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第三单元 化学能与电能的转化
第1课时 化学能转化为电能
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
课标定位
素养阐释
1.通过探究实验,推理得出原电池的组成条件和工作原理,发展科学探究和模型认知的素养。
2.从宏观辨识和微观探析的视角分析化学反应的能量变化。
3.能说出日常生活中常见化学电源,并认识钢铁腐蚀的原理。
自主预习·新知导学
一、原电池及其工作原理
1.实验探究。
2.原电池的定义。
原电池是将化学能转变为电能的装置;原电池的反应本质是氧化还原反应。
3.原电池的构成条件。
理论上,自发的氧化还原反应均可构成原电池。
具体条件是:①具有两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属或能导电的非金属与能导电的非金属)。
②两电极均插入电解质溶液中。
③两电极用导线相连,形成闭合回路。
【自主思考1】 是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池
提示:不是。能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。原电池是利用氧化还原反应原理,使还原反应与氧化反应分别在两极发生,电子在导线中定向移动,形成电流。
4.原电池的工作原理。
(1)分析下图并填空。
原电池总反应式:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(2)能量转化:化学能转变为电能。
【自主思考2】 若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨,可以形成原电池吗 为什么
提示:可以,因为Cu在该原电池中起到的是传递电子的作用,其本身并未参与电极反应。石墨也可以导电,把Cu电极换成石墨也能形成原电池。
二、钢铁的电化学腐蚀
1.不纯的金属与电解质溶液接触,发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化,这种腐蚀叫作电化学腐蚀。
2.钢铁的电化学腐蚀。
【自主思考3】 钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈,但在潮湿的空气里很快就会生锈,这是什么原因呢
提示:钢铁腐蚀实质上是发生了原电池反应,钢铁在潮湿的空气中表面能形成一层水膜,具备了形成原电池的条件,而干燥的空气中不具备与电解质溶液接触的条件。
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)原电池是一种电能转化为化学能的装置。( )
(2)在原电池中,负极失去电子发生氧化反应。( )
(3)在原电池中,正极是电子流出极。( )
(4)用导线连接的铜片和锌片插入稀硫酸中,铜片上有大量气泡产生。( )
(5)在铜、锌与稀硫酸形成的原电池中,电子由锌通过导线流向铜,再由铜通过电解质溶液到达锌。( )
×
√
×
√
×
(6)原电池中阳离子向正极移动。( )
(7)反应Cu+2Ag+══2Ag+Cu2+,能以原电池的形式来实现。( )
(8)HCl+NaOH══NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池。( )
(9)将铜片和锌片用导线连接插入CCl4中,电流计指针发生偏转。( )
√
√
×
×
2.下列烧杯中盛放的都是稀硫酸,在铜电极上能产生气泡的是( )。
答案:A
3.根据原电池原理,结合装置示意图,按要求解答问题:
(1)若X为Zn,Y为硫酸铜溶液,则X为 (填电
极名称),判断依据 ;铜电极的名
称是 ,溶液中的Cu2+移向 (填
“Cu”或“X”)电极。
(2)若X为银,Y为硝酸银溶液,则X为 (填
电极名称),判断依据 ;铜电极的名称是 ,溶液中的Ag+移向 (填“Cu”或“X”)电极。
答案:(1)负极 锌的活动性比铜强(或Zn的还原性比Cu强) 正极 Cu
(2)正极 铜的活动性比银强(或Cu的还原性比Ag强) 负极 X
合作探究·释疑解惑
探究任务1
探究任务2
探究任务1 原电池工作原理
问题引领
1.在铜锌原电池中,电子是怎样移动的 电子能否通过电解质溶液 原电池工作时电解质溶液中的电流是怎样形成的
提示:锌失去电子,电子通过导线流向铜片。电子不能通过电解质溶液。在溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极,阴、阳离子定向移动形成电流。
2.下列装置能否形成原电池,其理由是什么
提示:都不能。第一个装置中没有形成闭合回路;第二个装置中两个电极上无法分别发生氧化反应和还原反应;第三个装置中没有电解质溶液(乙醇是非电解质)。
归纳提升
1.原电池的构成条件。
2.原电池工作原理。
(1)两反应:正极发生还原反应,负极发生氧化反应。
(2)三方向:电流方向(导线中)为正极→负极;电子流动方向(导线中)为负极→正极;阴阳离子的移动方向(电解质溶液中)为阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,简称“阴负阳正”。
(1)原电池中“电子不下水,离子不上岸”,即电子只能在导线中传递,不能在电解质溶液中传递,而阴阳离子只能在电解质溶液中传递,不能在导线中传递。
(2)阳离子移向正极,即“正向正”;阴离子移向负极,即“负向负”。
3.原电池正、负极判断的一般方法。
4.原电池电极反应式的书写方法。
原电池反应所依托的化学反应原理是氧化还原反应,书写电极反应的方法归纳如下。
(1)写出总化学反应方程式(即氧化还原反应方程式)。
(2)根据总反应方程式从电子得失(或元素化合价升降)的角度,将总反应分成氧化反应和还原反应。
(3)氧化反应在负极发生,还原反应在正极发生,注意介质可能参与电极反应。
(4)验证:两电极反应式相加所得的式子和原化学方程式相同,则书写正确。
典型例题
【例题1】 如图是锌、铜和稀硫酸组成的原电池,化学社团的一位同学做完实验后,在读书卡片上记录如下:
卡片:No.28 时间:××××
①Zn为正极,Cu为负极
②H+向负极移动
③电子流动方向为Zn→金属导线→Cu
④Cu极有H2产生
⑤若有1 mol电子流过导线,则产生H2的
物质的量为0.5 mol
⑥正极反应式:Zn-2e-══Zn2+
请你根据所学知识,帮助这位同学找出卡片上记录有误的描述: (填序号)。
答案:①②⑥
解析:构成原电池的正极是Cu,负极是Zn,①错误;电子从负极Zn流出,流向正极Cu,H+向正极移动,在Cu极上得电子: 2H++2e-══H2↑,②错误,③④正确;此原电池负极上发生的反应是Zn-2e-══Zn2+,⑥错误;总反应方程式:Zn+2H+══ Zn2++H2↑,当有1 mol电子通过时,产生0.5 mol H2,⑤正确。
【变式训练1】 根据反应:2Ag++Cu══Cu2++2Ag,设计如图所示原电池,下列说法正确的是( )。
A.该装置可以实现将电能转化为化学能
B.X可以是银或石墨
C.Y是硫酸铜溶液
D.溶液中阳离子向铜移动
答案:B
解析:原电池装置可实现将化学能转化为电能,A项错误;由2Ag++Cu══Cu2++2Ag可知,Cu发生氧化反应生成Cu2+,则Cu为负极,正极X应是比Cu活动性弱的金属或石墨,B项正确; Ag+发生还原反应生成Ag,则Ag+来自电解质溶液,Y可以是AgNO3溶液,C项错误;原电池中,阳离子移向正极,故阳离子移向X电极,D项错误。
探究任务2 原电池原理的应用
问题引领
1.结合原电池构成的条件,思考怎样依据反应Cu+2Ag+══ 2Ag+Cu2+设计一个原电池 画出原电池装置示意图并标出正、负极。
提示:先确定两个电极,负极失电子,元素化合价升高,所以铜作负极,再找活动性比铜弱的石墨或银棒作正极;从反应中可以看出电解质溶液中必须含有银离子,所以用硝酸银作电解质。装置如图所示。
2.原电池中较活泼的金属电极一定是负极吗
提示:不一定。要注意电解质溶液对电极类型的影响。例如,镁铝电极在稀硫酸中构成原电池,镁为负极,铝为正极;但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液,则铝为负极,镁为正极。
3.根据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱
提示:将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中,发现铁片逐渐溶解,铜片表面有气泡产生;说明铁比铜活泼。
归纳提升
1.增大氧化还原反应的速率。
自发进行的氧化还原反应,形成原电池时反应速率增大。
例如,锌与稀硫酸反应时,滴加硫酸铜溶液后,会有少量锌与硫酸铜反应置换出铜。然后铜、锌分别作为原电池的两个电极形成原电池,从而增大锌与稀硫酸的反应速率。
2.比较金属的活动性强弱。
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
例如,有两种金属a、b,用导线连接插入稀硫酸中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生,则a为负极,b为正极,金属活动性a>b。
3.用于金属腐蚀的防护,使金属制品作原电池的正极而得到保护。例如,将铁质输水管道与锌块相连,锌作原电池的负极失电子,保护铁不被腐蚀。
4.设计原电池。
理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。
如:把Fe+2Fe3+══3Fe2+设计成原电池,可用Fe作负极,铜(或石墨)作正极,FeCl3溶液作电解质溶液。
典型例题
【例题2】 某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+══ Zn2++Cu,该原电池正确的组成是( )。
答案:C
解析:将Zn+Cu2+══Zn2++Cu拆成两个半反应。
氧化反应(负极反应):Zn-2e-══Zn2+。
还原反应(正极反应):Cu2++2e-══Cu。
则电池的负极是Zn,正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属,电解质溶液中含Cu2+。
【变式训练2】 有W、X、Y、Z四种金属,按下列装置进行实验,电流表指针均发生偏转,
下列说法正确的是( )。
A.装置甲中W作原电池负极,电子的流动方向:W→电解质溶液→X
B.装置乙中Y电极上的电极反应式为Cu2+-2e-══Cu
C.装置丙中Z电极不断溶解,发生还原反应
D.四种金属的活动性强弱顺序为Z>W>X>Y
答案:D
解析:甲装置中金属W不断溶解,说明W失电子生成金属阳离子,则W为负极,电子的流动方向:W→导线→X,A项错误。装置乙中Y的质量增加,则Cu2+在Y极得电子生成Cu单质,电极反应式为Cu2++2e-══Cu,B项错误。装置丙中W上有气体产生,则W为正极,Z为负极,Z失电子生成金属阳离子,发生氧化反应,C项错误。原电池中负极金属活动性强于正极金属活动性,甲中W为负极,X为正极,则金属活动性W>X;乙中X为负极,Y为正极,则金属活动性X>Y;丙中Z为负极,W为正极,则金属活动性Z>W;因此四种金属的活动性强弱顺序为Z>W>X>Y,D项正确。
【变式训练3】 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。请回答下列问题。
(1)实验原理:Mg+2H+══Mg2++H2↑。
(2)实验用品:电极(镁条、 )、稀硫酸、 (填写所缺的实验用品)、耳机(或者电流计)。
(3)实验装置:如图所示。
(4)原电池设计及注意的问题。
①按如图所示装置连接好实验仪器,注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出,如果没有,可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意:接触的同时耳机的另一极是连接在原电池的另一个电极上的),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,则镁条应该连接电流计的
极,电极反应式为 ;另一极应该接电流计的 极,该电极发生了 (填“氧化”或“还原”)反应。
答案:(2)铜片(或铁钉、石墨等) 烧杯、导线
(4)①电能 ②负 Mg-2e-══Mg2+ 正 还原
解析:由实验原理Mg+2H+══Mg2++H2↑可知,组成该原电池的负极为Mg,正极可选用金属活动性比Mg弱的金属或能导电的非金属。
课 堂 小 结