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第3课时设计原电池化学电源[核心素养发展目标] 1.会设计简单的原电池。
2.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电源的特点。
3.掌握构成电池的要素，了解不同电极材料对电池性能的影响。
4.能正确书写简单化学电源的电极反应式。
一、设计原电池1．依据已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
2．设计思路(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：根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液，正极一般选择比负极稳定的金属或能导电的非金属。
(4)画：连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。
3．实例以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例(1)理论上任何氧化还原反应都可设计成原电池( )(2)原电池中负极上发生氧化反应( )(3)原电池中正极材料一定发生还原反应( )(4)原电池中正极材料必须与电解质溶液的某种离子反应( )答案(1)×(2)√(3)×(4)×1．理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。
选择适宜的材料和试剂，请利用反应“Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋”设计一个原电池。
回答下列问题：(1)选用________为负极，选择依据是______________________________________________。
(2)正极材料可选用________，选择依据是____________________________。
(3)________溶液作电解质溶液。
(4)写出电极反应式正极：________________，负极：________________。
第三课时化学电源课时作业巩固选题表合格考题组1.(2021·辽宁铁岭期末)下列有关化学电源的说法中正确的是( A )A.二次电池又叫蓄电池,它放电后可再充电使活性物获得再生B.燃料电池能将全部化学能转化为电能C.化学电源只能将化学能转化为电能D.一次电池包括干电池和蓄电池解析:二次电池又叫蓄电池,它放电后可通过再充电,在阴极、阳极分别发生还原反应和氧化反应,使活性物获得再生,因而可连续使用,A 正确;燃料电池能将化学能转化为电能,但也有一部分化学能转化为热能,因此能量利用率不是百分之百,B错误;化学电源能将化学能转化为电能,同时也有部分能量仍然以化学能的形式储存在物质内部,有一部分转化为热能,C错误;蓄电池属于二次电池,D错误。
2.(2020·河北石家庄月考)下列电极反应式正确的是 ( B )A.以惰性材料为电极,KOH溶液为电解质溶液构成氢氧燃料电池,负极反应式为H2-2e-2H+B.铜、锌在稀硫酸溶液中构成原电池,正极反应式为2H++2e-H2↑C.以铜为电极将2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+设计成原电池,正极反应式为Cu-2e-Cu2+D.以铝、铁为电极,在氢氧化钠溶液中构成原电池,负极反应式为Al-3e-Al3+解析:以惰性材料为电极,KOH溶液为电解质溶液构成氢氧燃料电池,负极反应式为H2-2e-+2OH-2H2O,A错误;金属性锌强于铜,铜、锌在稀硫酸溶液中构成原电池,正极反应式为2H++2e-H2↑,B正确;以铜为电极将2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+设计成原电池,铜是负极,正极铁离子得到电子,反应式为Fe3++e-Fe2+,C错误;以铝、铁为电极,在氢氧化钠溶液中构成原电池,铝是负极,负极反应式为Al-3e-+4OH-2H2O+ Al O2-,D错误。
3.下列有关锌锰干电池的说法中正确的是( A )A.锌外壳是负极,石墨棒是正极材料B.在外电路中电子从石墨棒流向锌外壳C.电流从锌外壳流到石墨棒上D.在电池内部阳离子从石墨棒向锌外壳移动解析:在锌锰干电池中,锌外壳是负极,石墨棒是正极,A正确;在外电路中电子从锌外壳流向石墨棒,B错误;电流的方向与电子的流向相反,应从石墨棒流向锌外壳,C错误;电池内部,阳离子向正极石墨棒移动,D错误。
实验活动6 化学能转化成电能[实验探究]一、实验目的1.理解氧化还原反应在化学能转化成电能过程中的作用,体会化学的价值。
2.认识原电池的构成要素及其作用。
二、实验用品1.试剂:锌片、铜片、石墨棒、稀硫酸。
2.仪器:导线、烧杯、电流表。
三、实验方案设计1.将电极材料用导线直接与电流表连接观察是否有电流产生。
2.将电极材料插入电解质溶液中,观察实验现象。
3.将不同电极材料制成不同的原电池装置,根据实验现象确定正、负极。
四、实验方案实施1.电极材料实验(1)按图用导线将电流表分别与锌片、铜片相连接,使锌片与铜片接触,观察电流表指针是否发生偏转;用石墨棒代替铜片进行上述实验。
观察并记录实验现象。
(2)按如图所示的装置做实验,记录实验现象并解释原因。
2.原电池实验按如图所示的装置实验,选择不同的电极材料,以及稀硫酸,导线和电流表,组装原电池,试验其能否产生电流,记录实验现象并解释原因。
五、问题和讨论1.结合实验分析,组装原电池的操作注意事项有哪些?提示:电极材料活动性不同,且能与电解质溶液发生氧化还原反应;电极可用导线连接或直接接触。
2.根据以上实验,说明原电池的工作原理。
提示:原电池工作时在负极和正极上分别发生氧化反应和还原反应,电子从负极通过导线流向正极,溶液中的阳离子(H+)从负极移向正极,阴离子从正极移向负极,构成闭合回路产生电流,使化学能转化为电能。
3.结合实验分析,原电池的构成条件或要素。
提示:①原电池反应是自发的氧化还原反应;②有两个活动性不同的电极;③将两个电极插入电解质溶液(或熔融电解质)中;④形成闭合回路。
[实验专练]1.(2020·山东烟台月考)在如图所示的8个装置中,属于原电池的是( A )A.④⑦B.③④⑤C.②④⑧D.①④⑥解析:①中只有一个电极,不能形成原电池;②、⑥中两电极未相连,没有形成闭合回路,不能形成原电池;③、⑧中电极相同,而且没有形成闭合回路,不能形成原电池;⑤中酒精不是电解质溶液,没有形成闭合回路,不能形成原电池。
【2019统编版】人教版高中化学必修第二册第六章《化学反应与能量》全章节备课教案教学设计6.1《化学反应与能量变化》教学设计教材分析“原电池”是高中化学教学的内容之一，分为两次在必修和选修部分依次进行教学，本课是人教版必修第二册第六章第一节化学反应与电能的内容。
原电池是在氧化还原反应的基础上，运用特定装置将氧化反应和还原反应分开，从而获得电流，使化学能转化为电能的装置，既涉及氧化还原反应等化学知识，又涉及直流电路、能量等物理知识，是比较综合和有难度的内容。
由于原电池的内容在选修中还会深入学习，因此本课只力求帮助学生塑造对原电池的基本认识，而一些深入的细节则留待以后完善。
本节课的设计主要从模型认知的角度出发，期待学生通过观察现象、证据推理、实验探究等活动构建原电池的模型。
学情分析学生已经在必修第一册中学习了氧化还原反应的知识，在本章中简单学习了化学反应与能量的一般规律，本节的任务是学习原电池装置，并理解通过原电池装置可以将氧化还原反应以及化学能与电能的转化结合起来。
要对原电池有较为准确的认识，还需要物理学中直流电路和能量的相关知识，学生在高中物理中还没有学习到这些内容，只是在初中物理中进行了初步地学习，掌握的较少，因此不宜在这方面深入展开。
学生对于普通的氧化还原反应已经有了一定的掌握，但原电池的不同之处在于氧化反应和还原反应分别在两极发生，整个化学反应拆开在装置两个不同的位置进行，这对于学生是陌生的，在理解上会有一定困难，因此本节课通过实验事实验证这一结论，以直观印象帮助学生接受这一陌生现象，进而进行模型总结形成理论知识。
教学目标1.能够识别简单的单液原电池，并分析其中的微粒定向迁移与转化。
通过对实验现象的观察与分析，诊断并发展学生从宏观与微观角度理解化学反应与物理现象的水平。
2.通过观察、分析与已有认知矛盾的实验，以及设计实验验证假设等活动，诊断并发展学生证据意识、证据推理的水平。
3.通过构建原电池模型，并进行应用，提高抽提模型、再现模型和应用模型的能力。
第三课时化学电源学习目标导航学习任务常见的化学电源NO.1自主学习·夯实基础1.一次电池(1)特点:电池放电后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),如锌锰干电池属于一次电池。
(2)锌锰干电池的构造如图所示。
①锌筒为负极,电极反应是Zn-2e-Zn2+。
②石墨棒为正极,最终被还原的物质是二氧化锰。
③NH4Cl糊的作用是作电解质溶液。
2.二次电池(充电电池)(1)特点:二次电池在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。
(2)能量转化:化学能电能。
(3)常见的充电电池:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
3.燃料电池(1)特点:①反应物不是储存在电池内部;②能量转换效率高、清洁、安全;③供电量易于调节。
(2)燃料电池常用的燃料有:氢气、甲烷、乙醇等;常用氧化剂:氧气。
微思考:二次电池能无限次反复充电使用吗?提示:电池在工作时,化学能转化为电能的同时,也有少量能量转化为热能或以其他能量转化形式损失,所以二次电池不能无限次反复使用。
NO.2互动探究·提升能力探究1 电池类别的辨别问题1:图示三种电池的类别分别是什么?提示:燃料电池、一次电池、二次电池。
问题2:结合所学知识判断干电池与充电电池的本质区别,燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别。
提示:干电池是一次性电池,放电之后不能充电,即内部的氧化还原反应是不可逆的;充电电池又称二次电池,它在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。
燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部,而是从外部提供,这时电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。
探究2 电极反应式的书写问题3:以30%的KOH溶液作电解质溶液的氢氧燃料电池的负极和正极的电极反应式是什么?KOH溶液的浓度如何变化?提示:通氢气的电极为负极,电极反应式为H2-2e-+2OH-2H2O;通O2的电极为正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-。
总反应方程式为2H2+O22H2O,KOH的物质的量不变,但随着反应的进行,产生水会将溶液稀释,因此KOH溶液的浓度降低。
问题4:若以KOH溶液做电解质溶液,锌锰干电池的总反应式为Zn+MnO2+2H2O Zn(OH)2+Mn(OH)2,则该电池的正、负极反应式分别是什么?提示:负极反应式为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,正极反应式为MnO2+2e-+2H2O Mn(OH)2+2OH-。
问题5:铅酸蓄电池工作时总的方程式为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,则其正、负极反应式分别是什么?提示:负极反应式为Pb-2e-+S O42-PbSO4,正极反应式为PbO2+2e-+S O42-+4H+PbSO4+2H2O。
③遵循氧化还原反应离子方程式配平原则,写出电极反应式。
(注意电极产物能否与电解质溶液共存,如铅酸蓄电池的负极,铅失电子变为Pb2+,但Pb2+与硫酸溶液中的S O42-不共存,因而负极电极反应式为Pb-2e-+S O42-PbSO4)NO.3应用体验·形成素养题点一化学电源1.(2020·陕西渭南期中)研究人员研制出一种可作为鱼雷和潜艇的储备电源的新型电池——锂水电池(结构如图),使用时加入水即可放电。
下列关于该电池的说法错误的是( D )A.锂为负极,钢为正极B.工作时负极的电极反应式:Li-e-Li+C.工作时OH-向锂电极移动D.放电时电子的流向:锂电极→KOH溶液→钢电极解析:电池以金属锂与钢作电极,KOH溶液作电解质溶液,则Li为负极,发生氧化反应,钢作正极,发生还原反应,A正确;工作时负极电极反应式为Li-e-Li+,B正确;工作时阴离子向负极移动,OH-向锂电极移动,C正确;电子不能经过溶液,D错误。
2.化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。
下列说法不正确的是( A )A.甲:Zn2+向Cu电极方向移动,Cu电极附近溶液中H+浓度增加B.乙:正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-C.丙:锌筒做负极,发生氧化反应,锌筒会变薄D.丁:使用一段时间后,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降解析:铜锌原电池(电解质溶液为H2SO4溶液)中Cu作正极,电极反应为2H++2e-H2↑,故Cu电极附近溶液中H+浓度降低,A错误。
3.(2021·山东泰安模拟)镁—空气电池是一种新型燃料电池,其工作原理如图所示。
下列说法错误的是( B )A.金属Mg电极为负极B.电子流向:Mg电极→导线→空气电极→电解质溶液→Mg电极C.电池总反应为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2D.回收后的氢氧化镁经一系列转化,可重新制成镁锭循环利用解析:金属Mg失电子,Mg为负极,A正确;电子流向:Mg电极→导线→空气电极,溶液中没有电子移动,B错误;金属Mg失电子生成镁离子,氧气在正极得电子生成氢氧根离子,电池总反应为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2,C正确;氢氧化镁和盐酸反应生成氯化镁,在氯化氢气流中蒸发氯化镁溶液,得到无水氯化镁,电解熔融氯化镁制取金属镁,D正确。
题点二电极反应式的书写4.燃料电池是目前电池研究的热点之一。
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( C ) A.a极是负极,该电极上发生氧化反应B.电池总反应为2H2+O22H2OC.b极反应式为O2+4OH--4e-2H2OD.氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源解析:题给装置为氢氧燃料电池,总反应为2H2+O22H2O。
通氢气的一极为负极,发生氧化反应,通氧气的一极为正极,发生还原反应,考虑到碱性环境,正极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-,C项电极反应式中O2得到电子写成失去电子,导致电极反应式书写错误。
氢氧燃料电池能量转化率高,对环境友好,是一种具有广阔应用前景的绿色电源。
5.氢气是未来最理想的能源之一。
科学家研制出了利用太阳能产生激光,并在二氧化钛(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术:2H2O 2H2↑+O2↑。
制得的氢气可用于燃料电池。
试回答下列问题: (1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现能转变为能。
分解海水的反应属于(填“放热”或“吸热”)反应。
(2)氢氧燃料电池已用于航天飞机。
以30%KOH溶液为电解质溶液的这种电池在使用时的电极反应如下: 2H2+4OH--4e-4H2O,O2+2H2O+4e-4OH-,据此作出判断,下列说法中错误的是。
A.供电时的总反应是2H2+O22H2OB.产物为无污染的水,属于环境友好型电池C.燃料电池的能量转化率可达100%D.H2在负极发生氧化反应(3)有人以化学反应:2Zn+O2+4H+2Zn2++2H2O为基础设计出一种原电池,移入人体内作为心脏起搏器的能源,它靠人体内血液中溶有一定浓度的O2、H+进行工作,则原电池的负极材料是,负极上发生反应的电极反应式为。
解析:(1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现了化学能转变为电能。
分解海水的反应属于吸热反应。
(2)A.两个电极反应式相加,总电极反应式为2H2+O22H2O,正确;B.根据A选项分析,产物是H2O,对环境无污染,属于环境友好型电池,正确;C.能量转化率不可能达到100%,错误;D.氢气在负极被氧化,正确。
(3)负极发生氧化反应,所以该原电池的负极材料是Zn,电极反应式为Zn-2e-Zn2+。
答案:(1)化学电吸热(2)C (3)Zn Zn-2e-Zn2+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。
例:甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOH Na2CO3+3H2O。
无论负极燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正极一般都是O2发生还原反应,若在碱性条件下,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,若在酸性条件下,正极反应式为O2+4H++4e-2H2O。
化学电源{一次电池:锌锰干电池二次电池:铅酸蓄电池燃料电池:氢氧燃料电池等(反应物外部提供)1.误认为原电池负极一定被消耗。
其实不然,铅酸蓄电池负极在放电过程中质量在增加,燃料电池发生反应的是燃料气体或氧气而非电极材料。
2.误认为原电池工作过程中一定需要电解质水溶液。
其实不然,现在越来越多的化学电源采用固体电解质或熔融电解质。
*(1)高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途。
高铁酸钾(K 2FeO 4)不仅是一种理想的水处理剂,而且高铁电池的研制也在进行中。
图1是高铁电池的模拟实验装置:* 命题解密与解题指导情境解读:本题以新型电池的设计为背景,创设了真实有意义的测试情境,有利于促进学生思考、推理和判断。
素养立意:根据题给信息书写陌生电池的电极反应式,培养学生宏观辨识与微观素养;从原电池工作原理向新型化学电源进行迁移,培养学生证据推理与模型认知素养。
①该电池放电时正极的电极反应式为。
②盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向(填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向(填“左”或“右”)移动。
③图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有。
(2)有人设想以N2和H2为反应物,以溶有A的稀盐酸为电解质溶液,可制造出既能提供电能,又能固氮的新型燃料电池,装置如图3所示,电池正极的电极反应式是,A是。
(3)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度,其装置如图4所示。
该电池中O2-可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动,工作时O2-的移动方向为(填“从a到b”或“从b到a”),负极的电极反应式为。
解析:(1)①放电时石墨为正极,高铁酸钾在正极上发生还原反应,电极反应式为Fe O42-+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-。
②电池工作时,阴离子移向负极,阳离子移向正极,所以盐桥中氯离子向右移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向左移动。
③由题图中高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线可知,高铁电池的优点有使用时间长、工作电压稳定。
(2)该电池的反应实质是合成氨反应,电池中氢气失电子在负极发生氧化反应,氮气得电子在正极发生还原反应,则正极反应式为N2+8H++6e-2N H4+,氨与HCl反应生成氯化铵,则A为氯化铵。
(3)电池工作时,通入空气的电极b做正极,通入一氧化碳的电极a做负极,O2-由电极b移向电极a;负极上一氧化碳失去电子发生氧化反应,电极反应式为CO+O2--2e-CO2。
答案:(1)①Fe O42-+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-②右左③使用时间长、工作电压稳定(2)N2+8H++6e-2N H4+氯化铵(3)从b到a CO+O2--2e-CO2课时作业巩固选题表合格考题组1.(2021·辽宁铁岭期末)下列有关化学电源的说法中正确的是( A )A.二次电池又叫蓄电池,它放电后可再充电使活性物获得再生B.燃料电池能将全部化学能转化为电能C.化学电源只能将化学能转化为电能D.一次电池包括干电池和蓄电池解析:二次电池又叫蓄电池,它放电后可通过再充电,在阴极、阳极分别发生还原反应和氧化反应,使活性物获得再生,因而可连续使用,A 正确;燃料电池能将化学能转化为电能,但也有一部分化学能转化为热能,因此能量利用率不是百分之百,B错误;化学电源能将化学能转化为电能,同时也有部分能量仍然以化学能的形式储存在物质内部,有一部分转化为热能,C错误;蓄电池属于二次电池,D错误。
