高中化学 第2章 化学反应与能量 第2节 化学能与电能导学案 新人教版必修2-新人教版高一必修2化学学案

第二节化学能与电能第1课时化学能转化为电能【学习目标】1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，以及判断原电池的正、负极。3.会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。【自主学习】一、一次能源和二次能源1.能源按其来源可分为一次能源和二次能源。能源类别定义实例一次能源太阳能、风能、地热能、潮汐能、____、______、______等二次能源2.二次能源——火力发电(1)火力发电原理：首先通过化石燃料燃烧，使________能转变为____能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，然后带动发电机发电。(2)能量转换过程：________能eq\o(→,\s\up7(燃烧))____能eq\o(→,\s\up7(蒸汽))______能eq\o(→,\s\up7(发电机))____能。其中能量转换的关键环节是________。(3)火力发电弊端：①煤属于不可再生资源，用一点少一点，用煤发电会造成资源的浪费。②能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。③煤燃烧会产生有害物质(如SO2、CO、NO2、________等)，污染环境。[议一议]判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源()(2)电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源()(3)火力发电是化学能间接转化为电能的过程()(4)水力发电是将化学能转化为电能的过程()二、化学能直接转化为电能1.按要求完成下列实验，并填表实验步骤现象解释或说明2.原电池(1)概念：是________________________________________________；原电池的反应本质是________________反应。(2)构成条件①原电池反应必须是________的氧化还原反应；②具有________________的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)；③两电极均插入____________________中；④电解质溶液、电极、导线形成________________。(3)原电池的工作原理原电池总反应式：______________________________________________________________。(4)能量转化过程：原电池在工作时，____极失电子，电子通过导线流向____极，被氧化性物质得到，闭合回路中形成电流，________能转变为____能。[议一议]1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)HCl＋NaOH=NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池()(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)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子()2.原电池中作负极的一定是活泼金属，作正极的一定是不活泼金属吗？【难点突破】一、原电池的工作原理例1如图所示，电流表指针发生偏转，同时A极质量减少，B极上有气泡产生，C为电解质溶液，下列说法错误的是()A.B极为原电池的正极B.A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸C.C中阳离子向A极移动D.A极发生氧化反应归纳总结1.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。2.原电池正负极的判断变式训练1如图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下，在卡片上描述合理的是()实验后的记录：①Zn为正极，Cu为负极②H＋向负极移动③电子流动方向：从Zn经外电路流向Cu④Cu极上有H2产生⑤若有1mol电子流过导线，则产生H2为0.5mol⑥正极的电极反应式为Zn－2e－=Zn2＋A.①②③B.③④⑤C.④⑤⑥D.②③④二、原电池原理的应用例2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()A.a＞b＞c＞d B.b＞c＞d＞aC.d＞a＞b＞c D.a＞b＞d＞c归纳总结原电池原理的应用(1)比较金属活动性作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱。(2)改变化学反应速率如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。(3)设计原电池如：把Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋设计成原电池，可用Fe作负极，铜(或石墨)作正极，FeCl3溶液作电解质溶液。(4)保护金属设备如：船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，在船体外壳焊接上比铁活泼的金属(如Zn)，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。变式训练2100mL2mol·L－1的盐酸与过量的锌反应，为加快速率，又不影响产生氢气的总量，可采用的方法是()A.加入适量的6mol·L－1的盐酸B.加入数滴氯化铜溶液C.加入适量的蒸馏水D.加入适量的氯化钠溶液【当堂过关】1.下列装置能形成原电池的是()A.①②③⑦B.①②⑤⑥C.①②③④ D.①②③⑥⑦2.将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是()A.两个装置都构成了原电池B.甲装置构成了原电池，乙装置没有构成原电池C.两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生D.产生气泡的速率甲比乙慢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>ZB.X>Z>YC.Y>X>Z D.Y>Z>X4.已知金属锈蚀的原理是在潮湿空气中金属表面形成水膜，金属与杂质和水膜中溶解的电解质组成原电池，从而使金属锈蚀加快，下列制品的镀层损坏后，金属腐蚀速率最快的是()A.镀铝塑扣 B.食品罐头盒(镀锡铁盒)C.白铁水桶(镀锌) D.镀银铜质奖章5.现有如下两个反应：(A)NaOH＋HCl=NaCl＋H2O(B)Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋(1)根据两反应本质，判断能否设计成原电池___________________________________。(2)如果不能，说明其原因___________________________________________________。(3)如果可以，则写出正、负极材料、其电极反应式、反应类型(“氧化反应”或“还原反应”)：负极：________，________________________，________。正极：________，________________________，________。第2课时发展中的化学电源【学习目标】1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。【自主学习】1.锌锰干电池(1)结构：锌锰干电池是以锌筒为____极，石墨棒为____极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作____________。(2)原理：锌锰电池是____________电池，放电之后________充电，内部的氧化还原反应是__________的。负极发生的电极反应为__________________________，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NHeq\o\al(＋,4)＋2e－=Mn2O3＋2NH3＋H2O。(3)缺陷与改进：锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的________。改进措施：①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成______电池；②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成____性锌锰电池。2.充电电池(1)充电电池又称________电池。充电电池在放电时所进行的________________反应，在充电时又________进行，__________重新转化为__________，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是：________________________________________。(2)常见的充电电池①铅蓄电池负极是____，正极是________，电解质溶液是________________，常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。②镍镉电池以____为负极，________为正极，以________为电解质，寿命比铅蓄电池____，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重________环境。③碱金属中的____是最轻的金属，活泼性________，是制造电池的理想物质。____________电池是新一代可充电的绿色电池。3.燃料电池(1)燃料电池是通过________与____________分别在两个电极上发生________________反应，将________能直接转化为____能的装置。(2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率____、能量转化率____。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物____________________________________，而是由外设装备提供________和____________等。(3)以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：负极：_______________________________________________________________(氧化反应)；正极：_______________________________________________________________(还原反应)；总反应：____________________________________________________________________。[议一议]判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细()(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能()(3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化()(4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅()【难点突破】一、原电池电极反应式的书写例1锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为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MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D.Li是负极，电极反应为Li－2e－=Li2＋归纳总结1.电极反应方程式的书写方法(1)负极反应式的书写①活泼金属作负极(电极材料本身反应)生成的阳离子与电解液不反应时：M－ne－=Mn＋。若生成的阳离子与电解液反应，应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解液反应的反应式”叠加写出。②燃料电池(电极材料本身不反应)H2—O2(H2SO4)燃料电池负极反应式：H2－2e－=2H＋。H2—O2(KOH)燃料电池负极反应式：H2－2e－＋2OH－=2H2O⇒H2－2e－=2H＋；2H＋＋2OH－=2H2O。(2)正极反应式的书写①首先判断在正极反应的物质当负极材料与电解液能反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解液中的某种粒子。当负极材料与电解液不反应时，在正极上发生电极反应的是溶解在电解液中的O2。燃料电池中正极反应的物质是作氧化剂的物质。②根据具体情况书写正极反应式(也要考虑是否与电解液反应)H2—O2(H2SO4)的正极反应式：O2＋4e－＋4H＋=2H2O。H2—O2(KOH)的正极反应式：O2＋4e－＋2H2O=4OH－。2.书写原电池电极反应式时注意的问题(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是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)。变式训练1可用于电动汽车的铝—空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是()A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为O2＋2H2O＋4e－=4OH－B.以NaOH溶液为电解液时，负极反应为Al＋3OH－－3e－=Al(OH)3↓C.以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变D.电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极二、燃料电池例2燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是()A.负极反应式：O2＋2H2O＋4e－=4OH－B.负极反应式：CH4＋8OH－－8e－=CO2＋6H2OC.随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变D.放电时溶液中的阴离子向负极移动归纳总结常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。燃料电池的正极反应物一般为氧气。电解质不同，电极反应就不同，如氢氧燃料电池以强碱溶液为电解质，其放电原理为负极(H2)反应式：2H2－4e－＋4OH－=4H2O(氧化反应)正极(O2)反应式：O2＋2H2O＋4e－=4OH－(还原反应)电池总反应式：2H2＋O2=2H2O氢氧燃料电池以酸为电解质，其放电原理为负极(H2)反应式：2H2－4e－=4H＋(氧化反应)正极(O2)反应式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O(还原反应)电池总反应式：2H2＋O2=2H2O变式训练2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－=2H2OC.总反应的化学方程式为2H2＋O2=2H2OD.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源【当堂过关】1.对化学电源的叙述正确的是()A.化学电源比火力发电对化学能的利用率高B.化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位C.化学电源均是安全、无污染的D.化学电源即为可充电电池2.废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是()A.把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气B.碳棒取出洗净用作电极C.把铜帽取下洗净回收利用D.电池内部填有NH4Cl等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥施用3.右图为生活中常用的锌锰干电池的示意图，下列有关说法中不正确的是()A.电池内部含有电解质B.锌是负极，石墨棒是正极C.电池用完后可埋入土壤D.锌锰干电池是一次性电池4.汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如下图所示，放电时的电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O根据此反应判断下列叙述中正确的是()A.PbO2是电池的负极B.Pb是电池的负极C.PbO2得电子，被氧化D.电池放电时，溶液酸性增强5.(1)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2Oeq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：①高铁电池的负极材料是________。②放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应：已知负极反应为Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2，则正极反应为_____________________。③放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。(2)某种燃料电池的工作原理示意如图所示，a、b均为惰性电极。①使用时，空气从________(填“A”或“B”)口通入；②假设使用的“燃料”是甲醇(CH3OH)，a极的电极反应式为________________________________________________________________________。答案精析第二节化学能与电能第1课时化学能转化为电能【自主学习】一、1.(从左到右，从上到下)直接从自然界中取得的能源原煤石油天然气由一次能源经过加工、转换得到的能源电能(水电、火电、核电)、蒸汽能、机械能等2.(1)化学热(2)化学热机械电燃烧(3)③粉尘议一议(1)√(2)√(3)√(4)×二、1.(从左到右，从上到下)锌片逐渐溶解，表面有气泡；铜片表面无气泡锌与稀硫酸发生置换反应产生H2，而铜则不能锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡，电流表指针发生偏转锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，电流表指针不偏转锌与稀硫酸反应，但导线中无电流无现象乙醇是非电解质，与Zn、Cu都不反应2.(1)将化学能转变为电能的装置氧化还原(2)①自发②活动性不同③电解质溶液④闭合回路(3)(从上到下，从左到右)负极氧化反应Zn－2e－=Zn2＋正极还原反应2H＋＋2e－=H2↑Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑(4)负正化学电议一议1.(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×2.不一定。在原电池中的两极可以都是活泼金属(如Zn—Fe—稀硫酸，Zn作负极)，也可以都是不活泼金属(如Cu—Ag—AgNO3，Cu作负极)也可以是一种金属和一种能导电的非金属(如Cu—C—AgNO3，Cu作负极)。【难点突破】例1C[原电池中，负极金属失去电子，溶解，质量减小，故A极是负极，B极是正极，根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸，A、B两项正确；离子移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D项正确。]变式训练1B[在该原电池中，Zn比Cu活泼，故Zn作负极，Cu作正极，电子由Zn流出经导线流向Cu片，负极反应为Zn－2e－=Zn2＋，正极反应为2H＋＋2e－=H2↑，故转移1mol电子时，产生H20.5mol，在溶液中H＋向正极移动，SOeq\o\al(2－,4)向负极移动，故①②⑥错误，③④⑤正确，选B项。]例2C[装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失去电子形成离子，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；装置三和四均形成原电池，易知d比c活泼，d比a活泼。因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，故选C。]变式训练2B[A项能加快反应速率，但增加了产生氢气的总量；C、D两项不影响H2的量，但稀释了盐酸，降低了反应速率；B项发生反应Cu2＋＋Zn=Zn2＋＋Cu，形成Cu—Zn原电池，加快了反应速率。]【当堂过关】1.A[装置④不能形成闭合回路；装置⑤不具有两个活动性不同的电极，只能发生氧化还原反应；装置⑥中酒精不是电解质溶液。]2.B[甲中构成了铜锌原电池，锌作负极，失电子；铜作正极，H＋在铜极上得电子，生成H2；总反应式为Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑，乙装置没有构成原电池，因为没有形成闭合电路。构成原电池后生成H2的速率加快。]3.C[根据原电池原理，负极的金属比正极活泼，可知Y>X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知X>Z，故有Y>X>Z。]4.B[在构成原电池反应中，被腐蚀的是较活泼的作负极的金属，根据金属活动顺序表，Zn、Al比Fe较活泼，Fe比Sn(锡)、Cu比Ag较活泼，而Fe比Cu活泼，故镀锡铁盒镀层破坏后腐蚀最快。]5.(1)(A)不能，(B)可以(2)(A)不是氧化还原反应，没有电子转移(3)CuCu－2e－=Cu2＋氧化反应碳棒、Ag、铂、金(任选一)2Ag＋＋2e－=2Ag还原反应解析(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，(B)是氧化还原反应且能自发进行。(3)根据电池反应式Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜不活泼的金属或能导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。第2课时发展中的化学电源【自主学习】1.(1)负正电解质(2)一次性不能不可逆Zn－2e－=Zn2＋(3)腐蚀防漏碱2.(1)二次氧化还原逆向生成物反应物化学能eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))电能(2)①PbPbO2硫酸溶液②CdNiO(OH)KOH长污染③Li极强锂离子3.(1)燃料氧化剂氧化还原化学电(2)高高不是储存在电池内部燃料氧化剂(3)2H2＋4OH－－4e－=4H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－2H2＋O2=2H2O议一议(1)×(2)×(3)√(4)×【难点突破】例1B[根据原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反应可知，Li失去电子生成Li＋被氧化，为负极；MnO2得到电子被还原，为正极。]变式训练1A[当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料电池的正极发生的反应均为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，A项是正确的；铝作负极，负极反应应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为Al＋4OH－－3e－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，B项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应的化学方程式为4Al＋3O2＋4OH－=4AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，溶液的碱性减弱，C项是错误