高一化学人教版必修二第二章 第二节 化学能与电能 学案.doc

1了解化学能与电能的转化关系。2初步了解化学电池的工作原理及应用。3了解化学电池的反应基础(氧化还原反应)及研制新型电池的重要性。1一次能源与二次能源能源类别概念举例一次能源直接从自然界中取得的能源流水，风力，煤，石油，天然气等二次能源一次能源经加工、转换得到的能源电力，蒸汽等2.燃煤发电的能源转化(1)过程：化学能热能机械能电能。(2)燃烧(氧化还原反应)是使化学能转化为电能的关键。3.原电池(1)定义：把化学能直接转化为电能的装置。(2)构成条件：具有活泼性不同的两个电极；具有电解质溶液；电极间构成闭合回路。(3)反应本质：化学电池的反应本质是自发进行的氧化还原反应。(4)电极负极：失电子，发生氧化反应的电极；正极：得电子，发生还原反应的电极。(5)电极方程式：表示正、负极发生反应的方程式。4锌锰干电池(一次电池)(1)普通锌锰电池。负极材料是：锌；正极材料是：碳；电解质是nh4cl。(2)碱性锌锰干电池。负极材料是：zn；正极材料是：mno2；电解质是：koh。改进后碱性锌锰电池的优点：电量大，电流稳定。5充电电池(二次电池)充电电池又称二次电池，在放电时的氧化还原反应，在充电时可逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。从而实现化学能转化为电能(放电)，再由电能转化为化学能(充电)的循环。6燃料电池将燃料和氧化剂(如o2)反应放出的化学能直接转化为电能的装置。(1)原理：利用原电池的工作原理将燃料和氧气反应所放出的化学能直接转化为电能。(2)与其他电池的区别：反应物不储存在电池内部而是由外设装备提供燃料和氧化剂。新知探究实验探究：原电池原理实验顺序实验现象结论或解释1.zn、cu分别插入稀h2so4溶液锌片表面有气泡产生，锌片逐渐溶解，铜片表面无现象锌与稀h2so4反应，铜片不反应2.zn、cu导线连接后再接电流表，插入稀h2so4锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡产生，电流计指针发生偏转锌失去的电子经导线流向铜片，溶液中的h在铜片表面获得电子生成h2，线路中有电流产生问题讨论1在原电池中氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，使其间电子发生转移，在闭合回路下形成电流。2.(1)zn片：电极反应式为zn2e=zn2，发生氧化反应，失电子，负极；cu片：电极反应式为2h2e=h2，发生还原反应，得电子，正极。总的离子方程式：zn2h=zn2h2。(2)溶液中的离子移动方向：阴离子移向负极； 阳离子移向正极。(3)电流的方向：外电路cuzn； 内电路zncu。3在铜、锌和稀硫酸构成的原电池中，溶液的ph如何变化？浓度呢？提示：ph升高，因为h参与反应；的浓度不变，因为不参与反应。4是不是所有的反应都能设计成原电池？提示：不是，只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池名师点拨原电池的工作原理(1)反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(2)电子的移动方向：负极流出，经导线流向正极。(3)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。对点演练1判断正误。(1)原电池是一种电能转化为化学能的装置。()(2)负极失去电子发生氧化反应。()(3)正极是电子流出极。()(4)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。()(5)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。()(6)原电池中阳离子向正极移动。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)新知探究完成以下探究活动，探讨形成原电池需要哪些条件：(1)两个锌片用导线连接好，然后插入稀硫酸中，观察电流表没有(填“有”或“没有”，下同)电流通过。(2)把铜片和锌片用导线连接好，然后插入酒精中，观察电流表没有电流通过。(3)把铜片和锌片用导线连接好，然后分别插入两个小烧杯的硫酸溶液中，观察电流表没有电流通过。(4)把铜片和碳棒用导线连接好，然后插入硫酸溶液中，观察电流表没有电流通过。(5)综合以上实验探究活动，形成原电池需要的条件有：有自发进行的氧化还原反应。两种活泼性不同的金属(或一种为能导电的非金属单质，如石墨)做电极。有电解质溶液。形成闭合回路。名师点拨(1)自发进行的氧化还原反应，理论上可组成原电池。(2)形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极接触。如图：对点演练2如图所示的装置，能够组成原电池产生电流的是_。解析：a项中两个电极相同；b项中蔗糖是非电解质；c、d项没有形成闭合回路；故a、b、c、d都不符合原电池的构成条件，不能产生电流。答案：e、f新知探究以锌铜原电池为例，分析原电池正、负极的判断方法。名师点拨(1)原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数，遵循电子守恒。(2)原电池正负极的判断不仅要看两极活动性的相对强弱，还要看电解质溶液的种类。例如：mg、al为电极，若以h2so4溶液为电解质溶液，则mg为负极；若以naoh溶液为电解质溶液，则al为负极。对点演练3已知空气锌电池的电极反应式为锌片：zn2oh2e=znoh2o，碳棒：o2h2o2e=2oh。据此判断，锌片为()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：选d由电极反应式可知：zn失去电子，化合价升高，被氧化，为原电池的负极。新知探究把反应：2fecl3cu=2fecl2cucl2设计成原电池，画出装置图，并写出电极反应式。提示：装置图如图所示正极：2fe32e=2fe2负极：cu2e=cu2。名师点拨原电池原理的应用1比较金属的活动性强弱(1)原理：一般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极上冒气泡，则活动性ab。2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和稀h2so4制取h2时，通常滴入几滴cuso4溶液，原因是zn与置换出的cu构成原电池，加快了反应的进行。3原电池的设计以znh2so4=znso4h2为例说明。对点演练4有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：实验装置部分实验现象a极质量减小，b极质量增大b极有气体产生，c极无变化d极溶解，c极有气体产生电流从a极流向d极由此可判断这四种金属的活动性顺序是()aabcdbbcdacdabc dabdc解析：选c装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属失电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，可知b比c活泼，且c位于金属活动性顺序表中氢的后面；装置三形成原电池，易知d比c活泼；装置四中，电流从a极流向d极，则电子是从d极流向a极，知 d 比a活泼。因此四种金属的活动性顺序为dabc。5某原电池的总反应的离子方程式是zncu2=zn2cu，则该反应的原电池组成正确的是()选项abcd正极zncuagcu负极cuzncufe电解质溶液cucl2cuso4h2so4zncl2解析：选b根据原电池中发生的化学反应，负极反应为：zn2e=zn2，正极反应为：cu22e=cu。故选项b符合题意。新知探究1干电池(一次电池)放电之后不能再充电继续使用。电池类型负极材料正极材料电解质锌锰电池锌筒碳棒nh4cl碱性锌锰电池锌筒碳棒koh锌锰电池的负极反应式为zn2e=zn2。2充电电池(二次电池)电池类型负极材料正极材料电解质铅蓄电池pbpbo2h2so4镍镉电池cdnio(oh)koh锂离子电池li铅蓄电池的负极反应式为pb2e=pbso4。3燃料电池电池类型负极反应式正极反应式电池总反应式氢氧燃料电池(h2so4为电解质)2h24e=4ho24h4e=2h2o2h2o2=2h2o氢氧燃料电池(koh为电解质)2h24oh4e=4h2oo22h2o4e=4oh名师点拨化学电池的基本类型(1)活泼金属作负极，被腐蚀或消耗，发生氧化反应，如锌锰干电池。(2)两电极都参加反应，如铅蓄电池。(3)两电极均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引入到两极上的物质发生反应，如燃料电池。对点演练6电池是人类生产和生活中的重要能量来源。各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是()a锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细b氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能c氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化d太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅解析：选c锌锰干电池中，碳棒作正极，电极本身不参加任何反应，故不会变细，a选项错误；燃料电池是将化学能直接转化为电能，b选项错误；氢氧燃料电池中的总反应为2h2o2=2h2o，h2在负极被氧化；c选项正确；太阳能电池的主要材料是半导体硅而不是sio2，d选项错误。1双选关于用水制取二次能源氢气，以下研究方向不正确的是()a构成水的氢和氧都是可以燃烧的物质，因此可以研究在水不分解的情况下，使氢气成为二次能源b设法将太阳光聚焦，产生高温，使水分解产生氢气c寻找高效催化剂，使水分解产生氢气，同时释放出能量d寻找特殊化学物质，用以开发廉价能源，以分解水制取氢气解析：选a、ca中的错误有两个：一是构成水分子中的氢不可燃(因为氢为1价，不能再被氧化)，氧也不可燃；二是水不分解时，水若为能源应是一次能源；c中水分解是吸热反应，因此不能释放能量。2如图是某同学做完zncu原电池实验后所做的读书卡片记录，其中描述合理的组合是()abc d解析：选c在该原电池中，zn比cu活泼，故zn作负极，铜作正极，电子由zn流出经导线流向cu片。负极反应为zn2e=zn2，正极反应为2h2e=h2，故每转移1 mol电子时，产生0.5 mol h2。在溶液中，h向正极移动，so向负极移动，故正确。3下列图示的装置不能构成原电池的是()解析：选cc选项中两种金属都不能和稀h2so4发生自发的氧化还原反应，故c选项中装置不能构成原电池。4(2016山东莱芜高一检测)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与y组成原电池时，y为原电池的负极。x、y、z三种金属的活动性顺序为()axyzbxzycyxz dyzx解析：选cx浸入z的硝酸盐溶液中，x的表面有z析出，说明活泼性xz；x与y组成原电池时，y为电池的负极，说明活泼性yx。故三种金属的活动性顺序为yxz。5下列有关电池的说法不正确的是()a手机上用的锂离子电池属于二次电池b铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极c甲醇燃料电池可把化学能转化为电能d锌锰干电池中，锌电极是负极解析：选b电池中电子由负极流向正极，b项应从zn电极流向cu电极。6(2016兰州高一检测)(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“没有”)气泡产生，再用导线把锌片和铜片连接起来，组成一个原电池，负极为_，正极的电极反应式为_。(2)如果烧杯中最初装入的是500 ml 2 mol/l的稀硫酸，构成铜锌原电池(假设产生的气体没有损失)，当在标准状况下收集到11.2 l的氢气时，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：(1)铜片插入稀硫酸中，二者不反应，没有气泡产生，但当把铜片和锌片用导线相连插入稀硫酸中，会构成原电池，铜作原电池正极，电极反应式为2h2e=h2，锌作原电池负极，电极反应式为zn2e=zn2，电池总反为zn2h=zn2h2。(2)当收集到11.2 l h2(标准情况)，即0.5 mol h2时，消耗的h2so4为 0.5 mol，生成的znso4为0.5 mol，c(h2so4)1 mol/l，c(znso4)1 mol/l。答案：(1)没有锌片2h2e=h2(2)c(h2so4)1 mol/l，c(znso4)1 mol/l一、选择题1下面是四个化学反应，你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是()a2al2naoh2h2o=2naalo23h2b2h2o22h2oczncuso4=cuznso4dna2co32hcl=2naclh2oco2解析：选dd项中的反应不属于氧化还原反应，不能设计成原电池。2(2016山东潍坊高一检测)有关原电池的下列说法中正确的是()a在外电路中电子由正极流向负极b在原电池中负极发生还原反应c原电池工作时，阳离子向正极方向移动d原电池中正极一定是不活泼金属解析：选c在外电路中电子由负极流向正极；负极发生氧化反应；mgal原电池，稀硫酸作电解质溶液，铝作正极，属于活泼金属。3双选如图，在盛有稀硫酸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：y外电路xb若两电极分别为fe和碳棒，则x为碳棒，y为fecx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xy解析：选a、d外电路的电子流向为x外电路y，电流方向与其相反，a正确；x极失电子，作负极，y极上发生的是还原反应，x极上发生的是氧化反应。若两电极分别为fe和碳棒，则y为碳棒，x为fe，b、c错误，d正确。4燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应是：x极：o2(g)h2o(l)2e=2ohy极：h2(g)2oh2e=2h2o(l)下列说法正确的是()ax是负极by是正极cy极上发生还原反应dy极上发生氧化反应解析：选d由电极反应式可知：x极上发生得到电子的还原反应，是原电池的正极，y极上发生失去电子的氧化反应，是原电池的负极。5如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，m棒变粗，n棒变细，由此判断下表中所列m、n、p物质，其中可以成立的是()选项mnpa锌铜稀硫酸溶液b铜铁稀盐酸c银锌硝酸银溶液d锌铁硝酸铁溶液解析：选c该原电池中m棒变粗，n棒变细，说明原电池反应时n棒作负极，m棒作正极，a、b选项中，电解质溶液分别为稀硫酸和稀盐酸，原电池工作时，不会有金属析出且a中m棒变细。c选项正极反应为age=ag，符合题意。而d选项正极反应为fe3e=fe2，不会有金属析出，m棒锌溶解变细。6茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、ptfe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中铝合金是负极海水是电解质溶液铝合金电极发生还原反应()abc d解析：选a活泼的一极为负极，即为铝合金，对。电极在海水中，故海水为电解质溶液，对。铝合金为负极，发生氧化反应。7(广东高考改编)某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()aa和b不连接时，铁片上会有金属铜析出ba和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：cu22e=cuc无论a和b是否连接，铁片均会溶解da和b用导线连接后，fe片上发生还原反应，溶液中的cu2向铜电极移动解析：选d铁的活泼性强于铜，故铁能置换出铜且附着在铁棒上，a正确。a和b用导线连接后，构成原电池，其中fe作负极，发生氧化反应，铜作正极，电极反应式为cu22e=cu，b项正确、d项错误。无论a和b是否连接，铁都被氧化生成fe2，c项正确。8观察如图所示两个实验装置，若两烧杯中硫酸的浓度相同，铜片和锌片都是纯净单质，判断下列叙述正确的是()a两个装置均是原电池装置b乙中电子由铜片经过电流计流向锌片c过一段时间两烧杯中溶液的酸性均减弱d因都是锌与硫酸的反应，所以两装置中产生气泡的速率相同解析：选c根据原电池的形成条件分析，甲中没有构成闭合回路，不属于原电池装置，a项错误；乙装置是原电池装置，活泼金属作负极，失去电子，电子应由锌片流向铜片，b项错误；两个装置中的锌片都和稀硫酸反应生成氢气，硫酸浓度减小，溶液酸性减弱，c项正确；乙装置中构成原电池反应，反应速率加快，故乙装置中产生气泡的速率快，d项错误。9(2016南京高一检测)用如图装置进行实验，若x轴表示流入正极的电子的物质的量，则y轴应表示()c(ag)c(no)a棒的质量b棒的质量溶液的质量abcd解析：选d该原电池中负极为fe，电极反应：fe2e=fe2，故a棒质量减小；正极为ag，电极反应：age=ag，故b棒质量增大，c(ag)减小；总电极反应为fe2ag=2agfe2，溶液质量减小，整个过程中c(no)未变。10镍氢电池的总反应式是h22nio(oh)=2ni(oh)2，根据此反应式判断，此电池放电时，负极上发生反应的物质是()ah2bni(oh)2cnio(oh) dh2和nio(oh)解析：选a由方程式可知，h2中h元素化合价升高，被氧化，在原电池负极发生氧化反应，则h2为原电池的负极。11(2016山东滨州高一检测)燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池的能量利用率可高达80%，产物污染也少。下列有关燃料电池说法错误的是()a氢氧燃料电池的电解质用koh溶液时，其负极电极反应为2h24e4oh=4h2ob碱性甲烷燃料电池的正极反应为o22h2o4e=4ohc燃料电池负极燃料失电子，发生还原反应d除纯氧外，空气中的氧气也可以作氧化剂解析：选c氢氧燃料电池的电解质用koh溶液时，在负极h2失电子生成h能与oh继续反应，故负极电极反应为2h24e4oh=4h2o，a正确；碱性甲烷燃料电池的正极反应为o22h2o4e=4oh，b正确；燃料电池负极燃料失电子，发生氧化反应，c错误；燃料电池的正极是氧气得电子，可以是纯氧，也可以是空气中的氧气，d正确。12由质量均为100 g的铁片、铜片和足量的cuso4溶液组成原电池装置，经过一段时间后，两电极的质量差变为12 g，则下列说法正确的是()a铁片溶解了12 gb导线中通过了0.2 mol电子c铜片上析出了6 g cud铜片溶解了6.4 g解析：选b设铁片溶解的质量为x g，铜片上析出cu的质量为y g。则(100y)(100x)12，即xy12。由得失电子守恒可得：22，即8x7y。解、联立方程组得x5.6 g，y6.4 g。导线中通过电子的物质的量为20.2 mol。二、非选择题13电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。(1)利用电池可将_能转化为_能。(2)下列电池中，不易造成环境污染的是()a锂离子电池b锌锰电池c镍镉电池 d氢氧燃料电池(3)已知甲醇燃料电池每生成1 mol的液态水放出286 kj的热量，又知该电池每发1 kwh电能生成360 g水，则该电池的能量转化率为_。(1 kwh3.6106 j)解析：(1)原电池是将化学能转化成电能的装置。(2)氢氧燃料电池工作时的产物是水，不会造成环境污染，故氢氧燃料电池又称为绿色电池。(3)生成360 g液态水放出的热量为286 kj/mol5720 kj，电池的能量转化率为 100%62.9%。答案：(1)化学电(2)d(3)62.9%14由a、b、c、d四种金属按表中装置进行实验。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)四种金属活动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，活动性ab；乙中c极增重，即析出cu，则b为负极，活动性bc；丙中a上有气体即h2产生，则a为正极，活动性da，随着h的消耗，ph变大。答案：(1)a2e=a2(2)cu22e=cu(3)变大(4)dabc15(2016广州高一检测)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以lioh为电解质，使用时加入水即可放电。总反应为2li2h2o=2liohh2(1)该电池的负极是_，负极反应是_。(2)正极现象是_。(3)放电时oh向_移动(填“正极”或“负极”)。解析：金属锂比铁活泼，作原电池的负极，电极反应式为lie=li。正极发生还原反应，所以h2在正极生成，正极反应是2h2e=h2，正极产生无色气体；在原电池的放电过程中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以oh向负极移动。答案：(1)锂lie=li(2)有无色气体产生(3)负极16理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请利用反应“cu2ag=2agcu2”设计一个化学电池(正极材料用石墨棒)回答下列问题：(1)该电池的负极材料是_，发生_(填“氧化”或“还原”)反应，电解质溶液是_。(