化学苏教必修2讲义专题2 化学反应与能量转化 第3单元 第1课时.docx

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化学苏教必修2讲义专题2化学反应与能量转化第3单元第1课时

第三单元　化学能与电能的转化

第1课时　化学能转化为电能　化学电源

学习目标

核心素养建构

1.通过铜锌原电池的实验探究，初步了解原电池原理。

2.了解化学电源的原理与应用。

3.了解钢铁的电化学腐蚀。

[知识梳理]

一、原电池及其工作原理

1．实验探究

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

锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生

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

2.原电池

（1）概念：

将化学能转化成电能的装置称为原电池，在原电池中发生的化学反应是氧化还原反应。

（2）工作原理：

（以Zn－H2SO4－Cu原电池为例）

电极材料

锌

铜

电极名称

负极

正极

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

2H＋＋2e－===H2↑

反应类型

氧化反应

还原反应

外电路电子流向

由锌片沿导线流向铜片

内电路离子移向

溶液中H＋向正极移动，在铜片上被还原为H2

原电池总反应

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

3.按要求完成下列实验，并填表

实验步骤

现象

解释或说明

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

结合以上实验，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）两电极均插入电解质溶液中；

（3）两极用导线相连，形成闭合回路。

【自主思考】

1．是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池？

提示　不是。

原电池是利用氧化还原反应原理，将还原反应与氧化反应分别在两极发生，使电子在导线中定向移动，形成电流。

2．根据课本中的活动与探究回答：

H＋得到的电子是Cu失去的吗？

在这个过程中Cu起什么作用？

你怎样知道导线中有电子通过？

提示　不是；Cu做导体，起传导电子的作用；电流表的指针发生了偏转。

3．若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨，可以吗？

为什么？

提示　可以，因为Cu在该原电池中起到的是传递电子的作用，其本身并未参与电极反应。

所以，把Cu电极换成能导电的材料就可以。

当然，该材料的活泼性不能比负极活泼。

二、钢铁的电化学腐蚀

实验内容

在一块表面无锈的铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水，放置一段时间

实验现象

液滴周围逐渐呈现红色，并慢慢形成红色的锈斑

实验结论

钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀

钢铁的电化学腐蚀原理

图示

形成条件

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

电极材料

负极是Fe，正极是C

电极反应

负极反应式：

2Fe－4e－===2Fe2＋，正极反应式：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－

总反应式

2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2

溶液中的反应

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，2Fe（OH）3===Fe2O3·xH2O＋（3－x）H2O

电化学腐蚀概念

不纯金属或合金与电解质溶液接触，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

【自主思考】

4．钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈，但在潮湿的空气里很快就会生锈，纯的铁片在潮湿的空气里也不容易生锈，这是什么原因呢？

提示　钢铁腐蚀实质上是发生了原电池反应，潮湿的空气具备了构成原电池的条件，而干燥的空气中不具备与电解质溶液接触的条件；纯的铁片不能构成原电池的两电极，所以不容易生锈。

三、化学电源

1．分类

（1）一次电池：

不能充电，用过之后不能复原。

（2）二次电池：

可充电，可多次重复使用。

2．常见的化学电源

电池名称

电池组成

电池反应

锌锰干电池

锌筒为负极，石墨棒为正极，MnO2和NH4Cl作电解质

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

银锌纽扣电池

负极是锌，正极是氧化银，电解质溶液是氢氧化钾溶液

Zn＋Ag2O＋H2O

Zn（OH）2＋2Ag

铅蓄电池

负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O

镍氢电池

负极是贮氢合金，正极是泡沫氧化镍，电解质溶液是KOH溶液

NiO（OH）＋MH

NiO＋M＋H2O（MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢）

氢氧燃料电池

负极通氢气，正极通氧气，KOH溶液为电解质溶液

2H2＋O2===2H2O

甲醇－空气燃料电池

负极通甲醇，正极通入空气，电解质溶液是KOH溶液

2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO

＋6H2O

【自主思考】

5．铅蓄电池的电池反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

请写出负极、正极的电极反应式。

提示　负极：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4；

正极：

PbO2＋2e－＋4H＋＋SO

===PbSO4＋2H2O。

6．燃料电池两电极反应有何特点？

提示　两个电极均为惰性电极，本身不参与反应。

燃料电池常用的燃料有H2、CH4、C2H4、CH3OH等可燃性物质，在反应中燃料一般表现为失去电子，在电源负极通入。

常用的氧化剂是氧气，在反应中表现为得到电子，在电源正极通入。

[效果自测]

1．判断

（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稀H2SO4中，铜片上有大量气泡产生。

（　　）

（5）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。

（　　）

（6）原电池中阳离子向正极移动。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×　（6）√

2．下列说法正确的是（　　）

A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池

B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池

C．化学电池的反应基础是氧化还原反应

D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2

解析　碱性锌锰干电池是一次电池；燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池；铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。

答案　C

探究一、原电池工作原理

【合作交流】

1．将反应：

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，设计成原电池写出正、负极反应式。

提示　正极：

Cu2＋＋2e－===Cu，负极：

Zn－2e－===Zn2＋。

2．某种燃料电池的工作原理示意图如下所示，a、b均为惰性电极。

（1）使用时，空气从________（填“A”或“B”）口通入。

（2）假设使用的“燃料”是甲醇（CH3OH），a极的电极反应式为____________________。

提示　

（1）B

（2）CH3OH－6e－＋8OH－===CO

＋6H2O

【点拨提升】

1．原电池正、负极的判断方法

关键提醒　判断原电池要“四看”

一看本质：

反应是自发进行的氧化还原反应。

二看电极：

具有两个活泼性不同的电极（燃料电池的电极一般是惰性电极）。

三看溶液：

电解质溶液（一般负极材料与电解质溶液反应）。

四看回路：

电极、电解质溶液构成闭合回路。

2．原电池的工作原理（以铜锌原电池为例）

【典题例证1】　右图是Zn和Cu组成的原电池示意图，某小组做完该实验后，在读书卡片上记录如下，卡片上描述合理的是（　　）

实验记录：

①导线中电流方向：

Zn→Cu

②Cu极上有气泡产生，发生还原反应

③锌片变薄

实验结论：

④Zn为正极，Cu为负极

⑤正极反应式：

Cu－2e－===Cu2＋，发生氧化反应

⑥H＋向Cu极移动，SO

向Zn极移动

A．①②③B．④⑤⑥

C．③④⑤D．②③⑥

解析　锌比铜活泼性强，因此在Cu—Zn—H2SO4原电池中，锌为负极，电子由锌→铜，导线中电流由铜→锌，锌失去电子而溶解，溶液中的H＋移向铜片，在Cu极得到电子而产生H2气泡。

故D项正确。

答案　D

方法拓展：

判断电极时，有时不能只看金属的活泼性强弱，还要看电解质溶液的性质，如：

①Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；②Fe、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。

【学以致用1】　一个原电池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

Cu

Zn

ZnCl2

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、D，正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，D选项不含Cu2＋，故应选C。

答案　C

探究二、原电池原理的应用

【合作交流】

3．实验室用稀H2SO4与Zn反应制H2时，用纯锌快还是粗锌快？

提示　粗锌。

4．钢铁制品在潮湿空气中易生锈的原理是什么？

提示　发生了原电池反应。

【点拨提升】

1．加快氧化还原反应的速率

自发进行的氧化还原反应，形成原电池时反应速率增大。

例如，Zn与稀H2SO4反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn和置换出的Cu在稀H2SO4中构成原电池，加快Zn与稀硫酸反应的速率。

2．比较金属的活动性强弱

两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

例如，有两种金属a、b，用导线连接插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，则a为负极，b为正极，金属活动性a＞b。

3．用于金属腐蚀保护

使金属制品作原电池的正极而得到保护。

例如，将铁质输水管道与锌块相连，锌作原电池的负极失电子，保护铁不被腐蚀。

4．设计电池

理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。

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。

【典题例证2】　有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：

①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D流向C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应。

据此，判断四种金属的活动性顺序是（　　）

A．A＞B＞C＞DB．A＞C＞D＞B

C．C＞A＞B＞DD．B＞D＞C＞A

解析　金属与稀H2SO4溶液组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极表面得到电子生成H2，电子运动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。

在题述原电池中，A—B原电池，A为负极；C—D原电池，C为负极；A—C原电池，A为负极；B—D原电池，D为负极。

综上可知，金属活动性：

A＞C＞D＞B。

答案　B

【学以致用2】　试根据氧化还原反应：

2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计原电池，并画出装置图。

指出电解质溶液是________，负极是________，电极反应式为___________，正极是________，电极反应式为__________________________。

解析　氧化还原反应中的氧化剂在正极反应，还原剂在负极反应。

根据方程式可知，铜作负极，FeCl3为电解质，正极选用不与FeCl3反应但能导电的物质。

答案　FeCl3　Cu　Cu－2e－===Cu2＋　石墨　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

1．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的材料必须是两种不同的金属

B．原电池是将化学能转化为电能的装置

C．在原电池中，电子流出的一极是正极

D．原电池工作时，电路中的电流是从负极到正极

解析　构成原电池的电极可以是金属与金属，也可以是金属与非金属等，A项错误；原电池中电子流出的一极是负极，C项错误；原电池工作时，电流是从正极到负极，D项错误。

答案　B

2．下列各组材料中，不能组成原电池的是（　　）

选项

A

B

C

D

两极材料

Zn片、石墨

Cu片、Ag片

Zn片、Cu片

Fe片、Cu片

插入溶液

H2SO4溶液

AgNO3溶液

蔗糖溶液

稀盐酸

解析　C项中蔗糖溶液不是电解质溶液。

答案　C

3．钢铁发生电化学腐蚀时，正极上发生的电极反应是（　　）

A．2H＋＋2e－===H2↑

B．Fe2＋＋2e－===Fe

C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－

D．Fe3＋＋e－===Fe2＋

解析　钢铁发生吸氧腐蚀时，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C正确。

答案　C

4．常用的纽扣电池为银锌电池，它分别以锌和氧化银为电极。

放电时锌极上的电极反应是Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，氧化银极上的反应是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，下列判断中，正确的是（　　）

A．锌是负极，发生氧化反应，氧化银是正极，发生还原反应

B．锌是正极，发生氧化反应，氧化银是负极，发生还原反应

C．锌是负极，发生还原反应，氧化银是正极，发生氧化反应

D．锌是正极，发生还原反应，氧化银是负极，发生氧化反应

解析　放电时是原电池。

负极是较活泼金属，还原性物质，发生氧化反应；正极是较不活泼金属或导体，氧化性物质，发生还原反应。

答案　A

5．在铜锌原电池中，以硫酸铜为电解质溶液，锌为________极，电极上发生的是________反应（填“氧化”或“还原”），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________反应（填“氧化”或“还原”），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________________。

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。

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

课时作业

基础巩固

1．下图装置能够组成原电池的是（　　）

解析　根据原电池的形成条件进行分析解答。

（1）由较活泼的电极与较不活泼的电极构成原电池的两极，可排除A选项；

（2）要有电解质溶液，可排除D选项；（3）一般能自发地发生氧化还原反应，可排除C选项。

答案　B

2．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

解析　原电池中电子从负极流出，从正极流入。

它的正、负极可以是两种活动性不同的金属，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。

答案　B

3.右图为铜锌原电池示意图，下列说法正确的是（　　）

A．锌片逐渐溶解

B．烧杯中溶液逐渐呈蓝色

C．电子由铜片通过导线流向锌片

D．Zn为正极，Cu为负极

解析　在该原电池中，Zn作负极，Zn溶解并失e－，在外电路中e－由Zn→Cu，在Cu电极表面，H＋得e－生成H2，故Cu并没有参加任何反应，故A选项正确，B、C两项错误；锌的活动性大于铜，Zn为负极，Cu为正极，D选项错误。

答案　A

4．李明在学完了原电池的知识之后，设计了如图所示的柠檬水果电池，观察到外电路上的电流从电极X流向电极Y。

已知他选择了铁为X极，则Y极应该是（　　）

A．锌B．石墨

C．银D．铜

解析　电流的方向与电子的流动方向相反，则电子由电极Y经导线流向电极X，因此Y电极的活泼性强于铁，故Y电极只能为锌。

答案　A

5．有如图装置，下列有关该装置反应开始时的叙述正确的是（　　）

A．锌极附近滴入酚酞，溶液呈红色

B．铁极发生的电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－

C．铁极发生吸氧腐蚀生成铁锈

D．溶液中的OH－向铁极移动

解析　装置相当于中性溶液中较活泼金属锌发生吸氧腐蚀，锌极发生反应Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，滴入酚酞，溶液不呈红色，A错误；铁极发生还原反应，而铁的腐蚀是氧化反应，B正确，C错误；溶液中阴离子向锌极（负极）移动，D错误。

答案　B

6．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

解析　装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属失电子形成离子，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；装置三形成原电池，易知d比c活泼；装置四中，电流从a极流向d极，则电子是从d极流向a极，知d比a活泼。

因此四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。

答案　C

7．由A、B两种金属和稀硫酸组成的原电池，A是正极，则下列推断正确的是（　　）

A．A的金属性强于B

B．A电极上发生的电极反应是还原反应

C．电子不断由A电极经外电路流向B电极

D．A在金属活动性顺序表中一定排在氢前面

解析　原电池中，负极金属的活动性比正极金属的活动性强，电子从负极流向正极，正极金属的活动性比负极金属的活动性弱，但不一定排在氢的前面。

答案　B

8．以前所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，2MnO2＋2NH

＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O。

下列有关锌锰干电池的叙述中，正确的是（　　）

A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极

B．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器

C．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒

D．干电池可实现化学能向电能和电能向化学能的相互转化

解析　锌锰干电池中，较活泼的金属锌筒为负极，石墨棒为正极，A错误；长时间使用后，锌筒上消耗出现空洞，糊状电解质流出，容易腐蚀用电器，B正确；原电池中电子流动方向由负极经外电路流向正极，而电流方向相反，C错误；干电池中只有化学能转化为电能，D错误。

答案　B

9．氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上，其反应原理示意图如下图。

下列有关氢氧燃料电池的说法，正确的是（　　）

A．该电池工作时电能转化为化学能

B．该电池中电极a是正极

C．外电路中电子由电极b通过导线流向电极a

D．该电池的总反应：

2H2＋O2===2H2O

解析　燃料电池是将化学能转化为电能，A项不正确；a极通入H2发生氧化反应，是电池的负极，B项不正确；外电路中电子由负极流向正极，即由电极a通过导线流向电极b，C项不正确。

答案　D

10．据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。

其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气。

则下列叙述正确的是（　　）

A．锌为正极，空气进入负极反应

B．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋

C．正极发生氧化反应

D．电解液为强酸

解析　Zn与O2反应的电子转移情况为

===2ZnO，所以Zn作负极，负极发生氧化反应，Zn－2e－===Zn2＋。

O2是正极反应物，发生还原反应。

若电解液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O2===2ZnO，而是Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

答案　B

能力提升

11．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）因金属的活动性顺序为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，负极每有1mol锌溶解，正极必产生1molH2，并转移2mol电子。

根据电子得失守恒有：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑～转移电子

65　　　　　　　22.4L　　2e－

60g－47g　　　　VL　　　x

＝

＝

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

12．燃料电池是目前正在探索的一种新型电池。

它主要是利用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能，目前已经使用的氢氧燃料电池的基本反应是

x极：

O2（气）＋2H2O（液）＋4e－===4OH－

y极：

H2（气）＋2OH－－2e－===2H2O（液）

回答下列问题：

（1）x是________极，发生________反应。

（填“氧化”或“还原”，下同）

（2）y是________极，发生________反应。

总反应方程式为______________。

（3）若反应后得到5.4g液态水，此时氢氧燃料电池转移的电子数为________。

解析　

（1）x极：

O2得电子发生还原反应，所以为正极。

（2）y极：

H2失电子发生氧化反应，所以为负极。

x极、y极得失电子应相同，故x极电极方程式与y极电极方程式乘以2相加得总反应方程式为2H2＋O2===2H2O。

（3）4mole－～　　　2H2O

4mol　　2×18g

n（e－）　5.4g

n（e－）＝0.6mol。

答案　

（1）正　还原　

（2）负　氧化　2H2＋O2===2H2O　（3）0.6NA

13．市场上出售的“热敷袋”其主要成分是铁屑、碳粉、木屑和少量氯化钠、水等。

热敷袋启用之前用塑料袋密封与空气隔绝，启用时，打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。

使用完毕后，会发现有大量铁锈存在。

据此回答：

（1）热敷袋使用时，放出热量的原因是___________________________________