6.3 第2课时 化学电源 学案（含答案） 2023-2024学年高一化学苏教版（2020）必修第二册
文档属性
| 名称 | 6.3 第2课时 化学电源 学案（含答案） 2023-2024学年高一化学苏教版（2020）必修第二册 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 119.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-10 10:12:52 | ||
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文档简介
6.3第2课时 化学电源
【学习目标】
1.学会利用原电池原理设计一些简单的电池。
2.了解干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点与应用。
3.能利用原电池工作原理分析常见简单的化学电源。能正确书写简单化学电源的电极反应式。
4.了解化学电源与人类生产、生活的密切关系,了解研制新型电池的重要性。
【合作探究】
【学习情境】
随着经济的发展、人们生活水平的提高以及科技的进步,电池已经深入我们工作、学习和生活中的每一个角落,如计算器、闹钟、电蚊拍、手电筒、MP3、手机等,都需要电池才能工作。其用量越来越大,生产量也就越来越大。怎样设计电池呢 电池是如何产生电能的呢 电池的工作原理和电解的工作原理有什么异同呢
任务1 电池的设计
【新知生成】
一、探究简易电池的制作
利用铜片、锌片(可从废旧干电池中拆取)或铝片、白醋(或橙子)等日常生活中的材料制作简易电池。说出你设计的电池的正负极材料和作电解质溶液的物质。
二、绘制原电池装置图
利用氧化还原反应Fe+Cu2+Fe2++Cu设计原电池,画出原电池装置图,并标出电极材料及电解质溶液。
【答案】一、
序号 负极 正极 作电解质溶液的物质
1 锌片 铜片 白醋
2 锌片 铜片 橙子
3 铝片 铜片 白醋
4 铝片 铜片 橙子
5 铝片 锌片 白醋
6 铝片 锌片 橙子
二、
【核心突破】
典例1 依据氧化还原反应2Ag++CuCu2++2Ag设计的原电池如图所示。下列有关说法错误的是( )。
A.电极X的材料是Cu
B.电解质溶液Y是CuSO4溶液
C.电子从X电极经导线流向Ag电极
D.Ag电极为电池的正极,电极反应为Ag++e-Ag
【答案】B
【解析】根据总反应式可知铜失去电子,溶液中的银离子得到电子,铜是负极,银是正极,则电极X的材料是Cu,A项正确;溶液中的银离子得到电子,电解质溶液Y是硝酸银溶液,B项错误;负极失去电子,则电子从X电极经导线流向Ag电极,C项正确;根据以上分析可知Ag电极为电池的正极,电极反应为Ag++e-Ag,D项正确。
【归纳总结】
设计原电池的方法
(1)定:确定一个能够自发进行的氧化还原反应。
(2)拆:将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,分别作为负极和正极的电极反应,还原剂-ne-氧化产物(负极电极反应);氧化剂+ne-还原产物(正极电极反应)。
(3)找:①电极材料:电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料,或者在该氧化还原反应中,本身失去电子的材料。②电解质溶液:电解质溶液一般能与负极反应。
(4)画:连接电路形成闭合回路,画出原电池示意图。
训练1 某原电池的总反应为Fe+2Fe3+3Fe2+,与此电池反应不符合的原电池是( )。
①铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
②石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
③铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池
④银片、铁片、Fe(NO3)2溶液组成的原电池
A. ①② B. ②③ C. ③④ D. ②④
【答案】C
【解析】根据电池反应Fe+2Fe3+3Fe2+可知,Fe为该原电池的负极,比Fe不活泼的金属或非金属导体为正极,含Fe3+的溶液为电解质溶液,故③④不符合题意。
任务2 化学电源与电解应用
【新知生成】
一、化学电源
1.概念:依据 反应的原理,通过 反应实现 能向 能转化的能够较长时间稳定持续供电的装置。
2.分类:化学电源有 电池(不能充电,不能反复使用)、 电池(可充电,可多次重复使用)和 电池。
3.常见化学电源
电池名称 电池组成
锌锰干电池 锌筒为 极,石墨棒为 极,MnO2和NH4Cl作
银锌纽扣 电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是氢氧化钾溶液
铅蓄电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是 溶液
镍氢电池 负极是贮氢合金,正极是泡沫氧化镍,电解质溶液是 溶液
氢氧燃料 电池 负极通 ,正极通 ,KOH溶液为电解质溶液
甲醇—空气 燃料电池 负极通 ,正极通 ,KOH溶液为电解质溶液
二、电解池及其应用
1.电解池:将 能转化为 能的装置。
2.经典应用:①电解水制得 和氧气;②电解饱和食盐水制备 、 和氢气;③电解熔融 、 、 制备钠、镁、铝。
【答案】一、1.原电池 氧化还原 化学 电 2.一次 二次 燃料 3.负 正 电解质 锌 氧化银 Pb PbO2 硫酸 KOH 氢气 氧气 甲醇 空气
二、1.电 化学 2.①氢气 ②烧碱 氯气 ③氯化钠 氯化镁 氧化铝
【核心突破】
典例2 锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池的总反应为:
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)
下列说法错误的是( )。
A.电池工作时,锌失去电子被氧化
B.电池正极的电极反应为2MnO2(s)+H2O(1)+2e-Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.电池工作时,负极反应为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
【答案】C
【解析】由电池总反应可知,电池工作时,锌失去电子被氧化,A项正确;正极上MnO2被还原为Mn2O3,B项正确;电池工作时,负极失电子,发生氧化反应,电子由负极通过外电路流向正极,C项错误;负极上Zn被氧化,碱性环境中生成Zn(OH)2,D项正确。
典例3 某种燃料电池的工作原理如图所示,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极的电极反应为
。
【答案】(1)B (2)CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
【归纳总结】
电极反应式的书写
1.根据原电池的装置书写电极反应
(1)负极
①若负极材料本身被氧化,其电极反应式有两种情况:
第一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液的成分反应,此时的电极反应式可表示为M-ne-Mn+。
另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液的成分反应,此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液的反应叠加在一起,如铅蓄电池的负极反应为Pb+S-2e-PbSO4。
②若负极材料本身不反应,如燃料电池,在书写负极反应式时,要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液的反应叠加在一起,如H2-O2(KOH溶液)电池的负极反应为H2+2OH--2e-2H2O。
(2)正极:当负极材料与电解质溶液能发生自发的氧化还原反应时,在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒。
2.根据原电池反应书写电极反应
(1)根据化合价升降,找出发生氧化反应和还原反应的物质,确定正、负极产物。
(2)利用得失电子守恒,确定参与氧化还原反应物质的化学计量数。
(3)利用电荷守恒、原子守恒确定其他物质的化学计量数。
3.燃料电池电极反应式的书写方法
(1)写出电池总反应。燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加合后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOHNa2CO3+3H2O。
(2)写出电池的正极反应。
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下两种情况:
①酸性电解质溶液环境下的电极反应:O2+4H++4e-2H2O。
②碱性电解质溶液环境下的电极反应:O2+2H2O+4e-4OH-。
(3)根据电池总反应式和正极反应,写出电池的负极反应。
训练2 银锌电池是一种常见化学电源,电池反应为Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。其工作原理如图所示。下列说法错误的是( )。
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
【答案】D
【解析】反应中锌失去电子,Zn电极是负极,A项正确;Ag2O得到电子,发生还原反应,B项正确;电解质溶液显碱性,Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,C项正确;根据方程式可知消耗水,OH-浓度增大,放电后电解质溶液的pH升高,D项错误。
训练3 汽车的启动电源常用铅蓄电池,其电池反应如下:PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O,根据此反应判断,下列叙述中正确的是( )。
A.放电时Pb是正极
B.放电时PbO2得电子,被氧化
C.放电时负极反应是Pb+S-2e-PbSO4
D.电池放电时,溶液的酸性增强
【答案】C
【解析】从铅蓄电池的放电反应可以看出:放电过程中Pb失去电子变为Pb2+,发生氧化反应,因而Pb是负极,A项错误;PbO2得到电子发生还原反应,被还原,B项错误;反应过程中消耗了H2SO4,使溶液的酸性减弱,D项错误。
【课堂小结】
【随堂检测】
1.下列说法正确的是( )。
A.镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池
C.化学电池的反应基础是氧化还原反应
D.铅蓄电池放电时正极材料是Pb,负极材料是PbO2
【答案】C
【解析】碱性锌锰干电池是一次电池,A项错误;燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池,B项错误;铅蓄电池放电时正极材料是PbO2,负极材料是Pb,D项错误。
2.某同学用锌片、铜片、发光二极管、滤纸、导线、玻璃片等制成如图所示的原电池,当滤纸用醋酸溶液润湿时,二极管发光。下列有关该电池的说法正确的是( )。
A.铜片上的电极反应为Cu-2e-Cu2+
B.锌片为电池的负极
C.外电路中电子由铜片经导线流向锌片
D.该电池工作时将电能直接转化为化学能
【答案】B
3.燃料电池是当今发达国家十分重视的高新技术开发领域,是继火电、水电、核电之后的第四种发电装置。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-2H2O
C.总反应方程式为2H2+O22H2O
D.该装置工作一段时间后,溶液的pH减小
【答案】B
2
【学习目标】
1.学会利用原电池原理设计一些简单的电池。
2.了解干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点与应用。
3.能利用原电池工作原理分析常见简单的化学电源。能正确书写简单化学电源的电极反应式。
4.了解化学电源与人类生产、生活的密切关系,了解研制新型电池的重要性。
【合作探究】
【学习情境】
随着经济的发展、人们生活水平的提高以及科技的进步,电池已经深入我们工作、学习和生活中的每一个角落,如计算器、闹钟、电蚊拍、手电筒、MP3、手机等,都需要电池才能工作。其用量越来越大,生产量也就越来越大。怎样设计电池呢 电池是如何产生电能的呢 电池的工作原理和电解的工作原理有什么异同呢
任务1 电池的设计
【新知生成】
一、探究简易电池的制作
利用铜片、锌片(可从废旧干电池中拆取)或铝片、白醋(或橙子)等日常生活中的材料制作简易电池。说出你设计的电池的正负极材料和作电解质溶液的物质。
二、绘制原电池装置图
利用氧化还原反应Fe+Cu2+Fe2++Cu设计原电池,画出原电池装置图,并标出电极材料及电解质溶液。
【答案】一、
序号 负极 正极 作电解质溶液的物质
1 锌片 铜片 白醋
2 锌片 铜片 橙子
3 铝片 铜片 白醋
4 铝片 铜片 橙子
5 铝片 锌片 白醋
6 铝片 锌片 橙子
二、
【核心突破】
典例1 依据氧化还原反应2Ag++CuCu2++2Ag设计的原电池如图所示。下列有关说法错误的是( )。
A.电极X的材料是Cu
B.电解质溶液Y是CuSO4溶液
C.电子从X电极经导线流向Ag电极
D.Ag电极为电池的正极,电极反应为Ag++e-Ag
【答案】B
【解析】根据总反应式可知铜失去电子,溶液中的银离子得到电子,铜是负极,银是正极,则电极X的材料是Cu,A项正确;溶液中的银离子得到电子,电解质溶液Y是硝酸银溶液,B项错误;负极失去电子,则电子从X电极经导线流向Ag电极,C项正确;根据以上分析可知Ag电极为电池的正极,电极反应为Ag++e-Ag,D项正确。
【归纳总结】
设计原电池的方法
(1)定:确定一个能够自发进行的氧化还原反应。
(2)拆:将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,分别作为负极和正极的电极反应,还原剂-ne-氧化产物(负极电极反应);氧化剂+ne-还原产物(正极电极反应)。
(3)找:①电极材料:电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料,或者在该氧化还原反应中,本身失去电子的材料。②电解质溶液:电解质溶液一般能与负极反应。
(4)画:连接电路形成闭合回路,画出原电池示意图。
训练1 某原电池的总反应为Fe+2Fe3+3Fe2+,与此电池反应不符合的原电池是( )。
①铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
②石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
③铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池
④银片、铁片、Fe(NO3)2溶液组成的原电池
A. ①② B. ②③ C. ③④ D. ②④
【答案】C
【解析】根据电池反应Fe+2Fe3+3Fe2+可知,Fe为该原电池的负极,比Fe不活泼的金属或非金属导体为正极,含Fe3+的溶液为电解质溶液,故③④不符合题意。
任务2 化学电源与电解应用
【新知生成】
一、化学电源
1.概念:依据 反应的原理,通过 反应实现 能向 能转化的能够较长时间稳定持续供电的装置。
2.分类:化学电源有 电池(不能充电,不能反复使用)、 电池(可充电,可多次重复使用)和 电池。
3.常见化学电源
电池名称 电池组成
锌锰干电池 锌筒为 极,石墨棒为 极,MnO2和NH4Cl作
银锌纽扣 电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是氢氧化钾溶液
铅蓄电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是 溶液
镍氢电池 负极是贮氢合金,正极是泡沫氧化镍,电解质溶液是 溶液
氢氧燃料 电池 负极通 ,正极通 ,KOH溶液为电解质溶液
甲醇—空气 燃料电池 负极通 ,正极通 ,KOH溶液为电解质溶液
二、电解池及其应用
1.电解池:将 能转化为 能的装置。
2.经典应用:①电解水制得 和氧气;②电解饱和食盐水制备 、 和氢气;③电解熔融 、 、 制备钠、镁、铝。
【答案】一、1.原电池 氧化还原 化学 电 2.一次 二次 燃料 3.负 正 电解质 锌 氧化银 Pb PbO2 硫酸 KOH 氢气 氧气 甲醇 空气
二、1.电 化学 2.①氢气 ②烧碱 氯气 ③氯化钠 氯化镁 氧化铝
【核心突破】
典例2 锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池的总反应为:
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)
下列说法错误的是( )。
A.电池工作时,锌失去电子被氧化
B.电池正极的电极反应为2MnO2(s)+H2O(1)+2e-Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.电池工作时,负极反应为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
【答案】C
【解析】由电池总反应可知,电池工作时,锌失去电子被氧化,A项正确;正极上MnO2被还原为Mn2O3,B项正确;电池工作时,负极失电子,发生氧化反应,电子由负极通过外电路流向正极,C项错误;负极上Zn被氧化,碱性环境中生成Zn(OH)2,D项正确。
典例3 某种燃料电池的工作原理如图所示,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极的电极反应为
。
【答案】(1)B (2)CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
【归纳总结】
电极反应式的书写
1.根据原电池的装置书写电极反应
(1)负极
①若负极材料本身被氧化,其电极反应式有两种情况:
第一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液的成分反应,此时的电极反应式可表示为M-ne-Mn+。
另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液的成分反应,此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液的反应叠加在一起,如铅蓄电池的负极反应为Pb+S-2e-PbSO4。
②若负极材料本身不反应,如燃料电池,在书写负极反应式时,要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液的反应叠加在一起,如H2-O2(KOH溶液)电池的负极反应为H2+2OH--2e-2H2O。
(2)正极:当负极材料与电解质溶液能发生自发的氧化还原反应时,在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒。
2.根据原电池反应书写电极反应
(1)根据化合价升降,找出发生氧化反应和还原反应的物质,确定正、负极产物。
(2)利用得失电子守恒,确定参与氧化还原反应物质的化学计量数。
(3)利用电荷守恒、原子守恒确定其他物质的化学计量数。
3.燃料电池电极反应式的书写方法
(1)写出电池总反应。燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加合后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOHNa2CO3+3H2O。
(2)写出电池的正极反应。
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下两种情况:
①酸性电解质溶液环境下的电极反应:O2+4H++4e-2H2O。
②碱性电解质溶液环境下的电极反应:O2+2H2O+4e-4OH-。
(3)根据电池总反应式和正极反应,写出电池的负极反应。
训练2 银锌电池是一种常见化学电源,电池反应为Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。其工作原理如图所示。下列说法错误的是( )。
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
【答案】D
【解析】反应中锌失去电子,Zn电极是负极,A项正确;Ag2O得到电子,发生还原反应,B项正确;电解质溶液显碱性,Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,C项正确;根据方程式可知消耗水,OH-浓度增大,放电后电解质溶液的pH升高,D项错误。
训练3 汽车的启动电源常用铅蓄电池,其电池反应如下:PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O,根据此反应判断,下列叙述中正确的是( )。
A.放电时Pb是正极
B.放电时PbO2得电子,被氧化
C.放电时负极反应是Pb+S-2e-PbSO4
D.电池放电时,溶液的酸性增强
【答案】C
【解析】从铅蓄电池的放电反应可以看出:放电过程中Pb失去电子变为Pb2+,发生氧化反应,因而Pb是负极,A项错误;PbO2得到电子发生还原反应,被还原,B项错误;反应过程中消耗了H2SO4,使溶液的酸性减弱,D项错误。
【课堂小结】
【随堂检测】
1.下列说法正确的是( )。
A.镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池
C.化学电池的反应基础是氧化还原反应
D.铅蓄电池放电时正极材料是Pb,负极材料是PbO2
【答案】C
【解析】碱性锌锰干电池是一次电池,A项错误;燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池,B项错误;铅蓄电池放电时正极材料是PbO2,负极材料是Pb,D项错误。
2.某同学用锌片、铜片、发光二极管、滤纸、导线、玻璃片等制成如图所示的原电池,当滤纸用醋酸溶液润湿时,二极管发光。下列有关该电池的说法正确的是( )。
A.铜片上的电极反应为Cu-2e-Cu2+
B.锌片为电池的负极
C.外电路中电子由铜片经导线流向锌片
D.该电池工作时将电能直接转化为化学能
【答案】B
3.燃料电池是当今发达国家十分重视的高新技术开发领域,是继火电、水电、核电之后的第四种发电装置。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-2H2O
C.总反应方程式为2H2+O22H2O
D.该装置工作一段时间后,溶液的pH减小
【答案】B
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