2025版高一化學(xué)必修第二冊(cè)（含不定項(xiàng)選擇）第六章 第一節(jié) 第3課時(shí) 原電池原理的應(yīng)用 化學(xué)電源

第3課時(shí)原電池原理的應(yīng)用化學(xué)電源課標(biāo)定向目標(biāo)定位1.能辨識(shí)簡(jiǎn)單原電池的構(gòu)成要素,掌握原電池原理的應(yīng)用。(變化觀念與平衡思想)2.能舉出化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)例,并能分析簡(jiǎn)單原電池的工作原理。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)3.能舉例說(shuō)明化學(xué)電源對(duì)提高生活質(zhì)量的重要意義,體會(huì)研制新型電池的重要性。(科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任)厘清重點(diǎn)結(jié)合相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理突破難點(diǎn)結(jié)合相關(guān)信息,判斷原電池正負(fù)極并能書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)單電極反應(yīng)式學(xué)習(xí)任務(wù)一:原電池原理的應(yīng)用必備知識(shí)·探究1.現(xiàn)有如圖所示裝置:(1)產(chǎn)生H2的位置有什么不同?能量轉(zhuǎn)化形式有什么不同?提示:裝置甲中Zn棒表面產(chǎn)生H2,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。裝置乙中Cu棒表面產(chǎn)生H2,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(2)哪個(gè)裝置產(chǎn)生的氣泡快?為什么?提示:裝置乙產(chǎn)生氣泡快。裝置甲中,氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)都在Zn表面進(jìn)行,生成的Zn2+排斥H+,使H+越來(lái)越難靠近Zn表面得電子。裝置乙構(gòu)成了原電池,氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行,Zn失去的電子沿導(dǎo)線聚集在Cu棒上,溶液中H+非常容易靠近Cu表面得電子生成H2,因此反應(yīng)速率快。2.利用原電池原理,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較鋅和錫金屬性的強(qiáng)弱。提示:將鋅片與錫片用導(dǎo)線相連,浸入稀H2SO4中,發(fā)現(xiàn)鋅片逐漸溶解、錫片表面有氣泡產(chǎn)生,即鋅作原電池的負(fù)極,錫作原電池的正極,可知金屬性:鋅>錫。3.已知反應(yīng)Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,請(qǐng)將該反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池,畫(huà)出原電池裝置圖并標(biāo)出正、負(fù)極。提示:先確定兩個(gè)電極,負(fù)極上物質(zhì)失電子,元素化合價(jià)升高,所以銅作負(fù)極,再找活潑性比銅弱的碳棒或銀棒作正極;從反應(yīng)中可以看出電解質(zhì)溶液中必須含有銀離子,所以可用硝酸銀溶液作電解質(zhì)溶液。裝置圖如圖所示:核心要點(diǎn)·歸納1.加快化學(xué)反應(yīng)速率把某些在水溶液中發(fā)生的置換反應(yīng),設(shè)計(jì)成原電池可以加快化學(xué)反應(yīng)速率。2.比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱兩種金屬分別作原電池的兩極時(shí),一般作負(fù)極的金屬比作正極的金屬活潑,但注意:“Mg-NaOH溶液-Al”原電池的負(fù)極為Al;“Cu-濃硝酸-Fe(Al)”原電池的負(fù)極為Cu。3.設(shè)計(jì)原電池(1)依據(jù):已知一個(gè)氧化還原反應(yīng),首先分析找出氧化劑、還原劑,一般還原劑為負(fù)極材料(或在負(fù)極上被氧化),氧化劑(如電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子)在正極上被還原。(2)選擇合適的材料①電極材料:電極材料必須導(dǎo)電。負(fù)極材料一般選擇較活潑的金屬材料,或者在該氧化還原反應(yīng)中,本身失去電子的材料;正極材料一般活潑性比負(fù)極的弱,也可以是能導(dǎo)電的非金屬。②電解質(zhì)溶液:電解質(zhì)溶液一般能與負(fù)極材料反應(yīng)。(3)實(shí)例:以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu為例微點(diǎn)撥·拓教材金屬的防護(hù)通常在海水內(nèi)被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備(如鋼閘門(mén))上裝一定數(shù)量的鋅塊。原因:鋼鐵設(shè)備一般是用鐵做的,裝上鋅塊后,鐵跟鋅形成原電池,此時(shí)鋅作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),而鐵作為正極被保護(hù)起來(lái)不受腐蝕。學(xué)力診斷·測(cè)評(píng)1.有X、Y、Z、M四種金屬,按如下裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表所示。裝置現(xiàn)象金屬X不斷溶解Z的質(zhì)量增加X(jué)上有氣體產(chǎn)生下列說(shuō)法不正確的是()A.裝置甲中電子從X極流出,經(jīng)外電路流入Y極B.裝置乙的正極反應(yīng)式為Cu2++2e-===CuC.裝置丙溶液中陽(yáng)離子往M極移動(dòng)D.四種金屬活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是M>X>Y>Z【解析】選C。裝置甲中金屬X不斷溶解,說(shuō)明X為負(fù)極,活動(dòng)性X>Y,電子由負(fù)極X經(jīng)外電路流向正極Y,A正確;裝置乙中金屬Z質(zhì)量增加,說(shuō)明Z為正極,活動(dòng)性Y>Z,正極反應(yīng)式為Cu2++2e-===Cu,B正確;裝置丙中X上有氣體產(chǎn)生,說(shuō)明X為正極,活動(dòng)性M>X,陽(yáng)離子移向正極X,C錯(cuò)誤;由上述三個(gè)選項(xiàng)分析可知,四種金屬活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是M>X>Y>Z,D正確。[規(guī)律方法]根據(jù)原電池原理比較金屬性強(qiáng)弱(1)若兩種金屬作電極,一般負(fù)極的金屬性(即還原性)強(qiáng)于正極;(2)電子是從負(fù)極經(jīng)外電路流向正極,一般負(fù)極的金屬性(即還原性)強(qiáng)于正極;(3)金屬陽(yáng)離子的氧化性越弱,對(duì)應(yīng)金屬的還原性越強(qiáng)?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.有a、b、c、d四個(gè)金屬電極,有關(guān)的反應(yīng)裝置及部分反應(yīng)現(xiàn)象如下,由此可判斷這四種金屬的活動(dòng)性順序是()實(shí)驗(yàn)裝置部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象a極質(zhì)量減小,b極質(zhì)量增加c極有氣體產(chǎn)生,b極無(wú)變化實(shí)驗(yàn)裝置部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象d極溶解,c極有氣體產(chǎn)生電流計(jì)指示,導(dǎo)線中電流從d極流向a極A.b>c>d>a B.a>d>c>bC.d>a>b>c D.a>b>d>c【解析】選B。a極質(zhì)量減小,b極質(zhì)量增加,則表明a極金屬失電子作負(fù)極,溶液中的Cu2+在b極得電子生成Cu附著在b極,金屬活動(dòng)性a>b;c極有氣體產(chǎn)生,b極無(wú)變化,則表明c極金屬能與H2SO4發(fā)生置換反應(yīng),而b極不能,金屬活動(dòng)性c>b;d極溶解,c極有氣體產(chǎn)生,則d極為負(fù)極,c極為正極,金屬活動(dòng)性d>c;電流計(jì)指示,導(dǎo)線中電流從d極流向a極,則a極為負(fù)極,d極為正極,金屬活動(dòng)性a>d;綜合以上分析,金屬活動(dòng)性a>d>c>b,B項(xiàng)正確。2.關(guān)于圖中所示裝置,下列說(shuō)法正確的是()A.裝置1中鋅棒溶解的速率比裝置2的快B.裝置2銅片上反應(yīng)為2H++2e-===H2↑C.兩裝置產(chǎn)生氣體的速率相等D.反應(yīng)相同時(shí)間,兩裝置中溫度計(jì)的示數(shù)一定相等【解析】選B。裝置1中鋅棒直接與稀硫酸接觸,發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生ZnSO4和H2,裝置2中Zn、Cu、稀硫酸構(gòu)成原電池,鋅為原電池的負(fù)極,發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng),故裝置2中鋅溶解的速率比裝置1的快,A錯(cuò)誤;裝置2中Zn、Cu連接,置于稀硫酸中形成原電池,Zn作負(fù)極,Cu作正極,正極反應(yīng)為2H++2e-===H2↑,B正確;兩裝置總反應(yīng)相同,裝置2形成原電池,能加快反應(yīng)速率,C錯(cuò)誤;裝置1中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,而裝置2中化學(xué)能主要轉(zhuǎn)化為電能,因此,反應(yīng)相同時(shí)間,裝置2中溫度計(jì)的示數(shù)低于裝置1,D錯(cuò)誤。2.(2024·濟(jì)南高一檢測(cè))將足量且等量的形狀相同的鋅塊分別加入等濃度等體積的兩份稀硫酸X、Y中,同時(shí)向X中加入少量飽和CuSO4溶液,發(fā)生反應(yīng)生成氫氣的體積(V)與時(shí)間(t)的關(guān)系如圖所示,反應(yīng)速率變快的原因是()A.Zn首先與Cu2+反應(yīng),生成的Cu與Zn、稀硫酸構(gòu)成原電池B.加入硫酸銅增大了c(SO4C.加入硫酸銅溶液增大了溶液體積D.CuSO4作催化劑【解析】選A。由題意可知,曲線X表示的反應(yīng)速率更快,原因是Zn首先與Cu2+反應(yīng)生成Cu,Cu與Zn、稀硫酸構(gòu)成原電池加快反應(yīng)速率,導(dǎo)致X比Y的反應(yīng)速率快,故A正確。學(xué)習(xí)任務(wù)二:化學(xué)電源必備知識(shí)·導(dǎo)學(xué)[引入]隨著我國(guó)大力推進(jìn)碳達(dá)峰和碳中和,汽車(chē)行業(yè)迎來(lái)新的產(chǎn)品,推出全電動(dòng)車(chē)型。但消費(fèi)者更關(guān)心的是電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航問(wèn)題。你知道電動(dòng)汽車(chē)用的是什么電池嗎?1.一次電池——鋅錳干電池工作原理負(fù)極鋅筒鋅被氧化,逐漸消耗正極石墨棒二氧化錳被還原電解質(zhì)氯化銨糊特點(diǎn)放電后不能充電便于攜帶,價(jià)格低[思考]鋅錳干電池使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)產(chǎn)生滲漏的問(wèn)題,試分析原因。提示:鋅錳干電池的外殼鋅筒作負(fù)極在電池工作中損耗,逐漸變薄甚至局部破損會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部糊狀物滲出的情況。2.二次電池(充電電池)能量轉(zhuǎn)化:化學(xué)能電能【注意事項(xiàng)】可充電電池充電時(shí),負(fù)極與直流電源負(fù)極相連,正極與直流電源正極相連,也就是“負(fù)接負(fù)、正接正”。實(shí)例:鉛酸蓄電池的構(gòu)造如圖所示,工作時(shí)該電池總反應(yīng)的化學(xué)方程式為Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。[思考]分析其正負(fù)極、工作時(shí)稀硫酸中H+的移動(dòng)方向及濃度變化。提示:負(fù)極材料是Pb,正極材料是PbO2,工作時(shí),電解質(zhì)溶液中的H+移向正極(PbO2),硫酸因參加反應(yīng)而濃度減小。3.燃料電池實(shí)例:氫氧燃料電池總反應(yīng)為2H2+O2===2H2O通常氫氧燃料電池有酸式(當(dāng)電解質(zhì)溶液為稀硫酸時(shí))和堿式(當(dāng)電解質(zhì)溶液為氫氧化鉀溶液時(shí))兩種。[思考](1)若電解質(zhì)溶液為稀硫酸,正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式是什么?提示:正極為O2+4e-+4H+===2H2O,負(fù)極為2H2-4e-===4H+。(2)若電解質(zhì)溶液為氫氧化鉀溶液,正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式是什么?提示:正極為O2+4e-+2H2O===4OH-,負(fù)極為2H2-4e-+4OH-===4H2O。(3)兩種情況下,電池總反應(yīng)的化學(xué)方程式一樣嗎?提示:相同。將兩種情況下的正、負(fù)極反應(yīng)式相加,總反應(yīng)式都為2H2+O2===2H2O。判對(duì)錯(cuò)·通教材判斷下列說(shuō)法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)原電池中的負(fù)極反應(yīng)一定是電極材料失電子。(×)提示:燃料電池的電極材料不參與反應(yīng)。(2)鋅錳干電池工作一段時(shí)間后碳棒變細(xì)。(×)提示:鋅錳干電池碳棒為正極,不參與反應(yīng)。(3)氫氧燃料電池是將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。(×)提示:氫氧燃料電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(4)充電電池可以無(wú)限制地反復(fù)充電、放電。(×)提示:充電電池不可以無(wú)限制地反復(fù)放電、充電,有其使用壽命。(5)原電池中負(fù)極在參加反應(yīng)時(shí)質(zhì)量有可能增加。(√)提示:如鉛酸蓄電池放電時(shí),負(fù)極反應(yīng)為Pb-2e-+SO42-===PbSO4,核心要點(diǎn)·歸納燃料電池幾點(diǎn)注意事項(xiàng)(1)燃料電池不燃燒,不寫(xiě)“點(diǎn)燃”條件。(2)電極一般都為Pt或C。(3)燃料[包括H2、CO、CH4、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)等]在負(fù)極反應(yīng),O2在正極反應(yīng)。(4)電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法。①寫(xiě)出燃燒反應(yīng),根據(jù)電解質(zhì)溶液改寫(xiě)燃料電池總反應(yīng)。②寫(xiě)出正極的電極反應(yīng)式:酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下的電極反應(yīng)式:O2+4H++4e-===2H2O;堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下的電極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-===4OH-。③由燃料電池總反應(yīng)減去正極的電極反應(yīng)式(必須轉(zhuǎn)移電子數(shù)相同),得負(fù)極的電極反應(yīng)式。學(xué)力診斷·測(cè)評(píng)1.(2024·北京等級(jí)考)酸性鋅錳干電池的構(gòu)造示意圖如下。關(guān)于該電池及其工作原理,下列說(shuō)法正確的是()A.石墨作電池的負(fù)極材料B.電池工作時(shí),NH4C.MnO2發(fā)生氧化反應(yīng)D.鋅筒發(fā)生的電極反應(yīng)為Zn-2e-===Zn2+【解析】選D。酸性鋅錳干電池,鋅筒為負(fù)極,石墨電極為正極,故A錯(cuò)誤;原電池工作時(shí),陽(yáng)離子向正極(石墨電極)方向移動(dòng),故B錯(cuò)誤;MnO2發(fā)生得電子的還原反應(yīng),故C錯(cuò)誤;鋅筒為負(fù)極,負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)Zn-2e-===Zn2+,故D正確?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.如圖所示是鉛酸蓄電池構(gòu)造示意圖,下列說(shuō)法不正確的是()A.鉛酸蓄電池是二次電池,充電時(shí)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B.電池工作時(shí),電子由Pb板通過(guò)導(dǎo)線流向PbO2板C.電池工作時(shí),負(fù)極反應(yīng)為Pb-2e-===Pb2+D.電池工作時(shí),H+移向PbO2電極【解析】選C。二次電池是可充電電池,典型的是鉛酸蓄電池,充電時(shí)是把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的裝置,故A正確;依據(jù)原電池的工作原理,電子從負(fù)極經(jīng)外電路流向正極,Pb作負(fù)極,PbO2作正極,電子從Pb板通過(guò)導(dǎo)線流向PbO2板,故B正確;負(fù)極上的電極反應(yīng)式:Pb+SO42--2e-===PbSO4,故C錯(cuò)誤;依據(jù)原電池的工作原理,陽(yáng)離子向正極移動(dòng),2.有關(guān)下列四個(gè)常用電化學(xué)裝置的敘述正確的是()圖Ⅰ普通鋅錳電池圖Ⅱ堿性鋅錳電池圖Ⅲ鉛酸蓄電池圖Ⅳ銀鋅紐扣電池A.圖Ⅰ所示電池中,電子從鋅筒出發(fā)沿導(dǎo)線經(jīng)電解質(zhì)溶液流向石墨電極B.圖Ⅱ所示電池中,MnO2的作用是作氧化劑C.圖Ⅲ所示裝置工作過(guò)程中,SO42-向D.圖Ⅳ所示電池中,Zn是還原劑,在電池工作過(guò)程中被還原【解析】選B。圖1所示電池中,電子由鋅極流出經(jīng)導(dǎo)線流向石墨,電子不能進(jìn)入溶液,A錯(cuò)誤;圖Ⅱ所示電池中,MnO2得電子,所以作氧化劑,B正確;圖Ⅲ所示裝置工作過(guò)程中,陰離子向負(fù)極移動(dòng),Pb為負(fù)極,C錯(cuò)誤;圖Ⅳ所示電池中,Zn是還原劑,在電池工作過(guò)程中被氧化,D錯(cuò)誤。2.(2024·棗莊高一檢測(cè))燃料電池能將燃料和氧化劑(如O2)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。如圖所示為CH4燃料電池的工作示意圖(電極A、B為多孔碳棒)。下列說(shuō)法正確的是()A.電極A為正極,發(fā)生還原反應(yīng)B.電極B的電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-===4OH-C.電子移動(dòng)方向:電極A→導(dǎo)線→電極B→KOH溶液→電極AD.電極A附近溶液的堿性增強(qiáng)【解析】選B。A.電子從負(fù)極流向正極,故A為負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),A錯(cuò)誤;B.電極B的電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-===4OH-,B正確;C.電子移動(dòng)方向:電極A→導(dǎo)線→電極B,電子不進(jìn)入溶液且不能在溶液中遷移,C錯(cuò)誤;D.電極B附近溶液的堿性增強(qiáng),D錯(cuò)誤。學(xué)情檢測(cè)·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.下列有關(guān)電池?cái)⑹稣_的是()A.鋅錳干電池工作一段時(shí)間后鋅外殼逐漸變薄B.鉛酸蓄電池放電時(shí),是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程C.鋅錳干電池碳棒是負(fù)極,鋅是正極D.化學(xué)電池的反應(yīng)本質(zhì)是復(fù)分解反應(yīng)【解析】選A。鋅錳干電池中鋅片為負(fù)極,鋅失去電子變?yōu)殇\離子,則一段時(shí)間后鋅外殼逐漸變薄,故A正確;鉛酸蓄電池放電時(shí),是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程,故B錯(cuò)誤;鋅錳電池中鋅為負(fù)極,故C錯(cuò)誤;化學(xué)電池的反應(yīng)有電子的轉(zhuǎn)移,本質(zhì)是氧化還原反應(yīng),故D錯(cuò)誤。2.(雙選)用于檢測(cè)酒駕的酸性燃料電池酒精檢測(cè)儀工作原理如圖所示,下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.Y電極為正極B.電池工作時(shí),電子由X電極經(jīng)外電路流向Y電極C.電池工作時(shí),H+通過(guò)質(zhì)子交換膜從右往左遷移D.該電池的負(fù)極反應(yīng)式為CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2+12H+【解析】選C、D。A.由圖示可知,酸性燃料電池酒精檢測(cè)儀中,乙醇發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)生成醋酸,則乙醇所在的鉑電極為負(fù)極,電極Y是正極,A正確;B.該原電池中左側(cè)Pt電極為負(fù)極,右側(cè)Pt電極為正極,放電時(shí)電子由負(fù)極經(jīng)過(guò)導(dǎo)線流向正極,即電子由X電極經(jīng)外電路流向Y電極,B正確;C.原電池中陽(yáng)離子向正極移動(dòng),即H+向正極遷移,H+通過(guò)質(zhì)子交換膜從左往右遷移,C錯(cuò)誤;D.乙醇發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)生成醋酸,負(fù)極反應(yīng)式為CH3CH2OH-4e-+H2O===4H++CH3COOH,D錯(cuò)誤。3.鋰海水電池常用在海上浮標(biāo)等助航設(shè)備中,其原理如圖所示。電池反應(yīng)為2Li+2H2O===2LiOH+H2↑。電池工作時(shí),下列說(shuō)法正確的是()A.該裝置可將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B.電子從鋰電極經(jīng)外電路流向鎳電極C.金屬鋰作負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)D.理論上每轉(zhuǎn)移2mol電子可以生成22.4LH2【解析】選B。原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,A錯(cuò)誤;電子從負(fù)極鋰電極經(jīng)外電路流向正極鎳電極,B正確;金屬鋰作負(fù)極,發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),C錯(cuò)誤;未指明氣體是否處于標(biāo)準(zhǔn)狀況,無(wú)法用氣體摩爾體積計(jì)算,D錯(cuò)誤?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】Mg-H2O2電池是一種化學(xué)電源,以Mg和石墨為電極,海水為電解質(zhì)溶液,示意圖如圖所示。下列說(shuō)法不正確的是()A.鎂電極是該電池的負(fù)極B.H2O2在石墨電極上發(fā)生還原反應(yīng)C.Mg電極的電極反應(yīng)式:Mg-2e-===Mg2+D.電池工作時(shí),電子從Mg電極經(jīng)外電路流向石墨電極,再出石墨電極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向Mg電極【解析】選D。Mg-H2O2電池中Mg發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),作負(fù)極,石墨電極作正極,故A正確;H2O2在石墨電極上得電子發(fā)生還原反應(yīng),故B正確;Mg易失電子發(fā)生氧化反應(yīng)而作負(fù)極,電極反應(yīng)為Mg-2e-===Mg2+,故C正確;