高二下学期鲁科版化学选修四教师用书第一章131化学能转化为电能电池 Word版含答案.docx
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高二下学期鲁科版化学选修四教师用书第一章131化学能转化为电能电池Word版含答案
第3节
化学能转化为电能——电池
第1课时
[课标要求]
1．了解原电池的工作原理及其构
成条件，了解常见的化学电源及其
工作原理。
2．掌握电极反应和电池反应方程
式的书写。
3．依据原电池的原理判断金属的
活泼性强弱及设计原电池。
设计实验将锌与CuSO4溶液的反应所释放的能量转化为电能，填写实验记录。
（1）实验装置
（2）实验现象
电流计指针
电极表面变化情况
Ⅰ
发生偏转
锌片质量减少，铜片质量增加
Ⅱ
发生偏转
锌片质量减少，铜片质量增加
（3）实验分析
Zn极
Cu极
电子流向
由Zn极流向Cu极
电子得失
Zn失电子
溶液中Cu2＋得电子
电极名称
负极
正极
能量转化
化学能转化为电能
（4）电极反应及电池反应
负极：
Zn－2e－===Zn2＋，
正极：
Cu2＋＋2e－===Cu，
电池反应：
Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu。
锌铜原电池装置如下：
[问题思考]
1．锌铜原电池中正、负极材料是什么？
写出正、负极反应式。
提示：
Zn作负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；Cu作正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。
2．原电池装置中，盐桥中离子移动的方向是什么？
提示：
盐桥中的Cl－移向负极（ZnSO4溶液），K＋移向正极（CuSO4溶液）。
3．原电池装置中，盐桥的作用是什么？
提示：
①形成闭合回路；②保持溶液中电荷守恒，使电池反应能持续发生。
1．原电池工作原理
（1）原理图示
（2）电极名称与反应类型
正极→还原反应；负极→氧化反应。
（3）电子流向：
负极→正极。
（4）电流方向：
正极→负极。
（5）离子流向：
阳离子→正极；阴离子→负极。
2．组成原电池的条件
（1）活动性不同的两块电极材料（金属和金属或金属和非金属）。
（2）电极均与电解质溶液接触。
（3）形成闭合电路。
3．原电池正负极的判断方法
（1）一般方法
（2）特殊情况
电极的正负除与金属的活动性有关外，还与电解质溶液有关。
活泼金属一般作负极，但不是活泼金属一定作负极，如Mg－Al－H2SO4溶液构成的原电池中，Mg为负极，而在Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al为负极，因为Al可与NaOH溶液反应，而Mg不与NaOH溶液反应。
4．原电池中电极反应式和总反应式的书写
1．下列装置中，能构成原电池的是（ ）
解析：
选D 酒精为非电解质，A错误；选项B中未使用盐桥，没有形成闭合回路；C项中两个电极材料相同，不能形成原电池。
依据原电池的构成条件可知D正确。
2．下列说法正确的是（ ）
A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属
B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应
D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能
解析：
选C 原电池也可以用石墨做电极，A错误。
电子流出的一极是负极，负极发生氧化反应，B错误。
粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池，加快锌与稀硫酸的反应速率，C正确。
原电池将化学能转化为电能，转化效率较高，但不能全部转化为电能，原电池工作时发热就是一部分能量转化为热能，D错误。
3．下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是（ ）
A．均发生了化学能转化为电能的过程
B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物
C．工作过程中，电子均由Zn经导线流向Cu
D．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高
解析：
选B 两个装置都为原电池装置，均发生化学能转化成电能的过程，A正确；根据原电池的工作原理，锌比铜活泼，锌作负极，铜作正极，铜本身不是反应物，B错误；锌作负极，电子从负极经外电路流向正极，C正确；图乙中装置产生的电流在一段时间内变化不大，但图甲装置产生的电流在较短时间内就会衰减，D正确。
4.如图所示装置可构成原电池。
试回答下列问题：
（1）电解质溶液为浓硝酸时，灯泡________（填“亮”或“不亮”，填“亮”做a，填“不亮”做b）。
a．若灯泡亮，则Mg电极上发生的反应为。
b．若灯泡不亮，则理由为。
（2）电解质溶液为NaOH溶液时，灯泡________（填“亮”或“不亮”，填“亮”做a，填“不亮”做b）。
a．若灯泡亮，则Mg电极上发生的反应为______________________；Al电极上发生的反应为________________________________________________________________________。
b．若灯泡不亮，则理由为。
解析：
灯泡是否亮取决于该装置中是否有电流通过，即该装置是否能构成原电池，若能构成原电池，则灯泡亮；否则，灯泡不亮。
Mg－Al－浓硝酸构成的原电池中，Mg与浓硝酸反应，Al遇浓硝酸发生钝化，所以Mg电极为负极；但Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al与NaOH反应，Mg与NaOH不反应，所以Al电极为负极。
答案：
（1）亮 Mg－2e－===Mg2＋
（2）亮 6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－ 2Al＋8OH－－6e－===2[Al（OH）4]－
1．电池分类及特点
电池
一次电池
可充电电池（二次电池）
燃料电池
特点
只能放电，不能充电
可反复充电和放电，充电时是一个电解池；放电时是一个原电池
能量利用率高，可连续使用，污染轻
2.一次电池——锌锰干电池
（1）酸性电池
负极（锌）反应：
Zn－2e－===Zn2＋；
正极（石墨）反应：
2NH
＋2e－===2NH3＋H2。
（2）碱性电池
负极（锌）反应：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
正极（石墨）反应：
MnO2＋2H2O＋2e－===Mn（OH）2＋2OH－；
电池反应：
Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn（OH）2。
3．可充电电池——二次电池
（1）铅蓄电池
装置
放电
负极反应：
Pb＋SO
－2e－===PbSO4
正极反应：
PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O
充电
阴极反应：
PbSO4＋2e－===Pb＋SO
阳极反应：
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO
总反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4
2PbSO4＋2H2O
（2）二次电池工作原理
①二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。
②当蓄电池充电时就是通以直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。
可简单记忆：
负接负，正接正。
③充电时发生的电极反应和电池反应是放电时发生的反应的逆过程。
1．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是（ ）
A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池
B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏
C．铅蓄电池工作过程中，每通过2mol电子，负极质量减轻207g
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
解析：
选C 在干电池中，Zn作负极，逐渐溶解，B正确；铅蓄电池工作时，负极反应为Pb＋SO
－2e－===PbSO4，电极质量增加，C不正确；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确。
2．锌锰碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。
锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为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
B．电池正极的电极反应式为2MnO2（s）＋H2O（l）＋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．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g
解析：
选C 根据电池总反应式可知电池工作时Zn被氧化，为原电池的负极，负极反应为Zn（s）－2e－＋2OH－（aq）===Zn（OH）2（s），MnO2为原电池的正极，发生还原反应，正极反应为2MnO2（s）＋H2O（l）＋2e－===Mn2O3（s）＋2OH－（aq），A、B正确；原电池中，电子由负极经外电路流向正极，C错误；外电路中每通过0.2mol电子，消耗的Zn的物质的量为0.1mol，质量为0.1mol×65g·mol－1＝6.5g，D正确。
3．下列关于铅蓄电池的说法正确的是（ ）
A．放电时，正极发生的反应是Pb＋SO
－2e－===PbSO4
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO
解析：
选B A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。
高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH。
下列叙述不正确的是（ ）
A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2
B．充电时阳极反应为Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO
＋4H2O
C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
解析：
选C 放电时负极发生氧化反应Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，A正确；正极发生还原反应：
FeO
＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－，电极附近溶液碱性增强，D正确，C不正确；在充电时阳极发生氧化反应：
Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO
＋4H2O，B正确。
1．结构图示
2．工作原理
通入可燃物（H2）的一极为电池的负极，通入O2的一极为电池的正极。
（1）酸性氢氧燃料电池（电解质为H2SO4）
负极反应：
2H2－4e－===4H＋，
正极反应：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O，
电池反应：
2H2＋O2===2H2O。
（2）碱性氢氧燃料电池（电解质为KOH）
负极反应：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O，
正极反应：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－，
电池反应：
2H2＋O2===2H2O。
3．电池特点
（1）能量转换率高，污染小。
（2）工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断进行反应，连续不断地提供电能。
[特别提醒]
（1）燃料电池的两个电极与其他电池不同，电极材料本身不参与电极反应。
（2）酸性介质中的燃料电池（氧化剂为O2）的正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
碱性介质中的燃料电池（氧化剂为O2）的正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
1．用稀H2SO4作电解质溶液时，甲烷燃料电池的正、负极反应式如何书写？
并写出总反应式。
提示：
总反应式是甲烷燃烧的化学方程式CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正极反应式为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，负极反应式为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。
2．用KOH作电解质溶液时，甲烷燃料电池的总反应式与“1”中相同吗？
试分别写出两极的电极反应式。
提示：
不相同；因为CO2与KOH溶液反应生成K2CO3，故总反应式为CH4＋2O2＋2OH－===CO
＋3H2O，其中正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O。
有机燃料电池电极反应式书写方法
电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。
可根据电荷守恒来配平电极反应式。
如乙醇碱性（KOH溶液）燃料电池负极反应式的书写方法。
第一步：
确定生成物
乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO
和H2O。
第二步：
确定价态的变化及转移电子数
乙醇（C2H6O）中碳元素的化合价为－2，CO
中碳元素的化合价为＋4，故1mol乙醇完全反应失去2×[4－（－2）]＝12mol电子。
第三步：
列出表达式
C2H5OH＋□OH－－12e－―→□CO
＋□H2O。
第四步：
确定电极反应式中各物质的系数
由碳原子守恒确定CO
的系数为2，
由电荷守恒确定OH－的系数为16。
（注：
失去12个电子，相当于带12个单位正电荷）
再由氢原子守恒确定H2O的系数为11，
故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO
＋11H2O。
1．下图为氢氧燃料电池原理示意图，下列叙述不正确的是（ ）
A．a电极是负极
B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
解析：
选B 从图中可看出a电极处进入的是H2，b电极处进入的是O2，该电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，故a电极处H2失e－被氧化，a为负极；b电极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故B项不正确。
2．镁—次氯酸盐燃料电池，具有比能量高、安全方便等优点。
该电池的正极反应式为ClO－＋H2O＋2e－===Cl－＋2OH－，关于该电池的叙述正确的是（ ）
A．该电池中镁为负极，发生还原反应
B．电池工作时，OH－向正极移动
C．该电池的总反应为Mg＋ClO－＋H2O===Mg（OH）2↓＋Cl－
D．电池工作时，正极周围溶液的pH将不断变小
解析：
选C 次氯酸盐在正极发生反应，则Mg为负极，发生氧化反应，A项错误；电池工作时，阴离子向负极移动，B项错误；负极反应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg（OH）2↓，将正、负极反应式相加可得总反应，C项正确；根据正极反应式可知，电池工作时，正极周围溶液的c（OH－）增大，pH将增大，D项错误。
3．将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，即可构成CH4燃料电池。
已知通入CH4一极的电极反应式是CH4＋10OH－===CO
＋7H2O＋8e－；通入O2一极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
下列有关叙述中不正确的是（ ）
A．通入CH4的电极为负极
B．正极发生氧化反应
C．溶液中的OH－向负极移动
D．工作一段时间后应补充KOH
解析：
选B 该燃料电池正极发生还原反应，B不正确；根据题中电极反应式知CH4发生氧化反应，通入CH4的电极为负极，A正确；原电池工作时，电解质溶液中阴离子移向负极，C正确；该电池总反应为CH4＋2O2＋2OH－===CO
＋3H2O，工作时消耗KOH，D正确。
1．加快化学反应速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，反应加快。
2．比较金属的活动性强弱
对于酸性电解质，一般是作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性较弱。
3．设计原电池
（1）理论上，自发的氧化还原反应，可以设计成原电池。
（2）外电路
（3）内电路：
将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。
1．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验装置
部分实验现象
a极质量减小；b极质量增加
b极有气体产生；c极无变化
d极溶解；c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是（ ）
A．a>b>c>d B．b>c>d>aC．d>a>b>cD．a>b>d>c
解析：
选C 由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性a>b，对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性b>c，第三个装置的金属活动性d>c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d>a。
2．设计原电池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图（标出电极材料、电解质溶液）
负极：
________，电极反应：
；
正极：
________，电极反应：
。
解析：
分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性差的金属或非金属（石墨等）作正极，选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液。
答案：
见下图
Zn Zn－2e－===Zn2＋
Pt 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
3．依据氧化还原反应2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如下图所示。
请回答下列问题：
（1）电极X的材料是________，电解质溶液Y是________________。
（2）银电极为电池的____________极，发生的电极反应为。
X电极上发生的电极反应为__________________________。
（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。
解析：
该原电池的电池反应为2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s），由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。
电子从电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。
答案：
（1）Cu AgNO3溶液
（2）正 Ag＋＋e－===Ag Cu－2e－===Cu2＋ （3）X（Cu） Ag
[二级训练·节节过关]
1．一个原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该电池材料及电解质溶液可能是（ ）
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Cu
Zn
H2SO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Ag
Cu
CuSO4
解析：
选C 原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，可得出其负极反应：
Zn－2e－===Zn2＋（氧化反应），正极反应：
Cu2＋＋2e－===Cu（还原反应），因此负极材料只能是Zn。
正极为Cu2＋得电子还原成铜，电解质应为可溶性铜盐，正极材料为活泼性比Zn弱的Cu、Fe（或C、Pt）等。
2．下列各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是（ ）
解析：
选B A项和C项装置中无外接电源，则构成原电池，铜电极均作正极，发生的电极反应均为2H＋＋2e－===H2↑，均放出H2。
B项装置是电解池，铜电极作阳极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，铜电极上无气体生成。
D项装置是电解池，铜电极作阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，有H2放出。
3．目前常见的燃料电池主要有四种，下面是这四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极的反应产物为水的是（ ）
解析：
选C A中通空气的一极为正极，电极反应式为O2＋4e－===2O2－。
B中通O2的一极为正极，电极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
C中通空气的一极为正极，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O。
D中通CO2和O2的一极为正极，电极反应式为2CO2＋O2＋4e－===2CO
。
4．（2016·全国卷Ⅱ）Mg AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。
下列叙述错误的是（ ）
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg（OH）2＋H2↑
解析：
选B Mg AgCl电池的电极反应：
负极Mg－2e－===Mg2＋，正极2AgCl＋2e－===2Ag＋2Cl－，A项正确，B项错误。
在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确。
Mg是活泼金属，能和H2O发生反应生成Mg（OH）2和H2，D项正确。
5.如图所示是Zn和Cu组成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡上的记录如下，则卡片上描述合理的是（ ）
①Cu为负极，Zn为正极
②Cu极上有气泡产生，发生还原反应
③SO
向Cu极移动
④若有0.5mol电子流经导线，则可产生0.25mol气体
⑤正极反应式：
Cu＋2e－===Cu2＋，发生氧化反应
⑥电子的流向：
Cu→Zn
A．①②③ B．②④⑥C．③④⑤D．②④
解析：
选D 锌和铜组成原电池，锌为负极，铜为正极，①错误；铜为正极，溶液中的H＋得到电子生成氢气，发生还原反应，②正确；SO
向锌极移动，③错误；当有2mol电子转移时，生成1mol氢气，所以当有0.5mol电子转移时，生成0.25mol氢气，④正确；铜为正极，H＋在正极发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，⑤错误；电子从锌电极经过导线流向铜电极，⑥错误。
6．（2016·全国卷Ⅲ）锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn（OH）
。
下列说法正确的是（ ）
A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动
B．充电时，电解质溶液中c（OH－）逐渐减小
C．放电时，负极反应为Zn＋4OH－－2e－===Zn（OH）
D．放电时，电路中通过2mol电子，消耗氧气22.4L（标准状况）
解析：
选C A项，充电时装置为电解池，溶液中的阳离子向阴极移动。
B项，充电时的总反应为放电时的逆反应：
2Zn（OH）
===2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，c（OH－）逐渐增大。
C项，放电时负极失电子发生氧化反应，由放电时的总反应可知，负极反应式为Zn＋4OH－－2e－===Zn（OH）
。
D项，由放电时的总反应可知，电路中通过2mol电子时，消耗0.5molO2，其体积为11.2L（标准状况）。
7．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C极质量增加
A上有气泡产生
根据实验现象回答下列问题：
（1）装置甲中负极的电极反应式是。
（2）装置乙中正极的电极反应式是。
（3）装置丙中溶液的c（H＋）________（填“变大”“变小”或“不变”）。
（4）四种金属活动性由强到弱的顺序是。
解析：
甲、乙、丙均为原电池装置。
依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，活动性A>B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性B>C；丙中A上有气体即产生H2，则A为正极，活动性D>A，随着H＋的消耗，c（H＋）减小。
答案：
（1）A－2e－===A2＋
（2）Cu2＋＋2e－===Cu （3）变小 （4）D>A>B>C
8．某实验室备有如下实验用品：
铁片、铜片、锌片、碳棒、FeCl3溶液、ZnCl2溶液、CuCl2溶液、NaCl溶液以及部分导线。
试回答下列问题：
（1）若
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