高中化学 必修二讲义第三单元 化学能与电能的转化 Word版含答案.docx

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高中化学必修二讲义第三单元化学能与电能的转化Word版含答案

第三单元

化学能与电能的转化

第一课时　

化学能转化为电能　化学电源

[课标要求]

1．通过实验探究认识化学能可以转化为电能。

2．从电子转移的角度理解化学能向电能转化的本质及原电池的构成条件。

3．会书写简单的原电池电极反应式及电池总反应方程式。

4．知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电源的特点。

1．构成原电池的条件

（1）有活泼性不同的两个电极；

（2）电极插入电解质溶液中；

（3）电极间形成闭合回路；

（4）能自发地发生氧化还原反应。

2．原电池工作原理口诀

原电池分两极（正、负）；负极氧化正（极）还原；电子由负（极）流向正（极）；阳（离子）向正（极）阴（离子）向负（极）。

3．原电池正、负极的判断

化合价升高―→失去电子―→发生氧化反应―→负极；

化合价降低―→得到电子―→发生还原反应―→正极。

4．钢铁发生电化学腐蚀的电极反应和总反应

负极反应：

Fe－2e－===Fe2＋，

正极反应：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－，

总反应：

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2，

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3。

原电池及其工作原理

1．实验探究

[实验1]把一块锌片和一块铜片分别插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察实验现象。

[实验2]把一块锌片和一块铜片同时插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察实验现象。

实验1、2现象：

实验1、2中现象相同，均为锌片周围有气泡产生，铜片周围无明显现象。

实验结论：

锌在金属活动性顺序中位于氢前面，能置换酸中氢；铜片在金属活动性顺序中位于氢后面，不能置换酸中氢。

[实验3]用导线把实验2中的锌片和铜片连接起来，观察实验现象。

[实验4]在导线中间接一个灵敏电流计，观察实验现象。

实验3、4现象：

锌片周围无气泡产生，铜片周围有气泡产生；电流计指针发生偏转。

实验结论：

锌、铜用导线连接后插入稀硫酸溶液中，导线中有电流产生。

2．原电池

（1）概念：

将化学能转变为电能的装置。

（2）工作原理（以锌－铜－稀H2SO4原电池为例）：

（3）构成条件

a．有活泼性不同的两个电极

b．电极插入电解质溶液中

c．电极间构成闭合回路

d．能自发地发生氧化还原反应

（4）原电池的电极反应

负极→流出电子→发生氧化反应，

正极→流入电子→发生还原反应。

[特别提醒]　原电池的正极是导体，它不参与化学反应；负极反应不一定是负极材料本身的反应，有的原电池的负极既是导体又是负极反应物（如铜锌原电池），有的原电池负极的作用是导体（如H2、O2燃料电池），它不参与化学反应。

1．将铁片、镁片用导线连接插入稀硫酸中，则铁片上发生什么反应，电极反应式如何书写？

提示：

镁比铁活泼，镁作负极，铁作正极，铁电极上发生还原反应，电极反应式是2H＋＋2e－===H2↑。

2．原电池的电极材料都必须是金属吗？

提示：

原电池的电极材料可以是两种活泼性不同的金属，也可以是一种金属与一种可导电的惰性材料（如石墨），在燃料电池中，电极本身均不发生反应，故两极均可用惰性材料。

3．原电池内部阴、阳离子是如何移动的？

提示：

阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。

1．原电池的判断

2．原电池正负极的判断

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）原电池是一种电能转化为化学能的装置（　　）

（2）负极失去电子发生氧化反应（　　）

（3）正极是电子流出极（　　）

（4）用导线连接的铜片和锌片插入到稀H2SO4中，锌片上有大量气泡产生（　　）

解析：

（1）原电池是一种将化学能转化为电能的装置。

（3）正极是电子流入的一极。

（4）H＋在铜片上被还原成H2，铜片上会有大量气泡产生。

答案：

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

2．如图所示的装置，能够组成原电池产生电流的是________。

解析：

A项中两个电极相同；B项中蔗糖是非电解质；C、D项没有形成闭合回路，因此A、B、C、D都不符合原电池的构成条件，不能产生电流。

答案：

EF

原电池原理的应用

1．钢铁的电化学腐蚀

（1）电化学腐蚀

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而被氧化的腐蚀。

（2）钢铁的电化学腐蚀

电解质

溶液

钢铁表面水膜中含有H＋和OH－，还溶有O2等气体

电极

负极

材料：

Fe，电极反应：

Fe－2e－===Fe2＋

正极

材料：

C，电极反应：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

总反应

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2，进一步被氧化，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，Fe（OH）3易分解生成铁锈（Fe2O3·xH2O）

2．金属活动性强弱的判断

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

（1）装置甲中负极的电极反应式是A－2e－===A2＋。

（2）装置乙中正极的电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。

（3）四种金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。

1．锌与稀硫酸反应时，若滴几滴硫酸铜溶液，反应速率会加快，试分析其原因。

提示：

滴加硫酸铜溶液后，会有少量锌与硫酸铜反应置换出铜，生成的铜、锌分别作为原电池的两个电极而形成原电池，从而加快锌与稀硫酸的反应。

2．已知反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，请将该反应设计成原电池，画出原电池装置图并标出正、负极。

提示：

先确定两个电极，负极失电子化合价升高，所以铜作负极，再找活泼性比铜弱的碳棒或银棒作正极；从反应中可以看出电解

质溶液中必须含有银离子，所以用硝酸银溶液作电解质溶液。

装置图见右图。

原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

（1）原理：

在原电池中，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干扰减小，使反应速率增大。

（2）应用：

实验室用Zn和稀H2SO4（或稀盐酸）反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快。

原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。

2．比较金属的活动性强弱

（1）原理：

原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。

（2）应用：

有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活动性A>B。

3．设计原电池

（1）首先将已知氧化还原反应拆分为两极反应式。

氧化反应：

还原剂－ne－===氧化产物（负极反应式）；

还原反应：

氧化剂＋ne－===还原产物（正极反应式）；

正极反应式＋负极反应式＝电池的总反应式。

（2）根据原电池的电池反应特点，结合两极反应式找出正负极材料及电解质溶液。

①电解质溶液的选择：

电解质溶液一般要能够与负极发生反应或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。

②电极材料的选择：

在原电池中，一般选择活泼性较强的金属作为负极，活泼性较弱的金属或能导电的惰性材料作正极。

负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化，氧化性物质在正极上得到电子被还原。

（3）实例：

原理

装置图

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑

负极反应：

Zn－2e－===Zn2＋

正极反应：

2H＋＋2e－===H2↑

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H2的总量，可采用的方法是（　　）

A．加入适量6mol·L－1的盐酸

B．加入几滴CuCl2溶液

C．加入适量蒸馏水

D．加入适量的NaCl溶液

解析：

选B　加入适量6mol·L－1的盐酸，增大了溶液中c（H＋）和n（H＋），反应速率加快，产生H2的量也增多，所以A不符合题意；加入适量蒸馏水或加入适量的NaCl溶液后，溶液中c（H＋）降低，反应速率减慢；加入几滴CuCl2溶液，锌置换出少量铜，锌、铜在盐酸中构成原电池，加快了反应速率，但不影响产生H2的量，故B正确。

2．有A、B、D、E四种金属，当A、B组成原电池时，电子流动方向A→B；当A、D组成原电池时，A为正极；B与E构成原电池时，电极反应式为E2＋＋2e－===E，B－2e－===B2＋。

则A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为（　　）

A．A>B>E>D　　　　　　　B．A>B>D>E

C．D>E>A>BD．D>A>B>E

解析：

选D　原电池电子由负极流向正极，负极活泼，故活动性是A>B；当A、D组成原电池时，A为正极，故金属活动性为AE；A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为D>A>B>E。

化学电源

1．原理

原电池原理。

2．优点

化学电源的能量转化率比燃料燃烧大的多。

3．分类

4．常见化学电源的组成

电池名称

电极材料

电解质溶液

负极

正极

锌锰干电池

锌

碳棒

氯化铵等

银锌纽扣电池

锌

氧化银

氢氧化钾溶液

铅蓄电池

铅

二氧化铅

硫酸

镍氢电池

贮氢合金

泡沫氧化镍

氢氧化钾溶液

氢氧燃料电池

H2放电

O2放电

氢氧化钾溶液

甲醇－空气燃料电池

甲醇放电

O2放电

氢氧化钾溶液

1．铅蓄电池的正、负极材料是什么？

电解质溶液是什么？

提示：

负极：

Pb，正极：

PbO2，电解质溶液：

稀H2SO4。

2．氢氧燃料电池在酸性条件和碱性条件下的正极反应式相同吗？

若不同，请分别写出反应式。

提示：

不相同；酸性条件下正极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O，碱性条件下正极反应式：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

3．除氢氧燃料电池外，其他燃料电池的负极反应物通常还有哪些？

正极放电的是什么物质？

提示：

负极还可以是烃（如甲烷、乙烷等）、醇（如甲醇、乙醇等）、氨、煤气等可燃性气体

或液体。

正极放电的是氧气。

1．常见化学电源的反应原理

（1）锌锰干电池

Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn（NH3）2Cl2＋2MnO（OH）

（2）铅蓄电池

PbO2＋Pb＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O

（3）甲醇－空气燃料电池

2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO

＋6H2O

2．氢氧燃料电池

电极材料

铂

铂

电解质溶液

氢氧化钾溶液

盐酸

电池反应原理

电极反应

负极：

2H2＋4OH－

－4e－===4H2O

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

负极：

2H2－4e－===4H＋

正极：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

总反应

2H2＋O2===2H2O

[特别提醒]　

（1）燃料电池的本质是燃料与氧化剂之间能够发生自发的氧化还原反应，且能够对外放出能量。

（2）燃料电池在使用过程中，并没有发生燃料的燃烧，而是燃料和氧化剂分别在两极放电，将化学能转化为电能。

（3）燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，而燃料电池中发生的氧化还原反应则是缓和平稳的。

（4）燃料燃烧时，大量的热能释放到空气中，能量利用率低，燃料电池工作时，能量转化率较高，是一种高效、环境友好的发电装置。

1．燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应是：

X极：

O2＋H2O＋2e－===2OH－

Y极：

H2＋2OH－－2e－===2H2O

下列说法正确的是（　　）

A．X是负极　　　　　　　B．Y是正极

C．Y极上发生还原反应D．Y极上发生氧化反应

解析：

选D　由电极反应式可知，X极上发生还原反应，X是电池的正极，Y极上发生氧化反应，Y是电池的负极。

2．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。

某种锂电池的总反应式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是（　　）

A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋

B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋

C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO

D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋

解析：

选B　由总反应

＋

O2===

O2可知，Li元素在反应后化合价升高（0→＋1），Mn元素在反应后化合价降低（＋4→＋3）。

Li失电子被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－===Li＋。

MnO2在正极上得电子被还原，电极反应为MnO2＋e－===MnO

。

[方法技巧]

　　给出总反应，写电极反应式的方法

（1）逐步分析法

（2）寻找易写电极反应突破法

根据总反应方程式和电解质特点，写出较易写的电极反应，然后用总反应减去该电池反应可得另一极的电极反应。

＝

－

如CH4酸性燃料电池中：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O……总反应

2O2＋8H＋＋8e－===4H2O……正极反应式

CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋……负极反应式

[三级训练·节节过关]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．如下图所示装置，能够组成原电池的是（　　）

解析：

选C　A项，两电极材料相同，且不能发生氧化还原反应，不能组成原电池，错误；B项，两电极材料相同，不能组成原电池，错误；C项，装置为原电池，Zn为负极，Cu为正极，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，正确；D项，乙醇溶液不是电解质溶液，不能组成原电池，错误。

2．下列有关电池的说法中不正确的是（　　）

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

解析：

选B　手机上用的锂离子电池是可充电电池，A正确；铜锌原电池中，Cu为正极，Zn为负极，外电路中电子由负极流向正极，B错误；燃料电池将化学能转化为电能，C正确；锌锰干电池中，Zn为负极，D正确。

3.如图装置所示，铜片上发生的反应为（　　）

A．Zn2＋＋2e－===Zn

B．2H＋＋2e－===H2↑

C．Zn－2e－===Zn2＋

D．Cu2＋＋2e－===Cu

解析：

选B　根据图示可知，该装置为原电池，由于还原性Zn>Cu，所以Zn是负极，发生氧化反应，Cu是正极，H＋在正极上得到电子，发生还原反应，电极反应式是2H＋＋2e－===H2↑。

4.如图所示，把锌片和铜片用导线相连后插入稀硫酸溶液中构成原电池。

下列叙述正确

的是（　　）

A．电流从铜片经导线流向锌片

B．该装置将电能转变为化学能

C．一段时间后，铜片质量减轻

D．锌片发生还原反应

解析：

选A　题给装置为原电池，把化学能转化为电能，锌作负极失去电子发生氧化反应，铜作正极，H＋在Cu电极上得电子生成氢气，Cu的质量不变，电流从正极Cu沿导线流向负极Zn。

5．原电池原理的发现是储能和供能技术的巨大进步，是化学对人类的一项重大贡献。

（1）现有如下两个反应：

A.NaOH＋HCl===NaCl＋H2O；B.Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，判断能否设计成原电池：

A.________，B.________（填“能”或“不能”）。

（2）将纯锌片和纯铜片按图方式插入100mL相同浓度的稀硫酸中一段时间，回答下列问题：

①下列说法正确的是__________。

a．甲、乙均为化学能转变为电能的装置

b．乙中铜片上没有明显变化

c．甲中铜片质量减少，乙中锌片质量减少

d．两烧杯中溶液中的H＋的浓度均减小

②在相同时间内，两烧杯中产生气泡的速率：

甲______乙（填“>”“<”或“＝”）。

③请写出图中构成原电池的负极反应式______________________。

电池工作时，溶液中的SO

向______极移动，电池工作完成后，溶液中SO

浓度________（填“增大”“减小”或“不变”）。

解析：

（1）A不能设计成原电池，原电池要求自发发生氧化还原反应，A是复分解反应，故不能；B能；

（2）a项，甲形成了原电池，乙没有形成原电池，故甲是化学能转化为电能，乙不是，错误；b项，乙不是原电池，铜与稀硫酸不反应，正确；c项，甲中锌作负极，质量减少，错误；d项，甲烧杯中形成原电池，锌作负极，溶液中c（H＋）减小，乙烧杯中锌直接与稀硫酸反应，c（H＋）减小，正确。

形成原电池反应速率加快，故反应速率甲>乙；负极失电子，Zn－2e－===Zn2＋，原电池中阴离子向正极移动，即向锌极移动，硫酸根不参与氧化还原反应，故离子浓度不变。

答案：

（1）不能　能　

（2）①bd　②>　③Zn－2e－===Zn2＋　负　不变

1.如图是铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中形成的原电池，则锌片是（　　）

A．阴极：

得到电子，发生氧化反应

B．正极：

得到电子，发生还原反应

C．阳极：

失去电子，发生还原反应

D．负极：

失去电子，发生氧化反应

解析：

选D　原电池的两极是以正、负极命名；在酸性溶液中比较活泼的一极是负极，所以锌片是负极，负极失去电子发生氧化反应。

2．下列关于原电池的叙述正确的是（　　）

A．构成原电池的正极和负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．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原

D．原电池放电时，电流的方向是从负极到正极

解析：

选B　A项，氢氧燃料电池的两电极都可用金属铂作电极，错误；B项，原电池是将化学能转变为电能的装置，正确；C项，在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被氧化，错误；D项，原电池放电时，电流的方向是从正极到负极，错误。

3．已知空气－锌电池的电极反应如下：

锌电极：

Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；

石墨电极：

O2＋H2O＋2e－===2OH－。

可以判断石墨电极是（　　）

A．负极，发生还原反应　　　B．正极，发生氧化反应

C．负极，发生氧化反应D．正极，发生还原反应

解析：

选D　在电池中，失去电子的一极是负极，发生氧化反应，得到电子的一极是正极，发生还原反应。

4.如图是氢氧燃料电池构造示意图。

下列说法不正确的是（　　）

A．a极是负极

B．电子由b通过溶液流向a

C．该电池总反应是2H2＋O2===2H2O

D．氢氧燃料电池是环保电池

解析：

选B　A项，氢氧燃料电池中，通入氢气的a极为负极，正确；B项，通入氧气的b极为正极，电子由a经过导线流向b，错误；C项，氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，正确；D项，氢氧燃料电池反应产物是水，无污染，是环保电池，正确。

5．钢铁发生电化学腐蚀时，负极发生的反应是（　　）

A．2H＋＋2e－===H2

B．2H2O＋O2＋4e－===4OH－

C．Fe－2e－===Fe2＋

D．4OH－－4e－===2H2O＋O2

解析：

选C　原电池中较活泼的金属是负极，失去电子，发生氧化反应，电子经导线传递到正极，则钢铁发生电化学腐蚀时，负极是铁失去电子，发生的反应是Fe－2e－===Fe2＋。

6．如图所示是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡上的记录如下：

则卡片上的描述合理的是（　　）

A．①②③　　　　　　　　　　B．②④

C．④⑤⑥D．③④⑤

解析：

选B　在该原电池中，锌较活泼作负极，铜为正极，①错误；H＋在铜上反应生成H2，故铜上有气泡产生，②正确；原电池中阴离子向负极移动，故SO

向锌移动，③错误；根据反应2H＋＋2e－===H2↑，转移0.5mol电子时生成0.25mol的气体，④正确；电子由负极流向正极，故电子从锌经过导线流向铜，⑤错误；正极反应式：

2H＋＋2e－===H2↑，⑥错误。

7．一个原电池的总反应方程式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池可能为（　　）

选项

A

B

C

D

正极

Cu

Al

Zn

Fe

负极

Zn

Zn

Cu

Zn

电解质溶液

H2SO4

CuSO4

ZnCl2

CuCl2

解析：

选D　由电池的总反应方程式知，Zn被氧化作负极，比Zn活动性弱的金属或导电的非金属作正极，Cu2＋被还原，溶液应为可溶性铜盐溶液。

对照各选项，D项符合题意。

8．有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置及部分反应现象如下：

实验装置

部分实验现象

a极质量减小b极质量增加

溶液中的SO

向b极移动

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

解析：

选C　a极质量减小b极质量增加，说明a是负极，b是正极，金属性a>b；溶液中的SO

向b极移动，说明b电极是负极，金属性b>c；d极溶解c极有气体产生，说明d电极是负极，c电极是正极，金属性d>c；电流从a极流向d极，说明a电极是正极，d电极是负极，金属性d>a，所以金属性d>a>b>c。

9．将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流计。

（1）锌片上发生的电极反应式为________________________________________________________________________；

银片上发生的电极反应式为________________________________________________________________________。

（2）若起始时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，则生成H2体积（标准状况）为__________，电子转移数目是________。

解析：

（1）因金属的活动性Zn＞Ag，所以将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池时，锌片作负极，发生氧化反应Zn－2e－===Zn2＋，银片作正极，发生还原反应2H＋＋2e－===H2↑。

（2）锌片与银片总质量减轻，是因为负极锌失去电子溶解，根据电子得失守恒有：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑～转移2e－

＝

＝

得V＝4.48L，x＝0.4mol，故N（e－）＝0.4NA。

答案：

（1）Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑

（2）4.48L　0.4NA

10.依据氧化还原反应：

2Ag++Cu===Cu2++2Ag设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是　　　　；电解质溶液Y是　　　　。

（2）银电极为电池的　　　　极，发生的电极反应为　　　　　　　　　；X电极上发生的电极反应为　　　　（填“氧化”或“还原”）反应。

（3）外电路中的电子　　　　（填“流出”或“流向”）Ag电极。

（4）当有1.6g铜溶解时，银电极增重　　　　g。

解析：

（1）由原电池反应：

2Ag++Cu===Cu2++2Ag知，铜失电子，发生氧化反应，作负极，比铜不活泼的金属或石墨作正极，电解质溶液用可溶性的硝酸银溶液，则电极X的材料是铜，电解质溶液Y是AgNO3溶液。

（2）由

（1）知，银电极为电池的正极，发生的电极反应为Ag++e-===Ag，X电极上发生氧化反应。