苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化第一课时学案设计

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第一课时　原电池的工作原理明课程标准扣核心素养1.认识化学能转化为电能的实际意义及其重要应用。2.了解原电池的工作原理。3.能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。宏观辨识与微观探析：能根据原电池的构成条件辨识原电池装置，能分析原电池中能量转化及与物质性质的关系。证据推理与模型认知：能通过原电池认知模型理解原电池的工作原理，通过在复杂化学问题中应用模型解决问题加深对模型的认识。     用Zn片、铜片、CuSO4溶液、ZnSO4溶液及装有KCl饱和溶液的盐桥组成下面甲、乙、丙三套装置，观察到甲装置中溶液温度升高，乙、丙装置中的电流计的指针均发生了偏转。[问题探讨]1．装置甲、乙、丙中能量转化的方式是怎样的？提示：装置甲：化学能转化为热能；装置乙、丙：化学能转化为电能。2．装置丙中取出盐桥，电流表的指针如何变化？为什么会出现这种现象？提示：取出盐桥，丙装置中电流表的指针不再发生偏转；取出盐桥后，不能形成闭合回路，不能形成原电池，故电流表指针不再发生偏转。3．装置丙是由两个半电池组成，请指出原电池的正、负极，并写出电极反应式。提示：Zn电极为负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；Cu电极为正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。4．装置丙中电子在导线中的移动方向是怎样的？盐桥中的K＋、Cl－的移动方向是怎样的？提示：电子的移动方向是Zn(负极)→电流表→Cu(正极)，盐桥中的Cl－移向负极，K＋移向正极。5．装置丙中，盐桥的作用是什么？提示：①形成闭合回路；②保持溶液中电荷守恒，使电池反应能持续发生。6．装置乙中观察到锌片逐渐溶解，表面有少量红色固体析出，该红色固体的成分是什么？装置乙最大的缺点是什么？提示：红色固体物质是铜；装置乙中Zn片与CuSO4溶液直接接触发生反应，造成一部分负极材料Zn的损耗，故装置乙中产生的电量少。1．原电池构成条件(1)电极材料：一般为活泼性不同的两种金属或金属与非金属单质(如石墨)。(2)离子导体：电解质溶液。(3)电子导体：金属导线。(4)电极反应：自发进行的氧化还原反应。2．原电池的工作原理(1)原理图示(2)电极名称与反应类型正极→还原反应；负极→氧化反应。(3)电子流向：负极→正极。(4)电流方向：正极→负极。(5)离子流向：阳离子→正极；阴离子→负极。3．带盐桥的原电池装置中盐桥的作用盐桥在原电池中起导电作用，使整个装置形成闭合回路，盐桥导电利用的是阴、阳离子的定向移动，使两电解质溶液均保持电中性，从而使原电池能相对持续、稳定地产生电流。4．原电池中正、负极的判断判断依据负极正极电极材料活动性较强的金属活动性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中阴、阳离子定向移动的方向阴离子移向的电极阳离子移向的电极电流方向电流流入极电流流出极两极发生的变化失电子，发生氧化反应得电子，发生还原反应反应现象电极溶解电极质量增加或有气泡产生 [名师点拨](1)自发进行的氧化还原反应不一定是电极与电解质溶液的反应，也可能是电极与溶液中溶解的O2等发生反应，如将铁与石墨相连浸入食盐水中，Fe与O2发生反应。(2)电子只能在导线中流动而不能在溶液中流动；离子只能在溶液中移动而不能在导线中移动。原电池中的内电路和外电路分别通过离子的移动和电子的流动而形成闭合回路，可形象的描述为“电子不下水，离子不上岸”。(3)带盐桥的原电池装置中，负极半电池：还原性强的材料作负极，失去电子被氧化；正极半电池：电解质溶液中氧化性强的离子在正极得到电子被还原，其中盐桥不能用导线代替。1．下列关于原电池的叙述中正确的是(　　)A．构成原电池的正极和负极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.原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应D．原电池放电时，电流从负极流向正极解析：选B　原电池的电极材料可以是金属，也可以是能导电的非金属等；原电池是将化学能转化为电能的装置；原电池工作时，负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应；原电池放电时电流从正极流向负极。2．如图所示，铜锌原电池工作时，下列有关叙述不正确的是(　　)A．负极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋B．电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从Zn极沿导线流向Cu极D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液解析：选D　正极发生还原反应：Cu2＋＋2e－===Cu，负极发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋，原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu；电子从Zn极沿导线流向Cu极；由于Cu2＋放电，为使CuSO4溶液保持电中性，则盐桥中的K＋移向CuSO4溶液，Cl－移向ZnSO4溶液。故D项错误。 根据离子反应：Cu2＋＋Fe===Cu＋Fe2＋，设计一个原电池，画出原电池构造示意图，指出正、负极并写出电极反应式。提示：原电池的电极反应式为负极(Fe)：Fe－2e－===Fe2＋，正极(Cu)：Cu2＋＋2e－===Cu。[问题探讨]1．如何根据氧化还原反应的化学方程式设计原电池？提示：还原剂→负极反应物或负极材料氧化剂→正极反应物或离子导体一般来说，若还原剂为金属，则直接充当负极材料，而正极可以选择活动性比负极弱的金属或石墨。2．把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极。c、d相连时，电流由d到c。a、c相连时，c极上产生大量气泡。b、d相连时，b极上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱为________。提示：a>c>d>b。1．加快化学反应的进行(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。(2)应用：实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。2．比较金属的活动性强弱(1)原理：一般在原电池中活动性较强的金属作负极，活动性较弱的金属作正极。(2)应用：A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中，若A极溶解，B极上有气泡冒出，则金属活动性：A＞B。3．利用原电池原理设计原电池原电池装置的设计思路是“两极一液一连线”。以反应Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例，原电池装置设计思路如下。第一步：将电池总反应拆成两个半反应，分别作原电池的负极和正极反应。电极反应式分别为负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：Cu2＋＋2e－===Cu。第二步：确定负极材料、正极材料和电解质溶液。负极材料：失电子的物质(还原剂)作负极材料，即Fe。正极材料：比负极材料金属活动性弱的金属或非金属导体作正极材料，如Cu、Ag或C等。电解质溶液：含有氧化剂的物质作电解质，即CuSO4溶液，如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属阳离子。第三步：画出装置图，并注明电极材料和电解质溶液，如图：[名师点拨](1)通过原电池原理比较金属活泼性时，A、B两种金属 用导线相连需浸入非氧化性酸中(如稀H2SO4、盐酸)，而在其他电解质溶液中，不一定较活泼的金属作负极，如Mg­Al­NaOH 溶液形成的原电池中，Al作负极，Mg作正极，但金属活泼性：Mg＞Al。(2)设计原电池时，正极材料若无合适的金属，则可用石墨棒作正极，如将反应2FeCl3＋Fe===3FeCl2设计成原电池时，用铁作负极，石墨作正极，FeCl3作电解质溶液。(3)设计原电池时，若氧化还原反应中无明确的电解液，可以用水作电解液，但为了增强其导电能力，往往向其中加入少量强碱或强酸。1．10 mL 1 mol·L－1的硫酸与过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是(　　)A．加入适量的3 mol·L－1的硫酸B．加入适量的蒸馏水C．加入数滴硫酸铜溶液D．加入适量的硫酸钠溶液解析：选C　向溶液中再加入硫酸，H＋的物质的量增加，生成H2的总量也增加，A错误；向原溶液中加入水或硫酸钠溶液都会使溶液中H＋浓度下降，反应速率变慢，B、D错误；加硫酸铜溶液后，锌置换出的少量铜附着在锌片上，形成了铜锌原电池，使反应速率加快，又因为锌过量，所以生成H2的总量取决于硫酸的量生成H2的总量不变，C正确。2．设计原电池Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图(标出电极材料、电解质溶液)。   负极：________，电极反应：____________________________________________；正极：________，电极反应：_________________________________。解析：分析元素化合价的变化可知，Cu为负极，比Cu活泼性差的金属或导电非金属(石墨等)作正极，选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液。答案：Cu　Cu－2e－===Cu2＋C　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋    根据原电池的工作原理，写出下列原电池的电极反应式。(1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池：①正极反应式是_________________________________________________________；②负极反应式是____________________________________________________________；③原电池总反应的离子方程式是____________________________________________。提示：①2H＋＋2e－===H2↑②Fe－2e－===Fe2＋③Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑(2)利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备硫酸铜，若将该反应设计为原电池，其负极反应式是__________________，正极反应式是________________________________________________________________________________________。提示：Cu－2e－===Cu2＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O(3)某原电池总反应式为2FeO＋3H2===Fe2O3＋4OH－＋H2O，在该原电池中：负极反应式是__________________________________________________________；正极反应式是_______________________________________________________。提示：3H2－6e－＋6OH－===6H2O2FeO＋6e－＋5H2O===Fe2O3＋10OH－1．已知原电池的构成或装置图书写电极反应式(1)判断原电池的正、负极，即找出氧化剂和还原剂。(2)结合介质的酸、碱性确定还原产物和氧化产物。(3)写出电极反应式，将两式相加得总反应式。2．已知总反应式，书写电极反应式(1)分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极反应。(2)当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应注意电解质参与的反应。(3)若有一电极反应式较难书写，可先写较易写出的电极反应式，然后利用总反应式减去该电极反应式即可得到另一电极反应式。1．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)A.①②中Mg作负极，③④中Fe作负极B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑解析：选B　②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应，失去电子，故Al作负极，③中Fe在浓硝酸中易钝化，Cu和浓硝酸反应失去电子，故Cu作负极，A、C项错误；②中电池总反应为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑，负极电极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B项正确；④中Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D项错误。2．如图所示，下列说法正确的是(　　)A．装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋B．装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．装置Ⅰ和装置Ⅱ的盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动D．放电过程中，装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大解析：选D　装置Ⅰ中的Zn为负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，A项错误；装置Ⅱ的正极为Cu，如果HCl足量，则正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，B项错误；原电池中阳离子向正极移动，故装置Ⅰ的盐桥中阳离子移向左侧烧杯，装置Ⅱ的盐桥中阳离子移向右侧烧杯，C项错误；放电过程中装置Ⅰ左侧烧杯的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，pH增大，装置Ⅱ右侧烧杯中H＋反应生成H2，pH增大，D项正确。3．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。装置现象　二价金属A不断溶解 C的质量增加A上有气体产生 根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是_____________________________________________。(2)装置乙中正极的电极反应式是_________________________________。(3)装置丙中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是____________。解析：甲、乙、丙均为原电池装置，依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，活泼性：A＞B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活泼性：B＞C；丙中A上有气体(即有H2)产生，则A为正极，活泼性：D＞A，随着H＋的消耗，pH变大。答案：(1)A－2e－===A2＋　(2)Cu2＋＋2e－===Cu(3)变大　(4)D＞A＞B＞C  设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq)，铜片，铁片，锌片和导线。(1)完成原电池甲的装置示意图，并作相应标注。要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。提示：(下列三幅图中，作出任意一幅即可)(2)铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极有什么现象？提示：电极逐渐溶解。(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。提示：甲　乙池的负极可与CuSO4溶液直接发生反应，导致部分化学能转化为热能；甲池的负极不与所接触的电解质溶液发生化学反应，化学能在转化为电能时损耗较小。双池原电池中，负极与氧化剂不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长。1．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流表读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极解析：选D　根据反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2可知，铁元素的化合价降低，碘元素的化合价升高，则甲烧杯中的石墨作正极，乙烧杯中的石墨作负极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。乙中石墨电极周围的碘离子发生氧化反应，生成碘单质，电极反应式为2I－－2e－===I2，A正确；甲中石墨电极上Fe3＋得电子发生还原反应生成亚铁离子，B正确；当电流表读数为零时，反应达到平衡状态，C正确；加入FeCl2固体，平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，甲中石墨电极为负极，而乙中石墨电极为正极，D错误。2．某研究性学习小组根据反应2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O设计如下原电池，其中甲、乙两烧杯中各物质的物质的量浓度均为1 mol·L－1，溶液的体积均为200 mL，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。回答下列问题：(1)此原电池的正极是石墨________(填“a”或“b”)，发生________反应。(2)电池工作时，盐桥中的SO移向________(填“甲”或“乙”)烧杯。(3)写出两烧杯中的电极反应式甲______________________，乙________________________________________。(4)若不考虑溶液的体积变化，MnSO4浓度变为1.5 mol·L－1，则反应中转移的电子为________mol。解析：(1)根据题目提供的总反应方程式可知，KMnO4作氧化剂，发生还原反应，故石墨a是正极。(2)电池工作时，SO向负极移动，即向乙烧杯移动。(3)甲烧杯中的电极反应式为MnO＋5e－＋8H＋===Mn2＋＋4H2O；乙烧杯中的电极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋。(4)溶液中的MnSO4浓度由1 mol·L－1变为1.5 mol·L－1，由于溶液的体积未变，则反应过程中生成的MnSO4的物质的量为0.5 mol·L－1×0.2 L＝0.1 mol，故转移的电子的物质的量为0.1 mol×5＝0.5 mol。答案：(1)a　还原　(2)乙　(3)MnO＋5e－＋8H＋===Mn2＋＋4H2O　Fe2＋－e－===Fe3＋　(4)0.5[分级训练·课课过关]_________________________________________ _________1．下列有关电化学知识的描述正确的是(　　)A．反应CaO＋H2O===Ca(OH)2可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，将化学能转化为电能B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可装含琼胶的KCl饱和溶液C．原电池的两极一定是活泼性不同的两种金属D．理论上，任何能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池解析：选D　A项，该反应不是氧化还原反应，不能把该反应设计成原电池，错误；B项，某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可装含琼胶的KNO3饱和溶液，不能装含琼胶的KCl饱和溶液，因为氯化钾与硝酸银会发生反应，错误；C项，原电池的两极不一定是活泼性不同的两种金属，也可能是一种金属和一种非金属，错误。2．铜锌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(SO)减小C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加D．阴、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解析：选C　A项，Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B项，电池工作过程中，SO不参加电极反应，故甲池的c(SO)基本不变，错误；C项，电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中的Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64 g Cu析出，就有65 g Zn2＋进入，溶液总质量略有增加，正确；D项，由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。3．某小组为研究电化学原理，设计了如图所示装置。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－===CuC．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色D．a和b用导线连接后，电流由铁电极经导线流向铜电极解析：选D　a和b用导线连接后，铁电极为负极，铜电极为正极，电流由正极经导线流向负极，故D项不正确。4．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分别投入等浓度盐酸中，D比A反应剧烈。将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化。如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C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＞CC．D＞B＞A＞C    D．B＞A＞D＞C解析：选B　①将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，构成了原电池，原电池中较活泼的金属作负极，负极上金属失电子生成金属阳离子进入溶液而被腐蚀，较不活泼的金属作正极而不易腐蚀，B不易腐蚀，所以金属活动性：A＞B；②金属和酸反应，较活泼的金属与酸反应较剧烈，将A、D分别投入等浓度盐酸中，D比A反应剧烈，所以金属活动性：D＞A；③金属之间的置换反应中，较活泼金属能置换出较不活泼的金属，将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，所以金属活动性：B＞Cu；④如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出，说明金属活动性：Cu＞C。所以它们的活动性由强到弱的顺序是D＞A＞B＞C，故合理选项是B。5.根据氧化还原反应：2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag，设计的原电池如图所示，其中盐桥内装琼胶­饱和KNO3溶液。请回答下列问题：(1)电极X的材料是_______；电解质溶液Y是________。(2)银电极为电池的________极，写出两电极的电极反应式：银电极：_________________________________________________________________；X电极：__________________________________________________________________。(3)外电路中的电子是从______电极流向______电极。(4)从盐桥向CuSO4溶液迁移的离子是_____(填字母)。A．K＋     B．NOC．Ag＋    D．SO(5)其中CuSO4溶液能否被H2SO4(稀)溶液代替______。Ag电极能否被石墨代替________。解析：(1)由反应方程式可知，Cu为还原剂，作负极，即Cu为电极X的材料，Ag＋(aq)为氧化剂，即Y应为AgNO3溶液。(2)银电极为电池的正极，正极发生还原反应：2Ag＋＋2e－===2Ag，负极(X电极)发生氧化反应：Cu－2e－===Cu2＋。(3)外电路中的电子从Cu电极(负极)流向Ag电极(正极)。(4)左边烧杯中Cu－2e－===Cu2＋，阳离子浓度增加，故盐桥中的阴离子NO移向CuSO4溶液。(5)CuSO4溶液主要的作用是导电，可以被其他不与Cu反应的电解质溶液代替。正极本身不参与反应，只要是活泼性比Cu差的金属或能导电的非金属均可以作电极，故Ag电极能被石墨代替。答案：(1)Cu　AgNO3溶液(2)正　2Ag＋＋2e－===2Ag　Cu－2e－===Cu2＋(3)Cu　Ag　(4)B　(5)能　能