届高中化学第二章化学反应与能量第二节化学能与电能第1课时化学能转化为电能学案新人教版.docx
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届高中化学第二章化学反应与能量第二节化学能与电能第1课时化学能转化为电能学案新人教版
第1课时 化学能转化为电能
一、能源与火力发电
1.一次能源和二次能源
(1)一次能源:
直接从自然界取得的能源。
如太阳能、风能、地热能、水力、潮汐、原煤、石油、天然气、天然铀矿等。
(2)二次能源:
一次能源经过加工,转换得到的能源。
如电能、蒸汽能、机械能等。
2.火力发电——化学能间接转化为电能
(1)火力发电的原理
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
(3)火力发电的弊端
①化石燃料属于不可再生资源,用化石燃料发电会造成资源的浪费。
②火力发电的过程中,能量经过多次转化,利用率低,能量损失大。
③化石燃料燃烧会产生大量的有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等),污染环境。
火力发电是通过氧化还原反应将化学能转化为电能的一种间接方式,在其过程中,燃烧是使化学能转化为电能的关键。
例1
下列叙述不正确的是( )
A.根据一次能源和二次能源的划分,氢气为二次能源
B.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
C.火力发电是将燃料中的化学能直接转化为电能的过程
D.在火力发电过程中,化学能转化为热能实际上是氧化还原反应发生的过程,伴随着能量的变化
答案 C
解析 氢气不能从自然界中直接取得,是二次能源,A正确;电能也是二次能源,且使用方便、污染最小,B正确;以煤为燃料,火力发电的能量转化过程:
(煤)化学能
热能
机械能
电能,故C错误,D正确。
二、原电池——化学能直接转化为电能
1.实验探究
实验步骤
解释或
说明
锌与稀硫酸发生置换反应产生氢气,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,与锌、铜都不反应
2.原电池的概念
原电池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。
3.原电池的构成条件
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:
两电极用导线相连,形成闭合回路。
4.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:
化学能转变为电能。
5.原电池工作原理的应用
(1)比较金属活动性
原电池中,作负极的金属活动性一般比作正极的金属活动性强。
(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。
例2
如图所示装置能够组成原电池的是________________________________。
其他不能构成原电池的说明理由:
___________________________________
________________________________________________________________________。
考点 能源与构成的原电池条件
题点 原电池的形成条件与判断方法
答案 EFG
A装置的两个电极的活泼性相同,电子不会流动形成电流;B装置为非电解质溶液,不能发生氧化还原反应;C装置电解质溶液在两个分开的装置中,不成形成闭合回路;D装置无导线连接电极,不能形成闭合回路。
它们均不能构成原电池
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:
两个活泼性不同的电极,插入电解质溶液中,装置形成闭合回路)。
例3
如图所示电流表的指针发生偏转,同时A极的质量减小,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分别可以为Zn、Cu和稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应
考点 原电池工作原理及正负极的判断
题点 原电池工作原理
答案 C
解析 原电池中,负极金属失去电子,发生氧化反应溶解,质量减小,故A极为负极,B极为正极,A、D项正确;A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时,可以构成原电池,且现象符合题意,B项正确;电解质溶液中阳离子移向正极,C项错误。
例4
某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池正确的组成是( )
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Cu
Zn
HCl
B
Zn
Cu
CuSO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Cu
Zn
ZnCl2
考点 原电池原理的应用
题点 设计原电池
答案 C
解析 将Zn+Cu2+===Zn2++Cu拆开两个半反应:
氧化反应(负极反应):
Zn-2e-===Zn2+。
还原反应(正极反应):
Cu2++2e-===Cu。
则电池的负极是Zn,正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属,电解质溶液中含Cu2+。
方法技巧——设计原电池的方法
(1)依据:
已知一个氧化还原反应,首先分析找出氧化剂、还原剂,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)选择合适的材料
①电极材料:
电极材料必须导电。
负极材料一般选择较活泼的金属材料,或者在该氧化还原反应中,本身失去电子的材料。
②电解质溶液:
电解质溶液一般能与负极反应。
原电池是把化学能转化为电能的装置。
其工作原理是
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)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( )
(2)NaOH+HCl===NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池( )
(3)原电池中的阳离子由负极区向正极移动( )
(4)在Zn|稀硫酸|Cu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( )
(5)把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴CuCl2溶液,气泡放出速率加快( )
考点 原电池工作原理
题点 原电池的综合应用
答案
(1)√
(2)× (3)√ (4)× (5)√
2.(2017·北京101中学期中)下列设备工作时,将化学能转化为电能的是( )
A
B
C
D
锂离子电池
太阳能集热器
燃气灶
硅太阳能电池
考点 能源与构成原电池的条件
题点 能量的转化方式
答案 A
解析 A项,锂离子电池是把化学能转化为电能,故正确;B项,太阳能集热器是把太阳能转化为热能,故错误;C项,燃烧是放热反应,是把化学能转化为热能,故错误;D项,硅太阳能电池是把太阳能转化为电能,故错误。
3.(2017·湖南郴州适应性测试)如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是( )
A.电子由铜通过导线流向锌
B.该装置是将电能转化为化学能的装置
C.锌电极发生氧化反应
D.电流由锌通过导线流向铜
考点 原电池工原理和正负极的判断
题点 原电池工作原理
答案 C
解析 A项,铜作正极,锌作负极,因此电子由锌流向铜,故错误;B项,该装置将化学能转化为电能,故错误;C项,锌作负极失去电子,发生氧化反应,故正确;D项,电子与电流的方向相反,因此电流由铜极流向锌极,故错误。
4.下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是( )
A.①②③④B.④②①③
C.③①②④D.②①③④
考点 原电池原理的应用
题点 金属腐蚀快慢的比较
答案 B
解析 ③中的锌作负极,腐蚀速率最快;④中的锌与外界不接触,腐蚀速率最慢;②中的锌作正极,腐蚀速率比①中的锌要慢;因此腐蚀速率由慢到快的顺序为④②①③,故B正确。
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__________________________________________________;
铜片上观察到的现象为_____________________________________________________,
原电池总反应的离子方程式为_______________________________________________。
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 常考多变的锌铜原电池
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,原电池总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu。
[对点训练]
题组一 一次能源和二次能源
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
考点 能源与构成原电池的条件
题点 能源的分类
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,A正确;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,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。
2.下面是有关各种形式能量的相互转化途径的叙述,其中错误的是( )
A.家庭液化气灶将化学能转变为热能
B.灯泡将电能全部转变为光能
C.光合作用将光能转变为化学能
D.太阳能电池将光能转变为电能
考点 能源与构成原电池的条件
题点 能量的转化方式
答案 B
解析 灯泡除了将电能转变为光能之外,还转变为热能等其他形式的能。
题组二 化学能转化为电能
3.如图所示各装置中,不能构成原电池的是(烧杯中所盛液体都是稀硫酸)( )
考点 能源与构成原电池的条件
题点 原电池的形成条件与判断
答案 D
解析 原电池的形成条件包括活动性不同的电极、电解质溶液、形成闭合回路、自发进行氧化还原反应。
对图示各个装置进行观察,发现只有D不能形成闭合回路,因此不能形成原电池。
4.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材料必须是两种活泼性不同的金属
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
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 原电池构成和原理的理解
答案 B
解析 构成原电池的正极和负极可以是两种活泼性不同的金属,也可以是导电的非金属(如石墨棒)和金属,A错误;原电池是将化学能转变为电能的装置,B正确;在原电池中,负极上发生失去电子的氧化反应,正极上发生得到电子的还原反应,所以电子从负极沿导线流向正极,C错误;原电池放电时,电子从负极沿导线流向正极,则电流的方向是从正极到负极,D错误。
5.(2017·湖北部分重点中学期末联考)某实验兴趣小组按下图装置实验后,所记录内容合理的是( )
实验记录
①Cu为正极,Zn为负极;
②Zn质量减少,Cu质量增加;
③SO
向Cu极移动;
④电子流向:
由Zn经导线流入Cu片;
⑤Zn电极发生还原反应;
⑥正极反应式:
Cu2++2e-===Cu。
A.②③④B.①②④⑥
C.①②④⑤D.②③⑤⑥
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 原电池工作原理
答案 B
解析 ①Zn比Cu活泼,Zn为负极,Cu为正极,故正确;②铜为正极,发生反应:
Cu2++2e-===Cu,铜极质量增大,故正确;③原电池工作时,阴离子向负极移动,故错误;④电子由负极流向正极,即电子由Zn电极流向Cu电极,故正确;⑤Zn电极发生氧化反应,故错误;⑥正极发生还原反应,电极反应方程式为Cu2++2e-===Cu,故正确。
综上所述,B正确。
6.人造地球卫星用到的一种高能电池——银锌蓄电池,其电池的电极反应式:
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-。
据此判断氧化银是( )
A.负极,被氧化B.正极,被还原
C.负极,被还原D.正极,被氧化
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 正、负极的判断
答案 B
解析 电池的电极反应式:
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-,从中可以看出锌的化合价升高,所以锌为负极,被氧化,而氧化银中的银化合价降低,被还原,故氧化银为正极,被还原,故B符合题意。
7.(2017·武汉高一检测)如图将锌片和铜片用导线连接后放入稀硫酸中,发生原电池反应,下列叙述错误的是( )
A.溶液的pH增大
B.溶液中的Zn2+浓度增大
C.溶液中的SO
浓度增大
D.溶液的密度增大
考点 原电池的工作原理和正负极的判断
题点 常考多变的锌铜原电池
答案 C
解析 A项,氢离子浓度降低,溶液的pH增大,正确;B项,锌不断溶解,溶液中的Zn2+浓度增大,正确;C项,由于在反应过程中溶液中SO
没有参加反应,所以溶液中c(SO
)不变,错误;D项,原电池放电时,溶液由硫酸溶液逐渐变成硫酸锌溶液,所以溶液的密度增大,正确。
8.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( )
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
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 多角度判断正、负极
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。
题组三 原电池工作原理的应用
9.X、Y、Z、W四种金属片浸在稀盐酸中,用导线连接,可以组成原电池,实验结果如图所示:
则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为( )
A.Z>Y>X>WB.Z>X>Y>W
C.Z>Y>W>XD.Y>Z>X>W
考点 原电池工作原理的应用
题点 比较金属活泼性的强弱
答案 A
10.(2018·南宁六中5月考试)下面是四个化学反应,你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是( )
A.2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
B.2H2+O2
2H2O
C.Mg3N2+6H2O===3Mg(OH)2+2NH3↑
D.CH4+2O2
CO2+2H2O
考点 原电池原理的应用
题点 能否设计原电池的化学反应分析
答案 C
解析 只有属于氧化还原反应,才能用于设计原电池;A、B、D属于氧化还原反应,均可以设计为原电池。
C不属于氧化还原反应,不能设计成原电池,故选C。
11.(2018·北京四中4月月考)为将反应2Al+6H+===2Al3++3H2↑的化学能转化为电能,下列装置能达到目的的是(铝条均已除去了氧化膜)( )
考点 原电池原理的应用
题点 原电池的设计
答案 B
解析 A项为原电池,铝为负极,但总反应为2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑,不符合;C项为原电池,但硝酸是氧化性酸,则总反应为Al+4H++NO
===Al3++NO↑+2H2O,不符合;D项装置中有外接电源,不属于原电池,不符合。
12.小颖同学用如图所示装置研究原电池原理,下列说法错误的是( )
A.若将图1装置的Zn、Cu直接接触,Cu片上能看到气泡产生
B.图2装置中SO
向Cu片移动
C.若将图2中的Zn片改为Mg片,Cu片上产生气泡的速率加快
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
考点 原电池原理的应用
题点 原电池工作原理的探究
答案 B
解析 Zn、Cu直接接触就能构成闭合回路而形成原电池,Cu片上可看到有气泡产生,A项正确;SO
带负电荷,应该向负极Zn片移动,B项错误;由于Mg的失电子能力强于Zn,所以将Zn片改为Mg片后,电子转移速率加快,生成H2的速率也加快,C项正确;假设图2中正极产生2gH2,则转移2mol电子,消耗负极65gZn,而图3中正极析出64gCu,也转移2mol电子,消耗负极65gZn,故Zn片减轻的质量相等,D项正确。
[综合强化]
13.(2017·南宁高一检测)某同学为了探究原电池产生电流的过程,设计了如图实验。
(1)打开K,观察到的现象为__________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)关闭K,观察到的现象是___________________________________________
________________________________________________________________________。
此电池的负极的电极反应式为_____________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)关闭K,溶液中阳离子向________(填“Zn”或“C”)极移动,外电路中,电子流动方向是________________________________________________________________________。
考点 原电池原理的应用
题点 原电池的综合探究实验
答案
(1)锌棒上附着有红色固体
(2)碳棒上附着有红色固体 Zn-2e-===Zn2+
(3)C Zn→C(或负极→正极)
解析
(1)打开K,锌与硫酸铜接触,置换出铜,所以可以看到锌棒上附着有红色固体。
(2)关闭K,形成原电池,锌作负极,碳作正极,溶液中的铜离子在碳棒上得到电子生成铜,看到碳棒上附着有红色固体;负极反应为Zn-2e-===Zn2+。
(3)关闭K,溶液中的阳离子向正极移动,即向碳棒移动,电子从锌出来经过导线流向碳。
14.(2017·咸宁高一检测)理论上讲,任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。
请利用反应“Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+”设计一个化学电池(正极材料用碳棒),回答下列问题:
(1)该电池的负极材料是________,发生________反应(填“氧化”或“还原”),电解质溶液是____________。
(2)正极上出现的现象是_________________________________________________。
(3)若导线上转移电子1mol,则生成银______g。
考点 原电池原理的应用
题点 原电池的设计
答案
(1)Cu 氧化 AgNO3溶液
(2)碳棒上出现银白色物质
(3)108
解析
(1)根据电池的总反应,可知负极一般是失电子的物质,所以负极材料应该是铜,发生氧化反应,电解质溶液是一种可溶性的银盐溶液,所以是AgNO3溶液。
(2)正极上是溶液中的银离子得到电子变成银单质,所以正极上的现象是碳棒上出现银白色物质。
(3)当导线上转移1mol电子的时候,正极上会析出1mol银单质,所以正极上生成的银的质量是108g。
15.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)由实验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:
___________________
_____________________________________________________。
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 多角度判断正、负极
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 在稀盐酸