高中化学人教版必修第二册2026版步步高学习基础课时 9化学反应与电能

基础课时9化学反应与电能学习目标1.通过实验探究,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。2.通过对原电池的学习,体会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.能列举化学能转化为电能的实例,能辨识简单原电池的构成要素。一、原电池构成条件及工作原理(一)知识梳理1.火力发电——化学能间接转化为电能(1)能量转换原理及过程化学能热能机械能电能(2)化学能转化为电能的关键:燃烧(氧化还原反应)。(3)能量转化特点能量利用率低、污染严重。2.原电池——化学能直接转化为电能(1)实验探究实验装置实验现象实验结论锌片:逐渐溶解,有气泡产生铜片:没有变化锌与稀硫酸反应生成氢气,铜与稀硫酸不反应锌片:逐渐溶解铜片:有气泡产生电流表:指针发生偏转锌失去电子,变为Zn2+,电子经过导线流向铜片,产生电流,H+在铜片上得到电子生成H2,反应过程中产生了电能(2)原电池的工作原理(以铜锌稀硫酸原电池为例)①图示②原电池含义:将化学能转化为电能的装置,本质是发生氧化还原反应。③原电池工作时电子、离子的移动方向a.电子的移动方向:从负极流出,经导线流向正极。b.离子的移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。(3)原电池的构成条件①反应:能自发进行的、放热的氧化还原反应;②电极:具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属);③溶液:两电极均插入电解质溶液中;④导线:两电极用导线相连,形成闭合回路。(二)互动探究某化学活动小组用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池如图,该电池可以使LED灯发光。【问题讨论】问题1该电池的电池反应是什么?写出离子方程式。提示该电池利用了金属锌与酸的反应,离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑。问题2若用铁片代替锌片LED灯能不能亮?若用铁片代替铜片呢?若用银片代替锌片呢?提示若用铁片代替锌片,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;若用银片代替锌片,银和铜都不能与酸反应,无电流产生,LED灯不亮。问题3根据上面分析可知构成原电池的条件有哪些?提示①两个活泼性不同的金属电极或金属与导电非金属;②电解质溶液;③闭合回路;④自发进行的氧化还原反应。问题4上述原电池内部阴、阳离子如何移动?移动的原因是什么?提示阴离子(酸根离子)移向负极,阳离子移向正极(H+)。这是因为负极失电子,生成大量阳离子积聚在负极附近,致使该极附近有大量正电荷,所以溶液中的阴离子要移向负极;正极得电子,该极附近的阳离子因得电子生成电中性的物质而使该极附近带负电荷,所以溶液中的阳离子要移向正极。【探究归纳】1.原电池的工作原理(1)电子的移动方向:从负极流出,经导线流向正极,电流的流动方向与之相反(电子只能在导线中定向移动)。(2)离子的移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动(离子只能在电解质溶液或熔融电解质中定向移动)。电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。2.原电池正负极的判断方法1.下列装置能构成原电池的是()答案C解析A项,稀硫酸分装在两个容器中,不能形成闭合电路,不能构成原电池;B项,电极相同,不能构成原电池;C项,Fe-石墨,通过电解质溶液发生原电池反应,属于原电池装置;D项,乙醇不是电解质,故缺少电解质溶液,不能构成原电池。2.下列关于原电池的叙述正确的是()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能自发进行的氧化还原反应可设计成原电池④碳棒不能用来作原电池的正极⑤反应Cu+2Ag+===Cu2++2Ag可以自发进行A.①③⑤ B.①④⑤C.②③④ D.②⑤答案A解析①原电池装置是将化学能转化成电能的装置,正确;②根据原电池的工作原理,负极上失去电子,化合价升高,发生氧化反应,正极上得电子,化合价降低,发生还原反应,错误;③原电池构成条件之一是自发进行的氧化还原反应,正确;④碳棒能导电,可以作正极,错误;⑤铜比银活泼,能发生氧化还原反应,正确。3.下列各组材料组成如图装置,电流表指针能发生偏转的是()选项ABCDM石墨ZnFeAlNAgAgCuAlP稀硫酸蔗糖溶液FeCl3溶液NaOH溶液答案C解析A项,Ag、石墨与稀硫酸都不反应,不能构成原电池,电流表指针不能发生偏转;B项,蔗糖是非电解质,蔗糖溶液不导电,不能构成原电池,电流表指针不能发生偏转;C项,铁的活泼性大于铜,铁与氯化铁反应生成氯化亚铁,Fe、Cu、FeCl3溶液构成原电池,电流表指针能发生偏转;D项,M、N两个电极相同,不能构成原电池,电流表指针不能发生偏转。二、原电池工作原理的应用原电池原理的应用(1)比较金属活动性(2)改变化学反应速率(3)设计原电池示例:把Fe+2Fe3+===3Fe2+设计成原电池。①将已知氧化还原反应拆分成两个半反应:氧化反应:Fe-2e-===Fe2+还原反应:2Fe3++2e-===2Fe2+②根据总反应式并结合两个半反应,找出正、负极材料及电解质溶液。可用Fe作负极,铜(或石墨)作正极,FeCl3溶液作电解质溶液。③电极材料的选择:选活泼性较强的金属作负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属材料作正极。电解质溶液的选择:电解质溶液一般要能与负极发生反应,可参照总反应式选择电解质溶液。1.a、b、c、d四种金属片浸入稀硫酸中,用导线两两组成原电池。若a、b相连时,电流由a经导线流向b;c、d相连时,d极质量减少;a、c相连时,c极上产生大量气泡;a、d相连时,H+移向d极,则四种金属的活动性顺序由强到弱的顺序为()A.b>a>d>c B.b>d>a>cC.b>a>c>d D.b>d>a>c答案A解析若a、b相连,电流由a经导线流向b,a为正极,则活泼性:b>a;若c、d相连,d极质量减小,d为负极,则活泼性:d>c;a、c相连,c极上产生大量气泡,c为正极,则活泼性:a>c;a、d相连,H+移向d极,d为正极,则活泼性:a>d;所以金属活动性顺序由强到弱:b>a>d>c,A项正确。2.100mL2mol·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答案B解析A项,能加快反应速率,但增加了产生氢气的总量,错误;C、D项,不影响H2的量,但稀释了盐酸,降低了反应速率,错误;B项,发生反应Cu2++Zn===Zn2++Cu,形成Cu⁃Zn原电池,加快了反应速率,正确。3.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该反应的原电池组成正确的是()ABCD正极ZnAgCuCu负极CuCuZnZn电解质溶液CuCl2H2SO4CuSO4酒精答案C解析根据电池反应式知,Zn失电子化合价升高作负极,不如锌活泼的金属或导电的非金属作正极,铜离子得电子发生还原反应,则可溶性铜盐溶液作电解质溶液。A项,应该是Zn作负极、Cu作正极;B项,应该是锌作负极、Cu作正极,含铜离子的溶液作电解质溶液;C项,Zn作负极、Cu作正极、硫酸铜溶液作电解质溶液可以实现该原电池反应;D项,酒精不是电解质,应是含铜离子的溶液作电解质溶液。A级合格过关练选择题只有1个选项符合题意(一)原电池构成条件及工作原理1.下列关于原电池的叙述正确的是()A.原电池是将化学能转变为电能的装置B.构成原电池的正极和负极材料必须是两种活动性不同的金属C.在原电池中,电子流出的一极是负极,该电极被还原D.原电池放电时,在电解质溶液中阳离子移向负极答案A解析原电池是将化学能转变为电能的装置,A正确;构成原电池的正极和负极的材料必须是能导电的材料,电极材料可以是金属,也可以是非金属,如石墨等,B错误;在原电池中,负极失电子,被氧化,电子从负极流出,C错误;原电池放电时,在电解质溶液中阳离子移向正极,D错误。2.下列图示的装置属于原电池的是()A.③④⑤⑥ B.③④⑥⑦C.③④⑤⑦⑧ D.③④⑤⑥⑦⑧答案B解析构成原电池的条件为两极为活动性不同的金属(或金属与石墨)、电解质溶液、自发进行的氧化还原反应、构成闭合回路。①②缺少另一电极材料、⑤中的酒精是非电解质、⑧没有构成闭合回路,故都不能构成原电池,符合构成原电池条件的为③④⑥⑦。3.海水电池为探索深海提供了能源保障。一种锂—海水电池以金属锂为负极,石墨为正极,下列关于该电池的描述正确的是()A.正极上发生氧化反应B.电流由Li流向石墨C.Li+由正极向负极迁移D.电池的总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑答案D解析锂—海水电池以金属锂为负极,石墨为正极。电池的正极上发生还原反应,A错误;电池中电流由正极流向负极,故电流由石墨流向Li,B错误;电池中阳离子移向正极,故Li+由负极向正极迁移,C错误;负极Li失电子生成Li+,正极水得电子生成氢氧根离子和氢气,故电池的总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,D正确。4.如图所示,电流计指针发生偏转,同时A极质量减小,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极发生氧化反应答案C解析原电池中,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,A项正确;根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸,B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。5.如图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(SO4答案C解析该装置构成原电池,Zn是负极,Cu是正极。在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气,Cu棒的质量不变,A项错误;由于Zn是负极,不断发生反应Zn-2e-===Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)逐渐增大,B项错误;由于反应不断消耗H+,所以溶液中c(H+)逐渐减小,C项正确;SO42-不参加反应,其浓度不变,(二)原电池工作原理的应用6.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电子从a极流向b极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答案C解析装置一:原电池中,电子从a极流向b极,a极为负极,b极为正极,所以金属的活动性顺序:a>b;装置二:未构成原电池,b极有气体产生,c极无变化,所以金属的活动性顺序:b>c;装置三:原电池中,d极溶解,所以d是负极,c极有气体产生,所以c是正极,所以金属的活动性顺序:d>c;装置四:原电池中,电流从a极流向d极,a极为正极,d极为负极,所以金属的活动性顺序:d>a;所以这四种金属的活动性顺序:d>a>b>c。7.利用离子反应“Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+”设计原电池,下列设计合理的是(A.铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池B.石墨、铁片、Cu(NO3)2溶液组成的原电池C.铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池D.铜片、石墨、Fe(NO3)3溶液组成的原电池答案D解析Cu不如铁活泼,则Fe作负极、Cu作正极,电池反应为Fe+2Fe3+===3Fe2+,故A错误;活泼金属铁作负极,电解质溶液是含有Fe3+的溶液,电池反应为Fe+Cu2+===Cu+Fe2+,B错误;Fe不如Zn活泼,则Fe作正极、Zn作负极,故C错误;铜片做负极,电解质溶液是可溶性的铁盐溶液8.根据原电池原理,结合装置图,按要求解答问题:(1)若X为Zn,Y为稀硫酸溶液,则铜电极上的现象为;溶液中的SO42-移向(填“Cu”或“Zn”)(2)若X为银,Y为硝酸银溶液,则电子从(填“Cu”或“Ag”)电极流出,Ag电极上的电极反应为。

(3)若X为Fe,Y为浓硝酸,则X为极(填“正”或“负”),电池的总反应为

。

(4)若把反应Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+利用上图设计成原电池,则X为(填材料的名称),Y为(填化学式)。

答案(1)有气泡产生Zn(2)CuAg++e-===Ag(3)正Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O(4)银(或石墨等其他合理答案)FeCl3或Fe2(SO4)3解析(1)若X为Zn,Y为稀硫酸溶液,可知Zn为原电池的负极,铜电极为正极,氢离子在正极上得到电子,产生氢气,可以看到的现象是有气泡产生;溶液中的SO42-移向负极,即Zn电极;(2)若X为银,Y为硝酸银溶液,因为活泼性:Cu>Ag,则铜为原电池的负极,银为正极,则电子从Cu电极流出;Ag电极上,银离子得电子,生成Ag,电极反应为Ag++e-===Ag;(3)若X为Fe,Y为浓硝酸,因为室温下,铁与浓硝酸发生钝化反应,铜可以反应,则铜为负极,铁为正极,即X为正极;该电池的总反应为铜与浓硝酸反应,生成硝酸铜、二氧化氮和水,方程式为Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O;(4)若把反应Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+利用上图设计成原电池,该反应中,铜失电子,做电池的负极,则X为正极,电极材料比铜活动性差,材料可以为银(或石墨等其他合理答案);电解质在正极上得到电子,即Y中含有铁离子,可以为FeCl3、Fe2(SO4)B级素养培优练9.如图所示是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡上的记录如下:①Cu为负极,Zn为正极②Cu电极上有气泡产生,发生还原反应③SO42-向④若有1mol电子流经导线,则可产生0.5mol气体⑤电子的流向是Cu→Zn⑥正极反应式为Cu-2e-===Cu2+,发生氧化反应则卡片上的描述合理的是()A.①②③ B.②④C.②③④ D.③④⑤答案B解析Zn和Cu形成的原电池,以稀硫酸作电解质溶液,Zn是负极失去电子,电极反应:Zn-2e-===Zn2+,Cu是正极,电极反应:2H++2e-===H2↑。①据分析,Zn为负极,Cu为正极,①不合理;②Cu电极上有气泡产生,发生还原反应,电极反应:2H++2e-===H2↑,②合理;③原电池中阴离子向负极移动,该电池中SO42-向Zn电极移动,③不合理;④若有1mol电子流经导线,据分析,2H++2e-===H2↑,则可产生0.5mol氢气,④合理;⑤电子的流向是从负极经外电路流向正极,Zn→Cu,⑤不合理;⑥Cu为正极材料,起到导电作用,正极反应式为2H++2e-===H2↑,发生还原反应,⑥不合理;合理的是10.某小组利用如图装置研究原电池工作原理。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,铜片上的反应为Cu2++2e-===CuC.无论a和b是否连接,铁片均发生还原反应D.a和b用导线连接时,溶液中Cu2+向铜电极移动答案C解析a和b不连接时,铁片和硫酸铜溶液之间发生化学反应,铁能将金属铜从其盐中置换出来,所以铁片上会有金属铜析出,A正确;a和b用导线连接时,形成了原电池,铜作正极,发生的反应为Cu2++2e-===Cu,故B正确;a和b不连接时,铁片和硫酸铜溶液之间发生化学反应,铁能将金属铜从其盐中置换出来,a和b用导线连接时,形成了原电池,加快了铁将金属铜从其盐中置换出来的速度,无论a和b是否连接,铁片均会溶解,铁片均发生氧化反应,故C错误;a和b用导线连接时,形成了原电池,Fe为负极,Cu为正极,铜离子移向铜电极,故D正确。11.普通水泥在固化过程中其自由水分子减少并形成碱性溶液,根据这一物理化学特点,科学家发明了电动势法测水泥的初凝时间,此法的原理如图所示,反应的总方程式为2Cu+Ag2O===Cu2O+2Ag,下列有关说法正确的是()A.电池工作时,OH-向Ag2O/Ag极移动B.负极的电极反应式为2Cu+2OH-+2e-===Cu2O+H2OC.测量原理示意图中,电流方向从Cu→Ag2OD.电路中转移2mol电子时,正极材料减少了16g答案D解析根据总反应可知,电池工作时Cu被氧化,为负极,Ag2O/Ag电极为正极。A项,原电池工作时,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动;B项,负极发生氧化反应,电极方程式为2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O;C项,测量原理示意图中,电流方向从正极流向负极,即Ag2O→Cu;D项,正极反应为Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-,电路中有2mol电子转移时,电极减少1molO,质量为16g。12.有甲、乙两位同学,他们一起做了水果电池的实验,测得数据如下:实验次数电极材料水果品种电极间距/cm电压/mV1锌铜菠萝39002锌铜苹果36503锌铜柑橘38504锌铜西红柿37505锌铝菠萝36506锌铝苹果3450试根据上表中的实验数据回答下列问题:(1)实验2中负极是,电极反应式为。

(2)实验1和5电流方向相反的原因是