資源簡介

化學　必修 第二冊（魯科）
第2課時　化學反應能量轉化的重要應用——化學電池
核心素養(yǎng) 學業(yè)要求
體會化學電池對提高生活質(zhì)量的重要意義，體會化學科學對社會發(fā)展的貢獻，強化綠色化學觀念和可持續(xù)發(fā)展意識。 1.了解原電池的構成和工作原理。 2.知道構成原電池的條件。 3.了解化學能與電能的相互轉化以及化學反應的其他應用。 4.了解常見的化學電池。
1.原電池
一種利用氧化還原反應將化學能直接轉化成電能的裝置。
2.認識氫氧燃料電池
在氫氧燃料電池中，氧化反應與還原反應分別在兩個不同的區(qū)域進行。其中氫氣分子中的氫原子在左側石墨電極上失去電子，氫氣作為電池的負極反應物；氧氣分子中氧原子在右側石墨電極上得到電子，氧氣作為電池的正極反應物。
3.原電池的基本工作原理
還原劑和氧化劑分別在不同的區(qū)域發(fā)生氧化反應和還原反應，并通過能導電的物質(zhì)形成閉合回路產(chǎn)生電流。其中，還原劑在負極上失去電子，是負極反應物；氧化劑在正極上得到電子，是正極反應物；電極材料通常是能夠?qū)щ姷墓腆w。此外，還要有能夠傳導電荷的電解質(zhì)作為離子導體；而導線則作為電子導體，起到傳導電子形成閉合回路的作用。
4.設計原電池
設計思路及依據(jù) 實驗現(xiàn)象及電極反應式
氧化還原反應：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑ 現(xiàn)象：銅片上有大量的無色氣泡產(chǎn)生并逸出，鋅片不斷溶解，電流表指針發(fā)生偏轉。電極反應式：負極：Zn－2e－===Zn2＋正極：2H＋＋2e－===H2↑
確定負極 選擇負極反應物：Zn
選擇負極材料：Zn
確定正極 選擇正極反應物：鹽酸、稀硫酸等
選擇正極材料：銅、石墨等
形成閉合回路 選擇離子導體：鹽酸、稀硫酸等
選擇電子導體：導線
5.常見電池
(1)干電池(屬于一次電池)：如鋅錳電池。
(2)充電電池(又稱二次電池)：如鉛蓄電池、鋰離子電池(手機用)。
(3)燃料電池：具有能量轉換效率高，能長時間提供電能等優(yōu)點。
1.判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”。
(1)原電池是電能轉化為化學能的裝置。(　　)
(2)將銅片和鋅片用導線連接插入任何溶液中，電流表指針都會偏轉。(　　)
(3)原電池工作時，在負極上發(fā)生氧化反應，正極上發(fā)生還原反應。(　　)
(4)所有的化學反應都可以設計成原電池。(　　)
(5)原電池中，一定是還原劑做負極材料。(　　)
(6)在原電池中，還原劑做負極反應物，一定和離子導體發(fā)生反應。(　　)
(7)原電池在工作時，電子可以通過電解質(zhì)溶液形成電流。(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)× (6)×　(7)×
2.下列有關原電池的說法中正確的是(　　)
A.在外電路中電子由正極流向負極
B.在原電池中負極發(fā)生還原反應
C.原電池工作時，陽離子向正極方向移動
D.原電池中正極一定是不活潑金屬
答案　C
解析　A項，電子應由負極流向正極；B項，原電池中負極發(fā)生氧化反應；D項，原電池中正極可以為導電的非金屬，如碳，故選C。
3.如圖所示，將鎂棒和銅棒插入橙子中，用導線將其接入電流表后電流表指針發(fā)生偏轉，該電池中(　　)
A.鎂棒是負極 B.銅棒是負極
C.鎂棒被還原 D.銅棒被氧化
答案　A
4.一種氫能的制取、貯存及利用如圖所示，圖示中能量轉化方式不涉及(　　)
A.電能→化學能 B.光能→化學能
C.化學能→電能 D.電能→機械能
答案　A
解析　由圖示可以看出，在能量轉化方式上有光能催化分解H2O，是光能→化學能，H2燃料電池車中，是化學能轉化為電能，電能轉化為機械能，整個過程，無電能到化學能轉化，故選A。
5.對下列化學反應，可設計為原電池的是(　　)
A.H2SO4＋Ba(OH)2===BaSO4↓＋2H2O
B.NH4HCO3NH3↑＋CO2↑＋H2O
C.CaO＋H2O===Ca(OH)2
D.Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag
答案　D
解析　原電池的兩極反應必須是氧化劑和還原劑分別在正極和負極上得失電子，故化學反應必須為自發(fā)的氧化還原反應，無電子轉移的非氧化還原反應不能設計為原電池，故選D。
探究一　原電池的工作原理
1.原電池的構成條件
(1)能自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應。
(2)電極：兩個導體做電極。一般為兩種活動性不同的金屬，其中較活潑的金屬做負極，發(fā)生氧化反應，較不活潑的金屬做正極，發(fā)生還原反應；或金屬與能導電的非金屬(如石墨)做電極，其中金屬做負極，非金屬(如石墨)做正極。
(3)具有電解質(zhì)溶液且構成閉合回路：兩電極用導線相連放入電解質(zhì)溶液中形成閉合回路。
2.原電池的工作原理(以Cu Zn 稀H2SO4原電池為例)
實驗裝置
實驗現(xiàn)象 銅片上有大量的無色氣體生成并逸出，鋅片不斷溶解，燈泡變亮
實驗結論 導線中有電流通過，通過化學反應，化學能轉化為電能
原理分析 電池總反應：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑當把用導線連接的銅片與鋅片一同插入稀硫酸中時：①鋅原子失去電子被氧化為Zn2＋進入溶液；②電子由鋅片通過導線流向銅片；③溶液中的H＋從銅片上獲得電子被還原為氫氣而逸出；④電子在導線上做定向移動，形成電流
電極反應式的書寫 (1)負極反應式的書寫 ①活潑金屬做負極時，電極本身被氧化： a.若生成的陽離子不與電解質(zhì)溶液反應，其產(chǎn)物可直接寫為金屬陽離子，如：Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋。 b.若生成的金屬陽離子與電解質(zhì)溶液反應，其電極反應式為兩反應合并后的反應式。如Mg Al(KOH)原電池，負極反應式為Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－；鉛蓄電池負極反應式：Pb－2e－＋SO===PbSO4。 ②負極本身不反應時，常見書寫方法為： 氫氧(酸性)燃料電池，負極反應式為H2－2e－===2H＋。 氫氧(堿性)燃料電池，負極反應式為H2－2e－＋2OH－===2H2O。 (2)正極反應式的書寫 ①首先根據(jù)化合價變化或氧化性強弱判斷得電子的微粒； ②其次確定該微粒得電子后變成哪種形式。 如氫氧(酸性)燃料電池，正極反應式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 氫氧(堿性)燃料電池，正極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
1.下列各裝置能構成原電池的是(　　)
答案　C
2.如圖所示裝置中，觀察到電流表指針偏轉(指針順著電流方向偏轉)，M變粗，N變細，由此判斷下表中所列M、N、P三種物質(zhì)，其中可以成立的是(　　)
M N P
A 鋅 銅 稀硫酸
B 銅 鐵 稀鹽酸
C 銀 鋅 硝酸銀溶液
D 鋅 鐵 硝酸鐵溶液
答案　C
解析　該原電池中M變粗，N變細，說明發(fā)生原電池反應時N溶解，N做負極，溶液中有金屬析出附著在M上，M做正極。A、B兩項中，電解質(zhì)溶液分別為稀硫酸和稀鹽酸，原電池工作時，不會有金屬析出，不符合題意；C項，正極反應為Ag＋＋e－===Ag，符合題意；而D項，鋅比鐵活潑，故M做負極，變細，不符合題意。
原電池的判定 (1)先分析有無外接電源，無外接電源的可能為原電池。 (2)根據(jù)原電池的形成條件——四看 看電極——兩極為導體，且存在活動性差異； 看溶液——兩極插入電解質(zhì)溶液中； 看回路——形成閉合回路； 看本質(zhì)——有自發(fā)的氧化還原反應發(fā)生。
探究二　原電池的應用
　原電池的應用
(1)加快氧化還原反應速率
如實驗室用Zn和稀硫酸(或稀鹽酸)反應制備H2，常用粗鋅。原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了鋅的腐蝕，使產(chǎn)生H2的速率加快。
(2)比較金屬的活動性強弱
原電池中，一般活動性強的金屬做負極，活動性弱的金屬做正極。如有兩種金屬A和B，用導線連接后插入稀硫酸中，觀察到A極溶解，B極上有氣泡產(chǎn)生，由原電池原理可知，金屬活動性：A>B。
(3)金屬的防護
輪船外殼上鑲嵌鋅塊，在海水中形成原電池，鋅做負極失去電子，保護鐵不被腐蝕。
(4)設計原電池
設計原電池要依據(jù)原電池的構成條件來進行。
①一個自發(fā)的氧化還原反應。
②兩個導電的電極。
③電解質(zhì)溶液及導線構成閉合回路。
例如以Cu＋2FeCl3===2FeCl2＋CuCl2設計原電池
設計思路 實例
以自發(fā)進行的氧化還原反應為基礎 Cu＋2FeCl3===2FeCl2＋CuCl2
把氧化還原反應分解為氧化反應和還原反應兩個半反應，從而確定電極反應 負極反應(氧化反應)：Cu－2e－===Cu2＋正極反應(還原反應)：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
以電極反應為原理，根據(jù)原電池的工作原理確定電極材料和電解質(zhì)溶液 負極：Cu正極：石墨電解質(zhì)溶液：FeCl3溶液
原電池的裝置簡圖
3.下列四個化學反應中，理論上不可能設計為原電池的是(　　)
A.2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
B.2H2＋O22H2O
C.Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4
D.Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑
答案　D
解析　只有自發(fā)的氧化還原反應才可能設計成原電池，D項中的反應不是氧化還原反應，不能設計為原電池。
4.選擇適宜的材料和試劑，請利用反應“Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋”設計一個化學電池。
回答下列問題：
(1)負極材料：________；正極材料：________；電解質(zhì)溶液：________。
(2)寫出電極反應式
正極：__________________________；
負極：__________________________。
(3)原電池中電子從________極流出，電解質(zhì)溶液中陰離子流向________(填“正”或“負”)極。
答案　(1)銅　銀(或碳棒)　AgNO3溶液
(2)2Ag＋＋2e－===2Ag　Cu－2e－===Cu2＋
(3)銅(負)　負
本課小結 原電池是把化學能轉化為電能的裝置。其工作原理是：
課時作業(yè)
一、選擇題(每小題只有1個選項符合題意)
1.下列燒杯中盛放的都是稀硫酸，不能形成原電池的是(　　)
答案　D
2.由下列各組材料和電解質(zhì)溶液能組成原電池的是(　　)
選項 A B C D
兩極材料 Mg、Mg Zn、Fe 金剛石、Cu Zn、Cu
電解質(zhì)溶液 稀H2SO4 乙醇 濃H2SO4 稀鹽酸
答案　D
3.下列有關原電池的說法中不正確的是(　　)
A.在內(nèi)電路中，電子由正極流向負極
B.原電池的正、負極材料不一定都參與反應
C.原電池工作時，正極上發(fā)生還原反應
D.原電池工作時，可能會伴隨著熱量變化
答案　A
解析　原電池中，內(nèi)電路不存在電子流動，A錯誤。
4.如圖是課外活動小組設計的用化學電源使LED燈發(fā)光的裝置。下列說法不正確的是(　　)
A.銅片表面有氣泡生成，且溶液中SO向該電極移動
B.裝置中存在“化學能→電能→光能”的轉換
C.如果將硫酸換成檸檬汁，導線中仍有電子流動
D.如果將鋅片換成鐵片，電路中的電流方向不變
答案　A
解析　銅鋅原電池中，Cu做正極，溶液中的氫離子在正極上得電子生成氫氣，所以銅片表面有氣泡生成，但溶液中的陰離子向負極移動，故A錯誤。
5.如圖所示進行實驗，下列說法不正確的是(　　)
A.裝置甲的鋅片上和裝置乙的銅片上均可觀察到有氣泡產(chǎn)生
B.甲、乙裝置中的能量變化均為化學能轉化為電能
C.裝置乙中的鋅、銅之間用導線連接電流計，可觀察到電流計指針發(fā)生偏轉
D.裝置乙中負極的電極反應式：Zn－2e－===Zn2＋
答案　B
解析　裝置甲發(fā)生反應Zn＋2H＋===H2↑＋Zn2＋，鋅片上有氣泡產(chǎn)生，裝置乙屬于原電池裝置，銅為正極，發(fā)生反應2H＋＋2e－===H2↑，銅片上有氣泡產(chǎn)生，A正確；裝置甲中沒有發(fā)生化學能到電能的轉化，B錯誤；裝置乙是一個原電池裝置，鋅、銅之間用導線連接電流計，可觀察到指針偏轉，C正確；裝置乙中，Zn為負極，電極反應式為Zn－2e－===Zn2＋，D正確。
6.圖甲是銅鋅原電池示意圖。圖乙中x軸表示原電池工作時流入正極的電子的物質(zhì)的量，則y軸可以表示(　　)
①c(Zn2＋)　②c(H＋)　③c(SO)　④鋅棒的質(zhì)量　⑤銅棒的質(zhì)量　⑥溶液的質(zhì)量
A.①⑥ B.②④
C.③⑤ D.⑥
答案　D
解析　由題圖可知，y軸表示的物理量隨流入正極的電子的物質(zhì)的量增加而增大，根據(jù)銅鋅原電池工作原理，鋅失電子做負極，所以鋅棒的質(zhì)量減小；溶液中開始沒有Zn2＋，隨著反應進行，溶液中c(Zn2＋)從0開始逐漸增大，溶液的質(zhì)量增加；H＋得電子生成氫氣，所以c(H＋)減小，c(SO)不變；銅棒做正極材料，銅棒的質(zhì)量不變。
7.如圖，在盛有稀H2SO4的燒杯中放入用導線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關于該裝置的下列說法正確的是(　　)
A.外電路的電流方向為X→外電路→Y
B.若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為碳棒，Y為Fe
C.X極上發(fā)生的是還原反應，Y極上發(fā)生的是氧化反應
D.若兩電極都是金屬，則它們的活動性順序為X>Y
答案　D
解析　根據(jù)題圖知該裝置是原電池，外電路中電子從X電極流向Y電極，電流的流向與此相反，即Y→外電路→X，故A錯誤；兩電極分別為Fe和碳棒，則Y為碳棒，X為Fe，故B錯誤；X是負極，負極上發(fā)生氧化反應，Y是正極，正極上發(fā)生還原反應，故C錯誤；原電池中較活潑的金屬做負極，較不活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘僮稣龢O，該原電池中X是負極，Y是正極，所以若兩電極都是金屬，則它們的活動性順序為X>Y，故D正確。
8.下列有關氫燃料電池的說法不正確的是(　　)
A.通入氫氣的電極發(fā)生氧化反應
B.堿性電解液中陽離子向通入氫氣的方向移動
C.正極的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D.放電過程中堿性電解液的OH－的物質(zhì)的量不變
答案　B
解析　該燃料電池為原電池，通入氫氣的一極為電池的負極，發(fā)生氧化反應，A正確；原電池中，陽離子向正極移動，即向通入氧氣的方向移動，B錯誤；通入氧氣的一極為原電池的正極，電解質(zhì)為堿性電解液，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C正確；由圖可知，氫氧燃料電池放電過程中，總反應為氫氣和氧氣反應生成水，則堿性電解液中OH－的物質(zhì)的量不變，D正確。
9.已知X、Y、Z都是金屬，若把X浸入Z的硝酸鹽溶液中，X的表面有Z析出；若X、Y和鹽酸形成原電池，Y為電池的負極。則X、Y、Z的金屬活動性順序為(　　)
A.Y>X>Z B.X>Z>Y
C.X>Y>Z D.Y>Z>X
答案　A
解析　把X浸入Z的硝酸鹽溶液中，X的表面有Z析出，說明金屬X可以把金屬Z從其鹽溶液中置換出來，所以金屬活動性：X>Z；X和Y組成原電池時，Y為電池的負極，所以金屬活動性：Y>X，則X、Y、Z三種金屬的活動性順序為Y>X>Z，A正確。
10.在銅－鋅－稀硫酸組成的原電池裝置中，當導線中有1 mol電子通過時，理論上兩極的變化是(　　)
①鋅片消耗了32.5 g　②鋅片質(zhì)量增加了32.5 g　③銅片上生成1 g氫氣　④銅片上生成1 mol氫氣
A.①③ B.①④
C.②③ D.②④
答案　A
解析　在Cu Zn 稀H2SO4原電池中Zn做負極，Cu做正極，發(fā)生的總反應為Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，設當導線中有1 mol電子通過時，理論上負極鋅片消耗x g，銅片上析出氫氣y g。
Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑　轉移電子
65 g 2 g 2 mol
x g y g 1 mol
解得：x＝32.5，y＝1。
即鋅片消耗了32.5 g，銅片上生成1 g氫氣，說法正確的是①③。
11.干電池中發(fā)生的反應為Zn＋2NH===Zn2＋＋2NH3↑＋H2↑，工作原理示意圖如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.碳棒為電池的負極 B.H2在Zn片上生成
C.電流由鋅片流向碳棒 D.Zn片上發(fā)生氧化反應
答案　D
解析　根據(jù)反應方程式，放電時，Zn元素化合價由0價升高為＋2價，H元素化合價由＋1價降低為0價，所以Zn片做負極，電極反應式為Zn－2e－===Zn2＋，碳棒做正極，H2在碳棒上生成，電流由正極經(jīng)外電路流向負極，應是由碳棒流向鋅片。
12.利用CH4和O2的反應，在KOH溶液中用鉑作電極可以構成原電池。下列說法正確的是(　　)
①每消耗1 mol CH4可以向外電路提供8 mol e－
②在負極上O2獲得電子，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
③外電路電子由負極流向正極，內(nèi)電路電子由正極流向負極
④電池放電過程中，溶液的pH不斷降低
⑤負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應
⑥負極附近會出現(xiàn)淡藍色火焰
A.①④⑤ B.①③④
C.②③⑥ D.②⑤⑥
答案　A
解析　①通入CH4的電極為負極，電極反應式為CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，每消耗1 mol CH4可以向外電路提供8 mol e－，正確；②在正極上O2獲得電子，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，錯誤；③外電路電子由負極流向正極，內(nèi)電路沒有電子流動，錯誤；④電池總反應為CH4＋2OH－＋2O2===CO＋3H2O，隨著反應的進行，溶液中氫氧根離子不斷減少，且產(chǎn)生溶劑水，溶液pH不斷降低，正確；⑤負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，正確；⑥負極附近不可能發(fā)生燃燒，故不會出現(xiàn)淡藍色火焰，錯誤。
二、非選擇題
13.某化學研究性學習小組針對原電池的形成條件，設計了實驗方案，進行如下探究。
(1)請?zhí)顚懹嘘P實驗現(xiàn)象并得出相關結論。
編號 實驗裝置 實驗現(xiàn)象
1 鋅棒逐漸溶解，表面有氣體生成；銅棒表面無現(xiàn)象
2 兩鋅棒逐漸溶解，表面均有氣體生成；電流計指針不偏轉
3 銅棒表面的現(xiàn)象是________；電流計指針________
①通過實驗2和3，可得出原電池的形成條件是____________________。
②通過實驗1和3，可得出原電池的形成條件是____________。
③若將3裝置中稀硫酸換成乙醇，電流計指針將不發(fā)生偏轉，從而可得出原電池的形成條件是__________。
(2)分別寫出實驗3中Zn棒和Cu棒上發(fā)生的電極反應式。
Zn棒：________________。
Cu棒：________________。
(3)實驗3的電流是從________棒流出的(填“Zn”或“Cu”)，反應過程中若有0.4 mol電子發(fā)生了轉移，則Zn電極質(zhì)量減輕________g。
答案　(1)有氣體生成　發(fā)生偏轉　①有活動性不同的兩個電極　②形成閉合回路　③有電解質(zhì)溶液
(2)Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑
(3)Cu　13
解析　(3)實驗3中鋅棒做負極，銅棒做正極，則電流是從Cu棒流出的，反應過程中若有0.4 mol電子發(fā)生轉移，根據(jù)Zn－2e－===Zn2＋可知消耗0.2 mol Zn，則Zn電極質(zhì)量減輕0.2 mol×65 g·mol－1＝13.0 g。
14.化學電源在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應用，請回答下列問題：
(1)根據(jù)構成原電池的本質(zhì)判斷，下列化學方程式正確且能設計成原電池的是________(填序號，下同)。
A.KOH＋HCl===KCl＋H2O
B.Cu＋Fe3＋===Fe2＋＋Cu2＋
C.Na2O＋H2O===2NaOH
D.Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑
(2)為了探究化學反應中的能量變化，某同學設計了如下兩個實驗(如圖)。有關反應一段時間后的實驗現(xiàn)象，下列說法正確的是________。
A.圖Ⅰ中溫度計的示數(shù)高于圖Ⅱ的示數(shù)
B.圖Ⅰ和圖Ⅱ中溫度計的示數(shù)相等，且均高于室溫
C.圖Ⅰ和圖Ⅱ的氣泡均產(chǎn)生于鋅棒表面
D.圖Ⅱ中產(chǎn)生氣體的速率比Ⅰ慢
(3)電動汽車上用的鉛蓄電池是以一組海綿狀鉛板和另一組結構相似的充滿二氧化鉛的鉛板組成，用H2SO4作電解質(zhì)溶液。放電時總反應為Pb＋ PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
①寫出放電時正極的電極反應式：____________________________；
②鉛蓄電池放電時，負極質(zhì)量將________(填“增大”“減小”或“不變”)。當外電路上有2 mol電子通過時，溶液中消耗H2SO4的物質(zhì)的量為________。
答案　(1)D　(2)A
(3)①PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O　②增大　2 mol
解析　(2)圖Ⅰ中發(fā)生的是鋅與稀H2SO4的反應，圖Ⅱ形成銅－鋅原電池。圖Ⅰ主要將化學能轉化為熱能，而圖Ⅱ主要將化學能轉化為電能，則圖Ⅰ中溫度計的示數(shù)高于圖Ⅱ的示數(shù)，但均高于室溫，故A正確，B錯誤；圖Ⅱ中銅為正極，銅棒的表面有氣泡產(chǎn)生，故C錯誤；利用原電池反應可以使金屬與酸的反應速率加快，圖Ⅱ中產(chǎn)生氣體的速率比Ⅰ快，故D錯誤。
(3)①依據(jù)放電時總反應，正極上PbO2得電子發(fā)生還原反應，生成難溶于水的PbSO4，故正極反應式為PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O。②依據(jù)放電時總反應，負極上Pb失電子發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生的Pb2＋結合SO生成難溶于水的PbSO4附著在Pb表面，故負極質(zhì)量將增大；根據(jù)總反應，當外電路上有2 mol電子通過時，溶液中消耗H2SO4的物質(zhì)的量為2 mol。
12化學　必修 第二冊（魯科）
第2課時　化學反應能量轉化的重要應用——化學電池
核心素養(yǎng) 學業(yè)要求
體會化學電池對提高生活質(zhì)量的重要意義，體會化學科學對社會發(fā)展的貢獻，強化綠色化學觀念和可持續(xù)發(fā)展意識。 1.了解原電池的構成和工作原理。 2.知道構成原電池的條件。 3.了解化學能與電能的相互轉化以及化學反應的其他應用。 4.了解常見的化學電池。
1.原電池
一種利用 將 直接轉化成 的裝置。
2.認識氫氧燃料電池
在氫氧燃料電池中，氧化反應與還原反應分別在 進行。其中氫氣分子中的氫原子在左側石墨電極上 電子，氫氣作為電池的 ；氧氣分子中氧原子在右側石墨電極上 電子，氧氣作為電池的 。
3.原電池的基本工作原理
和 分別在不同的區(qū)域發(fā)生氧化反應和還原反應，并通過能導電的物質(zhì)形成 產(chǎn)生 。其中，還原劑在 上 電子，是 反應物；氧化劑在 上 電子，是 反應物；電極材料通常是能夠 的固體。此外，還要有能夠傳導電荷的 作為離子導體；而導線則作為 導體，起到傳導電子形成 的作用。
4.設計原電池
設計思路及依據(jù) 實驗現(xiàn)象及電極反應式
氧化還原反應：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑ 現(xiàn)象：銅片上有大量的無色 產(chǎn)生并逸出，鋅片不斷 ，電流表指針發(fā)生偏轉。電極反應式：負極： 正極：
確定負極 選擇負極反應物：
選擇負極材料：
確定正極 選擇正極反應物：
選擇正極材料：
形成閉合回路 選擇離子導體：
選擇電子導體：
5.常見電池
(1)干電池(屬于 )：如 電池。
(2)充電電池(又稱 )：如 、 (手機用)。
(3)燃料電池：具有 ， 等優(yōu)點。
1.判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”。
(1)原電池是電能轉化為化學能的裝置。(　　)
(2)將銅片和鋅片用導線連接插入任何溶液中，電流表指針都會偏轉。(　　)
(3)原電池工作時，在負極上發(fā)生氧化反應，正極上發(fā)生還原反應。(　　)
(4)所有的化學反應都可以設計成原電池。(　　)
(5)原電池中，一定是還原劑做負極材料。(　　)
(6)在原電池中，還原劑做負極反應物，一定和離子導體發(fā)生反應。(　　)
(7)原電池在工作時，電子可以通過電解質(zhì)溶液形成電流。(　　)
2.下列有關原電池的說法中正確的是(　　)
A.在外電路中電子由正極流向負極
B.在原電池中負極發(fā)生還原反應
C.原電池工作時，陽離子向正極方向移動
D.原電池中正極一定是不活潑金屬
3.如圖所示，將鎂棒和銅棒插入橙子中，用導線將其接入電流表后電流表指針發(fā)生偏轉，該電池中(　　)
A.鎂棒是負極 B.銅棒是負極
C.鎂棒被還原 D.銅棒被氧化
4.一種氫能的制取、貯存及利用如圖所示，圖示中能量轉化方式不涉及(　　)
A.電能→化學能 B.光能→化學能
C.化學能→電能 D.電能→機械能
5.對下列化學反應，可設計為原電池的是(　　)
A.H2SO4＋Ba(OH)2===BaSO4↓＋2H2O
B.NH4HCO3NH3↑＋CO2↑＋H2O
C.CaO＋H2O===Ca(OH)2
D.Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag
探究一　原電池的工作原理
1.原電池的構成條件
(1)能自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應。
(2)電極：兩個導體做電極。一般為兩種活動性不同的金屬，其中較活潑的金屬做負極，發(fā)生氧化反應，較不活潑的金屬做正極，發(fā)生還原反應；或金屬與能導電的非金屬(如石墨)做電極，其中金屬做負極，非金屬(如石墨)做正極。
(3)具有電解質(zhì)溶液且構成閉合回路：兩電極用導線相連放入電解質(zhì)溶液中形成閉合回路。
2.原電池的工作原理(以Cu Zn 稀H2SO4原電池為例)
實驗裝置
實驗現(xiàn)象 銅片上有大量的無色氣體生成并逸出，鋅片不斷溶解，燈泡變亮
實驗結論 導線中有電流通過，通過化學反應，化學能轉化為電能
原理分析 電池總反應：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑當把用導線連接的銅片與鋅片一同插入稀硫酸中時：①鋅原子失去電子被氧化為Zn2＋進入溶液；②電子由鋅片通過導線流向銅片；③溶液中的H＋從銅片上獲得電子被還原為氫氣而逸出；④電子在導線上做定向移動，形成電流
電極反應式的書寫 (1)負極反應式的書寫 ①活潑金屬做負極時，電極本身被氧化： a.若生成的陽離子不與電解質(zhì)溶液反應，其產(chǎn)物可直接寫為金屬陽離子，如：Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋。 b.若生成的金屬陽離子與電解質(zhì)溶液反應，其電極反應式為兩反應合并后的反應式。如Mg Al(KOH)原電池，負極反應式為Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－；鉛蓄電池負極反應式：Pb－2e－＋SO===PbSO4。 ②負極本身不反應時，常見書寫方法為： 氫氧(酸性)燃料電池，負極反應式為H2－2e－===2H＋。 氫氧(堿性)燃料電池，負極反應式為H2－2e－＋2OH－===2H2O。 (2)正極反應式的書寫 ①首先根據(jù)化合價變化或氧化性強弱判斷得電子的微粒； ②其次確定該微粒得電子后變成哪種形式。 如氫氧(酸性)燃料電池，正極反應式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 氫氧(堿性)燃料電池，正極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
1.下列各裝置能構成原電池的是(　　)
2.如圖所示裝置中，觀察到電流表指針偏轉(指針順著電流方向偏轉)，M變粗，N變細，由此判斷下表中所列M、N、P三種物質(zhì)，其中可以成立的是(　　)
M N P
A 鋅 銅 稀硫酸
B 銅 鐵 稀鹽酸
C 銀 鋅 硝酸銀溶液
D 鋅 鐵 硝酸鐵溶液
原電池的判定 (1)先分析有無外接電源，無外接電源的可能為原電池。 (2)根據(jù)原電池的形成條件——四看 看電極——兩極為導體，且存在活動性差異； 看溶液——兩極插入電解質(zhì)溶液中； 看回路——形成閉合回路； 看本質(zhì)——有自發(fā)的氧化還原反應發(fā)生。
探究二　原電池的應用
　原電池的應用
(1)加快氧化還原反應速率
如實驗室用Zn和稀硫酸(或稀鹽酸)反應制備H2，常用粗鋅。原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池，加快了鋅的腐蝕，使產(chǎn)生H2的速率加快。
(2)比較金屬的活動性強弱
原電池中，一般活動性強的金屬做負極，活動性弱的金屬做正極。如有兩種金屬A和B，用導線連接后插入稀硫酸中，觀察到A極溶解，B極上有氣泡產(chǎn)生，由原電池原理可知，金屬活動性：A>B。
(3)金屬的防護
輪船外殼上鑲嵌鋅塊，在海水中形成原電池，鋅做負極失去電子，保護鐵不被腐蝕。
(4)設計原電池
設計原電池要依據(jù)原電池的構成條件來進行。
①一個自發(fā)的氧化還原反應。
②兩個導電的電極。
③電解質(zhì)溶液及導線構成閉合回路。
例如以Cu＋2FeCl3===2FeCl2＋CuCl2設計原電池
設計思路 實例
以自發(fā)進行的氧化還原反應為基礎 Cu＋2FeCl3===2FeCl2＋CuCl2
把氧化還原反應分解為氧化反應和還原反應兩個半反應，從而確定電極反應 負極反應(氧化反應)：Cu－2e－===Cu2＋正極反應(還原反應)：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
以電極反應為原理，根據(jù)原電池的工作原理確定電極材料和電解質(zhì)溶液 負極：Cu正極：石墨電解質(zhì)溶液：FeCl3溶液
原電池的裝置簡圖
3.下列四個化學反應中，理論上不可能設計為原電池的是(　　)
A.2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
B.2H2＋O22H2O
C.Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4
D.Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑
4.選擇適宜的材料和試劑，請利用反應“Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋”設計一個化學電池。
回答下列問題：
(1)負極材料：________；正極材料：________；電解質(zhì)溶液：________。
(2)寫出電極反應式
正極：__________________________；
負極：__________________________。
(3)原電池中電子從________極流出，電解質(zhì)溶液中陰離子流向________(填“正”或“負”)極。
本課小結 原電池是把化學能轉化為電能的裝置。其工作原理是：
課時作業(yè)
一、選擇題(每小題只有1個選項符合題意)
1.下列燒杯中盛放的都是稀硫酸，不能形成原電池的是(　　)
2.由下列各組材料和電解質(zhì)溶液能組成原電池的是(　　)
選項 A B C D
兩極材料 Mg、Mg Zn、Fe 金剛石、Cu Zn、Cu
電解質(zhì)溶液 稀H2SO4 乙醇 濃H2SO4 稀鹽酸
3.下列有關原電池的說法中不正確的是(　　)
A.在內(nèi)電路中，電子由正極流向負極
B.原電池的正、負極材料不一定都參與反應
C.原電池工作時，正極上發(fā)生還原反應
D.原電池工作時，可能會伴隨著熱量變化
4.如圖是課外活動小組設計的用化學電源使LED燈發(fā)光的裝置。下列說法不正確的是(　　)
A.銅片表面有氣泡生成，且溶液中SO向該電極移動
B.裝置中存在“化學能→電能→光能”的轉換
C.如果將硫酸換成檸檬汁，導線中仍有電子流動
D.如果將鋅片換成鐵片，電路中的電流方向不變
5.如圖所示進行實驗，下列說法不正確的是(　　)
A.裝置甲的鋅片上和裝置乙的銅片上均可觀察到有氣泡產(chǎn)生
B.甲、乙裝置中的能量變化均為化學能轉化為電能
C.裝置乙中的鋅、銅之間用導線連接電流計，可觀察到電流計指針發(fā)生偏轉
D.裝置乙中負極的電極反應式：Zn－2e－===Zn2＋
6.圖甲是銅鋅原電池示意圖。圖乙中x軸表示原電池工作時流入正極的電子的物質(zhì)的量，則y軸可以表示(　　)
①c(Zn2＋)　②c(H＋)　③c(SO)　④鋅棒的質(zhì)量　⑤銅棒的質(zhì)量　⑥溶液的質(zhì)量
A.①⑥ B.②④
C.③⑤ D.⑥
7.如圖，在盛有稀H2SO4的燒杯中放入用導線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關于該裝置的下列說法正確的是(　　)
A.外電路的電流方向為X→外電路→Y
B.若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為碳棒，Y為Fe
C.X極上發(fā)生的是還原反應，Y極上發(fā)生的是氧化反應
D.若兩電極都是金屬，則它們的活動性順序為X>Y
8.下列有關氫燃料電池的說法不正確的是(　　)
A.通入氫氣的電極發(fā)生氧化反應
B.堿性電解液中陽離子向通入氫氣的方向移動
C.正極的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D.放電過程中堿性電解液的OH－的物質(zhì)的量不變
9.已知X、Y、Z都是金屬，若把X浸入Z的硝酸鹽溶液中，X的表面有Z析出；若X、Y和鹽酸形成原電池，Y為電池的負極。則X、Y、Z的金屬活動性順序為(　　)
A.Y>X>Z B.X>Z>Y
C.X>Y>Z D.Y>Z>X
10.在銅－鋅－稀硫酸組成的原電池裝置中，當導線中有1 mol電子通過時，理論上兩極的變化是(　　)
①鋅片消耗了32.5 g　②鋅片質(zhì)量增加了32.5 g　③銅片上生成1 g氫氣　④銅片上生成1 mol氫氣
A.①③ B.①④
C.②③ D.②④
11.干電池中發(fā)生的反應為Zn＋2NH===Zn2＋＋2NH3↑＋H2↑，工作原理示意圖如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.碳棒為電池的負極 B.H2在Zn片上生成
C.電流由鋅片流向碳棒 D.Zn片上發(fā)生氧化反應
12.利用CH4和O2的反應，在KOH溶液中用鉑作電極可以構成原電池。下列說法正確的是(　　)
①每消耗1 mol CH4可以向外電路提供8 mol e－
②在負極上O2獲得電子，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－
③外電路電子由負極流向正極，內(nèi)電路電子由正極流向負極
④電池放電過程中，溶液的pH不斷降低
⑤負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應
⑥負極附近會出現(xiàn)淡藍色火焰
A.①④⑤ B.①③④
C.②③⑥ D.②⑤⑥
二、非選擇題
13.某化學研究性學習小組針對原電池的形成條件，設計了實驗方案，進行如下探究。
(1)請?zhí)顚懹嘘P實驗現(xiàn)象并得出相關結論。
編號 實驗裝置 實驗現(xiàn)象
1 鋅棒逐漸溶解，表面有氣體生成；銅棒表面無現(xiàn)象
2 兩鋅棒逐漸溶解，表面均有氣體生成；電流計指針不偏轉
3 銅棒表面的現(xiàn)象是________；電流計指針________
①通過實驗2和3，可得出原電池的形成條件是____________________。
②通過實驗1和3，可得出原電池的形成條件是____________。
③若將3裝置中稀硫酸換成乙醇，電流計指針將不發(fā)生偏轉，從而可得出原電池的形成條件是__________。
(2)分別寫出實驗3中Zn棒和Cu棒上發(fā)生的電極反應式。
Zn棒：________________。
Cu棒：________________。
(3)實驗3的電流是從________棒流出的(填“Zn”或“Cu”)，反應過程中若有0.4 mol電子發(fā)生了轉移，則Zn電極質(zhì)量減輕________g。
14.化學電源在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應用，請回答下列問題：
(1)根據(jù)構成原電池的本質(zhì)判斷，下列化學方程式正確且能設計成原電池的是________(填序號，下同)。
A.KOH＋HCl===KCl＋H2O
B.Cu＋Fe3＋===Fe2＋＋Cu2＋
C.Na2O＋H2O===2NaOH
D.Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑
(2)為了探究化學反應中的能量變化，某同學設計了如下兩個實驗(如圖)。有關反應一段時間后的實驗現(xiàn)象，下列說法正確的是________。
A.圖Ⅰ中溫度計的示數(shù)高于圖Ⅱ的示數(shù)
B.圖Ⅰ和圖Ⅱ中溫度計的示數(shù)相等，且均高于室溫
C.圖Ⅰ和圖Ⅱ的氣泡均產(chǎn)生于鋅棒表面
D.圖Ⅱ中產(chǎn)生氣體的速率比Ⅰ慢
(3)電動汽車上用的鉛蓄電池是以一組海綿狀鉛板和另一組結構相似的充滿二氧化鉛的鉛板組成，用H2SO4作電解質(zhì)溶液。放電時總反應為Pb＋ PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
①寫出放電時正極的電極反應式：____________________________；
②鉛蓄電池放電時，負極質(zhì)量將________(填“增大”“減小”或“不變”)。當外電路上有2 mol電子通過時，溶液中消耗H2SO4的物質(zhì)的量為________。
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