化学能转化为电能.docx

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化学能转化为电能

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、A