苏教版 (2019)必修 第二册第三单元 化学能与电能的转化第1课时学案设计

第三单元　化学能与电能的转化

第1课时　化学能转化为电能

新课程标准

1．理解化学能与其他形式能量的转化。

2．理解原电池的概念及工作原理。

3．认识化学能转化为电能的实际应用。

学业质量水平

合格性要求

1.能举出化学能转化为电能的实例，能辨识简单原电池要素，并能分析原电池的工作原理。(水平1)

2．以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。(水平2)

等级性要求

1.能设计实验认识构成原电池的条件及其原理，提高实验探究能力。(水平3)

2．能举例说明化学能转化为电能的实例并了解其应用。(水平4)

图说考点

基础知识——自学·思记·尝试

[新知预习]

一、原电池工作原理

1．实验探究

[实验1、2现象]　实验1、2中现象相同，均为锌片周围________________，铜片周围________________。

[实验结论]　锌与稀硫酸________________，铜与稀硫酸________。

原因：锌在金属活动性顺序中位于氢前面，能置换酸中氢；铜片在金属活动性顺序中位于氢后面，________置换酸中氢。

[实验3、4现象]　锌片周围________________，铜片周围________________；实验4中电流计指针________。

[实验结论]　锌、铜用导线连接后插入稀硫酸溶液中，导线中有________产生。

2．原电池

(1)概念：将____能转变为____能的装置。

(2)工作原理：(以锌—铜—稀硫酸原电池为例)

(3)构成条件：

3．钢铁的电化学腐蚀：

(1)实验探究：

(2)电化学腐蚀：不纯的金属与电解质溶液接触，发生________反应，比较活泼的金属________被氧化，这种腐蚀叫作________。

【学而思】

(1)(想一想)是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池？

(2)(情景思考)在Zn－H2SO4－Cu原电池中，H＋得到的电子是Cu失去的吗？在这个过程中Cu起什么作用？你怎样知道导线中有电子通过？

(3)(思维升华)若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨，可以吗？为什么？

(4)钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈，但在潮湿的空气里很快就会生锈，纯的铁片在潮湿的空气里也不容易生锈，这是什么原因呢？

二、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

(1)原理：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的相互干扰减小，使反应速率增大。

(2)实例：实验室用Zn和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率。

2．比较金属活泼性强弱

(1)原理：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)实例：有两种金属A和B，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生。由原电池原理可知，金属活动性A>B。

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)选择合适的材料

①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料。

②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应。

(3)设计原电池的基本思路

4．金属材料的防护

依据：将被保护金属设计成原电池的正极。

例　轮船海里航行时，焊上Zn块。

[即时自测]

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”

(1)原电池是一种电能转化为化学能的装置。(　　)

(2)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转。(　　)

(3)在铜—锌—稀硫酸原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液到达锌。(　　)

(4)原电池中阳离子向正极移动。(　　)

(5)用导线连接的铜片和锌片插入稀H2SO4中，锌片上有大量气泡产生。(　　)

2.如图为锌、铜水果电池装置示意图，下列说法正确的是(　　)

A．铜片为负极，发生还原反应

B．锌片上发生还原反应：Zn－2e－===Zn2＋

C．该装置将电能转变为化学能

D．电子由锌片沿导线流向铜极

3．由锌、铜、稀硫酸构成的原电池，所发生总反应的离子方程式为(　　)

A．Zn－2e－===Zn2＋

B．Cu2＋＋2e－===Cu

C．2H＋＋2e－===H2↑

D．Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

4．已知空气—锌电池的电极反应如下：

锌电极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；

石墨电极：O2＋H2O＋2e－===2OH－。

可以判断石墨电极是(　　)

A．负极，发生还原反应

B．正极，发生氧化反应

C．负极，发生氧化反应

D．正极，发生还原反应

5．下列做法，能使Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑的反应速率增大的是(　　)

A．增大硫酸溶液的体积

B．改用浓硫酸代替稀硫酸

C．用锌粒代替锌粉

D．滴加少量CuCl2溶液

6．有A、B、C、D四种金属，做如下实验：①将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀；②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；③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．A>B>C>D       B．C>D>A>B

C．D>A>B>C      D．A>B>D>C

7．亚历山大大帝即亚历山大三世，马其顿王国(亚历山大帝国)国王，生于古马其顿王国首都佩拉，世界古代史上著名的军事家和政治家，是欧洲历史上最伟大的四大军事统帅之首。公元前三百多年，亚历山大带领军队东征时，受到热带痢疾的感染，大多数士兵患病死亡，东征被迫终止。但是，国王和军官们却很少染疾。这个谜直到现代才被解开，原来国王和军官们的餐具都是用银制造的，而士兵的餐具都是用锡制造的。银在水中能分解出极微量的银离子，这种银离子能吸附水中的微生物，使微生物赖以呼吸的酶失去作用，从而杀死微生物。银离子的杀菌能力十分惊人，十亿分之几毫克的银就能净化1千克水。

请利用反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋设计一个化学电池(正极材料用石墨棒)，回答下列问题：

(1)该电池的负极材料、电解质溶液分别是什么？

(2)正极上出现哪些现象？

(3)若导线上转移电子1 mol，则生成银的质量是多少？

技能素养——合作·探究·分享

例1 电能是现代社会应用最广泛的能源之一。

(1)某原电池装置如图所示。其中，Zn电极为原电池的________极(填“正”或“负”)，电极反应式是__________________。Cu电极上发生的反应属于________(填“氧化”或“还原”)反应。

(2)能证明产生电能的实验现象是____________________。

(3)2019年诺贝尔化学奖授予对锂离子电池研究做出突出贡献的科学家。某锂离子电池的工作原理如图。下列说法正确的是________(填序号)。

①A为电池的正极

②该装置实现了化学能转化为电能

③电池工作时，电池内部的锂离子定向移动

例2 如图装置久置后铁片会被腐蚀，有关此装置的叙述中正确的是(　　)

A．铁片为正极，碳棒为负极

B．铁被腐蚀，碳棒上有氯气放出

C．碳棒附近的溶液可使酚酞变红

D．导线上有电流通过，电流方向是由铁极流向碳极

例3 锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是(　　)

A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋

B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋

C．MnO2是负极，电极反应为

D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋

例4 燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是(　　)

A．a极是负极，该电极上发生氧化反应

B．b极反应是O2＋4OH－－4e－===2H2O

C．总反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

关键能力　归纳提升

一、原电池的组成与工作原理

1．构建原电池工作原理模型

2．强化常考问题认知

(1)电子方向：从负极流出沿导线流入正极。

(2)电流方向：从正极沿导线流向负极。

(3)离子迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。

注意：在原电池(或电解池)中，电子只能在导线中移动而不能进入电解质溶液中；阴、阳离子只能在电解质溶液中移动而不能在导线中移动。即“电子不下水，离子不上岸”。

二、原电池电极类型判断

三、原电池电极反应式的书写

1．电极反应式书写的一般步骤(类似氧化还原反应方程式的书写)

2．利用总方程式书写电极反应式

(1)步骤一：写出电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne－)。

(2)步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。

(3)步骤三：写电极反应式。

负极反应：还原剂－ne－===氧化产物

正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物

注意事项：

1．正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。

2．确认电极得失电子后的产物能否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。

3．在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。

课堂检测——夯实·测控·演练

1.下列设备工作时能将化学能转化为电能的是(　　)

2.下列叙述正确的是(　　)

①原电池是把化学能转化成电能的一种装置　②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应　③不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现　④碳棒不能用来作原电池的正极　⑤反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，能以原电池的形式来实现

A．①⑤   B．①④⑤

C．②③④  D．②⑤

3．有A、B、D、E四种金属，当A、B组成原电池时，电子流动方向A→B；当A、D组成原电池时，A为正极；B与E构成原电池时，电极反应式为E2＋＋2e－===E，B－2e－===B2＋。则A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为(　　)

A．A>B>E>D     B．A>B>D>E

C．D>E>A>B     D．D>A>B>E

4．下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是(　　)

A．钢管与电源正极连接，钢管可被保护

B．铁遇冷浓硝酸表面钝化，可保护内部不被腐蚀

C．钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀

D．钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应是Fe－3e－===Fe3＋

5．原电池原理的发现和各式各样电池装置的发明是化学对人类的一项重大贡献。关于如图所示原电池的说法正确的是(　　)

A．将电能转化为化学能的装置

B．电子由铜片经导线流向锌片

C．锌片为负极，发生氧化反应

D．铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

6．原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中不正确的是(　　)

A.①②中Mg作负极，③④中Fe作负极

B．①中Al作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

C．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑

D.④中Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

7．如图所示是一位同学在测试橘子电池，下列有关说法错误的是(　　)

A．若金属片A是正极，则该金属片上会产生H2

B．水果电池的化学能转化为电能

C．当A、B分别为Zn、Fe金属片时，Zn作正极

D．金属片A、B可以一个是铜片，另一个是铁片

8．图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示(　　)

A．铜棒的质量      B．c(Zn2＋)

C.c(H＋)       D.c)

9．在一块表面无锈的铁片上滴食盐水，放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现。铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式：进一步被氧气氧化为Fe(OH)3，再在一定条件下脱水生成铁锈，其原理如图。下列说法正确的是(　　)

A．铁片发生还原反应而被腐蚀

B．铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域

C．铁片腐蚀中负极发生的电极反应：2H2O＋O2＋4e－===4OH－

D．铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀

10．由锌片、铜片和200 mL稀H2SO4组成的原电池如图所示。

(1)原电池的负极反应是____________，正极反应是________________。

(2)电流的方向是________________。

(3)一段时间后，当在铜片上放出1.68 L(标准状况)气体时，H2SO4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗________ g锌，有________个电子通过了导线，原硫酸的物质的量浓度是________(设溶液体积不变)。

11．近年来野外生存的真人秀节目在各大卫视频繁播放。某节目中野外生存达人用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池用于野外生火。某同学感到好奇自己制作了一个这样的“超级柠檬电池”。

(1)该电池的电池反应是什么？

(2)若用铁片代替锌片，LED灯能不能亮？若用铁片代替铜片呢？

(3)若用银片代替锌片，LED灯能不能亮？

(4)由上面分析可知构成原电池的条件有哪些？

第三单元　化学能与电能的转化

第1课时　化学能转化为电能

基础知识

新知预习

一、

1．有气泡产生　无明显现象　发生化学反应　不反应　不能　无气泡产生　有气泡产生　发生偏转　电流

2．(1)化学　电　(2)逐渐溶解　产生气泡　失电子　得电子　负极　正极　流出　流入　H＋移向正极　移向负极　氧化反应　还原反应　Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑　Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

3．(1)红色的锈斑　O2　Fe　C　2Fe－4e－===2Fe2＋　2H2O＋O2＋4e－===4OH－　、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3　

(2)原电池　失去电子　电化学腐蚀

学而思

提示：(1)不是。原电池是利用氧化还原反应原理，使还原反应与氧化反应分别在两极发生，电子在导线中定向移动，形成电流。

(2)不是；Cu作导体，起传导电子的作用；电流计的指针发生了偏转。

(3)可以，因为Cu在该原电池中起到的是传递电子的作用，其本身并未参与电极反应。所以，把Cu电极换成能导电的材料就可以，但该材料的活泼性不能比负极活泼。

(4)钢铁腐蚀实质上是发生了原电池反应，潮湿的空气具备了构成原电池的条件，而干燥的空气中不具备与电解质溶液接触的条件；纯的铁片不能构成原电池的两电极，所以不容易生锈。

即时自测

1．答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×

2．答案：D

3．答案：D

4．答案：D

5．解析：A错，增大硫酸溶液的体积不能增大氢离子浓度，反应速率不变。B错，浓硫酸与锌反应生成二氧化硫，不生成氢气。C错，用锌粒代替锌粉，固体表面积减小，反应速率减慢。D对，滴加少量CuCl2溶液，锌置换出铜，铜和锌形成原电池的两极，铜作正极，锌作负极，失电子，溶解加快，反应速率增大。

答案：D

6．解析：①A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池，B不易腐蚀，说明B为原电池的正极，说明金属活动性：A>B。②A、D与等物质的量浓度的盐酸反应。D比A反应剧烈，说明金属活动性：D>A。③根据置换反应规律，Cu不能置换出B，说明金属活动性：B>Cu；Cu能置换出C，说明金属活动性：Cu>C。则四种金属活动性的排列顺序是D>A>B>C。

答案：C

7．提示：(1)该电池的负极材料是Cu，电解质溶液为AgNO3溶液。

(2)正极石墨棒上出现银白色物质。

(3)若导线上转移电子1 mol，则生成银的质量是108 g。

技能素养

例1　解析：(1)Cu－Zn－稀硫酸原电池中，Zn比Cu活泼，发生失去电子的氧化反应，为负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Cu电极上H＋得到电子生成H2，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，属于还原反应。(2)灵敏电流计可以检测电流，能证明产生电能的实验现象是电流计的指针发生偏转。(3)①由题图知，Li＋向B电极移动，原电池中阳离子向正极移动，则A为电池的负极，错误；②该装置为原电池，实现了化学能转化为电能，正确；③由题图知，电池工作时，电池内部的锂离子从负极区向正极区定向移动，正确。

答案：(1)负　Zn－2e－===Zn2＋　还原　(2)电流计的指针发生偏转　(3)②③

例2　解析：A错，铁和碳用导线相连，浸入NaCl溶液中，构成了原电池。铁失去电子，为负极，碳棒为正极。B错，铁作负极，失去电子：Fe－2e－===Fe2＋，铁被腐蚀，碳棒为正极，在正极得电子的是溶液中溶有的氧气，没有氯气放出。C对，碳棒为正极，发生的反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，碳棒附近的溶液显碱性，可使酚酞变红。D错，导线上有电流通过，电流方向是从正极到负极，即由碳极流向铁极。

答案：C

例3　解析：由总反应可知，Li元素在反应后化合价升高(0→＋1)，Mn元素在反应后化合价降低(＋4→＋3)。Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为===Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为。

答案：B

例4　解析：A对，a极通H2为负极，电极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，发生氧化反应。B错，b极通O2为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。C对，正、负极电极反应式相加得总反应为2H2＋O2===2H2O。D对，氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源。

答案：B

课堂检测

1．答案：A

2．解析：①原电池是把化学能转化为电能的一种装置，正确；②在发生反应时，原电池的正极要得到电子而发生还原反应，负极要失去电子而发生氧化反应，错误；③铜与稀硫酸不能发生反应，若用铜作负极，碳棒作正极，稀硫酸作电解质溶液，组成原电池，此反应仍然不能发生，错误；④因为碳棒可以用来作原电池的正极，错误；⑤可以用铜作负极，碳棒作正极，AgNO3溶液作电解质溶液，组成原电池，此时即可发生反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，正确。A正确。

答案：A

3．答案：D

4．解析：钢管与电源正极连接，作电解池的阳极，被氧化而腐蚀，A项错误；铁在冷浓硝酸中表面生成一层致密的氧化物保护膜，从而保护内部不被腐蚀，B项正确；钢管与铜管堆放一起时，构成原电池，钢管作负极而易被腐蚀，C项错误；钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应：Fe－2e－===Fe2＋，D项错误。

答案：B

5．解析：A错，该装置为原电池，是将化学能转化为电能的装置。B错，原电池中，电子从负极流向正极，即由锌片经导线流向铜片。C对，活泼性强的金属作负极，负极上Zn失电子，发生氧化反应。D错，铜片上发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑。

答案：C

6．解析：A错，②中的氧化还原反应发生在金属铝和氢氧化钠之间，失电子的是金属铝，为负极，③中金属铁在常温下遇浓硝酸钝化，不能形成原电池。B对，Mg比Al活泼，①中Al作正极，正极上得到电子发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。C对，②中的氧化还原反应发生在金属铝和氢氧化钠之间，失电子的是金属铝，为负极，镁作正极，发生还原反应，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑。D对，铁、铜、氯化钠构成的原电池中，金属铁为负极，金属铜为正极，铁发生的是吸氧腐蚀，正极上是氧气得电子的过程，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

答案：A

7．答案：C

8．答案：C

9．答案：D

10．解析：(1)原电池的负极反应是Zn－2e－===Zn2＋，正极反应是2H＋＋2e－===H2↑。(2)电流的方向是由Cu极经导线流向Zn极。(3)产生1.68 L(标准状况)气体时即0.075 mol H2。通过0.075 mol×2＝0.15 mol电子，消耗0.075 mol Zn和0.075 mol H2SO4。所以m(Zn)＝0.075 mol×65 g·mol－1＝4.875 g，N(e－)＝0.15 mol×6.02×1023 mol－1＝9.03×1022，c(H2SO4)＝＝0.75 mol·L－1。

答案：(1)Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑

(2)由Cu极经导线流向Zn极

(3)4.875　9.03×1022　0.75 mol·L－1

11．答案：(1)该电池利用了金属锌与酸的反应，离子方程式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

(2)若用铁片代替锌片，由于铁能与酸反应，LED灯仍然能亮；若用铁片代替铜片，由于锌比铁活泼，仍然发生反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2，LED灯仍然能亮。

(3)不能。银片代替锌片，银和铜都不能与酸反应，无电流产生，LED灯不亮。

(4)①两个活泼性不同的金属电极或金属与石墨；②电解质溶液；③闭合回路；④自发进行的氧化还原反应。