高中化学人教版必修第二册教案：6.1 化学反应与能量变化

第六章化学反应与能量6.1化学反应与能量变化第2课时化学反应与电能教学设计教学目标知识与技能通过实验探究认识原电池的工作原理和原电池的构成条件，初步形成原电池的概念。通过设计科学探究实验方案和实验装置，初步了解实验研究的方法。了解化学电池的种类和特点，能够书写电极反应方程式。掌握原电池的原理及应用。过程与方法培养学生发现问题、分析问题、解决问题的综合能力。通过对化学能转化为电能的学习，体验到科学探究的过程，理解科学探究的意义，认识科学探究的基本过程与方法，初步养成科学探究的能力。情感态度与价值观（1）逐步培养勤于思考，勇于探究的科学品质，严谨求实的科学态度。（2）通过对化学能转化为电能的奥妙，发展学习化学的兴趣，体验科学探究的艰辛与喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。教学重难点1.教学重点理解氧化还原反应与原电池之间的联系，了解原电池形成的条件，分析简单原电池的原理。2.教学难点化学反应中能量变化的本质教学过程教学环节教学内容设计意图1.新课导入【师】现代社会，人们的生活都离不开电能，想一想，我们用的电都是从哪来呢？【生】发电站。【师】没错，中国电力主要来源是火力发电、水力发电、风力发电和核电。我们可以看到2015，火力发电占比74%。火力发电是通过化合燃料燃烧时发生的氧化还原反应，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。火力发电有哪些缺点？【生】煤炭是不可再生资源、排除大量温室气体、可能导致酸雨、能量转化率低。【师】火力发电过程中，化学能经过一系列能量间接转化为电能，能量损失大，能量利用率不高。能否实现化学能到电能的转化？设问激发求知欲2.探索新知【板书】化学反应与电能【多媒体播放】装置设计锌铜硫酸原电池【学生】现象：当锌片与铜片插入稀硫酸时，锌片上有气泡产生，铜片表面无气泡产生，当用导线将锌片和铜片相连后，铜片上有气泡产生；串联电流表后，电流表指针偏转。结论：导线中有电流通过，形成了电池，实现由化学能到电能的转化。【师】观察的很仔细，回答也正确，我们用微观视角观察电解过程。【思考与讨论】1、溶液中的锌离子怎么来的？【生】当插入稀硫酸的锌片和铜片用导线连接时，由于锌比铜活泼，与稀硫酸作用容易失去电子，被氧化成锌离子。锌片：Zn－2e－＝Zn2+2、铜不与稀硫酸反应，为什么产生气泡？是什么气体？【生】溶液中的氢离子从铜片获得电子，被还原为氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上放出。铜片：2H+＋2e－＝H2↑【师】结合在锌片和铜片上的反应我们能得出总反应：Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑。根据氧化还原反应，锌片上：锌失电子，化合价升高，作还原剂，被氧化，发生氧化反应。铜片上：溶液中的氢离子得电子，化合价降低，作氧化剂，被还原，发生还原反应。3、导线上电子和电流的移动方向是什么？【生】锌片失去的电子经导电流向铜片；电流则由铜片流向锌片。由此可知，铜为正极，锌为负极。【师】把化学能转化成电能的装置叫做原电池。【板书】1、原电池：把化学能转化成电能的装置叫做原电池。【师】仔细观察：原电池是由什么构成的？【生】有两个电极、溶液、导线【师】这位同学提到了很多关键点，但是任何电极、任何溶液就可以吗？答案是否定的，首先，负极与电解质溶液能自发的发生氧化还原反应，并且有两个活泼性不同的电极，电解质溶液，形成闭合回路。【板书】构成条件负极与电解质溶液能自发的发生氧化还原反应（前提）两个活泼性不同的电极电解质溶液形成闭合回路【师】在锌铜原电池中，锌做负极，铜做负极。哪位同学能说出正、负极的特点吗？【生】正极：电子流入的一极（得电子），发生还原反应负极：电子流出的一极（失电子），发生氧化反应【板书】正极：电子流入的一极（得电子），发生还原反应负极：电子流出的一极（失电子），发生氧化反应导线：电子由负极移向正极溶液中：阴离子移向负极，阳离子移向正极。【师】相信大家对原电池有了初步的了解，原电池实质是使氧化反应和还原反应在两个不同的区域发生，通过电子的定向移动形成电池，化学能转化为电能。老师有个口诀要教给大家：原电池分两级，负极氧化正极还，电子由负流向正，离子阳正阴向负。记住这个口诀，原电池的问题基本能解决！【师】我们学习了原电池原理，我们利用这个原理还可以判断金属活动性强弱、加快氧化还原反应速率。我们具体说一下，认真听。1、加快氧化还原反应的速率原理：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使反应速率增大。实例：实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成原电池，加快反应速率。2、比较金属活动性强弱原理：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。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溶解，B上有气泡产生，可知A做负极，B作正极，A比B活泼。【师】大家生活中都接触过哪些电池呢？【生】1号电池、5号电池、7号电池、手机电池【师】我们常见的1号电池、5号电池、7号电池这些电池都是干电池，也就是一次电池，不可充电；我们手机现在用的锂电池属于二次电池，可以充电后在使用的。还有一种电池是燃料电池，大家没有见过，使气体参与反应的电池，一般应用在军事，航空方面，电动机车等的交通领域。我们具体学习各种电池的原理。一、干电池普通锌锰电池负极：锌正极：石墨电极反应负极：Zn－2e－＝Zn2+(氧化反应）正极：2MnO2＋2NH4+＋2e－＝Mn2O3＋2NH3＋H2O(还原反应）总反应：2MnO2＋2NH4+＋Zn＝Mn2O3＋2NH3＋H2O＋Zn2+缺点：在使用过程中，锌会逐渐溶解，使锌外壳逐渐变薄，内部作为电解质的糊状NH4Cl（显酸性）会泄漏出来，腐蚀电池，即使不使用放置过久也会失效。【师】还有一种碱性锌锰电池，对比普通锌锰电池，根据碱性锌锰电池的结构，判断正、负极是什么？写出电极反应。【学生书写】负极：锌正极：碳棒负极：Zn＋2OH-－2e-＝Zn(OH)2正极：2MnO2＋H2O＋2e－＝2MnO(OH)＋2OH-总反应：Zn＋2MnO2＋H2O＝Zn(OH)2＋2MnO(OH)【总结】1、原电池电极判断2、电极反应的书写（1）先确定原电池的正、负极，列出正、负极上的反应物，并使得失电子数目相同。（2）注意负极反应生成的阳离子是否与电解质溶液中的阴离子反应。若反应，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式中。若正极上的反应物是O2，且电解质溶液呈中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式中，且生成OH－;若电解质溶液呈酸性，则H+必须写入正极反应式中，且生成H2O（3）正、负极反应相加得到电池的总反应。若知道总反应，也可以较易写出一极的电极反应式，利用电子守恒法，用总反应减去一极的电极反应式得到另一极电极反应式。【师】放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行从而实现充电与放电的循环。常见的二次电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。铅蓄电池两极是Pb（负极）和PbO2（正极），电解质溶液是H2SO4,总的电池反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O负极：Pb＋SO42－－2e－＝PbSO4正极：PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－＝PbSO4＋2H2O镍镉电池以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质。负极：Cd+2OH－－2e－＝Cd(OH)2正极：2NiO(OH)+2H2O+2e－＝2Ni(OH)2+2OH-总反应：Cd+2NiO(OH)+2H2O＝2Ni(OH)2+Cd(OH)2【师】最后我们再来说说燃料电池，燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的供电量易于调节，能适应电器负载的变化，而且不需要很长时间的充电，在航天、军事、交通领域有广阔的应用前景。氢氧燃料电池：负极（惰性电极）通入氢气正极（惰性电极）通入氧气原理：利用原电池的工作原理将氢气和氧气反应所放出的化学能直接转化为电能。酸性电解质：负极：2H2－4e－＝4H+正极：O2＋4H+＋4e－＝2H2O碱性电解质：负极：2H2－4e－＋4OH－＝4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－总反应：2H2＋O2＝2H2O【师】以Fe＋CuSO4＝FeSO4＋Cu为例，如何设计原电池？设计方法：1、根据总反应，找到氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料，氧化剂在正极被还原。2、电极材料选择：电极材料必须导电，一般选择较活泼的金属材料，或在该氧化还原反应中易失去电子的材料。电解质溶液一般与负极反应。负极：Fe正极:碳棒负极反应：Fe－2e¯＝Fe2﹢正极反应:Cu2﹢＋2e¯＝Cu通过探讨交流培养学生的合作意识和表达能力，激发学生对新事物的探究，培养严谨的科学思维方法培养学生总结归纳、辩证思维的能力3.小结作业完成同步练习四．板书设计6.1化学反应与能量变化第1节化学反应与电能一、原电池原理1、原电池：把化学能转化成电能的装置叫做原电池。2、构成条件负极与电解质溶液能自发的发生氧化还原反应（前提）、两个活泼性不同的电极、电解质溶液、形成闭合回路3、正极：电子流入的一极（得电子），发生还原反应负极：电子流出的一极（失电子），发生氧化反应4、导线：电子由负极移向正极溶液中：阴离子移向负极，阳离子移向正极。5、实质：使氧化反应和还原反应在两个不同的区域发生，通过电子的定向移动形成电池，化学能转化为电能。二、应用1、加快氧化还原反应的速率2、比较金属活动性强弱三、化学电源1、干电池（一次性电池）2、二次电池3、燃料电池四、原电池设计阶段重点突破练一、吸热反应和放热反应的判断1．(四川内江高一期末)下列变化过程属于放热反应的是()①金属钠与水反应②NH4Cl晶体与Ba(OH)2·8H2O晶体混合搅拌③H2在Cl2中燃烧④液态水变成水蒸气⑤酸碱中和⑥碳酸钙热分解A．①②⑤ B．①③⑤C．③④⑤ D．②④⑥答案B解析①金属钠与水反应生成NaOH和氢气，是放热反应；②NH4Cl晶体与Ba(OH)2·8H2O晶体混合搅拌，发生的是吸热反应；③燃烧都是放热反应；④液态水变成水蒸气是吸热过程，且不属于化学反应；⑤酸碱中和反应都是放热反应；⑥碳酸钙热分解是吸热反应。①③⑤符合题意，故选B。2．据新浪网报道，2012年4月30日凌晨4时50分我国在西昌卫星发射中心成功发射“一箭双星”，“长征三号乙”运载火箭使用偏二甲肼(C2H8N2)和液态四氧化二氮作推进剂，发生反应：C2H8N2＋2N2O4=3N2↑＋2CO2↑＋4H2O，下列说法中正确的是()A．断裂C2H8N2和N2O4中的化学键时放出能量B．C2H8N2具有的能量高于N2具有的能量C．反应物具有的总能量高于生成物具有的总能量D．该反应中，C2H8N2作氧化剂答案C解析断裂化学键时吸收能量，形成化学键时放出能量，故A错误；C2H8N2＋2N2O4=3N2↑＋2CO2↑＋4H2O为放热反应，说明C2H8N2和N2O4具有的能量总和高于N2、CO2和H2O所具有的能量总和，无法确定C2H8N2具有的能量高于N2具有的能量，故B错误，C正确；在C2H8N2＋2N2O4=3N2↑＋2CO2↑＋4H2O反应中，C2H8N2中N元素和碳元素的化合价均升高，发生氧化反应，是还原剂，故D错误。3．(长沙长郡中学高一期中)下列反应属于氧化还原反应，且能量变化如图所示的是()A．锌粒和稀硫酸反应B．灼热的木炭与CO2反应C．甲烷在空气中燃烧的反应D．Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应答案B解析由图像可知，反应物总能量低于生成物总能量，所以该反应是吸热反应。A、C项反应为放热反应，不符合题意；D项反应为吸热反应，但不是氧化还原反应，不符合题意；B项反应既是氧化还原反应又是吸热反应，符合题意。二、吸热反应和放热反应的计算4．(济南高一检测)对放热反应：A＋B=C＋D，以下说法一定正确的是(EA、EB、EC、ED分别表示物质A、B、C、D所具有的能量)()A．EA＋EB＞EC＋EDB．EA＞EB＋ECC．EA＞EBD．EA＋EB＜EC＋ED答案A解析反应A＋B=C＋D是放热反应，则反应物A、B的总能量大于生成物C、D的总能量，即EA＋EB＞EC＋ED。5．已知某化学反应A2(g)＋2B2(g)=2AB2(g)(A2、B2、AB2的结构式分别为AA、B—B、B—A—B)，反应过程中的能量变化如图所示，下列有关叙述正确的是()A．该反应的进行一定需要加热或点燃B．该反应若生成2molAB2(g)，则放出的热量为(E1－E2)kJC．该反应断开化学键消耗的总能量大于形成化学键释放的总能量D．生成2molB—A键放出E2kJ能量答案C解析根据图示可知，该反应断开化学键消耗的总能量大于形成化学键释放的总能量，为吸热反应；若生成2molAB2(g)，则吸收热量为(E1－E2)kJ，C项正确，B项错误；该反应的进行不一定需要加热或点燃，A项错误；生成4molB—A键放出E2kJ能量，D项错误。6．(保定高一期中)H2与O2、F2均能发生反应，如图为H2与F2发生反应生成HF过程中的能量变化示意图。请回答下列问题：(1)完成转化Ⅰ、Ⅱ________(填“吸收”或“放出”，下同)能量，完成转化Ⅲ________能量。(2)H2和F2反应的能量变化图可用________(填“A”或“B”)表示。(3)H2在O2中燃烧的过程主要是________能转化为________能的过程。答案(1)吸收放出(2)A(3)化学热解析(1)断开化学键吸收能量，形成化学键释放能量。转化Ⅰ、Ⅱ是断开化学键的过程，吸收能量；转化Ⅲ是形成化学键的过程，放出能量。(2)由图可知，H2和F2生成HF的反应能量变化为154kJ·mol－1＋436kJ·mol－1－2×565kJ·mol－1＝－540kJ·mol－1，是放热反应，则反应物的总能量大于生成物的总能量，A正确。(3)氢气在氧气中燃烧是放热反应，主要是化学能转化为热能的过程。7．(襄阳五中高一期中)(1)从能量角度看，断开化学键要________，形成化学键要________，一个化学反应是释放能量还是吸收能量取决于__________________；水的分解需要吸收能量，试从化学键变化的角度分析原因：_______________________________________。(2)化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。化学键的键能是形成(或拆开)1mol化学键时释放(或吸收)的能量。已知白磷和P4O6的分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能：P—P为198kJ·mol－1、P—O为360kJ·mol－1、O=O为498kJ·mol－1。则P4(白磷)＋3O2=P4O6的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，生成1molP4O6________的热量为________。答案(1)吸收能量放出能量反应物的总能量和生成物的总能量的相对大小断开4个H—O键所吸收的能量大于形成2个H—H键和1个O=O键所放出的总能量(2)放热放出1638kJ解析断开旧键吸收的能量为6×198kJ＋3×498kJ＝2682kJ，形成新键放出的能量为12×360kJ＝4320kJ，故该反应为放热反应，生成1molP4O6放出的热量为4320kJ－2682kJ＝1638kJ。三、原电池的工作原理和应用8．如图所示，电流表的指针发生偏转，同时A极的质量减小，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分别可以为Zn、Cu和稀盐酸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，发生氧化反应而溶解，质量减小，故A极为负极，B极为正极，A、D项正确；A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时，可以构成原电池，且现象符合题意，B项正确；电解质溶液中阳离子移向正极，C项错误。9．(武汉期中)汽车的启动电源常用铅蓄电池。放电时的电池反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断下列说法正确的是()A．负极反应式：Pb－2e－＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4B．电池放电时，溶液的酸性增强C．PbO2得电子，被氧化D．PbO2是电池的负极答案A解析Pb失电子作负极，反应式为Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4，故A正确；放电时，硫酸参加反应，导致溶液中氢离子浓度减小，则溶液的酸性减弱，故B错误；PbO2得电子，被还原，故C错误；根据电池反应式知，PbO2在反应中得电子，化合价由＋4价变为＋2价，所以二氧化铅作正极，故D错误。10．(鄂南高中高一期中)有如图所示的装置，当电流表中显示产生持续电流时，下列说法正确的是()A．Cu作原电池的负极B．Al作原电池的负极C．电子由铝沿导线流向铜D．铝片上的电极反应式为Al－3e－=Al3＋答案A11．(辽宁集善学校高一月考)为将反应2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑的化学能转化为电能，下列装置能达到目的的是(铝条均已除去了氧化膜)()答案B解析A、B、C三项中的装置均能将化学能转化为电能，A项，反应为2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑，错误；B项，Al与H2SO4反应产生铝盐和H2，正确；C项，反应为Al和稀硝酸反应生成NO，错误；D项，两电极全是Al，因而不能构成原电池，即不能将化学能转化为电能，错误。考点原电池原理的应用题点原电池的设计12．(四川省内江市高一下学期期末)把a、b、c、d四种金属片浸泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，c为负极；a、c相连时，c为正极；b、d相连时，b为正极，则这四种金属活动性顺序由大到小为()A．a＞b＞c＞d B．a＞c＞d＞bC．c＞a＞b＞d D．b＞d＞c＞a答案B解析若a、b相连时，a为负极，根据原电池的工作原理，金属活泼性强的作原电池的负极，故金属的活动性顺序为a＞b；c、d相连，c为负极，所以金属的活动性顺序为c＞d；a、c相连，c为正极，所以金属的活动性顺序为a＞c；b、d相连时，b是正极，所以金属的活动性顺序为d＞b；则这四种金属活动性顺序为a＞c＞d＞b。考点原电池原理的应用题点原电池正负极材料、金属活泼性强弱判断四、化学电源和电极反应式书写13．(桂林期末)已知某锂电池的总反应为4Li＋2SOCl2=4LiCl＋S＋SO2↑，下列说法中正确的是()A．该电池组装时，必须在无水无氧条件下进行B．Li电极作电池的负极，发生还原反应C．工作时，电子从电极经电解质溶液流向正极D．电池工作时每生成22.4LSO2，转移4mol电子答案A解析由于Li和SOCl2都易与水反应，则该电池组装时，必须在无水无氧条件下进行，故A正确；Li电极作电池的负极，发生氧化反应，故B错误；工作时，电子不能经过电解质溶液，故C错误；状况不知，无法由体积求物质的量，故D错误。14．(东湖区校级期末)《科学美国人》评出的2016年十大创新技术之一是碳呼吸电池，电池原理如图所示，则下列有关说法正确的是()A．该装置将电能转变为化学能B．正极的电极反应为C2Oeq\o\al(2－,4)－2e－=2CO2C．每生成1molAl2(C2O4)3，有6mol电子流过负载D．随着反应进行，草酸盐浓度不断变小答案C解析“碳呼吸电池”为原电池原理，将化学能转变为电能，故A错误；根据工作原理，“呼出”CO2作为正极反应物得电子生成草酸根，电极反应为2CO2＋2e－=C2Oeq\o\al(2－,4)，故B错误；根据工作原理图，金属铝是负极失电子生成草酸铝，所以每得到1mol草酸铝，电路中转移3×2mol＝6mol电子，故C正确；电池放电时草酸盐浓度不会发生变化，故D错误。考点化学电源题点新型电池工作原理及电极反应式书写15．(海安市校级期中)锌－空气电池具有蓄电量大、循环次数多等优点。下列说法正确的是()A．电池放电时Zn电极逐渐溶解B．石墨为负极C．电子由石墨经导线流向Zn片D．电池放电时实现了电能向化学能的转化答案A解析锌为负极，碱性条件下被氧化生成ZnOeq\o\al(2－,2)而溶解，故A正确；石墨为正极，正极上氧气得电子被还原，故B错误；锌为负极，石墨为正极，电子由锌片经导线流向石墨，故C错误；电池放电时为原电池反应，实现了化学能向电能的转化，故D错误。16．一种以NaBH4和H2O2为原料的新型电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是()A．电池的正极反应为H2O2＋2e－=2OH－B．电池放电时Na＋从a极区移向b极区C．电子从电极b经外电路流向电极aD．b极室的输出液经处理后可输入a极室循环利用答案C解析A项，正极发生反应：H2O2＋2e－=2OH－，正确；B项，放电时为原电池，阳离子移向正极，电极b为正极，正确；C项，电子由负极经外电路流向正极，应该由电极a流向电极b，错误；D项，产生的氢氧化钠溶液可以循环使用，正确。考点化学电源题点新型电源工作原理及电极反应式书写17．(重庆九校高一联考)一种铁－空气二次电池放电时的工作原理如图所示，电池反应为2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)2。下列有关该电池放电时的说法正确的是()A．能量由电能转变为化学能B．a极质量不变C．b极为电池负极D．电子由a极经负载流向b极答案D解析电池放电时，化学能转化为电能，故A项错误；a极为负极，铁失去电子生成Fe2＋，Fe2＋与OH－结合生成Fe(OH)2，电极质量减小，故B项错误；b极为电池正极，故C项错误；a极为负极，电子由a极经负载流向b极，故D项正确。考点化学电源题点新型电源工作原理18．(湖北四校高一期中联考)化学电源在生产生活中有着广泛的应用，请回答下列问题：(1)根据构成原电池的本质判断，下列化学(或离子)方程式正确且能设计成原电池的是________(填字母，下同)。A．KOH＋HCl=KCl＋H2OB．Cu＋Fe3＋=Fe2＋＋Cu2＋C．Na