高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化学案

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化学案，共8页。学案主要包含了实验探究等内容，欢迎下载使用。
第2课时化学反应与电能
1.了解能源的分类、化学能与电能的相互转化。
2.理解原电池的构成、工作原理及应用。
3.能写出电极反应和总反应方程式。
一.能源分类
1.一次能源： 直接从自然界取得的能源
例如： 流水、风力、原油、原煤、太阳能、天然气、天然铀矿等
2.二次能源： 一次能源经过加工转换得到的能源
例如： 电力、蒸汽等
二.化学能与电能的相互转化
1.火力发电的能量转化关系
化学能 热能 机械能 电能
火力发电的缺点：
①化石燃料属于不可再生资源，用化石燃料发电会造成资源的浪费。
②火力发电的过程中，能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。
③化石燃料燃烧会产生大量的有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等)，污染环境。
2.原电池
原电池是一种 将化学能转化为电能的 装置。
【实验探究】参照实验2-4填写以下表格
(1)原电池的电极
负极： 发生氧化反应，电子流出（流向正极）的一极
正极： 发生还原反应，电子流入（来自负极）的一极
(2)原电池的原理：
原电池中电子的流动方向是从 负 极到 正 极；电流方向是从 正 极到 负 极。
根据铜锌原电池，填写下表：
总反应：________Zn+2H+=Zn2++H2↑___________
(3)组成原电池的条件：
= 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ① 自发进行的氧化还原反应
= 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ② 活泼性不同的两个电极
= 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③ 闭合回路
= 4 \* GB3 \* MERGEFORMAT ④ 电解质溶液（熔融电解质）
(4)原电池正、负极的判断
【例题1】下列有关原电池的说法中正确的是()
A．在外电路中，电子由负极经导线流向正极
B．在内电路中，电子由正极经电解质溶液流向负极
C．原电池工作时，正极表面一定有气泡产生
D．原电池工作时，一定不会伴随着热能变化
【答案】A
【解析】A．外电路中电子由负极流向正极，A正确，B．在内电路中,是阴、阳离子移动，B错误；C．原电池工作时，正极上一般是溶液中的阳离子得电子，则正极表面可能有气泡产生，也可能生成金属单质，C错误；D．原电池工作时，化学能转化为电能，同时可能会伴随着热能变化，D错误。故选A。
(5)原电池原理的应用
= 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①比较金属活动性强弱。一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼金属作正极，发生还原反应。
= 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②金属的防护。使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。
= 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③设计制作化学电源。化学能转化为电能。
= 4 \* GB3 \* MERGEFORMAT ④加快化学反应速率。自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。
原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。
【例题2】过量铁与少量稀硫酸反应，为了加快反应速率，但是又不影响生成氢气的总量，可以采取的措施是 ()
A．加入适量NaCl溶液B．加入适量的水
C．加入几滴硫酸铜溶液D．再加入少量稀硫酸
【答案】C
【解析】A．若加入NaCl溶液，会将稀硫酸稀释，c(H+)减小，反应速率减慢，故A错误；B．加入适量的水，会将稀硫酸稀释，c(H+)减小，反应速率减慢，故B错误；C．若加入几滴CuSO4溶液，则发生反应Fe+Cu2+=Cu+Fe2+，析出的Cu与Fe、稀硫酸形成原电池，反应速率加快且不影响生成H2的总量，故C正确；D．若再加入少量稀硫酸，因Fe过量，则生成H2的总量增大，故D错误。故选C。
三.原电池电极反应式的书写
(1)一般电极反应式的书写，以离子方程式形式表示。
①书写步骤
A.列物质，标得失：按照负极氧化反应，正极还原反应，判断电极反应物、生成物，标出电子得失。
B.看环境，配守恒：电极产物在电解质溶液的环境中应能稳定存在，如酸性介质中，OH－不能存在，应生成水；碱性介质中，H＋不能存在，应生成水；电极反应式同样要遵循电荷守恒、原子守恒、得失电子守恒。
C.两式加，验总式：正负极反应式相加，与总反应离子方程式验证。
②常见介质
(2)利用总反应式书写电极反应式
①根据总反应式，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物。
②确定介质的酸碱性或者其它特性。
= 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③按照负极反应：还原剂-ne-=氧化产物
正极反应：氧化剂+ne-=还原产物，书写电极反应式。
= 4 \* GB3 \* MERGEFORMAT ④书写技巧：若某电极反应式较难写出时，可先写出较易写的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。
【例题3】四中某学习小组依据氧化还原反应原理：2Ag＋＋Cu=Cu2＋＋2Ag设计成的原电池如右图所示。
(1)从能量转化角度分析，上述原电池将化学能转化为_________；(2)负极的电极材料为_____________；(3)正极发生的电极反应__________________________________；(4)假设反应初两电极质量相等，当反应进行到一段时间后(AgNO3溶液足量)，取出两电极洗净干燥后称量，测得两电极质量差为11.2g，则该时间内原电池反应转移的电子数为_____________。(设NA表示阿伏加德罗常数的值)
【答案】电能Cu(或铜)Ag++e-=Ag0.08NA
【解析】（1）该装置为原电池，原电池将化学能转化为电能，（2）铜的金属活泼性比银强，铜失电子生成铜离子，银离子得电子生成银，因此负极的电极材料为铜，（3）正极上银离子得电子生成银，电极反应式为：Ag++e-=Ag，（4）正极上的电极反应式为：Ag++e-=Ag，负极上的电极反应式为：Cu-2e-=Cu2+，设转移电子物质的量为xml，则正极上生成银的质量为xml×108g/ml=108xg，负极上消耗铜的质量为1/2xml×64g/ml=32xg，反应后测得两电极质量差为11.2g，则108xg+32xg=11.2g，解得x=0.08ml，该时间内原电池反应转移的电子数为0.08NA
1．下列说法不正确的是（ ）
A．电能属于一次能源
B．太阳能电池的能量转化方式为光能→电能
C．植物及其加工品所储存的能量为生物质能
D．芒硝晶体(Na2SO4·10H2O)白天在阳光下曝晒后失水、溶解吸热，夜里重新结晶放热，实现太阳能转化为化学能继而转化为热能
【答案】A
【解析】A.电能是用风能、水能、太阳能等制取的能源，属于二次能源，故A错误；B.太阳能电池直接把太阳能转化为电能，故B正确；C.生物质能是绿色植物将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量，故C正确；D.Na2SO4•10H2O结晶属于化学变化，能量转换形式为化学能和热能的转化，白天在阳光下曝晒后失水，转换形式为太阳能和化学能的转化，故D正确；选A。
2．下列叙述不正确的是()
A．用天然气火力发电时，每一步都需要化学反应来完成
B．利用太阳能等清洁能源代替化石燃料，有利于节约资源，保护环境
C．原电池反应一定为氧化还原反应
D．在火力发电时，化学能转化为热能的过程实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化
【答案】A
【解析】A．火力发电的过程包括，化学能热能机械能电能，后两个阶段都未发生化学变化，A项错误；B．利用太阳能等清洁能源代替化石燃料，有利于节约资源，保护环境，B项正确；C．原电池的反应原理为氧化还原反应，所以原电池反应一定为氧化还原反应，C项正确；D．在火力发电时，化学能转化为热能的过程实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化，D项正确；答案选A。
3．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的材料必须是两种不同的金属
B．原电池是将化学能转化为电能的装置
C．在原电池中，电子流出的一极是正极
D．原电池工作时，电路中的电流是从负极到正极
【答案】B
【解析】A．构成原电池的电极可以是金属与金属，也可以是金属与非金属，A项错误；B．原电池是将化学能转化为电能的装置，B项正确；C．原电池中电子流出的一极是负极，C项错误；D．原电池工作时，电流是从正极到负极，D项错误。
故选：B。
4．（2020·宁波市北仑中学高一期中）“储存”在物质内部的化学能可通过原电池转化为电能，如图所示是某同学设计的几种装置，其中能构成原电池的是（ ）
A．③⑤⑦B．③④⑤C．④⑤⑦D．②⑤⑥
【答案】A
【解析】①该装置不能构成闭合回路，所以不能形成原电池，故错误；②该装置中电极材料相同，所以不能形成原电池，故错误；③该装置形成闭合回路，且两极不同金属，能自发发生氧化还原反应，反应方程式为：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑，故正确；④Cu和Ag的活动性都在H后边，为不活泼金属，故不能发生自发的氧化还原反应，故错误；⑤该装置形成闭合回路，且两极不同金属，能自发发生氧化还原反应，故正确；⑥酒精不是电解质，不导电不能形成闭合回路，故错误；⑦该装置中Cu失电子作负极，Fe作正极，铁离子得电子在正极上反应，符合原电池的构成条件，所以能形成原电池，反应方程式为2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2，故正确；故选A。
5．某原电池反应的化学方程式为Fe+CuSO4=FeSO4+Cu，下列有关描述正确的是()
A．Fe为正极
B．Cu为负极
C．负极发生还原反应
D．电解质溶液是CuSO4溶液
【答案】D
【解析】A．根据金属活动顺序表知，铁比铜活泼，结合原电池原理知，铁作负极，A项错误；B．铜作正极，B项错误；C．负极上电极材料失电子变成离子进入溶液，发生氧化反应，C项错误；D．电解质溶液是CuSO4溶液，D项正确；答案选D。
6．下列有关原电池的说法正确的是( )
A．将反应2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋设计为原电池，则可用Zn为负极，Fe为正极，FeCl3为电解质
B．铜片和铝片用导线连接后插入浓硝酸中，铜作负极
C．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极
D．铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，Mg较活泼作负极
【答案】B
【解析】A．Fe作负极，活泼性比Fe弱的作正极，所以不能用Zn作负极，A项错误；B．Al遇到浓硝酸会钝化，Cu与浓硝酸反应，Cu作负极，B项正确；C．电子由负极(锌)流向正极(铜)，C项错误；D．由Al、Mg、NaOH组成的原电池，Al作负极失电子生成AlO，D项错误；答案选B。
7．（2020·湖南郴州市·高一期末）有A、B、C、D四块金属片，用导线两两相连插入稀硫酸中，可以组成各种原电池。若A和B相连时，A为负极；C与D相连时，C溶解，D上有氢气生成；A与C相连时，C为正极；B与D相连时，电子由D极经导线流向B极，则这四种金属的活泼性由强到弱的顺序为()
A．ABCDB．ACDBC．CADBD．BDCA
【答案】B
【解析】在原电池中较活泼的金属作负极失去电子，被氧化，发生氧化反应。不活泼的金属作正极，负极所失去的电子经导线传递到正极上，所以根据题意可判断，金属性强弱顺序为A＞C＞D＞B，所以答案是B。
8．将、和稀硫酸组成原电池装置，当导线中有电子通过时，下列说法正确的是()
A．锌电极反应：，锌片上产生的
B．铜电极反应：，锌片溶解16.25g
C．电流由锌电极经导线流向铜电极
D．溶液中移向铜电极
【答案】B
【解析】A．锌作负极，电极反应式为，锌片上不生成，A项错误；B．铜作正极，电极反应式为，当导线中有0.5ml电子通过时，铜片上产生0.25ml，锌片溶解16.25g，B项正确；C．导线中电子由锌电极流向铜电极，电流方向与之相反，C项错误；D．溶液中的阴离子()移向负极(锌电极)，D项错误。故选：B。
9．（2020·山西忻州一中高一）将两份过量的锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是（ ）
A．B．C．D．
【答案】B
【解析】两份锌粉a、b，分别加入稀H2SO4中，锌会置换出硫酸中的氢，生成氢气；同时向a中放入少量的CuSO4溶液，则会发生：Zn+Cu2+=Zn2++Cu，会形成原电池，反应速率增大，则a的曲线斜率大于b的斜率；由于锌过量，所以生成的氢气的体积与稀硫酸的物质的量成正比，由信息可知，生成的氢气的体积应该相等，由此结合选项判断。过量的两份锌粉a、b，分别加入稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液，则a中还发生的反应为：Zn+Cu2+=Zn2++Cu，铜-锌-稀硫酸形成原电池，反应速率增大，反应用时少于b，由于锌过量，所以生成的氢气的体积由硫酸的物质的量决定，稀硫酸的量相同，所以最终两者产生的氢气体积相等，答案选B。
10．如下图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细。由此判断表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是()
【答案】C
【解析】该装置是原电池，M棒变粗，N棒变细，说明N是负极，M是正极，负极上金属失电子，正极上金属阳离子得电子发生还原反应生成金属单质，则该电解质溶液是盐溶液，且N的金属性大于M，所以符合条件的只有C。
11．（2020·海南海口市·琼山中学高一月考）利用生活中常见的物品，也可以自己动手设计一个原电池。假设你按照以下原理设置一个原电池，请填写下列空白：
(1)实验原理：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑。
(2)实验仪器：电极(铁钉、____)、_____、_____、稀硫酸、耳机。
(3)原电池设计及注意的问题：
①若按如图所示连接好实验仪器，注意听耳机是否有声音发出，如果没有，可将原电池的两个电极中的一极接触在耳机插头上慢慢挪动，这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓……”的声音。其原因是：在原电池中，由化学能转化为________，在耳机中又转化为声音这种能量。
②装置中铁钉应该是原电池的_____极，电极反应式是_______，发生了______反应。
③由所学原电池知识可知，溶液中的________离子移向铁钉电极（填写具体离子）。
【答案】铜钉(或其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都可以)烧杯导线电能
负 Fe-2e-=Fe2+ 氧化
【解析】(2)由形成原电池的条件可知，需要铁为负极，正极为比铁不活泼的金属或者能导电的非金属，可以是铜钉(或其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都可以)，稀硫酸为电解质溶液，还需要烧杯、导线；(3)①在原电池中，由化学能转化为电能，在耳机中又由电能转化为声音这种能量；②装置中铁钉是原电池的负极，电极反应式是Fe-2e-=Fe2+，铁失电子，发生了氧化反应；③原电池装置中，阴离子移动向负极，则溶液中的离子移向铁钉电极 。现象
铜片
铜片上有气泡产生
锌片
锌片不断溶解
电流表
指针发生偏转
电极
电极材料
电极反应
反应类型
得失电子的粒子
电子流动方向
负极
Zn
Zn-2e-=Zn2+
氧化反应
Zn
电子流出
正极
Cu
2H++2e-=H2↑
还原反应
H+
电子流入
常见介质
注意事项
中性溶液
反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离
酸性溶液
反应物或生成物中均没有OH－
碱性溶液
反应物或生成物中均没有H＋
水溶液
不能出现O2－
选项
M
N
P
A
稀硫酸
B
稀盐酸
C
溶液
D
溶液