同步备课一体资料之化学鲁科必修2讲义第2章 化学键 化学反应与能量 第3节 第2课时.docx
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同步备课一体资料之化学鲁科必修2讲义第2章化学键化学反应与能量第3节第2课时
第2课时 化学反应为人类提供能量
[目标导航] 1.了解化学反应中能量的转化形式。
2.了解原电池的构成条件、工作原理和应用。
3.了解常见的化学电源。
一、化学能转化为热能
1.放热反应和吸热反应
(1)放热反应:
化学反应过程产生的能量以热能的形式释放出来,像这样的反应属于放热反应。
(2)吸热反应:
化学反应需要不断地吸收热能来维持反应的进行,像这样的反应属于吸热反应。
2.化学反应中的能量转化形式
【议一议】
1.如图为“即热饭盒”的结构示意图。
这种饭盒使用起来非常方便,撤去底部的隔板几分钟后,饭菜就变热了,试从能量转化的角度说明其中的原理。
答案 在铁的催化作用下,镁跟水发生化学反应Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑,放出热量,即化学能转化为热能。
2.铁路工人经常利用铝热剂来焊接钢轨,你能解释其中的原理吗?
答案 Fe2O3粉末和铝粉的混合物是常用的铝热剂。
Fe2O3粉末和铝粉在较高温度下发生反应Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe,放出大量的热,高温下铁呈液态,可焊接断裂的钢轨。
二、化学能转化为电能
1.探究原电池的工作原理
实验步骤
现象
结论
锌片逐渐溶解,表面有气泡
锌与稀硫酸反应产生H2
铜片表面无气泡
铜与稀硫酸不反应
锌片逐渐溶解
锌失去电子
铜片表面有气泡
H+在Cu表面得到电子生成H2
电流表指针发生偏转
导线中有电子定向移动而产生电流
两锌片逐渐溶解且表面都有气泡
锌与稀硫酸反应
电流表指针不偏转
导线中无电流
锌片无现象
Zn、Cu与乙醇不反应
铜片无现象
电流表指针不偏转
导线中无电流
2.原电池
(1)概念
原电池是将化学能转化为电能的装置。
(2)工作原理(以Zn—Cu原电池为例)
电极材料
锌
铜
电极名称
负极
正极
电极反应
Zn-2e-===Zn2+
2H++2e-===H2↑
反应类型
氧化反应
还原反应
外电路电子流向
由锌片沿导线流向铜片
内电路离子移向
溶液中H+向正极移动,在铜片上被还原为H2
原电池总反应
Zn+2H+===Zn2++H2↑
(3)构成条件
①本质→有自发进行的氧化还原反应;
②电极→有活泼性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属);
③溶液→两电极插入电解质溶液或熔融电解质;
④回路→形成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
(4)常见电池
①干电池:
又称一次电池,如锌锰电池。
②蓄电池:
又称二次电池,如铅蓄电池、镍氢电池、锂电池。
③燃料电池:
其能量转化率高,能长时间提供电能。
如氢氧燃料电池。
【议一议】
1.作为原电池两极的材料有什么要求?
原电池的两个电极的电极材料必须都是金属电极吗?
答案 首先必须能导电;其次,若两电极都是金属,则活泼性不同。
原电池的两个电极不一定都是金属材料,如干电池的正极材料是石墨,是非金属。
2.在下图的装置中,属于原电池且有电流产生的是________。
答案 ④⑦⑧⑨
解析 ①酒精是非电解质;②⑤没有形成闭合回路;③两电极活泼性相同;⑥两电极与H2SO4溶液均不反应。
①②③⑤⑥均不能形成原电池。
3.原电池工作时,负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系?
为什么?
答案 相等。
原电池中,负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,根据氧化还原反应中电子守恒规律知,正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。
一、原电池工作原理
1.原电池的工作原理
2.原电池正、负极的判断方法
【关键提醒】 判断原电池要“四看”
一看本质:
反应是自发进行的氧化还原反应。
二看电极:
具有两个活泼性不同的电极(燃料电池的电极一般是惰性电极)。
三看溶液:
电解质溶液(一般负极材料与电解质溶液反应)。
四看回路:
电极、电解质溶液构成闭合回路。
【例1】 如图是Zn和Cu形成的原电池,其实兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记下结论。
其中正确的一组是( )
①Zn为正极,Cu为负极 ②H+向负极移动 ③电子是由Zn经外电路流向Cu ④Cu极上有H2产生 ⑤若有1mol电子流过导线,则产生的H2为0.5mol ⑥正极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
A.①②③B.③④⑤
C.④⑤⑥D.②③④
解析 在该原电池中,Zn比Cu活泼,故Zn为负极,Cu为正极,电子由Zn流出经导线流向Cu;负极反应为Zn-2e-===Zn2+,正极反应为2H++2e-===H2↑,故每转移1mol电子时,产生0.5molH2;在溶液中H+向正极移动,SO向负极移动。
故①、②、⑥错误,③、④、⑤正确,选B项。
答案 B
【方法拓展】 判断电极时,有时不能只看金属的活动性强弱,还要看电解质溶液的性质,如:
①Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极;②Fe、Al在浓HNO3中钝化后,比Cu等金属更难失电子,Cu等金属作负极,Fe、Al作正极。
变式训练1 一个原电池反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池的合理组成是( )
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Cu
Zn
H2SO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Zn
Fe
CuCl2
答案 C
解析 由总反应式知,Zn被氧化,作原电池的负极,符合条件的有B、C,电解质溶液中的反应为Cu2++2e-===Cu,B选项中是2H++2e-===H2↑,故应选C。
【方法规律】
(1)已知原电池的总反应方程式判断原电池的正负极时,可以直接根据化合价的升降来判断。
发生氧化反应的一极为负极,发生还原反应的一极为正极。
(2)根据原电池总反应方程式设计原电池时,一般原电池的负极材料与电解质溶液反应。
二、原电池原理的应用
1.加快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,在Zn与稀H2SO4反应时,滴加少量CuSO4溶液,则Zn和置换出的Cu在稀H2SO4中构成原电池,加快Zn与稀硫酸反应的速率。
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,用导线连接插入到稀H2SO4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.用于金属腐蚀保护
使金属制品作原电池正极而得到保护。
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。
例如,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。
【例2】 现有如下两个反应:
A.NaOH+HCl===NaCl+H2O,
B.Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+。
(1)根据上述两反应的本质,________(填字母)反应能设计成原电池,其原因是________________________。
(2)将上述反应中能设计成原电池的反应设计成原电池。
①写出电极反应式及反应类型:
负极:
____________________________,____________;
正极:
____________________________,____________。
②画出装置图并标明电极材料与名称、电解质溶液、电子流向。
③若导线上通过电子1mol,则正极质量增加________g。
解析
(1)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池,B是自发进行的氧化还原反应。
(2)根据电池反应式Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+可知,Cu失电子作负极,负极材料是Cu,正极材料应是比铜不活泼的金属或导电的非金属;Ag+得电子,所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。
(3)由2Ag++2e-===2Ag知导线上通过电子1mol生成Ag1mol。
答案
(1)B A为非氧化还原反应,没有电子转移;B为氧化还原反应,有电子转移
(2)①Cu-2e-===Cu2+ 氧化反应 2Ag++2e-===2Ag 还原反应
②如图
③108
【方法规律】 设计原电池的具体方法
(1)将已知氧化还原反应拆分为两个半反应:
氧化反应和还原反应。
(2)选择电极材料和电解质溶液:
要结合原电池的电极反应特点和两个半反应选择。
①电极材料的选择:
一般选择较活泼的金属作负极,较不活泼金属或非金属导体作正极。
负极一般能与电解质溶液或电解质溶液中溶解的物质反应。
②电解质溶液的选择:
电解质溶液一般能与负极发生反应,或者电解质溶液中溶解的物质能与负极发生反应。
(3)按要求画出原电池装置图,作必要的标注,注意形成闭合回路。
【特别提醒】
(1)在设计原电池时,若给出的离子方程式如:
Fe+Cu2+===Cu+Fe2+,此时电解质不确定为具体的物质,只要是可溶性铜盐即可,如CuSO4、CuCl2等。
(2)两极金属不能是Na、K、Ca等活动性较强的金属。
变式训练2 有a、b、c、d四种金属,将a与b用导线连结起来浸入电解质溶液中,b不易腐蚀。
将a、d分别投入等浓度的盐酸中,d比a反应剧烈。
将Cu浸入b的盐溶液里,无明显变化。
如果把Cu浸入c的盐溶液里,有c的单质析出。
据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是( )
A.d、c、a、bB.d、a、b、c
C.d、b、a、cD.b、a、d、c
答案 B
解析 活动性a>b,d>a,b>Cu>c。
所以d>a>b>c,B项正确。
【方法总结】 金属活动性强弱的判断方法
(1)与水或酸反应置换出氢气的难易;
(2)最高价氧化物对应的水化物的碱性强弱;
(3)置换反应。
活泼性强的金属置换出活泼性弱的金属;
(4)一般阳离子的氧化性越弱,金属的活动性越强;
(5)通常情况下原电池中负极金属强于正极金属。
1.下列图示的装置不能构成原电池的是( )
答案 C
解析 C选项中两种金属都不能和稀H2SO4发生自发的氧化还原反应,故C选项中装置不能构成原电池。
2.关于原电池的下列说法正确的是( )
A.在正极上发生氧化反应
B.化学性质较活泼的金属为负极
C.在外电路电子流出的是正极
D.原电池是由电能转化为化学能的装置
答案 B
解析 原电池中相对较活泼的金属作负极,负极本身参与反应,失去电子被氧化,是电子流出的一极。
相对不活泼的金属或非金属作正极,正极上电解质溶液中的阳离子得到电子被还原,是电子流入的一极。
因此,原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。
3.在盛装稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片。
下列叙述不正确的是( )
A.负极附近SO的浓度逐渐增大
B.电子由铜片通过导线流向锌片
C.反应一段时间后,溶液中c(H+)减小
D.铜片上有H2逸出
答案 B
解析 该原电池中锌片为负极,铜片为正极,锌片失电子被氧化为Zn2+进入溶液,电子沿导线流向铜片,溶液中的H+从铜片上得电子被还原成氢原子,氢原子结合成氢分子从铜片上逸出。
溶液中的SO向负极Zn片方向移动。
故A、C、D正确。
4.如图所示,电流表指针发生偏转,同时A极质量减少,B极上有气泡产生,C为电解质溶液。
下列说法中错误的是( )
A.B极为原电池的正极
B.A、B、C可能分别为Zn、Cu、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
5.某实验兴趣小组以Zn和Cu为电极,稀硫酸为电解质溶液研究原电池,并对实验进行了拓展,以下实验
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