高中化学必修2课时作业与单元检测第二章第二节第1课时.docx
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高中化学必修2课时作业与单元检测第二章第二节第1课时
第二节 化学能与电能
第1课时 化学能转化为电能
[目标导航] 1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。
2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，以及判断原电池的正、负极。
3.会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。
一、一次能源和二次能源
1．能源按其来源可分为一次能源和二次能源。
能源类别
定义
实例
一次能源
直接从自然界中取得的能源
太阳能、风能、地热能、潮汐能、煤、石油、天然气等
二次能源
由一次能源经过加工、转换得到的能源
电能（水电、火电、核电）、蒸汽能、机械能等
2.二次能源——火力发电
（1）火力发电原理：
首先通过化石燃料燃烧，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，然后带动发电机发电。
（2）能量转换过程：
化学能
热能
机械能
电能。
其中能量转换的关键环节是燃烧。
（3）火力发电弊端：
①煤属于不可再生资源，用一点少一点，用煤发电会造成资源的浪费。
②能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。
③煤燃烧会产生有害物质（如SO2、CO、NO2、粉尘等），污染环境。
【议一议】
1．判断正误
（1）根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源。
（ ）
（2）电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源。
（ ）
（3）火力发电是化学能间接转化为电能的过程。
（ ）
（4）水力发电是将化学能转化为电能的过程。
（ ）
答案
（1）√
（2）√ （3）√ （4）×
二、化学能直接转化为电能
1．按要求完成下列实验，并填表
实验步骤
现象
解释或说明
锌片逐渐溶解，表面有气泡；铜片表面无气泡
锌与稀硫酸发生置换反应产生H2，而铜则不能
锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡，电流计指针发生偏转
锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流
两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，电流计指针不偏转
锌与稀硫酸反应，但导线中无电流
无现象
乙醇是非电解质，与Zn、Cu都不反应
2.原电池
（1）概念：
是将化学能转化为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应。
（2）构成条件
①原电池反应必须是自发的氧化还原反应，
②具有活动性不同的两个电极（金属与金属或金属与能导电的非金属），
③两电极均插入电解质溶液中，
④电解质溶液、电极、导线形成闭合回路。
（3）原电池的工作原理
原电池总反应式：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
（4）能量转化过程：
原电池在工作时，负极失电子，电子通过导线流向正极，被氧化性物质得到，闭合回路中形成电流，化学能转变为电能。
【议一议】
2．判断正误：
（1）HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池。
（ ）
（2）将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转。
（ ）
（3）在铜－锌－稀硫酸原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液到达锌。
（ ）
（4）原电池中阳离子向正极移动。
（ ）
（5）原电池中的负极反应一定是电极材料失电子。
（ ）
答案
（1）×
（2）× （3）× （4）√ （5）×
3．原电池中作负极的一定是活泼金属，作正极的一定是不活泼金属吗？
答案 不一定。
在原电池中的两极可以都是活泼金属（如Zn－Fe－稀硫酸，Zn作负极），也可以都是不活泼金属（如Cu－Ag－AgNO3，Cu作负极）也可以是一种金属和一种能导电的非金属（如Cu－C－AgNO3，Cu作负极）。
三、原电池原理的应用
1．加快氧化还原反应的速率
因为形成原电池后，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中的粒子运动时相互间的干扰减小，使反应速率增大。
2．比较金属活动性的强弱
例如：
有两种金属a、b，用导线相连后插入稀硫酸中，能溶解的金属活动性较强，表面出现较多气泡的金属活动性较弱。
3．用于金属的防护
原理：
使被保护的金属制品作原电池的正极而得到保护。
实例：
要保护一个铁质的输水管道，可用导线将其与锌块相连，使锌作原电池的负极，铁质管道作原电池的正极。
4．设计原电池
根据原电池的构成条件，可把自发的氧化还原反应设计为原电池。
点拨 原电池正负极判断的注意点：
①原电池中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判断电极时，不能简单地依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况，如：
a.Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；b.Fe、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。
【议一议】
4．
（1）在大海中航行的轮船，钢制船壳上常镶嵌一定量的锌块，目的是什么？
（2）如何利用Fe＋2FeCl3===3FeCl2设计原电池？
答案
（1）钢的成分是铁碳合金，轮船在大海中航行，钢铁与海水接触，形成铁碳原电池，能加速铁的腐蚀。
由于锌比铁活泼，在船壳上镶嵌锌块后，形成铁—锌原电池，锌作负极被腐蚀，从而保护了轮船不被腐蚀。
（2）该氧化还原反应可拆分为如下两个半反应：
氧化反应（负极反应）：
Fe－2e－===Fe2＋。
还原反应（正极反应）：
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。
故Fe作负极，活泼性比Fe差的材料作正极，如Cu、C等，FeCl3溶液作电解质溶液，如图。
一、原电池的工作原理
【例1】 如图所示，
电流计指针发生偏转，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
解析 原电池中，负极金属失去电子，溶解，质量减小，故A极是负极，B极是正极，根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸，A、B两项正确；离子移动方向：
阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D项正确。
知识归纳
1．原电池的工作原理
（1）反应类型：
负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
（2）电子的移动方向：
负极流出，经导线流向正极。
（3）离子的移动方向：
阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
2．原电池正负极的判断
变式训练1 关于原电池的叙述中正确的是（ ）
A．构成原电池的两个电极必须是两种不同的金属
B．原电池是将化学能转变为电能的装置
C．原电池工作时总是负极溶解，正极上有物质生成
D．原电池的正极是还原剂发生反应，总是溶液中的阳离子在此被还原
答案 B
解析 构成原电池电极的也可以是非金属导体，A项错；燃料电池中负极不溶解，C项错；D选项应是氧化剂在原电池的正极上发生还原反应。
二、原电池原理的应用
【例2】 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极质量增大
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＞dB．b＞c＞d＞a
C．d＞a＞b＞cD．a＞b＞d＞c
答案 C
解析 装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失去电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，可知b比c活泼，且c位于金属活动性顺序表中氢的后面；装置三和四均形成原电池，易知d比c活泼，d比a活泼。
因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，选C。
归纳总结
原电池原理的应用
（1）比较金属活动性
作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱。
（2）改变化学反应速率
如：
在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。
（3）设计原电池
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。
（4）保护金属设备
如：
船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，在船体外壳焊接上比铁活泼的金属（如Zn），则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。
变式训练2 100mL2mol·L－1的盐酸与过量的锌反应，为加快速率，又不影响产生氢气的总量，可采用的方法是（ ）
A．加入适量的6mol·L－1的盐酸
B．加入数滴氯化铜溶液
C．加入适量的蒸馏水
D．加入适量的氯化钠溶液
答案 B
解析 A项能加快反应速率，但增加了氢气的总量；C、D两项不影响H2的量，但稀释了盐酸，降低了反应速率；B项发生反应Cu2＋＋Zn===Zn2＋＋Cu，形成Cu—Zn原电池，加快了反应速率。
1．下列装置能形成原电池的是（ ）
A．①②③⑦⑧B．①②⑤⑥
C．①②③④D．①②③⑥⑦
答案 A
解析 装置④不能形成闭合回路；装置⑤不具有两个活动性不同的电极，只能发生氧化还原反应；装置⑥中酒精不是电解质溶液。
2．将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（ ）
A．两个装置都构成了原电池
B．甲装置构成了原电池，乙装置没有构成原电池
C．两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生
D．产生气泡的速率甲比乙慢
答案 B
解析 甲中构成了铜锌原电池，锌作负极，失电子；铜作正极，H＋在铜极上得电子，生成H2；总反应式为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，乙装置没有构成原电池，因为没有形成闭合电路。
构成原电池后生成H2的速率加快。
3．X、Y、Z都是金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极。
X、Y、Z三种金属的活动性顺序为（ ）
A．X>Y>ZB．X>Z>Y
C．Y>X>ZD．Y>Z>X
答案 C
解析 根据原电池原理，负极的金属比正极活泼，可知Y>X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知X>Z，故有Y>X>Z。
4．已知金属锈蚀的原理是在潮湿空气中金属表面形成水膜，金属与杂质和水膜中溶解的电解质组成原电池，从而使金属锈蚀加快，下列制品的镀层损坏后，金属腐蚀速率最快的是（ ）
A．镀铝塑扣B．食品罐头盒（镀锡铁盒）
C．白铁水桶（镀锌）D．镀银铜质奖章
答案 B
解析 在构成原电池反应中，被腐蚀的是较活泼的作负极的金属，根据金属活动顺序表，Zn、Al比Fe较活泼，Fe比Sn（锡）、Cu比Ag较活泼，而Fe比Cu活泼，故镀锡铁盒镀层破坏后腐蚀最快。
5．现有如下两个反应：
（A）NaOH＋HCl===NaCl＋H2O
（B）Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋
（1）根据两反应本质，判断能否设计成原电池___________________________。
（2）如果不能，说明其原因__________________________________________
_________________________________________________________________。
（3）如果可以，则写出正、负极材料、其电极反应式、反应类型（“氧化反应”或“还原反应”）：
负极：
________，________________，________。
正极：
________，________________，________。
答案
（1）（A）不能，（B）可以
（2）（A）为非氧化还原反应，没有电子转移 （3）Cu Cu－2e－===Cu2＋ 氧化反应 碳棒、Ag、铂、金（任选一） 2Ag＋＋2e－===2Ag 还原反应
解析
（1）只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，（B）是氧化还原反应且能自发进行；
（3）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。
[经典基础题]
题组1 能源判断
1．下列有关能源的说法错误的是（ ）
A．风能是人类通过风车等工具获取的能源，但属于一次能源
B．在即将到来的新能源时代，核能、太阳能、氢能将成为主要能源
C．月球土壤中含有丰富的质量数为3的氦，它可作为未来核能的重要原料
D．原电池把化学能直接转化为电能，所以由原电池提供的电能是一次能源
答案 D
解析 风能是直接从自然界中取得的能源，属于一次能源，原电池提供的电能是由化学能转化而得到的，不是直接获得的，属于二次能源，A正确，D错误；随着时代的发展，化石能源逐渐枯竭，所以新能源时代污染小的核能、太阳能、氢能将成为主要能源，B、C正确。
题组2 原电池及正负极的判断
2．下列装置可以构成原电池的是（ ）
答案 C
3．下列叙述中正确的是（ ）
A．原电池的负极发生得电子的还原反应
B．原电池中较活泼的金属作正极
C．原电池中的电极一定要由两种不同的金属组成
D．原电池中发生氧化反应的电极是负极
答案 D
解析 原电池的两极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是由金属与非金属（例如石墨）构成，原电池的负极失去电子发生氧化反应，故A、B、C选项错；只有D选项正确。
4.
在如右图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是（ ）
A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大
B．a是正极，b是负极
C．导线中有电子流动，电子从a极到b极
D．a极上发生了氧化反应
答案 B
解析 本题考查原电池基本知识，难度不大，但概念容易混淆。
没有扎实的基础知识容易搞错，显然，电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。
因活泼性a>b（碳棒），所以a为电池的负极，b为正极。
电极反应式：
a（负）极：
a－ne－===an＋（氧化反应）
b（正）极：
nH＋＋ne－===
H2↑（还原反应）
由于正极放电消耗H＋，溶液中c（H＋）减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流计A流向b极。
5．下列关于原电池的叙述中正确的是（ ）
A．正极和负极必须是两种不同的金属
B．电子流入的一极为正极
C．原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应
D．锌、铜和盐酸构成的原电池工作时，锌片上有6.5g锌溶解，正极上就有0.1g氢气生成
答案 B
解析 原电池中电子从负极流出，从正极流入。
它的正、负极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是金属与非金属；原电池工作时负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应；当锌片上有6.5g锌溶解时，正极上析出0.2g氢气。
题组3 原电池工作原理及应用
6.
如右图所示装置，电流表指针发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的（ ）
A．A是Zn，B是Cu，C为稀硫酸
B．A是Cu，B是Zn，C为稀硫酸
C．A是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3溶液
D．A是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3溶液
答案 D
解析 A极逐渐变粗，说明A极为原电池的正极，溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出；B极逐渐变细，说明B极为原电池的负极，失去电子后变成离子进入溶液中。
A和B两项中的反应为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，则A选项中A极变细，B选项中A极不变。
C和D两项中的反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2，其中C选项中A极变细，D选项A极变粗。
7．一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池的合理组成是（ ）
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两项，电解质溶液中Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，故应选C。
8．各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为（ ）
A．②①③④B．④③①②
C．④②①③D．③②④①
答案 C
解析 ②③④实质均为原电池装置。
③中Fe为正极，被保护；②④中Fe为负极，均被腐蚀。
但相对来说，Fe和Cu的金属活动性差别较Fe和Sn的差别大，故Fe—Cu原电池中的Fe被腐蚀得更快；①中不能构成原电池，仅发生化学腐蚀反应。
9．根据下列事实：
①A＋B2＋===A2＋＋B；②D＋2H2O===D（OH）2＋H2↑；③以B、E为电极与E的盐溶液组成原电池，电极反应为E2＋＋2e－===E，B－2e－===
B2＋，由此可知A2＋、B2＋、D2＋、E2＋的氧化性强弱关系是________。
答案 E2＋＞B2＋＞A2＋＞D2＋
解析 由金属活泼性的判断条件，①中A＞B；②D是很活泼的金属；③中B＞E；所以金属性为D＞A＞B＞E，对应阳离子的氧化性恰好相反。
10．利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池。
（1）负极材料是________（写名称），电极反应为__________________________。
（2）正极电极反应式为______________________________________________。
（3）溶液中SO
向________极移动。
答案
（1）铜 Cu－2e－===Cu2＋
（2）O2＋4e－＋4H＋===2H2O （3）负
解析 该氧化还原反应中还原剂为Cu，故负极是铜，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，氧化剂是O2，故正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，溶液中阴离子SO
向负极移动。
[能力提升题]
11.如图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。
小心地往烧杯中央滴入CuSO4溶液。
（1）片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）______________________________________________________________。
A．铁圈和银圈左右摇摆不定
B．保持平衡状态不变
C．铁圈向下倾斜
D．银圈向下倾斜
（2）产生上述现象的原因是__________________________________________。
（3）写出反应的化学方程式：
_________________________________________。
答案
（1）D
（2）加入CuSO4溶液后，构成Fe—Ag原电池，铁溶解，质量减轻，Cu2＋在银圈上得电子，生成Cu沉积在其上，质量增加 （3）Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu
解析 加入CuSO4溶液后，构成Fe—Ag原电池，Fe失电子作负极，质量减轻，Cu2＋在正极银圈上得电子，生成金属铜沉积在上面使其质量增加。
12．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下。
编号
电极材料
电解质溶液
电流表指针偏转方向
1
Al、Mg
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、C（石墨）
稀盐酸
偏向石墨
4
Al、Mg
氢氧化钠溶液
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
试根据上表中的实验现象回答下列问题：
（1）实验1、2中Al所作的电极（正极或负极）是否相同（填“是”或“否”）？
____________。
（2）对实验3完成下列填空：
①铝为________极，电极反应式：
____________________________________。
②石墨为________极，电极反应式：
__________________________________。
③电池总反应式：
_________________________________________________。
（3）实验4中铝作负极还是正极________，理由是__________________。
写出铝电极的电极反应式：
____________________________________________。
（4）解释实验5中电流表指针偏向铝的原因：
_____________________________
_________________________________________________________________。
（5）根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素：
_________________________________________________________________。
答案
（1）否
（2）①负 2Al－6e－===2Al3＋ ②正 6H＋＋6e－===3H2↑ ③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
（3）负极 在NaOH溶液中，活动性Al＞Mg Al－3e－＋4OH－===AlO
＋2H2O
（4）Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中发生反应，被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Al是原电池的正极
（5）①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液
解析 在这样的原电池中，相对较活泼的金属材料作负极。
在稀盐酸中的活动性Mg＞Al、Al＞Cu。
由实验1和2可知，原电池中电流表指针是偏向正极。
在实验3中电流表指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极。
化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋，盐酸中的H＋得到电子被还原为H2。
在NaOH溶液中活动性Al＞Mg，则Al是负极，Mg是正极。
Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流表指针偏向铝。
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