高中化学必修二课时作业第二章 化学反应与能量 第二节 第1课时化学能转化为电能 Word版含答案.docx
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高中化学必修二课时作业第二章化学反应与能量第二节第1课时化学能转化为电能Word版含答案
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。