化学键化学反应规律第二节化学反应与能量转化第2课时化学反应能量转化的重要应用--化学电池同步练习鲁科版必修第二册

化学键化学反应规律第二节化学反应与能量转化第2课时化学反应能量转化的重要应用--化学电池同步练习鲁科版必修第二册

第2课时　化学反应能量转化的重要应用——化学电池 课程标准 核心素养 ‎1.能分析原电池的工作原理，能书写简单的电极反应。‎ ‎2.能辨识简单原电池的构成要素。‎ ‎3.能举出化学能转化为电能的实例。‎ ‎4.能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。‎ ‎1.宏观辨识与微观探析 能从宏观(能量变化)和微观(电子转移)相结合的视角分析原电池的组成和工作原理。‎ ‎2.科学探究与创新意识 提高实施实验的能力，发展创造性体验和想象创新能力。‎ ‎　原电池的工作原理 ‎1．现在，化学电池已成为人类生产和生活的重要能量来源之一，各式各样的化学电池的发明也是化学科学对人类的一个重大贡献。化学电池是根据原电池原理制成的。‎ ‎2．原电池——化学能转化为电能 原电池是一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。‎ ‎3．初识氢氧燃料电池 如图是一个简易的氢氧燃料电池的实验装置示意图。用图a装置电解获得氢气和氧气，再按图b所示连接装置进行实验。‎ ‎(1)在图b所示装置中，氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行，其中氢气分子中的氢原子在左侧石墨电极上失去电子，氢气作为电池的负极反应物；氧气分子中的氧原子在右侧石墨电极上得到电子，氧气作为电池的正极反应物。稀硫酸中存在的自由移动的离子起到传导电荷的作用，导线起到传导电子的作用。‎ ‎(2)物理学认为，在一个有电源的闭合回路中，产生电流的原因是电源给用电器提供了电势差。简易氢氧燃料电池能够给用电器提供电势差，是由于在两个石墨电极上有得失电子能力不同的物质——氢气和氧气；当形成闭合回路时，便会产生电流。‎ ‎(3)工作原理 原电池的基本工作原理是，还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生氧化反应和还原反应，并通过能导电的物质形成闭合回路产生电流。其中，还原剂(如氢气)在负极上失去 - 13 -‎ 电子，是负极反应物；氧化剂(如氧气)在正极上得到电子，是正极反应物；电极材料(如石墨电极)通常是能够导电的固体。此外，还要有能传导电荷的电解质(如稀硫酸)作为离子导体；而导线则作为电子导体，起到传导电子形成闭合回路的作用。‎ ‎4．简单原电池的构成要素 ‎(1)一个反应：氧化还原反应；‎ ‎(2)两个电极：相对活泼的金属做负极，相对不活泼的金属或能导电的非金属做正极；‎ ‎(3)两个导体：能提供自由移动的离子的电解质溶液作为离子导体；用电子导体(即导线)连接成闭合回路。‎ ‎1．原电池的工作原理 工作过程中电解质溶液中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，与外电路构成闭合回路。‎ ‎2．原电池正负极判断(从5个角度思考判断)‎ ‎　一般而言，原电池负极金属活泼性大于正极金属，但也有特例，如MgAlNaOH(aq)原电池中，Mg做正极，Al做负极；FeCu浓HNO3原电池中，Fe做正极，Cu做负极。‎ ‎1．判断正误 ‎(1)所有的化学反应均能设计成原电池。(　　)‎ ‎(2)原电池的负极金属一定比正极金属活泼。(　　)‎ ‎(3)原电池的负极一定发生氧化反应。(　　)‎ ‎(4)原电池工作时，电子通过电解质溶液由正极移向负极。(　　)‎ - 13 -‎ ‎(5)原电池工作时，正极一定产生气体。(　　)‎ ‎(6)原电池中化学能全部转变为电能。(　　)‎ ‎(7)原电池的两极只能用金属材料。(　　)‎ 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)×　(7)×‎ ‎2．下列装置能构成原电池的是(连接两个电极的均是金属导线)(　　)‎ 解析：选D。A中两极金属活泼性相同；B中无电解质溶液；C中没构成闭合回路。‎ ‎3．已知空气锌电池的电极反应为锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；碳棒：O2＋H2O＋2e－===2OH－，据此判断，锌片是(　　)‎ A．正极并被还原 B．正极并被氧化 C．负极并被还原 D．负极并被氧化 解析：选D。由电极反应式：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O可知，Zn失电子被氧化，发生氧化反应，做负极。‎ ‎　设计原电池 ‎1．设计原电池的基本思路 以Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑为例说明。‎ ‎(1)将氧化还原反应分成两部分，负极反应为氧化反应：还原剂－ne－===氧化产物；正极反应为还原反应：氧化剂＋ne－===还原产物。‎ 实例：负极反应为Zn－2e－===Zn2＋；正极反应为2H＋＋2e－===H2↑。‎ ‎(2)选择正负极材料和离子导体，以电极反应为依据，根据原电池的工作原理确定电极材料和离子导体。通常，还原剂为负极材料，氧化剂为离子导体中某种阳离子，正极材料比负极材料的活动性弱或使用石墨做电极。‎ ‎(3)画出原电池的装置简图。‎ - 13 -‎ ‎2．锌铜原电池工作原理 实验装置 现象 锌片不断溶解，铜片上有气泡产生，电流表指针发生偏转 结论 导线中有电流通过，化学能转化为电能 解释 锌失电子发生氧化反应形成Zn2＋进入溶液：Zn－2e－===Zn2＋(填电极反应式)，锌片上的电子沿导线流向铜片 溶液中的H＋从铜片上得电子发生还原反应生成H2逸出：2H＋＋2e－===H2↑(填电极反应式)‎ ‎3.常见化学电池 ‎(1)干电池：属于一次电池，如锌锰电池。‎ ‎(2)充电电池：又称二次电池，如铅蓄电池、锂离子电池。‎ ‎(3)燃料电池：能量转换效率高、能长时间提供电能。‎ 原电池原理的其他应用 ‎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做负极，活动性较弱的金属做正极。‎ ‎(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：A＞B。‎ ‎2．加快化学反应 ‎(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的微粒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。‎ ‎1．X、Y、Z、W四种金属片在稀盐酸中，用导线连接，可以组成原电池，实验结果如图所示：‎ - 13 -‎ 则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为(　　)‎ A．Z>Y>X>W　　　　　 B．Z>X>Y>W C．Z>Y>W>X D．Y>Z>X>W 解析：选A。甲中Z为负极，活泼性：Z>Y；乙中X上有气泡生成，则X为正极，活泼性：Y>X；丙中根据电子的流向可知，Z为负极，活泼性：Z>W；丁中W上发生还原反应，则W为正极，活泼性：X>W；综上可知活泼性：Z＞Y＞X＞W。‎ ‎2．下列叙述是某同学做完锌铜原电池的实验后得出的结论和认识，你认为正确的是(　　)‎ A．构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属 B．由铜、锌做电极与硫酸铜溶液构成的原电池中铜是负极 C．电子经外导线由锌流向铜，通过硫酸溶液被H＋得到而放出H2‎ D．锌铜原电池工作时，若13 g锌被溶解，电路中就有0.4 mol 电子通过 解析：选D。两种活动性不同的金属与电解质溶液能构成原电池，但不能因此说构成原电池电极的材料一定都是金属，如锌和石墨电极也能跟电解质溶液构成原电池；在原电池中，电子由较活泼金属移向较不活泼的金属，因此活泼金属是负极；电子不能通过电解质溶液，应该是H＋在铜极上得到由锌沿导线转移过来的电子；锌铜原电池工作时，负极锌失电子，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，1 mol Zn失去2 mol电子，0.2 mol Zn(质量为13 g)被溶解，电路中有0.4 mol电子通过。‎ ‎3．铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。‎ ‎(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。‎ - 13 -‎ 正极反应式：_____________________________________________________；‎ 负极反应式：____________________________________________________。‎ 解析：首先分析Fe3＋与Cu反应中的氧化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用比铜不活泼的铂丝，或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。‎ 答案：(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋‎ ‎(2)‎ ‎2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　Cu－2e－===Cu2＋‎ 课堂小结 化学电池→原电池 合格考训练 ‎1．下列装置中有电流产生的是(　　)‎ 解析：选C。A项中两电极材料相同，B项中没有构成闭合回路，D项中四氯化碳为非电解质。‎ ‎2．将纯锌片和纯铜片按图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．两烧杯中铜片表面均无气泡产生 B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极 - 13 -‎ C．两烧杯中溶液的c(H＋)均减小 D．铜片上产生气泡的速率甲比乙慢 解析：选C。甲构成原电池，铜片表面有气泡产生，乙不能构成原电池，铜片表面无气泡产生，也不做正极。形成原电池会加快反应速率，故甲中产生气泡的速率较快；甲、乙两烧杯中H＋均参加反应，c(H＋)均减小。‎ ‎3．如图为番茄电池，下列说法中正确的是(　　)‎ A．一段时间后，锌片质量会变小 B．铜片附近会出现蓝色 C．电子由铜片通过导线流向锌片 D．锌片是该电池的正极 解析：选A。番茄电池中锌片是负极，铜片是正极，负极锌片会失去电子而溶解，质量减小，A项正确、D项错误；铜片是正极，电子由负极锌片流向正极铜片，C项错误；铜片附近不会出现蓝色，B项错误。‎ ‎4．一个化学电池的总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该化学电池的组成可能为(　　)‎ 选项 A B C D 正极 Cu Cu Zn Fe 负极 Zn Zn Cu Zn 电解质溶液 H2SO4‎ CuCl2‎ ZnCl2‎ ZnCl2‎ 解析：选B。电解质溶液中一定含有Cu2＋，只有B项正确。‎ ‎5．有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置图及部分反应现象如下：‎ a极质量减小，b极质量增大 b极有气泡产生，c极无变化 d极溶解，c极有气泡产生 电流从a极流向d极 则这四种金属的活动性由强到弱的顺序是(　　)‎ A．a>b>c>d　　　　　　　　 B．b>c>d>a C．d>a>b>c D．a>b>d>c 解析：选C。装置甲中，a极质量减小，b极质量增大，a极为负极，b极为正极，‎ - 13 -‎ 所以金属的活动性顺序：a>b；装置乙中，b极有气泡产生，c极无变化，所以金属的活动性顺序：b>c；装置丙中，d极溶解，c极有气泡产生，d极为负极，c极为正极，所以金属的活动性顺序：d>c；装置丁中，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；故这四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。‎ ‎6.如图所示，在银锌原电池中，以硫酸铜为电解质溶液，锌为________极，该电极上发生________反应(填“氧化”或“还原”)，电极反应式为______________，锌片上观察到的现象为______________________；银为________极，电极上发生________反应(填“氧化”或“还原”)，电极反应式是______________________，银片上观察到的现象是__________________。‎ 解析：在银、锌及CuSO4溶液形成的原电池中，由于活泼性Zn＞Ag，所以Zn做负极：Zn－2e－===Zn2＋，Zn片逐渐溶解；Ag做正极：Cu2＋＋2e－===Cu，析出的Cu沉积在Ag片上。‎ 答案：负　氧化　Zn－2e－===Zn2＋　Zn片逐渐溶解　正　还原　Cu2＋＋2e－===Cu　银片上有红色物质析出 等级性测试 ‎1.暖宝宝(如图所示)采用的是铁的“氧化放热”原理，使其发生原电池反应，铁粉在原电池中充当(　　)‎ A．负极　　　　　　　　　 B．正极 C．阴极 D．阳极 解析：选A。铁被氧化，负极发生氧化反应，铁粉在原电池中充当负极，故A正确。‎ ‎2.如图是某课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法错误的是(　　)‎ A．铜极反应式为2H＋＋2e－===H2↑‎ B．电子从锌片通过溶液流向铜片 C．装置中存在化学能→电能→光能的转化 D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变 解析：选B。铜锌原电池中，Cu做正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以Cu上有气体生成，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故A正确；锌比铜活泼，形成原电池时，锌为负极，失去电子，电子沿外电路由锌流向铜，电子不能通过溶液，溶液中是离子做定向移动，故B错误；原电池中化学能转化为电能，LED灯发光时，电能转化为光能，故C正确；金属性Cu比Zn、Fe弱，将锌片换成铁片后，Cu仍做正极，所以电路中的电流方向不变，故D正确。‎ ‎3．某原电池反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋。下列不能实现该反应原理的原电池是(　　)‎ - 13 -‎ A．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为FeCl3溶液 B．正极为C，负极为Fe，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液 C．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液 D．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为CuSO4溶液 解析：选D。由2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋和原电池的构成条件可知，原电池的电解质溶液为含Fe3＋的盐溶液，负极为Fe，正极为活动性比Fe弱的金属或能导电的非金属。‎ ‎4．如图是Fe和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录的下列内容正确的是(　　)‎ ‎①Fe为正极，Cu为负极 ‎②H＋向负极移动 ‎③电子是由Fe电极经外电路流向Cu电极 ‎④Cu电极上有H2产生 ‎⑤若有1 mol电子流过导线，则产生的H2为11.2 L ‎⑥负极的电极反应式为Fe－3e－===Fe3＋‎ A．①②③　　　　　　　　 B．③④‎ C．③④⑤ D．③④⑥‎ 解析：选B。Fe为负极，Cu为正极，①错误；H＋向正极移动，②错误；电子由Fe电极经外电路流向Cu电极，③正确；Cu电极上发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，④正确；由2H＋＋2e－===H2↑可知，若有1 mol电子流过导线，则产生氢气0.5 mol，但未注明条件，不能计算H2的体积，⑤错误；负极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，⑥错误。‎ ‎5．将铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CH4和O2，即产生电流，称为甲烷燃料电池。下列有关说法中错误的是(　　)‎ A．CH4在负极上反应，O2在正极上反应 B．放电过程中电解质溶液的碱性减弱 C．此电池属于环境友好型电池 D．此电池中化学能100%转化为电能 解析：选D。A项，甲烷燃料电池中，燃料失电子发生氧化反应，所以CH4在负极上反应，O2得电子发生还原反应，所以O2在正极上反应，正确；B项，根据电池总反应CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O知，OH－参加反应，所以溶液中OH－浓度降低，溶液的碱性减弱，正确；C项，该电池放电时不产生对环境有污染的物质，所以属于环境友好型电池，正确；D项，‎ - 13 -‎ 此电池中化学能转化为电能和少量热能，错误。‎ ‎6．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流方向为D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡；④B、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应。据此，判断四种金属的活泼性顺序是(　　)‎ A．A>C>D>B B．D>C>B>A C．A>D>C>B D．C>A>B>D 解析：选A。①中，A为负极，B为正极，可知金属活泼性：A>B；②中，外电路电流方向为D→导线→C，则D是正极，C是负极，金属活泼性：C>D；③中，C极产生大量气泡，说明该极发生了还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，则C是正极，A是负极，金属活泼性：A>C；④中，D极发生氧化反应，则D是负极，B是正极，金属活泼性：D>B。综上所述可得几种金属的活泼性顺序为A>C>D>B。‎ ‎7.如图所示，电流表的指针发生偏转，正极变粗，负极变细，符合这种情况的是(　　)‎ A．正极为Cu，负极为Zn，S为稀H2SO4‎ B．正极为Zn，负极为Cu，S为CuSO4溶液 C．正极为Ag，负极为Zn，S为AgNO3溶液 D．正极为Fe，负极为Cu，S为AgNO3溶液 解析：选C。原电池中，负极失去电子，根据题意负极变细，即金属单质失电子，负极应该是活泼金属，故B、D错误；又因为正极变粗，即该电池的总反应应该是金属与盐溶液之间的置换反应，故A错误，C正确。‎ ‎8.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是原电池的负极 B．Al是原电池的负极 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＋‎ 解析：选A。铜、铝、浓硝酸构成的原电池中，常温下，金属铝遇到浓硝酸会发生钝化，所以金属铜是负极，金属铝是正极，负极上发生金属失电子的氧化反应，正极上发生得电子的还原反应，A正确，B错误；电子从负极(铜)沿导线流向正极(铝)，C错误；铝是正极，该电极上金属不反应，而是硝酸中的硝酸根离子发生得电子的还原反应，D错误。‎ ‎9．由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。‎ 装 - 13 -‎ 置 现象 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_________________________________‎ ‎(生成二价阳离子)。‎ ‎(2)装置乙中正极的电极反应式是___________________________________________。‎ ‎(3)装置丙中溶液的酸性________(填“增强”“减弱”或“不变”)。‎ ‎(4)四种金属活泼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，装置甲中金属A不断溶解，则A为负极、B为正极，活泼性A＞B；装置乙中C的质量增加，即析出Cu，则C为正极、B为负极，活泼性B＞C；装置丙中A上有气体即H2产生，则A为正极、D为负极，活泼性D＞A，随着H＋的消耗，溶液的酸性减弱。‎ 答案：(1)A－2e－===A2＋‎ ‎(2)Cu2＋＋2e－===Cu ‎(3)减弱　(4)D＞A＞B＞C ‎10．利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计一个原电池。请填写下列空白：‎ ‎(1)实验原理：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。‎ ‎(2)实验用品：电极(________、________)、稀硫酸、烧杯、________、耳机、电流计(填写所缺的实验用品)。 ‎ ‎(3)实验装置如图。‎ ‎(4)原电池设计及注意的问题 ‎①按如图所示连接好实验仪器，这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是在原电池中，化学能转化为________。 ‎ ‎②如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的________极，电极反应式为__________________________；另一极接电流计的________极，电极上发生了________(填“氧化”或“还原”)反应。 ‎ 解析：原电池的构成条件是电极、导线、电解质溶液。负极应用铁钉或铁条，正极可选铜棒、铜钉或石墨(如铅笔芯)等，‎ - 13 -‎ 电解质溶液盛放在烧杯中；原电池是将化学能转化为电能的装置，电流计的负极应与电源负极相连，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。‎ 答案：(2)铁钉(或铁条)　铜钉(或铅笔芯)　导线 ‎(4)①电能 ‎②负　Fe－2e－===Fe2＋　正　还原 ‎11．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下：‎ 编号 电极材料 电解质溶液 电流计指针 偏转方向 ‎1‎ Mg、Al 稀盐酸 偏向Al ‎2‎ Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu ‎3‎ Al、C(石墨)‎ 稀盐酸 偏向石墨 ‎4‎ Mg、Al 氢氧化钠溶液 偏向Mg ‎5‎ Al、Zn 浓硝酸 偏向Al 根据表中的实验现象回答下列问题：‎ ‎(1)实验1、2中Al所做的电极(正极或负极)是否相同？________(填“是”或“否”)。‎ ‎(2)对实验3完成下列填空：‎ ‎①铝为________极，电极反应式为____________________________。‎ ‎②石墨为________极，电极反应式为_____________________________________。‎ ‎③电池总反应化学方程式：_____________________________________________。‎ ‎(3)实验4中铝做负极还是正极？________，理由是___________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 写出铝电极的电极反应式：_________________________________________________。‎ ‎(4)解释实验5中电流计指针偏向铝的原因：__________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中做正极或负极的因素：________________________________________________________________________。‎ 解析：在原电池中，一般相对较活泼的金属材料做负极。在稀盐酸中的活泼性Mg>Al>Cu。由实验1和2可知，在题中原电池中电流计指针偏向正极。在实验3中电流计指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极，化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋，盐酸中的H＋得到电子被还原为H2。在NaOH溶液中，Al与NaOH能自发反应，而Mg不能，则Al是负极，Mg是正极。Al在浓硝酸中被钝化，Zn能与浓硝酸持续反应，Zn被氧化，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流计指针偏向Al。‎ 答案：(1)否 ‎(2)①负　2Al－6e－===2Al3＋‎ - 13 -‎ ‎②正　6H＋＋6e－===3H2↑‎ ‎ ③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑‎ ‎(3)负极　Al能与NaOH溶液发生反应，而Mg不与NaOH溶液反应　Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－‎ ‎(4)在浓硝酸中，Al被钝化，Zn是原电池的负极 ‎(5)①另一个电极材料的活泼性；②电解质溶液及其氧化性 - 13 -‎