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课时化学反应为人类提供能量学案.docx
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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课时化学反应为人类提供能量学案
第2课时 化学反应为人类提供能量
一、化学反应为人类提供能量
1．物质发生化学反应的实质与能量变化的原因
2．化学反应中能量转化的主要形式
（1）即热饭盒、铝热反应：
化学能主要转化为热能；
（2）电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气：
电能主要转化为化学能。
（3）绿色植物进行光合作用时，光能转化为化学能。
（4）煤燃烧时，化学能主要转化为热能和光能。
例1
下列说法中正确的是（ ）
A．化学反应中的能量变化，其表现形式除热能外还可能是光能和电能等
B．化学反应中的能量变化不一定遵循能量守恒定律
C．在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量与生成物的总能量可能相同
D．在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量总是高于生成物的总能量
考点 化学能与热能的相互转化
题点 化学反应中能量变化的相关综合
答案 A
解析 化学反应中的能量变化一定遵循能量守恒定律；物质发生化学反应都伴随着能量的变化，所以反应物的总能量与生成物的总能量一定不同；在一个确定的化学反应中，反应物的总能量（E1）与生成物的总能量（E2）之间的关系：
E1＞E2，化学反应为放热反应，E1＜E2，化学反应为吸热反应。
思维启迪
任何化学反应除遵循质量守恒定律外，同样也遵循能量守恒定律，不同形式的能量之间可以转化，但总能量保持不变。
反应物与生成物的能量差若以热能形式表现出来，即为放热反应或吸热反应。
二、化学能转化为电能
1．实验探究
实验步骤
现象
结论
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，检流计指针发生偏转
导线中有电流，化学反应中化学能转化为电能
两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，检流计指针不偏转
锌与稀硫酸反应，导线中无电流
无现象
乙醇是非电解质，导线中无电流
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，做负极的金属活动性一般比做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做负极，铜（或石墨）做正极，FeCl3溶液做电解质溶液。
（4）制造多种化学电源
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（手机用）；
③燃料电池：
如氢氧燃料电池，其能量转化率高，对环境无污染。
（1）电子只能在导体中定向移动，不能通过溶液。
（2）电解质溶液中离子移动方向：
阳离子移向正极、阴离子移向负极。
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 能源与构成原电池的条件
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——原电池的判断方法
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
如图所示检流计的指针发生偏转，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。
思维启迪——多个角度判断原电池的正极和负极
例4
①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。
①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。
据此判断这四种金属活泼性由大到小的顺序是（ ）
A．①③②④B．①③④②
C．③④②①D．③①②④
答案 B
解析 ①②相连时，外电路电流从②流向①，则金属活泼性①大于②；①③相连时，③为正极，则金属活泼性①大于③；②④相连时，②上有气泡逸出，则金属活泼性④大于②；③④相连时，③的质量减少，则金属活泼性③大于④，故金属活泼性由大到小的顺序为①③④②。
思维启迪——形成原电池、比较金属活动性
根据原电池原理比较金属活动性，做负极的金属活动性较强，做正极的金属活动性较弱。
例5
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拆成两个半反应：
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）用导线连接铜片和锌片插入到稀H2SO4中，锌片上有大量气泡（ ）
（2）原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应（ ）
（3）NaOH＋HCl===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池（ ）
（4）原电池中的阳离子由负极区向正极区移动（ ）
（5）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（ ）
（6）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（ ）
答案
（1）×
（2）× （3）× （4）√ （5）× （6）√
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·合肥高一检测）某学生将检流计用导线与两个电极连接在一起，再将两个电极同时插入某种电解质溶液中，能观察到有电流产生的是（ ）
A．用铜片、铅笔芯做电极插入稀硫酸中
B．用两个铜片做电极插入硝酸银溶液中
C．用锌片、铜片做电极插入番茄中
D．用铜片、铁片做电极插入酒精中
答案 C
解析 要构成原电池，除要形成闭合回路外，还需要有两个活动性不同的电极材料，一般其中一个电极要能与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。
A项，铜和石墨与稀硫酸均不反应；B项，电极材料相同；D项，酒精是非电解质；C项，一些水果中含有有机酸，可做电解质溶液。
4．（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，铜做正极，锌做负极，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，锌做负极失去电子，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。
5．如图所示装置，检流计指针发生偏转，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↑，则在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选项中A极变粗。
6．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溶液为电解质溶液时，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 原电池的构成条件
1．下列各组的电极材料和电解液，不能组成原电池的是（ ）
A．铜片、石墨棒，乙醇
B．铜片、石墨棒，硝酸银溶液
C．锌片、铜片，稀盐酸
D．铜片、铂片，FeCl3溶液
答案 A
2．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。
题组二 原电池工作原理
3．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。
4．如图所示，两电极一为碳棒，一为铁片，若检流计的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则以下叙述正确的是（ ）
A．a为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸
B．b为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
C．a为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸
D．b为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
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（C）：
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。
5．某实验兴趣小组按如图装置实验后，所记录内容合理的是（ ）
实验记录
①Zn片为负极，质量减少，Cu为正极，质量不变；
②外电路电流方向是：
由Cu→Zn；
③SO
向Zn极移动，Cu2＋向Cu极移动；
④Zn电极发生氧化反应；
⑤正极反应式：
Cu2＋＋2e－═Cu；
⑥电子流动方向：
锌极→导线→铜极→电解质溶液→锌极
A.①②④B．②③④
C．②③④⑤D．③⑤⑥
答案 C
解析 该装置为原电池，锌片为负极，发生氧化反应，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，铜片为正极，铜片上发生还原反应，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，电子由锌片经导线流向铜片，电解质溶液中没有电子通过，SO
向负极Zn极移动，Cu2＋向正极Cu极移动，电流由铜片经导线流向锌片。
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的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．（2018·哈六中期中）有关电化学知识的描述正确的是（ ）
A．CaO＋H2O===Ca（OH）2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能
B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag，装置中一定是银作正极
C．因为铁的活泼性强于铜，所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中，若能组成原电池，必是铁作负极、铜作正极
D．理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池
答案 D
解析 所给反应不是氧化还原反应，没有电子转移，虽然为放热反应，但不能将该反应设计成原电池，A项错误；根据所给反应，负极材料应该是Cu，但正极材料可以用Ag，也可以用碳棒等惰性电极，B项错误；当铁和铜作为电极放入浓硝酸中时，铁因钝化瞬间停止反应，而铜可持续被浓硝酸溶解，所以铜是负极，C项错误。
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，C正确。
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－＋6H2O===2[Al（OH）4]－＋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，锌做负极，碳做正极，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________（填“氧化”或“还原”）反应，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
检流计指针偏转方向
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
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