2O2 === CO2 + 2H2O CH4 + 2O2 + 2OH- === CO32- + 3H2O


经典例题

l 一次电池
【例9】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应式为：Zn + 2MnO2 + H2O === Zn(OH)2 + Mn2O3。下列说法错误的是（ ）
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为2MnO2 + H2O + 2e- === Mn2O3 + 2OH-
C．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g
D．电池工作时，电流由Zn电极流出
【答案】 D

【变9】被称之为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片（在其一边镀锌，而在其另一边镀二氧化锰）作为传导体。在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。电池总反应为：
Zn + 2MnO2 + H2O === ZnO + 2MnO(OH)，下列说法正确的是（ ）
A．电池工作时，锌失去电子，做正极
B．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用
C．当生成0.1 mol ZnO时，转移电子个数为1.204×1024
D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g
【答案】D

l 二次电池
【例10】铅蓄电池的两极分别是Pb、PbO2，电解质溶液为 30% 硫酸，工作时反应为：
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O。当其放电时，下列结论正确的是（　　）
A．PbO2为正极，被氧化 B．电池电解质溶液的密度不断减小
C．c (H+) 逐渐增大 D．H+ 向负极移动
【答案】B

【变10】化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用，下列说法正确的是（ ）

A．甲：标准状况下每消耗44.8L H2，理论上转移电子的电量为3.85×105C(一个电子电量1.6×10−19C)
B．乙：负极的电极反应式为Zn − 2e－= Zn2+
C．丙：MnO2在石墨电极上失电子生成MnO(OH)
D．丁：铅蓄电池比能量高，成本低，且符合“绿色化学”思想
【答案】A

l 燃料电池
【例11】某固体酸燃料电池以Ca(HSO4)2固体为电解质传递H+ ，其基本结构见下图，电池总反应可表示为2H2 + O2 === 2H2O。下列有关说法正确的是（ ）

A．电子通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应式为O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-
C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2
D．H+ 由a极通过固体酸电解质传递到b极
【答案】D

【变11】燃料电池是燃料（例如 CO、H2、CH4 等）跟氧气或空气起反应，将此反应的化学能转变为电能的装置，电解质溶液通常是 KOH 溶液。下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（　　）
A．负极反应式为CH4 + 10 OH-﹣8e- === CO32- + 7H2O
B．正极反应式为 O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-
C．随着不断放电，电解质溶液碱性不变
D．甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
【答案】 C


提分作业

【练1】下列关于原电池的叙述中，正确的是（　　）
A．原电池的电极一定要由两种不同的金属组成
B．原电池的负极得电子，发生还原反应
C．原电池工作时，其正极不断产生电子并经外电路流向负极
D．原电池能将化学能转变为电能
【答案】D

【练2】根据Zn + Cu2+ === Zn2+ + Cu的反应原理设计一个原电池，当Zn为负极时，正极可以选用的金属材料是（　　）
A．镁 B．石墨 C．铝 D．铅
【答案】D

【练3】某科学探究小组为探究电化学原理，设计了如图所示的装置进行探究实验。下列对实验中观察到的现象或相关结论的叙述错误的是（　　）


A．a和b不连接时，该装置不能形成原电池，铁片上有红色的铜析出
B．a和b用导线连接时，铜片为负极，发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu
C．无论a和b是否连接，铁片均会被氧化，溶液中均有Fe2＋生成
D．a和b用导线连接时，溶液中的Cu2＋向铜电极移动
【答案】B

【练4】下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是（ ）
A. 碱性锌锰电池 B. 手机用锂电池
C. 汽车用铅蓄电池 D. 玩具用镍氢电池
【答案】A

【练5】LED产品的使用为城市增添色彩。下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的一种装置示意图。下列有关叙述正确的是（ ）
A. a处通入氧气，b处通入氢气
B. 通入H2的电极发生反应：H2－2e- ==2H+
C. 通入O2的电极为电池的正极
D. 该装置将化学能最终转化为电能

【答案】C

【练6】有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：
① A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A极为负极；
② C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流由D → 导线 → C；
③ B、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡；
④ B、D相连后，同时浸入硫酸铜溶液中，片刻取出电极称量，D极质量增加
据此，判断四种金属活动性顺序（　　）
A．C＞A＞B＞D B．A＞C＞D＞B C．B＞D＞C＞A D．A＞B＞C＞D
【答案】D

【练7】已知空气—锌电池的电极反应为锌片：Zn + 2OH-﹣2e- === ZnO + H2O；
石墨：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH- 。根据此判断，锌片是（　　）
A．负极，并被氧化 B．负极，并被还原
C．正极，并被氧化 D．正极，并被还原
【答案】A

【练8】有甲、乙两位同学均想利用原电池反应检测金属的活动性强弱，两人均使用镁片与铝片作电极，但甲同学将电极放入6 mol·L-1的H2SO4溶液中，乙同学将电极放入6 mol·L-1的NaOH溶液中，如下图所示：

（1）写出甲池中负极的电极反应式： ____________________________。 
（2）写出乙池中负极的电极反应式和总反应的离子方程式：负极____________________________；总反应的离子方程式______________________________。 
（3）如果甲与乙同学均认为“构成原电池的电极材料如果都是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出_______活动性更强，而乙会判断出_______活动性更强。(填写元素符号) 
（4）由此实验，可得到如下哪些正确结论____________。 
A．利用原电池反应判断金属活动性顺序时应注意选择合适的介质
B．镁的金属性不一定比铝的金属性强
C．该实验说明金属活动性顺序已过时，已没有实用价值
D．该实验说明化学研究对象复杂，反应受条件的影响较大，因此应具体问题具体分析
（5）丙同学依据甲、乙同学的思路，设计如下实验：
将铝片和铜片用导线相连，一组插入浓硝酸中，一组插入稀NaOH溶液中，分别形成了原电池。
①在这两个原电池中，负极分别为__________。 
A．铝片、铜片 B．铜片、铝片C．铝片、铝片 D．铜片、铜片
②写出插入浓硝酸中形成原电池的电极反应式______________________________________。
【答案】（1）Mg-2e-=Mg2+
（2）2Al+8OH--6e-=2AlO+4H2O 2Al+2OH-+2H2O=2Al O+3H2↑
（3）Mg Al
（4）AD
（5）B 负极： Cu-2e-=Cu2+ 正极： 4H+ + 2e- + 2NO3- === 2NO2↑+ 2H2O

【练9】原电池原理的发现是储能和供能技术的巨大进步，是化学对人类的一项重大贡献。
（1）现有如下两个反应：
A．NaOH + HCl === NaCl + H2O； B．Zn + H2SO4 === ZnSO4 + H2↑。
上述反应中能设计成原电池的是______（选填字母代号），负极发生了________（选填“氧化”或“还原”）反应。
（2）将纯锌片和纯铜片按如图所示方式插入100 mL相同浓度的稀硫酸中一段时间，回答下列问题：

①下列说法正确的是________（选填字母代号）。
A．甲、乙均为化学能转变为电能的装置
B．乙中铜片上没有明显变化
C．甲中铜片质量减少、乙中锌片质量减少
D．两烧杯中溶液的pH均增大
②在相同时间内，两烧杯中产生气泡的速度：甲_________乙（选填“＞”、“＜“或“＝”）。
③请写出上图中构成原电池的装置中负极的电极反应式__________________________。
④当乙中产生1.12 L（标准状况）气体时，将锌、铜片取出，再将烧杯中的溶液稀释至1 L，测得溶液中c(H+)= 0.1 mol·L-1（设反应前后溶液体积不变）。试确定原稀硫酸的物质的量浓度为____________。
（3）技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都可以表示为2H2+O2=2H2O。酸式电池中电解质是酸，其负极反应可表示为2H2-4e-=4H+，则其正极反应式为___________________。碱式电池的电解质是碱，其正极反应式为O2+2H2O+4e- =4OH-，则其负极反应可表示为___________________。
（4）氢气是燃料电池最简单的燃料，虽然使用方便，却受到价格和来源的限制。常用的燃料往往是某些碳氢化合物，如：甲烷、汽油等。请写出将氢气换成甲烷时所构成的甲烷燃料电池中负极的电极反应式： _______________，此时电池内总的反应式：_________
【答案】 （1）B；氧化；（2）①BD；②＞；③Zn - 2e- === Zn2+；④1 mol·L-1。
（3）O2+4H++4e-=2H2O 2H2-4e-+4OH-=4H2O
（4）CH4+10OH--8e-=CO32- +7H2O CH4+2O2+2OH-=CO32- +3H2O