人教版 (新课标)必修2第二节 化学能与电能学案设计

化学能与电能

1．通过实验探究原电池中发生的反应，认识化学能转化为电能的基本原理。

2．学会分析、推理、归纳和总结的逻辑思维方法，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。

3．认识原电池的工作原理和原电池的构成条件，初步形成原电池的概念。

4．了解各类电池在生产、生活实际中的应用；认识化学的价值；增强环保意识。

知识点一.化学能转化为电能

资料：一次能源：直接从自然界取得的能源，如流水、风力、原煤、石油、天然气等。

二次能源：经过加工、转换得到的能源，如电力、蒸汽等。

1.火力发电工作原理

生活中电能的产生是这样进行的

【思考】化学能要经过一系列能量转换才能转化为电能。如何使氧化还原反应释放的能量不通过热能而直接转化为电能，把可产生的电能以化学能的形式储存起来，将化学能直接转化为电能，高效利用燃料、不浪费能源、开发出高能清洁燃料？

【分析】氧化还原反应的本质是氧化剂与还原剂之间发生电子转移的过程，电子转移引起化学键的重新组合，伴随着体系能量的变化。要使氧化还原反应释放的能量不通过热能而直接转化为电能，就要设计一种装置，使氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行。如果要把可产生的电能以化学能的形式储存起来，这就是我们这节课要研究的重要知识点──原电池，这种装置可以将氧化还原反应的能量储存起来，类似于水库的蓄能。

2.原电池的形成

（1）设计实验，寻找原电池的形成条件

第一组：实验①、②不产生电流，③和④产生电流，不同点在于实验①和②中电极的金属活动性相同，而实验③和④中电极的金属活动性不同，从而得出原电池的构成条件之一：有两种活动性不同的金属（或非金属单质）作电极。

第二组：实验⑤和⑥能产生电流，而⑦不产生电流，不同点在于实验⑤和⑥中电极插入到电解质溶液中，而⑦中电极插入到非电解质溶液中，得出原电池构成条件之一：电极材料要插入电解质溶液中。

第三组：实验⑧产生电流，而实验⑨不产生电流，不同点在于实验⑧形成闭合电路，而实验⑨没有形成闭合电路，得出原电池的构成条件之一：两极相连形成闭合电路。

【总结】原电池的构成条件：

A.两种活泼性不同的金属（或一种金属和另一种非金属导体）构成电极。

B.电解质溶液。

C.构成闭合回路。

D.能发生自发的氧化还原反应。

（2）原电池的定义：将化学能转变为电能的装置叫做原电池。

（3）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。

（4）原电池的原理：

较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属（负极）流向较不活泼的金属（正极）。

（5） 原电池化学反应本质：能自发进行氧化还原反应

（6）锌铜原电池原理

【分析】当把用导线连接的锌片和铜片一同浸入稀硫酸中时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的H+从铜片获得电子被还原成氢原子，氢原子再结合成氢分子从铜片上逸出。这一变化过程可以表示如下：

负极：（锌片）Zn - 2e- = Zn2+ (氧化反应）

正极：（铜片）2H+ + 2e- = H2↑（还原反应）

总反应：Zn＋2H+ = Zn2+ + H2↑

【小结】是不是所有化学反应都可以把化学能直接转化成电能呢？通过以上学习，我们知道了化学能是可以直接转化为电能的，知道了设计成原电池这样的装置就可以产生电流。掌握了构成原电池的条件和原电池的工作原理。不过，并不是所有化学反应均可实现这种转化，一般只有氧化还原反应才能实现这种转化。

【引申】原电池装置中气体未从锌片上直接放出，也说明了原电池的反应比一般的化学反应速率快。

知识点二.发展中的化学电源

电池的分类

1)       干电池（一次电池）：日常使用的锌锰电池

2)       蓄电池（二次电池）：汽车用的铅蓄电池、手机用的镍氢电池、锂电池

3)       燃料电池：用于航天、军事领域。

1.干电池

锌锰电池：属于一次性电池。

电池反应： 正极：  MnO2 + H2O +2e- → MnO(OH) + OH-

       负极：  Zn － 2e- → Zn2+

               Zn + 2NH4Cl － 2e- → Zn(NH3)2Cl2 + H+

总反应：Zn + MnO2 + 2NH4Cl →MnO(OH) + Zn(NH3)2Cl2

缺点：锌皮被腐蚀而穿导致电解液外溢。生活中的1号或5号电池。

改进：外壳套上金属筒或塑料筒的方法改成了防漏电池；将糊状NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上作了改进，制成了碱性锌锰电池，延长了电池的使用寿命。广泛用于卡式录音机、闪光灯、电动玩具、袖珍电视机等。

2.充电电池

铅蓄电池：最早使用的充电电池，它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状的金属铅，两极均浸入硫酸溶液中。

负极：Pb + SO42-—2e-＝PbSO4

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

缺点：由于电池制造工艺等方面存在不足，实际上冲放电电池的冲放电次数仍有限制，且使用是否得当，对电池的工作状态及寿命影响很大。

3.燃料电池：它是一种高效、环境友好的发电装置。它的电极材料一般为活性电极，具有很强的催化活性，如铂电极，活性炭电极等。

燃料电池由3个主要部分组成：燃料电极（负极）；电解液 ；空气／氧气电极（正极）。

中性电解质中：

负极：2H2 - 4e- = 4H+

正极：O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-

知识点二.原电池原理的应用

1.原电池原理的应用

(1)利用原电池原理设计新型化学电池；

(2)改变化学反应速率，如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气；

(3)进行金属活动性强弱比较；

(4)电化学保护法，即将金属作为原电池的正极而受到保护。如在铁器表面镀锌。

2.金属腐蚀

(1)金属腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀

化学腐蚀：金属跟接触到的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀。

电化学腐蚀：金属或合金因发生原电池反应所引起的腐蚀。金属的腐蚀主要是电化学腐蚀。

(2)电化学腐蚀主要包括吸氧腐蚀和析氢腐蚀

吸氧腐蚀与析氢腐蚀（以钢铁为例）

3.金属的防腐

(1)改变金属的内部结构。如：把Ni、Cr等加到普通钢里制成不锈钢。

(2)覆盖保护层： 

A：涂油漆、油脂、搪瓷、塑料等

B：电镀耐腐蚀的金属（Zn、Sn、Cr、Ni等）

(3)电化学保护法：多采用牺牲阳极保护法。

类型一：一次能源、二次能源判断问题

例1.  下面的能源中属于二次能源的是                                        （    ）

A．电能、蒸汽 B．电能、风能 C．蒸汽、风能 D．煤、石油

解析：直接从自然界取得的能源称为一次能源，因此风能、石油、煤都是一次能源。因此BCD错。

答案： A．

例2. 下列能源中,既是一次能源又是可再生能源的是

A.核能       B.柴草        C.煤        D.风能

解析： A.核能是不可再生能源。故A不正确

B.柴草属于二次能源。故B不正确．

C.煤属于不可再生能源。故C不正确．

D.风能既是可再生能源,又可直接利用,也属于一次能源。故D正确．

答案： D.

类型二：原电池原理

例1. X、Y、Z都是金属，把X投入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出， X 与Y组成原电池时，Y为电池的负极，X、Y、Z三种金属的活泼性顺序为：               （      ）

A  X>Y>Z         B  X>Z>Y         C  Y>X>Z      D  Y>Z>X

解析：活泼性强的金属可以把活泼性弱的金属从其盐中置换出来，原电池中，负极金属的活泼性强于正极金属的活泼性。把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，说明金属X可以把金属Z从其盐中置换出来，所以活泼性X＞Z，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极，所以活泼性Y＞X，X、Y、Z三种金属的活动性顺序为Y＞X＞Z。

答案：C.

例2.(1)下列装置能组成原电池的是___________（填序号）

（2）对于锌-铜-稀硫酸组成的原电池装置，当导线中有1mol电子通过时，锌片溶解了_______g，铜片上析出___________升H2（标准状况下）．电池总反应的化学方程式为______________．

（3）如右图所示装置，若烧杯中溶液为氢氧化钠溶液，则负极为__________，总反应方程为_______________．该装置将_______能转化为_________能．

（4）利用反应：Fe+2Fe3+=3Fe2+设计一个化学电池（电极材料和电解液自选），画出实验装置图，注明电解质溶液名称和正负极材料．

解析：（1）根据原电池的构成条件分析，原电池的构成条件是：①有两个活泼性不同的电极，②将电极插入电解质溶液中，③两电极间构成闭合回路，④能自发的进行氧化还原反应。II中不能自发的进行氧化还原反应，所以不能构成原电池；V中不能构成闭合回路，所以不能构成原电池，则Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ符合原电池构成条件，所以能形成原电池；

（2）该原电池中，锌作负极，铜作正极，负极上锌失电子发生氧化反应，正极上氢离子得电子生成氢气，所以电池反应式为：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑，根据转移电子相等得，锌减少的质量=1/2mol×65g/mol=32.5g，生成氢气的体积=1/2mol×22.4L/mol=11.2L

（3）该装置符合原电池的构成条件，所以是原电池，原电池是将化学能转变为电能的装置，铝在碱性溶液中比镁易失电子，所以铝作负极，负极上铝失电子和氢氧根离子反应生成偏铝酸根离子，正极上水得电子生成氢气，所以电池反应式为：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑

（4）在Fe+2Fe3+=3Fe2+反应中，Fe被氧化，应为原电池的负极，电解反应为：Fe-2e-=Fe2+，Fe3+得电子被还原，应为原电池正极反应，正极材料为活泼性比Fe的金属或非金属材料，电解质溶液为含Fe3+离子的溶液，如FeCl3．

答案：（1）I、III、IV；（2）32.5g，11.2L，Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑；

（3）Al，2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑，化学能、电能；（4）略

基础演练

一．选择题

1.化学电池可以直接将化学能转化为电能，化学电池的本质是(    )

A.化合价的升降     B. 电子的转移    C.氧化还原反应     D.电能的储存

2.实验室中制取氢气，最好的方法是(    )  

A.纯锌与稀硫酸反应        B.纯锌与浓硫酸反应

C.纯锌与稀盐酸反应         D.粗锌(含铜、银)与稀硫酸反应

3.锌片和碳棒用导线连接后插入稀硫酸中，锌片是(    )

A.阴极    B.正极   C.阳极    D.负极

4.能源可分为一级能源和二级能源，自然界中以现成形式提供的能源称一级能源，需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。据此判断，下列叙述正确的是(    )

A.天然气是二级能源    B.石油是二级能源

C.电能是一级能源      D.水力是一级能源

5.原电池是将化学能转化为电能的装置，但其构成具有一定的条件，这些条件是(    )

①电极(负极与正极：金属活动性不同)、②电解质溶液、③闭合回路、④灯泡

A.①②③④     B.①②③      C.①②④      D.②③④

6．通常条件下，下列材质的水龙头连接在铁质自来水管上，铁管的腐蚀最快的是(     )

 A．铁水龙头 B．铜水龙头 C．塑料水龙头 D．铝水龙头

7.下列不能构成原电池的是(    )

8.下列说法中正确的是(    )

A.原电池是把电能转为化学能的装置

B.原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应

C.原电池两极均发生氧化还原反应   

D.原电池中的阳离子向正极移动

9. (双选)某金属能和盐酸反应生成氢气，该金属与锌组成原电池时，锌为负极，则该金属可能为(    )

A.铝      B.铜     C.锡     D.硅

10.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+=Zn2++Cu，该反应的原电池的组成正确的是(    )

二．填空题

1.原电池是一种_____________________________________的装置。电子的流动方向是从_______极到_______极；电流方向是从_______极到_______极。

2.由铜、锌和稀硫酸组成的原电池中，正极是_______，发生_______反应，电极反应是________________________；负极是_______，发生________反应，电极反应是________________________，总的反应式(离子方程式)是______________________。

巩固提高

一．选择题

1.铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中，电解质溶液的pH(    )

A.不变            B.先变小后边大       C.逐渐变大          D.逐渐变小

2. (2014-2015学年人朝分高一期中)下些列有关电池的说法错误的是(     )

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．铅酸蓄电池中，铅电极是负极

C．甲醇醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．铜锌原电池工作时，Zn2+沿外电路从正极流向负极

3.X、Y、Z都是金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为(    )

A.X＞Y＞Z  B.X＞Z＞Y  C.Y＞X＞Z  D.Y＞Z＞X

4.表明金属甲的活动性比金属乙的活动性强的叙述正确的是(    )

A.在氧化还原反应中，甲失电子比乙失电子多             

B.甲比乙同价态的阳离子的氧化性强

C.甲能与稀盐酸反应生成氢气而乙不能                   

D.将甲与乙组成原电池时，甲为正极

5. (2014-2015学年西城区高一期末) 下图为某原电池装置的示意图。下列叙述中，正确的是(    )

A. 负极发生的反应是Zn-2e-＝Zn2+

B. 正极发生的是氧化反应

C. 一段时间后，溶液的pH减小

D. 一段时间后，铜片的质量增加

6.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH，电极反应为：Zn + 2OH- – 2e-  ===== ZnO +H2O； Ag2O + H2O + 2e-  =====  2Ag + 2OH-。根据上述反应式，判断下列叙述正确的是(    )

A.在使用过程中，电池负极区溶液的pH增加

B.使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极

C.Zn是负极，Ag2O是正极

D.Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应

7.对于锌-铜-稀硫酸组成的原电池装置中，当导线中有1mol电子通过时，理论上的两极变化(    )

①锌片溶解了32.5g  ②锌片增重32.5g   ③铜片上析出lg H2     ④铜片上析出1mol H2

A.①和③        B.①和④       C.②和③       D.②和④

8.有A，B，C，D四种金属。将A与B用导线连接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，将铜浸入B的盐溶液中，无明显变化，若将铜浸入C的盐溶液中，有金属C析出。据此判断这四种金属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

9．载人宇宙飞船中用太阳能电池和氢氧燃料电池进行供电．下列相关说法错误的是(     )

 A．制造太阳能电池的材料是单质硅      B．太阳能电池将光能转化为化学能

 C．氢氧燃料电池中氢气在负极反应      D．碱性氢氧燃料电池中正极区有OH¯生成

二．填空题

1. 氢氧燃料电池已用于航天飞机。以30% KOH溶液为电解质溶液的这种电池的构造如下图所示。

该电池在工作时的电极反应如下：

O2+2H2O+4e-＝4OH-

2H2-4e-+4OH-＝4H2O

（1）供电时的总反应为____________。

（2）气体X是______________。

（3）在图上用箭头标出电子的移动方向。

2.（1）由Zn﹣Cu﹣H2SO4组成的原电池，工作一段时间后，如图1锌片的质量减少了6.5g．

负极是　　　   　　　，发生             反应（“氧化”或“还原”），正极电极反应方程式是　　　　　　，电子从　   　　极到　　　 　极，同时生成氢气　　　　　　L（标准状况）．

（2）将纯锌片和纯铜片按如图2方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，

①两烧杯中铜片表面的现象　　　　　　

②两烧杯中溶液的pH　　　　　　（填“增大”、“减小”或“不变”）

③产生气泡的速率甲　　　　　　乙（填“大于”或“小于”）

（3）氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上，其反应原理示意图如图3，则电极　　　　　　为正极（填“a”或“b”），电池总反应方程式为　　　　　　．

一、选择题

1.(双选)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

2. (双选)下列烧杯中盛放的都是稀H2SO4，在Cu电极上产生大量气泡的是(    )

3. 下列关于电池的说法不正确的是（  A  ）

A. 锌锰干电池是一种一次性电池，电池使用过程中，锌会逐渐溶解

B. 充电电池能实现化学能与电能间的相互转化，铅蓄电池就是一种充电电池

C. 燃料电池具有高效、环境友好的特点。以H2为燃料时，H2在正极发生反应

D. 废旧电池不能随意丢弃，应回收

4.关于Cu-Zn原电池装置的叙述，正确的是(    )

A.铜是阳极，铜片上有气泡产生          B.铜片质量逐渐减少

C.电流从锌片经导线流向铜片                      D.氢离子在铜片表面被还原

5.关于右图所示的原电池，下列说法不正确的是（  A  ）

A. 锌片发生氧化反应

B. 电子由锌片通过导线流向铜片

C. 铜片反应式为Cu2++2e-＝Cu

D. 该电池的反应本质是氧化还原反应

6．下列关于原电池的叙述中正确的是（  A  ）

A．原电池能将化学能转变为电能

B．原电池负极发生的电极反应是还原反应

C．原电池在工作时其正极不断产生电子并经外电路流向负极

D．原电池的电极只能由两种不同的金属构成

二．填空题

1．三套装置如图所示，A、B、C烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸

（1）B中石墨电极的电极反应式为            ．石墨电极附近溶液的pH值      （填“增大”“减小”或“不变”）．

（2）C中被腐蚀的金属是锌，总反应离子方程式是            ．当外电路中有0.2mol电子通过导线时，消耗的金属质量为      g．

（3）比较A、B、C中铁被腐蚀的速率由快到慢的顺序是                  ．

_________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________

一．选择题

1. 在右图所示的原电池中，下列说法不正确的是                     

A．该装置能将电能转化为化学能

B．电子由锌片通过导线流向铜片

C．负极反应为 Zn － 2e－ Zn2+

D．Cu为正极材料，正极发生还原反应

2.下列说法中正确的是(    )

A.原电池中的电极一定要由两种不同的金属组成

B.原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应

C.原电池两极均发生氧化还原反应    

D.原电池中阳离子向正极移动

3. (双选) 某原电池总反应的离子方程式为：2Fe3+ + Fe＝3Fe2+,不能实现该反应的原电池是(    )

A.正极为Cu,负极为Fe,电解质溶液为FeCl3

B.正极为C,负极为Fe,电解质溶液为Fe(NO3)3

C.正极为Fe,负极为Zn，电解质溶液为Fe2(SO4)3

D.正极为Ag,负极为Fe,电解质溶液为CuSO4

4. 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pH变大

 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

5.下图中，烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是(    )

6. (双选)下列各组金属均有导线相连，插入对应的液体中，其中能组成原电池的是(    )

 A.Zn|H­2SO­2|(稀)C                   B.Cu|AgNO3(aq)|Ag

 C.Zn|CCl4|Cu                      D.Fe|H­2SO4(稀)|Fe

7.把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池：若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，c为负极；a、c相连时，c为正极；b、d相连时，b为正极。则这四种金属的活动顺序由大到小为（   ）

A.a>b>c>d                   B.a>c>d>b

C.c>a>b>d                   D.b>d>c>a

二．填空题

1．任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成一个原电池。请根据:Fe+2FeCl3 == 3FeCl2 设计成一个原电池。该电池的负极材料为_________，其电极反应为______________________；正极材料为_____，其电极反应为___________________________。

2.生活中，有些金属制品在使用一段时间后会失去表面的光泽，严重的会变得锈迹斑斑影响使用，尤其是钢铁制品在潮湿的空气里很容易生锈，你知道这是什么原因吗？试结合生活实际讨论防止钢铁生锈的方法。

本讲参考答案

基础演练

一．选择题

1.B  2.D  3.D  4.D  5.B  6.B  7.D  8.C  9.BC  10.C

二．填空题

1.化学能转化为电能；负，正；正，负。

2.铜，还原，2H+ + 2e- = H2↑；锌，氧化，Zn - 2e- = Zn2+  ；Zn＋2H+ = Zn2+ + H2↑

巩固提高

一．选择题

1.C  2.D  3.C  4.C  5.A  6.A  7.A  8.B  9.B 

二．填空题

1.（1） 2H2+O2＝2H2O（2） H2（3）

2.（1）Zn；氧化；2H++2e﹣=H2↑；负；正；2.24；

（2）甲中铜片表面有气泡产生，乙中铜片表面无现象；增大；大于；

（3）b；2H2+O2═2H2O

当堂检测

一 . 选择题

1.BD  2.AB  3.C  4.D  5.C  6.A   

二．填空题

1.（1）2H++2e﹣=H2↑，增大；（2）2H++Zn=H2↑+Zn2+     6.5g；（3）B＞A＞C．

家庭作业

一．选择题

1.A   2.D   3.CD   4. B  5.A  6.AB   7.B

二．填空题

1.Fe  Fe－2e- = Fe2+;金属性比铁差的固态金属或石墨，2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+

2.略