学年高中化学 专题2 化学反应与能量转化 第3单元 化学能与电能的转化 第1课时教.docx
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第1课时 化学能转化为电能
[学习目标定位] 1.通过实验探究认识化学能可以转化为电能及原电池的构成条件。
2.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。
3.会书写简单的原电池的电极反应式及电池总反应方程式（离子方程式）。
一、原电池工作原理
按要求完成下列实验，并填表：
实验步骤
①
②
③
④
现象
锌片逐渐溶解，表面有气泡；铜片表面无气泡
锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡，电流计指针发生偏转
两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，电流计指针不偏转
无现象
解释或说明
锌与稀硫酸发生置换反应产生H2，而铜则不能
锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流
锌与稀硫酸反应产生氢气，但导线中无电流
乙醇是非电解质，与Zn、Cu都不反应
根据上述实验回答下列问题：
1．装置②中能量是如何转化的？
具备这种特点的装置名称是什么？
答案 化学能转化为电能；该装置称为原电池。
2．原电池的工作原理
①分析下图并填空：
原电池总反应式：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
②能量转化过程：
原电池在工作时，负极失去电子，电子通过导线流向正极，溶液中氧化性物质得到电子，发生还原反应，这样氧化反应和还原反应不断发生，闭合回路中不断有电子流产生，也就形成了电流，即化学能转变为电能。
3．结合原电池工作原理及上述实验现象，分析原电池的构成条件是什么？
答案 理论上，自发的氧化还原反应均可构成原电池。
具体条件是
①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）；
②溶液：
两电极均插入电解质溶液中；
③导线：
两极用导线相连，形成闭合回路。
1．在如图所示的8个装置中，属于原电池的是______________________________________。
答案 DFG
解析 图中A、B都只有一个电极，C中是两个活动性相同的电极，E中酒精不是电解质溶液，H不能形成闭合回路，它们不属于原电池，属于原电池的只有D、F、G。
思维启迪 原电池的判定方法：
一看反应原理（能否自发地进行氧化还原反应）；二看构成条件（两极一液成回路：
两个活动性不同的电极，插入电解质溶液中，装置形成闭合回路）。
2.在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，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，溶液中c（H＋）减小
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 显然，电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。
因活动性a＞b（碳棒），所以a为原电池的负极，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。
在外电路中，电子由a极流向b极。
二、原电池原理的应用
1．由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
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pH变化是________。
（4）四种金属活动性由强到弱的顺序是______________________________________。
答案
（1）A－2e－===A2＋
（2）Cu2＋＋2e－===Cu
（3）增大 （4）D>A>B>C
解析 据图Ⅰ知活动性：
A>B，A作负极，电极反应式为A－2e－===A2＋；据图Ⅱ知活动性：
B>C，正极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu；据图Ⅲ知活动性：
D>A，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故c（H＋）减小，pH增大。
据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ知活动性：
D>A>B>C。
2.钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀，如图所示。
回答下列问题：
（1）钢铁表面形成的电解质溶液中溶有O2，通常溶液呈中性或弱碱性。
（2）钢铁表面会形成无数微小的原电池，负极是Fe，正极是C。
（3）负极反应式是2Fe－4e－===2Fe2＋，正极反应式是2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
（4）总反应的化学方程式是2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，最终生成红色的铁锈（Fe2O3·xH2O）。
（5）金属跟电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。
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。
1.利用原电池原理可比较金属活动性
作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱。
2．形成原电池可改变化学反应速率
如金属表面形成原电池会加速金属被腐蚀，即金属易发生电化学腐蚀。
3．在钢铁腐蚀过程中，下列五种变化可能发生的是（ ）
①Fe2＋转化为Fe3＋ ②O2被还原 ③产生H2
④Fe（OH）3失水形成Fe2O3·xH2O ⑤杂质碳被氧化
A．只有①②B．只有②③④
C．①②③④D．①②③④⑤
答案 C
解析 本题考查钢铁的电化学腐蚀。
在腐蚀过程中，负极Fe－2e－===Fe2＋，正极O2或H＋得电子，Fe2＋与OH－结合生成Fe（OH）2，Fe（OH）2被氧化生成Fe（OH）3，Fe（OH）3失水形成铁锈。
4．铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：
________________________________________________________________________。
（2）若将
（1）中的反应设计成原电池，可用______作负极，______作正极，__________作电解质溶液。
写出电极反应式：
负极反应：
____________________________________________；
正极反应：
_________________________________________________。
答案
（1）2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
（2）铜 石墨 FeCl3溶液
Cu－2e－===Cu2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
解析 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）：
Cu－2e－===Cu2＋。
还原反应（正极反应）：
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。
故Cu作负极，活动性比Cu差的材料作正极，如Ag、C等，FeCl3溶液作电解质溶液。
原电池是把化学能转化为电能的装置。
其工作原理是
1．下列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．下列叙述正确的是（ ）
①原电池是把化学能转化成电能的一种装置
②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应
③不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现
④碳棒不能用来作原电池的正极
⑤反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，能以原电池的形式来实现
A．①⑤B．①④⑤C．②③④D．②⑤
答案 A
解析 ①原电池是把化学能转化为电能的一种装置，①正确；②在发生反应时，原电池的正极要得到电子而发生还原反应，负极要失去电子而发生氧化反应，②错误；③铜与稀硫酸不能发生反应，若用铜作负极，碳棒作正极，稀硫酸作电解质溶液，组成原电池，此反应仍然不能发生，③错误；④碳棒可以用来作原电池的正极，④错误；⑤可以用铜作负极，碳棒作正极，AgNO3溶液作电解质溶液，组成原电池，此时即可发生反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，⑤正确。
故A正确。
3．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，氢离子在铜极上得电子，生成氢气；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。
构成原电池后生成氢气的速率加快。
4．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，可知活泼性Y>X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知活泼性X>Z，故三种金属的活动性顺序为Y>X>Z。
5．在铜锌原电池中（如下图），以硫酸铜为电解质溶液，锌为________极，电极上发生的是________（填“氧化”或“还原”）反应，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________（填“氧化”或“还原”）反应，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。
[基础过关]
题组一 原电池的形成与判断
1．下列有关原电池的叙述中正确的是（ ）
A．把电能转变为化学能的装置
B．活泼金属作正极，不活泼金属或非金属作负极
C．外电路中电子从负极流向正极
D．正极发生氧化反应
答案 C
2．如下图，下列装置属于原电池的是（ ）
答案 C
解析 A中铁不能和KOH溶液反应，故不能形成原电池；B中酒精不是电解质溶液；C可以构成原电池；D中无两个电极和闭合回路。
3．一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（ ）
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两项，电解质溶液中Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，故应选C。
题组二 原电池正极和负极的判断
4．如图所示装置，电流计指针发生偏转，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项A极变细，B项A极不变；C和D两项中的反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2，其中C项A极变细，D项A极变粗。
5．某学生用如图装置研究原电池原理，下列有关说法错误的是（ ）
A．图（3）中Zn片增重质量与Cu片减轻质量的比为65∶64
B．图
（2）中如果两极上都有气体产生，则说明Zn片不纯
C．图
（1）中铜片上没有气体产生
D．图
（2）与图（3）中正极生成物的质量比为1∶32时，Zn片减轻的质量相等
答案 A
解析 图（3）中Zn片作负极，发生氧化反应而溶解，质量减轻，Cu片作正极，Cu2＋在此电极上发生还原反应析出Cu，质量增加，A错误；图
（2）中Zn作负极，铜作正极，溶液中的H＋在铜电极上生成H2，若Zn片不纯，会形成另一个原电池，Zn片表面也有气体生成，B正确；Cu与稀硫酸不反应，C正确；图
（2）与图（3）中正极生成物分别是H2和Cu，两者质量比为1∶32时，物质的量之比n（H2）∶n（Cu）＝1∶1，转移电子的物质的量也相等，消耗锌片的质量相等，D正确。
6．如图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下，在卡片上描述合理的是（ ）
实验后的记录：
①Zn为正极，Cu为负极
②H＋向负极移动
③电子流动方向：
从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H20.5mol
⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋
A．①②③B．③④⑤
C．④⑤⑥D．②③④
答案 B
解析 在该原电池中，金属活动性Zn>Cu，故Zn作负极，Cu作正极，电子由Zn流出经导线流向Cu片，负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故转移1mol电子时，产生H20.5mol，在溶液中H＋向正极移动，SO
向负极移动，故①②⑥错误，③④⑤正确，选B项。
题组三 原电池原理的应用
7．按下图装置进行实验，若x轴表示流入正极的电子的物质的量，则y轴可以表示（ ）
①c（Ag＋） ②c（NO
） ③a棒的质量 ④b棒的质量⑤溶液的质量
A．①③B．②④C．①③⑤D．②④⑥
答案 A
解析 根据图中装置可判断，Fe、Ag、AgNO3构成的原电池中，活泼金属Fe为负极，Ag为正极，Fe和硝酸银之间发生氧化还原反应，所以银离子浓度减小，硝酸根浓度不变，①正确、②错误；在负极上金属铁本身失电子，即a棒质量减轻，③正确；正极b棒上析出金属银，即b棒质量增加，④错误；负极上金属铁本身失电子，正极Ag上析出金属银，所以溶液的质量是增加了Fe，但是析出了Ag，在转移电子数相等情况下，析出的金属质量多，所以溶液质量减轻，但不能为零，⑤错误。
故A正确。
8．现有M、N、P、E四种金属，已知：
①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。
则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是（ ）
A．P>M>N>EB．E>N>M>P
C．P>N>M>ED．E>P>M>N
答案 A
解析 由①知，金属还原性：
M>N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属还原性：
P>M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属还原性：
N>E。
题组四 钢铁的电化学腐蚀
9．钢铁生锈过程发生如下反应：
①2Fe＋O2＋2H2O===
2Fe（OH）2；②4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3；
③2Fe（OH）3===Fe2O3＋3H2O。
下列说法正确的是（ ）
A．反应①、②中电子转移数目相等
B．反应①中氧化剂是氧气和水
C．与铜质水龙头连接的钢质水管不易发生腐蚀
D．钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
答案 A
解析 反应①②中消耗O2的量相等，两个反应都仅有O2作为氧化剂，故转移电子数是相等的，A项正确；①中H2O的H、O两元素的化合价都没有变，故不作氧化剂，B项错；铜和钢质水管中的铁构成原电池，使钢质水管的腐蚀速率加快，C项错；钢铁是铁和碳的混合物，在潮湿的空气中易发生吸氧腐蚀，属于电化学腐蚀，D项错。
[能力提升]
10.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（如右图所示）。
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，生成的Cu沉积在银圈上，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。
11．
（1）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，电极反应式及反应类型（“氧化反应”或“还原反应”）：
负极：
________，________________，________。
正极：
________，________________，________。
（2）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）①（A）不能，（B）可以 ②（A）不是氧化还原反应，没有电子转移 ③Cu Cu－2e－===Cu2＋ 氧化反应 碳棒、Ag、铂、金（任选一种） 2Ag＋＋2e－===2Ag 还原反应
（2）①铜 Cu－2e－===Cu2＋ ②O2＋4e－＋4H＋===2H2O ③负
解析
（1）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能导电的非金属。
（2）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。
12．某同学利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计了一个原电池。
请填写下列空白：
（1）实验原理：
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
（2）实验用品：
电极（铁钉、铜钉）、稀硫酸、烧杯、导线、耳机（或者电流计）。
（3）实验装置如图：
（4）原电池设计及注意的问题：
①按如图所示装置连接好实验仪器，注意观察（耳朵听）耳机是否有声音发出，如果没有，可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极（注意：
接触的同时耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的），这时可以听见耳机发生“嚓嚓嚓……”的声音。
其原因是在原电池中，由化学能转化为____________，在耳机中又由__________转化为声音这种能量；
②如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的________极，电极反应式为________________________________________________________________________，
发生了__________反应；铜钉应该接电流计的________极，电极反应式为__________________________________________，发生了________反应。
答案 （4）①电能 电能 ②负 Fe－2e－===Fe2＋ 氧化 正 2H＋＋2e－===H2↑ 还原
解析 原电池是将化学能转变为电能的装置，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼材料作正极，发生还原反应。
电流计正极应接原电池正极，电流计负极应接原电池负极。
13．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，在常温下，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
电流计指针偏转方向
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
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