高中化学人教版 (新课标)必修2第二节 化学能与电能第1课时教学设计

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第二节　化学能与电能
第1课时　化学能转化为电能


1．能举例说明化学能转化成电能的实例并了解其应用。
2．理解原电池工作原理。
3．会写简单的电极反应式。

一、一次能源和二次能源
分类
定义
实例
一次能源
直接从自然界取得的能源
流水、风力、原煤、石油、天然气、天然铀矿等
二次能源
一次能源经加工、转换得到的能源
电力、蒸汽等
其中电能是应用最广泛、使用最方便、污染最小的二次能源。
二、化学能转化为电能
1．化学能转化为电能的两种方式
(1)火电(火力发电)：
化学能热能机械能电能；缺点：污染环境、低效。
(2)原电池：将化学能直接转化为电能；优点：清洁、高效。
2．原电池
(1)实验：
实验装置

实验现象
锌片：溶解
铜片：有气泡产生
电流表：指针偏转
结论
有电流产生，装置中化学能转化为电能
(2)工作原理：
负极
正极
电池反应：2H＋＋Zn===Zn2＋＋H2↑
(3)电子的流向：电子由负极经导线流向正极。
(4)反应本质：原电池反应的本质是氧化还原反应。

1．(2018·宁夏育才中学期中)在下列能源中，属于二次能源的是(　　)
A．风力 B．原煤
C．石油 D．电力
解析：风力是直接取自自然界没有经过加工转换的资源，是一次能源，A错误；煤是直接从地下挖来的，是一次能源， B错误；天然气、原煤和石油是三大化石燃料，是一次能源，C错误；我们生活中所使用的电力都是通过其他形式的能源转化而来的，是二次能源，D正确。
答案：D
2．(2018·宁夏育才中学期中)下列各装置中，能构成原电池的是(　　)

解析：原电池的构成条件：活泼性不同的两个电极、电解质溶液、闭合回路、自发的氧化还原反应，四个条件缺一不可。A两个电极相同，不能构成原电池，A错误；B符合原电池构成要素，B正确；酒精为非电解质，不能构成原电池，C错误；不能形成闭合回路，D错误。
答案：B
3．关于如图所示装置的叙述，错误的是(　　)
A．锌是负极，其质量逐渐减小
B．氢离子在铜表面被还原
C．电流从锌片经导线流向铜片
D．电子从锌片经导线流向铜片
解析：由图可知Zn为负极，其与H2SO4反应而溶解，Cu为正极，H＋在正极被还原为H2，电子从锌片经导线流向Cu，电流方向与电子流动方向相反，从Cu→Zn，故A、B、D三项正确，C项错误。
答案：C

　原电池原理
1．原电池的概念
将氧化还原反应释放的能量直接转变为电能的装置叫原电池。
2．原电池的工作原理，电极名称及电极反应
原电池原理示意图：

3．原电池正负极的判断方法

4．原电池构成的条件
(1)有能够自发进行的氧化还原反应
没有氧化还原反应，就不可能有原电池，换句话说，任何氧化还原反应，理论上都可以设计成原电池。
(2)有电解质溶液参与
电解质的作用主要有两个：一是导电，二是参与电极反应。
(3)有适当的电极材料，组成闭合回路
通常是用金属材料或石墨作电极(能与水剧烈反应的金属不能作电极，如钠等)。电极的重要作用是提供电子转移的场所，使电极反应得以顺利进行。金属可以参与电极反应(如铜锌原电池中的锌)，也可以不参与电极反应(如氢氧燃料电池中的铂电极)。中学中常见的原电池大多是由活泼性不同的两种金属作电极，其中较活泼的金属作负极，它既作电极，又同时作还原剂。
　(2018·辽宁六校协作体期中)某学习小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是(　　)
A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出
B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu
C．无论a和b是否用导线连接，铁片均溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色
D．a和b用导线连接时，铁片上发生还原反应，溶液中SO向铜电极移动
【解析】　a和b不连接时，由于金属活动性Fe＞Cu，所以在铁片上会发生反应：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，在铁片上有金属铜析出，A正确；a和b用导线连接时，形成了原电池，Cu作原电池的正极，在铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B正确；无论a和b是否连接，Fe都会失去电子，变为Fe2＋，而Cu2＋会得到电子变为Cu，所以铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色，C正确；a和b用导线连接后，铁作负极，铜作正极，铁片上发生氧化反应，溶液中硫酸根离子向铁电极移动，D错误。
【答案】　D
　如图所示，两电极a为碳棒，b为铁片，若电流表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则以下叙述正确的是(　　)
A．a为负极，烧杯中的溶液为稀硫酸
B．b为负极，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
C．a为正极，烧杯中的溶液为稀硫酸
D．b为正极，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
解析：由题意可知a为正极，b为负极，a极有气体产生，故电解质应为稀硫酸，故选C项。
答案：C
　原电池原理的应用
1．比较金属的活动性强弱
原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极，即活动性：负极(金属)>正极(金属)。
2．加快氧化还原反应速率
实验室用Zn和稀H2SO4反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4形成原电池、加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。也可以往溶液中滴入CuSO4溶液，Zn与CuSO4反应置换出Cu附着在锌片上形成原电池加快反应速率。
3．设计原电池
(1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)实例：以Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4为例

　铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂，印刷电路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)中反应设计成原电池，请画出电池的装置图，分别标出正负极，并写出电极反应式。负极反应____________________，正极反应________________________________。
【解析】　FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的反应即是Fe3＋与Cu之间的氧化还原反应，故离子反应方程式为2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。据此反应可知，氧化反应为Cu－2e－===Cu2＋，Cu失去电子作还原剂，Cu为负极；还原反应为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，Fe3＋在正极上得到电子被还原，故必须选择活泼性比铜弱的金属或惰性电极(如石墨)作正极。因为电解质溶液中的阳离子得到电子，故电解质溶液必须是含Fe3＋的溶液，如FeCl3溶液。
【答案】　(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(2)装置见下图　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

(2018·南阳市第一中学月考)下列有关原电池的说法中，正确的是(　　)
A．铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，镁片较活泼，作负极
B．铝片和铜片用导线连接后插入浓硝酸中，铜作负极
C．镀锌铁和镀锡铁的镀层破损后，前者较易被腐蚀
D．将反应2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋设计为原电池，则可用锌片作负极，铁片作正极，FeCl3溶液作电解质
解析：铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，铝可以与NaOH溶液反应，而镁片与NaOH溶液不反应，所以铝作负极，A错误；铝片和铜片用导线连接后插入浓硝酸中，铝发生钝化，铜能与浓硝酸反应，所以铜作负极，B正确；镀锌铁和镀锡铁的镀层破损后，前者锌铁形成原电池，锌作负极被腐蚀从而保护铁，而锡铁原电池，铁的活泼性强于锡，铁作负极易被腐蚀，所以后者较易被腐蚀，C错误；锌片作负极，铁片作正极，FeCl3溶液作电解质形成的原电池中，锌参与反应生成锌离子，与2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋ 的设计目标不符，D错误。
答案：B

1.下列关于能源的叙述正确的是(　　)
A．火力发电得到的电能是一级能源
B．石油是二级能源
C．天然气是一级能源
D．电解水产生的H2属于一级能源
解析：只有直接从自然界中取得的能源才属于一级能源，石油和天然气应是一级能源；火力发电得到的电能是由其他能源(如煤、石油等)产生的，属于二级能源；电解水产生的H2属于二级能源。
答案：C
2．(2018·西安市铁一中期中)在理论上可设计成原电池的化学反应是(　　)
A．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　　ΔH>0
B．Ba(OH)2·8H2O(s)＋2NH4Cl(s)===BaCl2(aq)＋2NH3(g)＋10H2O(l)　　ΔH>0
C．CaC2(s)＋2H2O(l)===Ca(OH)2(s)＋C2H2(g)　　ΔH<0
D．CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　　ΔH<0
解析：设计成原电池需要有自发进行的氧化还原反应，且为放热反应，故D正确。
答案：D
3．已知空气—锌电池的电极反应为
锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
碳棒：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
据此判断，锌片是(　　)
A．正极，被还原　　 B．正极，被氧化
C．负极，被还原 D．负极，被氧化
解析：由题给电极反应，锌片失电子化合价升高，故锌片为负极，发生氧化反应，选D。
答案：D
4.如图为番茄电池，下列说法正确的是(　　)
A．工作一段时间后，锌片质量会减轻
B．电池工作时，铜电极附近会出现蓝色
C．锌片失去的电子通过番茄汁流向铜电极
D．铜电极发生氧化反应
解析：由原电池形成的条件可知，此原电池中Zn为负极，Cu为正极，负极溶解，正极产生H2，Zn失去的电子通过导线流向Cu，Cu电极发生还原反应，故A项正确。
答案：A
5．(1)把一块纯净的锌片插入装有稀硫酸的烧杯里，可观察到锌片上有气泡，再平行插入一块铜片，可观察到铜片上________(填“有”或“无”)气泡产生，再用导线将锌片和铜片连接起来，组成一个原电池，这时可观察到的现象是_________________________，正极的电极反应式为____________________________。
(2)某烧杯中最初装入的是500 mL 2 mol/L的稀H2SO4，构成铜锌原电池(假设产生的气体没有损失)，在标准状况下收集到5.6 L氢气，则此时烧杯内溶液中溶质的物质的量浓度应为________________
_________________________(溶液体积变化忽略不计)。
解析：铜片插入稀硫酸中时，二者不反应，没有气泡产生，但当把铜片和锌用导线相连插入稀硫酸中时，会构成原电池，铜作原电池的正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，锌作负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，故可观察到锌片逐渐溶解，铜片上产生气泡，电池总反应为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。当收集到5.6 L H2(标准状况)，即0.25 mol H2时，消耗的H2SO4为0.25 mol，生成ZnSO4为0.25 mol, c(ZnSO4)＝＝0.5 mol/L，c(H2SO4)＝＝1.5 mol/L。
答案：(1)无　锌片逐渐溶解，铜片上产生气泡　2H＋＋2e－===H2↑　(2)c(H2SO4)＝1.5 mol/L，c(ZnSO4)＝0.5 mol/L


1．(2018·长春外国语学校月考)下列关于原电池的叙述中，不正确的是(　　)
A．原电池的负极发生的反应是氧化反应
B．原电池的电极只能由两种不同的金属构成
C．原电池能将化学能转变为电能
D．原电池中电子流入的一极是正极
解析：原电池的负极失电子被氧化，发生氧化反应，A正确；构成原电池正负极的材料不一定是两种不同的金属，可能是非金属和金属，B错误；根据原电池的工作原理，原电池是将化学能转变为电能的装置，C正确；原电池放电时，电子转移的方向是从负极沿导线流向正极，所以正极为电子流入的电极，D正确。
答案：B
2．下列对能量转化的认识中，不正确的是(　　)
A．电解水生成氢气和氧气时，电能主要转化为化学能
B．风力发电时，风能主要转化为电能
C．白炽灯工作时，电能全部转化为光能
D．煤燃烧时，化学能主要转化为热能
解析：电解水生成氢气和氧气的电解装置是将电能转化为化学能的装置，A正确；风力发电时，风能主要转化为电能，B项正确；白炽灯工作时电能转化为光能和热能，C项错误；物质的燃烧将化学能转化为热能和光能，主要是热能，D项正确。
答案：C
3．下列各组的电极材料和电解液，能组成原电池的是(　　)
A．锌片、石墨棒，稀硫酸 B．铜片、银片，稀盐酸
C．锌片、铜片，CCl4 D．铁片、铁片，稀硫酸
解析：A组可组成原电池；B组物质都不与HCl反应，不能组成原电池；C组物质都不与CCl4反应，不能发生氧化还原反应，无法组成原电池；D组物质两个电极活泼性相同，无法组成原电池。
答案：A
4．(2018·北京师大附中期中)一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，利用该反应设计成的原电池的正确组成是(　　)

正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Zn
Cu
ZnCl2
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Cu
Zn
ZnSO4
解析：根据反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu知，锌失电子，发生氧化反应，作原电池的负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，铜离子得电子发生还原反应，在原电池的正极发生反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，电解质溶液中含有铜离子，C正确。
答案：C
5．如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是(　　)
A．外电路的电流方向为X→外电路→Y
B．若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为Fe
C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y
解析：根据图片知该装置是原电池，外电路中电子从X电极流向Y电极，电流的流向与此相反，即Y→外电路→X，A项错误；原电池中较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，若两电极分别为Fe和碳棒，则Y为碳棒，X为Fe，B项错误；X是负极，负极上发生氧化反应；Y是正极，正极上发生还原反应，C项错误；原电池中较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，该原电池中X是负极，Y是正极，所以若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y，D项正确。
答案：D
6．(2018·西安市铁一中期中)X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中组成原电池，X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活动顺序是(　　)
A．X>Z>W>Y B．Z>X>Y>W
C．X>Y>Z>W D．Y>W>Z>X
解析：在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反。X、Y相连时，X为负极，则活泼性X>Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z>W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X>Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则W>Y。故金属的活泼性顺序是X>Z>W>Y。
答案：A
7．如图所示，A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀H2SO4。

(1)A中反应的离子方程式为___________________________。
(2)B中Sn极的电极反应式为___________________________；Sn极附近溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)C中先被溶解的金属是________，总反应式为________________________________。比较A、B、C中铁被溶解的速率由快到慢的是____________。
解析：A中Fe直接与稀H2SO4接触，发生氧化还原反应，置换出H2；B中用Sn和Fe及稀H2SO4构成原电池，Fe作负极，Sn作正极，溶液中H＋在Sn表面上得到电子，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故Sn极附近溶液中的H＋的物质的量浓度减小，pH增大；C中由Zn和Fe，稀H2SO4构成原电池，Zn作负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，而使Zn逐渐溶解，Fe作正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，总反应式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。构成原电池可加快反应速率，故A、B、C中铁被溶解的速率由快到慢的是B>A>C。
答案：(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)2H＋＋2e－===H2↑　增大
(3)Zn　Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑　B>A>C
8．由铜片、锌片和100 mL硫酸铜溶液组成的原电池工作一段时间后，铜片质量增加了12.8 g，且溶液恰好变为无色。假设锌片上没有铜析出，试计算：
(1)锌片质量减轻了多少克？
(2)共有多少个电子流过外电路？
(3)原硫酸铜溶液的物质的量浓度是多少？
解析：溶液恰好变为无色，说明Cu2＋已完全反应。析出12.8 g Cu为＝0.2 mol，据Cu2＋＋2e－===Cu知Cu2＋得到电子数为0.2 mol×2＝0.4 mol，其个数为0.4 mol×6.02×1023 mol－1＝2.408×1023。Zn－2e－===Zn2＋，由失电子0.4 mol可计算参加反应的Zn的物质的量为0.2 mol，其质量为0.2 mol×65 g/mol＝13 g。原CuSO4溶液的物质的量浓度为＝2 mol/L。
答案：(1)13 g　(2)2.408×1023　(3)2 mol/L

1．下列说法中正确的是(　　)
A．任何化学反应都能设计成原电池
B．原电池两极均发生还原反应
C．原电池中的阳离子向负极移动
D．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快
解析：氧化还原反应能设计成原电池，复分解反应中不存在电子转移，复分解反应不能设计成原电池，A项错误；原电池负极上失电子而被氧化，正极上得电子发生还原反应，B项错误；原电池放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动，C项错误；把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，Zn置换出Cu，形成铜锌原电池，加快反应速率，所以气泡放出速率加快，D项正确。
答案：D
2．如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验中不考虑两球的浮力变化)(　　)
A．杠杆为导体或绝缘体时，均为B端高A端低
B．杠杆为导体或绝缘体时，均为B端低A端高
C．当杠杆为导体时，B端低A端高；杠杆为绝缘体时，B端高A端低
D．当杠杆为导体时，B端高A端低；杠杆为绝缘体时，B端低A端高
解析：当杠杆为导体时，构成原电池。由于金属活动性Fe>Cu，所以铁球是负极，失去电子，发生氧化反应，铁球质量减少。铜球是正极，溶液中的铜离子在铜球一端得到电子析出，铜球质量增加，杠杆B端低A端高；当杠杆为绝缘体时，铁与硫酸铜溶液发生置换反应生成铜和硫酸亚铁，铁球的质量增加，铜球的质量不变，因此当杠杆为绝缘体时，B端高A端低，故选C项。
答案：C
3．一位患者镶了两颗假牙，其中一颗是黄金的，另一颗是不锈钢的。自镶上假牙后，他时感头疼，心情烦躁，多次治疗未见好转。如果你是医生，下列方法不能治疗其疾病的是(　　)
A．将金假牙改为铝质假牙
B．将两颗假牙都做成不锈钢的
C．将两颗假牙都做成黄金的
D．将两颗假牙都做成特殊树脂的
解析：患者的情况说明是由于两颗假牙与口腔中电解质形成了原电池，两个假牙作电极，若将金假牙改为铝质，仍能形成原电池，不能治疗其疾病，而B、C、D项调换后不再形成原电池，可治疗其疾病，故选A。
答案：A
4．(2018·玉溪第一中学月考)下图装置中，a为活动性比氢强的金属，b为碳棒，关于此装置的叙述不正确的是(　　)

A．碳棒上有气体放出，溶液的pH增大
B．a是正极，b是负极
C．导线中有电子流动，电子从a极流到b极
D．a极上发生了氧化反应
解析：该装置为原电池，活动性比氢强的金属a为原电池的负极，负极失去电子，发生氧化反应，正极得到电子，电子从a极流到b极，碳棒上的H＋得到电子产生氢气，即碳棒上有气体放出，H＋不断消耗，溶液的pH增大，故A、C、D正确，B错误。
答案：B
5．某化学兴趣小组为了探究铝电极在电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下表：
编号
电极材料
电解质溶液
电流计指针偏转方向
1
Mg、Al
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、C(石墨)
稀盐酸
偏向石墨
4
Mg、Al
氢氧化钠溶液
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
试根据表中的实验现象回答下列问题：
(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)________(填“相同”或“不相同”)。
(2)对实验3完成下列填空：①铝为________极，电极反应式为________________________________；②石墨为________极，电极反应式为________________________________；③电池总反应式为________________________________。
(3)实验4中铝作________极，理由是_____________________ ___________________________________________________，写出铝电极的电极反应式________________________________。
(4)解释实验5中电流计指针偏向铝的原因___________________ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
解析：在稀盐酸中Mg比Al活泼，Mg作原电池的负极，Al作正极，电流计指针偏向Al；在稀盐酸中Al比Cu活泼，Al作负极，Cu作正极，电流计指针偏向Cu。由此可知，在这里的原电池中电流计指针是偏向于正极。实验3中电流计指针偏向石墨，由上述规律可知，在该原电池中铝作负极、石墨作正极。化学反应是2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。在氢氧化钠溶液中Al能与NaOH发生氧化还原反应而Mg不能与NaOH反应，所以Al作负极，Mg作正极。铝在浓HNO3中被钝化，锌在浓HNO3中被氧化，Zn作负极，Al作正极，所以在实验5中电流计指针偏向铝。
答案：(1)不相同
(2)①负　2Al－6e－===2Al3＋　②正　6H＋＋6e－===3H2↑　③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
(3)负　铝可以与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应，而Mg与氢氧化钠溶液不发生反应　Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O
(4)铝在浓硝酸中钝化，锌在浓硝酸中被氧化，Zn作原电池的负极，Al作原电池的正极，所以电流计指针偏向铝
(5)①另一个电极材料的活泼性；②铝电极与电解质溶液能否发生自发的氧化还原反应