学年高中化学 第2章 化学键化学反应与能量 第3节 化学反应的利用 第2课时 化学.docx
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学年高中化学第2章化学键化学反应与能量第3节化学反应的利用第2课时化学
第2课时 化学反应为人类提供能量
[目标导航] 1.了解化学反应中能量的转化形式。
2.了解原电池的构成条件、工作原理和应用。
3.了解常见的化学电源。
一、化学能转化为热能
1．放热反应和吸热反应
（1）放热反应：
化学反应过程产生的能量以热能的形式释放出来，像这样的反应属于放热反应。
（2）吸热反应：
化学反应需要不断地吸收热能来维持反应的进行，像这样的反应属于吸热反应。
2．化学反应中的能量转化形式
【议一议】
1．如图为“即热饭盒”的结构示意图。
这种饭盒使用起来非常方便，撤去底部的隔板几分钟后，饭菜就变热了，试从能量转化的角度说明其中的原理。
答案 在铁的催化作用下，镁跟水发生化学反应Mg＋2H2O
Mg（OH）2＋H2↑，放出热量，即化学能转化为热能。
2．铁路工人经常利用铝热剂来焊接钢轨，你能解释其中的原理吗？
答案 Fe2O3粉末和铝粉的混合物是常用的铝热剂。
Fe2O3粉末和铝粉在较高温度下发生反应Fe2O3＋2Al
Al2O3＋2Fe，放出大量的热，高温下铁呈液态，可焊接断裂的钢轨。
二、化学能转化为电能
1．探究原电池的工作原理
实验步骤
现象
结论
锌片逐渐溶解，表面有气泡
锌与稀硫酸反应产生H2
铜片表面无气泡
铜与稀硫酸不反应
锌片逐渐溶解
锌失去电子
铜片表面有气泡
H＋在Cu表面得到电子生成H2
电流表指针发生偏转
导线中有电子定向移动而产生电流
两锌片逐渐溶解且表面都有气泡
锌与稀硫酸反应
电流表指针不偏转
导线中无电流
锌片无现象
Zn、Cu与乙醇不反应
铜片无现象
电流表指针不偏转
导线中无电流
2.原电池
（1）概念
原电池是将化学能转化为电能的装置。
（2）工作原理（以Zn—Cu原电池为例）
电极材料
锌
铜
电极名称
负极
正极
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋
2H＋＋2e－===H2↑
反应类型
氧化反应
还原反应
外电路电子流向
由锌片沿导线流向铜片
内电路离子移向
溶液中H＋向正极移动，在铜片上被还原为H2
原电池总反应
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
（3）构成条件
①本质→有自发进行的氧化还原反应；
②电极→有活泼性不同的两个电极（金属与金属或金属与能导电的非金属）；
③溶液→两电极插入电解质溶液或熔融电解质；
④回路→形成闭合回路（两电极接触或用导线连接）。
（4）常见电池
①干电池：
又称一次电池，如锌锰电池。
②蓄电池：
又称二次电池，如铅蓄电池、镍氢电池、锂电池。
③燃料电池：
其能量转化率高，能长时间提供电能。
如氢氧燃料电池。
【议一议】
1．作为原电池两极的材料有什么要求？
原电池的两个电极的电极材料必须都是金属电极吗？
答案 首先必须能导电；其次，若两电极都是金属，则活泼性不同。
原电池的两个电极不一定都是金属材料，如干电池的正极材料是石墨，是非金属。
2．在下图的装置中，属于原电池且有电流产生的是________。
答案 ④⑦⑧⑨
解析 ①酒精是非电解质；②⑤没有形成闭合回路；③两电极活泼性相同；⑥两电极与H2SO4溶液均不反应。
①②③⑤⑥均不能形成原电池。
3．原电池工作时，负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系？
为什么？
答案 相等。
原电池中，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，根据氧化还原反应中电子守恒规律知，正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。
一、原电池工作原理
1．原电池的工作原理
2．原电池正、负极的判断方法
【关键提醒】 判断原电池要“四看”
一看本质：
反应是自发进行的氧化还原反应。
二看电极：
具有两个活泼性不同的电极（燃料电池的电极一般是惰性电极）。
三看溶液：
电解质溶液（一般负极材料与电解质溶液反应）。
四看回路：
电极、电解质溶液构成闭合回路。
【例1】 如图是Zn和Cu形成的原电池，其实兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记下结论。
其中正确的一组是（ ）
①Zn为正极，Cu为负极 ②H＋向负极移动 ③电子是由Zn经外电路流向Cu ④Cu极上有H2产生 ⑤若有1mol电子流过导线，则产生的H2为0.5mol ⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋
A．①②③B．③④⑤
C．④⑤⑥D．②③④
解析 在该原电池中，Zn比Cu活泼，故Zn为负极，Cu为正极，电子由Zn流出经导线流向Cu；负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故每转移1mol电子时，产生0.5molH2；在溶液中H＋向正极移动，SO
向负极移动。
故①、②、⑥错误，③、④、⑤正确，选B项。
答案 B
【方法拓展】 判断电极时，有时不能只看金属的活动性强弱，还要看电解质溶液的性质，如：
①Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；②Fe、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。
变式训练1 一个原电池反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池的合理组成是（ ）
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Cu
Zn
H2SO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
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，电解质溶液中的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，故应选C。
【方法规律】
（1）已知原电池的总反应方程式判断原电池的正负极时，可以直接根据化合价的升降来判断。
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）根据原电池总反应方程式设计原电池时，一般原电池的负极材料与电解质溶液反应。
二、原电池原理的应用
1．加快氧化还原反应的速率
自发进行的氧化还原反应，形成原电池时反应速率增大。
例如，在Zn与稀H2SO4反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn和置换出的Cu在稀H2SO4中构成原电池，加快Zn与稀硫酸反应的速率。
2．比较金属的活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
例如，有两种金属a、b，用导线连接插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，则a为负极，b为正极，金属活动性a＞b。
3．用于金属腐蚀保护
使金属制品作原电池正极而得到保护。
例如，将铁质输水管道与锌块相连，锌作原电池的负极失电子，保护铁不被腐蚀。
4．设计电池
理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。
例如，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。
【例2】 现有如下两个反应：
A．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，
B．Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋。
（1）根据上述两反应的本质，________（填字母）反应能设计成原电池，其原因是________________________。
（2）将上述反应中能设计成原电池的反应设计成原电池。
①写出电极反应式及反应类型：
负极：
____________________________，____________；
正极：
____________________________，____________。
②画出装置图并标明电极材料与名称、电解质溶液、电子流向。
③若导线上通过电子1mol，则正极质量增加________g。
解析
（1）只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，B是自发进行的氧化还原反应。
（2）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。
（3）由2Ag＋＋2e－===2Ag知导线上通过电子1mol生成Ag1mol。
答案
（1）B A为非氧化还原反应，没有电子转移；B为氧化还原反应，有电子转移
（2）①Cu－2e－===Cu2＋ 氧化反应 2Ag＋＋2e－===2Ag 还原反应
②如图
③108
【方法规律】 设计原电池的具体方法
（1）将已知氧化还原反应拆分为两个半反应：
氧化反应和还原反应。
（2）选择电极材料和电解质溶液：
要结合原电池的电极反应特点和两个半反应选择。
①电极材料的选择：
一般选择较活泼的金属作负极，较不活泼金属或非金属导体作正极。
负极一般能与电解质溶液或电解质溶液中溶解的物质反应。
②电解质溶液的选择：
电解质溶液一般能与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的物质能与负极发生反应。
（3）按要求画出原电池装置图，作必要的标注，注意形成闭合回路。
【特别提醒】
（1）在设计原电池时，若给出的离子方程式如：
Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋，此时电解质不确定为具体的物质，只要是可溶性铜盐即可，如CuSO4、CuCl2等。
（2）两极金属不能是Na、K、Ca等活动性较强的金属。
变式训练2 有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线连结起来浸入电解质溶液中，b不易腐蚀。
将a、d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应剧烈。
将Cu浸入b的盐溶液里，无明显变化。
如果把Cu浸入c的盐溶液里，有c的单质析出。
据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是（ ）
A．d、c、a、bB．d、a、b、c
C．d、b、a、cD．b、a、d、c
答案 B
解析 活动性a＞b，d＞a，b＞Cu＞c。
所以d＞a＞b＞c，B项正确。
【方法总结】 金属活动性强弱的判断方法
（1）与水或酸反应置换出氢气的难易；
（2）最高价氧化物对应的水化物的碱性强弱；
（3）置换反应。
活泼性强的金属置换出活泼性弱的金属；
（4）一般阳离子的氧化性越弱，金属的活动性越强；
（5）通常情况下原电池中负极金属强于正极金属。
1．下列图示的装置不能构成原电池的是（ ）
答案 C
解析 C选项中两种金属都不能和稀H2SO4发生自发的氧化还原反应，故C选项中装置不能构成原电池。
2．关于原电池的下列说法正确的是（ ）
A．在正极上发生氧化反应
B．化学性质较活泼的金属为负极
C．在外电路电子流出的是正极
D．原电池是由电能转化为化学能的装置
答案 B
解析 原电池中相对较活泼的金属作负极，负极本身参与反应，失去电子被氧化，是电子流出的一极。
相对不活泼的金属或非金属作正极，正极上电解质溶液中的阳离子得到电子被还原，是电子流入的一极。
因此，原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。
3．在盛装稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片。
下列叙述不正确的是（ ）
A．负极附近SO
的浓度逐渐增大
B．电子由铜片通过导线流向锌片
C．反应一段时间后，溶液中c（H＋）减小
D．铜片上有H2逸出
答案 B
解析 该原电池中锌片为负极，铜片为正极，锌片失电子被氧化为Zn2＋进入溶液，电子沿导线流向铜片，溶液中的H＋从铜片上得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上逸出。
溶液中的SO
向负极Zn片方向移动。
故A、C、D正确。
4．如图所示，电流表指针发生偏转，同时A极质量减少，B极上有气泡产生，C为电解质溶液。
下列说法中错误的是（ ）
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
5．某实验兴趣小组以Zn和Cu为电极，稀硫酸为电解质溶液研究原电池，并对实验进行了拓展，以下实验记录错误的是（ ）
A．铜片上有气泡产生，锌片逐渐溶解
B．电子在溶液中从Cu电极流向Zn电极
C．把锌片换成石墨，电流表指针没有明显偏转
D．把稀硫酸换成硫酸铜溶液，电流表指针依然偏转
答案 B
解析 Cu—Zn—稀硫酸原电池中，Zn作负极失去电子而被溶解，电子从Zn极经导线流向Cu极，而若将Zn换成石墨，则就不能构成原电池。
故B项错误。
6．如图所示，在铜锌原电池中，以硫酸铜为电解质溶液，锌为________极，电极上发生的是________反应（填“氧化”或“还原”），电极反应式为________________________。
锌片上观察到的现象为________；铜为________极，电极上发生的是________反应（填“氧化”或“还原”），电极反应式是____________________；铜片上观察到的现象是____________________________________，原电池总反应的离子方程式为_____________________________________________。
答案 负 氧化 Zn－2e－===Zn2＋ 锌片溶解 正 还原 Cu2＋＋2e－===Cu 铜极变粗 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
解析 CuSO4为电解质溶液时，铜锌原电池的负极为锌，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，所以锌片不断溶解，正极为铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，所以铜极不断变粗，电池总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。
分层训练
[基础过关]
题组1 原电池的构成与工作原理
1．下面关于原电池的说法正确的是（ ）
A．原电池电解质溶液中的阳离子向负极移动
B．在负极上发生氧化反应
C．在外电路中电子流出的一极为正极
D．原电池是把电能转变为化学能的装置
答案 B
解析 原电池是将化学能转变为电能的装置，电子流出或发生氧化反应的电极为负极，电子流入或发生还原反应的电极为正极；电解质溶液中阳离子向正极移动。
2．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气体的是（ ）
答案 B
解析 A装置中，铜和银都不与稀硫酸反应，不能形成原电池；B装置中能形成原电池，铜为正极，铜片上2H＋＋2e－===H2↑；C装置中，铜不与稀硫酸反应，不能形成原电池；D装置中不能形成闭合回路，不能形成原电池。
3．下列关于实验现象的描述不正确的是（ ）
A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀H2SO4中，铜片表面出现气泡
B．把铜插入AgNO3溶液中，铜片表面出现一层银
C．把铜片插入FeCl3溶液中，铜片表面出现一层铁
D．把锌粒放入装有盐酸的试管中，加几滴CuSO4溶液，产生H2速率加快
答案 C
解析 A形成原电池，铜片为正极，H＋在正极被还原为H2，A正确；铜能从AgNO3溶液中置换出Ag,B正确；2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，Cu不能置换出Fe，C不正确；锌能从CuSO4溶液中置换出铜，构成原电池，反应速率加快，D正确。
4．将纯锌片和纯铜片按图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（ ）
①两烧杯中铜片表面均无气泡产生 ②甲中铜片是正极，乙中铜片是负极 ③两烧杯中溶液的c（H＋）均减小 ④产生气泡的速率甲比乙慢
⑤甲中SO
向Zn片移动，H＋向Cu片移动 ⑥乙中电流从Cu片流向Zn片 ⑦甲乙两烧杯中Cu片的质量均不变
A．①②③B．③⑤⑦
C．④⑤⑥D．②③④⑤⑦
答案 B
解析 装置甲构成Cu—Zn原电池，装置乙未形成闭合回路，不能构成原电池，只发生Zn与稀H2SO4的反应，不能产生电流。
甲中Zn为负极，Cu为正极，H＋向正极移动，在Cu片表面得电子被还原为H2逸出，SO
向负极移动。
甲、乙两烧杯中都发生反应：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，故c（H＋）减小，铜片均不发生反应，故质量不变。
5．如图，a的金属活动性在氢以前，b为碳棒。
关于该装置的说法中，正确的是（ ）
A．a极上发生还原反应，b极上发生氧化反应
B．碳棒上有气体逸出，溶液中c（H＋）增大
C．导线上有电流，电流方向a→b
D．反应后a极质量减小
答案 D
解析 a金属可与稀硫酸反应，a为原电池的负极，a极失电子发生氧化反应，b为正极，发生还原反应，A不正确，D正确；溶液中的H＋在b极上得电子生成氢气，c（H＋）减小，B不正确；导线中电子流向为a→b，所以导线中电流方向为b→a。
题组2 原电池正极和负极的判定
6．如图所示，两电极一为碳棒，一为铁片，若电流表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则以下叙述正确的是（ ）
选项
a电极名称
a电极材料
烧杯溶液
A
负极
Fe
稀硫酸
B
负极
Fe
硫酸铜溶液
C
正极
碳棒
稀硫酸
D
正极
碳棒
硫酸铜溶液
答案 C
解析 Fe、C形成的原电池中，负极铁失去电子，变成＋2价的亚铁离子，由于a极上有大量气泡产生，所以为正极，电极反应式：
2H＋＋2e－===H2↑，a为正极，是碳棒；b为负极，是铁片；电解质溶液为硫酸溶液。
7．如图所示装置，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（ ）
选项
A
B
C
A
Zn
Cu
稀硫酸
B
Cu
Fe
稀盐酸
C
Fe
Ag
Fe（NO3）3溶液
D
Ag
Fe
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选项的原电池反应为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，B选项的原电池反应为Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑，A选项中A极为原电池负极，变细，B极不变。
B选项中A极为原电池正极，不变，B极变细。
C选项中的原电池反应为Fe＋2Fe（NO3）3===3Fe（NO3）2，则A极为原电池负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，A极变细，B极电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，B极不变。
D选项中的原电池反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2,A极为正极，电极反应为2Ag＋＋2e－===2Ag，A极变粗，B极为原电池负极，电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，B极变细。
题组3 原电池的应用
8．某原电池的总反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是（ ）
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Cu
Fe
FeCl3溶液
B
C
Fe
Fe（NO3）3溶液
C
Fe
Zn
Fe2（SO4）3溶液
D
Ag
Fe
Fe2（SO4）3溶液
答案 C
解析 根据原电池的电池反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋可知，Fe为负极，比Fe不活泼的金属或非金属导体作正极，含Fe3＋的溶液为电解质溶液。
9．将等质量的两份锌粉a和b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，下图中产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系，其中正确的是（ ）
答案 A
解析 a中加入少量CuSO4溶液，被置换出的Cu覆盖在Zn的表面，形成原电池，产生H2的速率加快，反应所需时间变短，但置换铜时消耗了一部分锌，故与稀硫酸反应的锌的量比b少，产生的H2量比b少。
10．酸性条件下氢氧燃料电池的构造如图所示，下列关于该电池的说法不正确的是（ ）
A．a极是负极
B．正极H2被氧化
C．电流由b极通过灯泡流向a极
D．氢氧燃料电池是环保型电池
答案 B
解析 原电池电解质溶液中，阳离子向正极移动，根据图示H＋移动方向知a为原电池的负极，b为原电池的正极，A正确；通O2的电极为正极，O元素化合价降低，所以O2得电子被还原，负极通H2，H元素失电子被氧化，B不正确；电流方向与电子流向相反，外电路中电子由负极沿导线流向正极，即由a极通过灯泡流向b极，电流则由b极通过灯泡流向a极，C正确；氢氧燃料电池对环境无污染，D正确。
[能力提升]
11．原电池原理应用广泛，试回答下列问题：
（1）100mL浓度为2mol·L－1的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的量，可采用的方法是___________（填字母，下同）。
a．加入适量6mol·L－1的盐酸
b．滴入数滴CuCl2溶液
c．加入适量蒸馏水
d．加入适量NaCl溶液
e．加入NaHSO4固体
（2）银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，它作为原电池工作时发生反应Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn（OH）2。
此原电池放电时负极上发生反应的物质是________。
已知空气—锌电池的两个电极发生的反应为锌片：
2Zn＋4OH－－4e－===2ZnO＋2H2O，石墨棒：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－，据此判断石墨是________（填“正极”或“负极”），发生________（填“氧化”或“还原”）反应。
（3）根据原电池原理可设计成化学电源，下列关于原电池的说法不正确的是________。
a．手机上用的锂离子电池属于二次电池
b．甲醇燃料电池可将化学能转化为电能
c．锌锰干电池中，锌电极为负极
d．所有释放能量的反应都能通过原电池实现
（4）如图为氢氧燃料电池原理示意图，根据此图的提示，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贮存在电池内的新型发电装置
答案
（1）b
（2）Zn 正极 还原 （3）d （4）b
解析
（1）a项和e项，c（H＋）增大，n（H＋）增大，生成氢气的速率增大，同时产生氢气的总量增多；b项，锌置换出铜，形成原电池，n（H＋）不变，生成氢气的速率增大，同时产生氢气的总量不变；c项和d项，c（H＋）减小，n（H＋）不变，生成氢气的速率减小，同时产生氢气的总量不变。
（2）原电池负极上的物质失电子，发生氧化反应，由方程式知锌发生氧化反应；在反应中锌化合价升高，被氧化，作负极。
正极为石墨，正极发生还原反应。
（3）只有释放能量的氧化还原反应才能通过原电池实现化学能与电能的转化，d不正确。
（4）氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，因此a电极上发生反应2H2－4e－===4H＋，a电极是负极；b电极上发生反应O2＋2H2O＋4e－===4OH－，b电极是正极，以上电极反应式，适用于电解质溶液为Na2SO4溶液等；氢氧燃料电池的能量转化率较高，且产物是H2O，无污染，是一种具有应用前景的绿色电源；氢氧燃料电池通入H2、O2就能工作，无需将H2、O2贮存在电池内部。
12．利用原电池原理可以探究金属的活动性。
（1）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个检流计。
锌片作________（填“正”或“负”）极，锌片上发生的电极反应式是________________________；银片上发生的电极反应式是_____________________________________________________。
（2）若该电池中两电极的总质量为60g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47g。
此时产生标准状况下氢气的体积为________L，通过导线的电子的物质的量为________mol。
（3）为了证明铁的金属活动性比铜强，某同学设计了如下一些方案。
其中能证明铁的金属活动性比铜强的方案是
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