第二章第二节化学能与电能.docx

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第二章第二节化学能与电能

第二节　化学能与电能

　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，会判断原电池的正、负极，会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。

3．知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。

　4.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

知识点一　化学能转化为电能[学生用书P28]

阅读教材P39～P42，思考并填空。

1．化学能转化为电能的两种方式

（1）火电（火力发电）

化学能

热能

机械能

电能；

缺点：

污染环境、低效。

（2）原电池

将化学能直接转化为电能；优点：

清洁、高效。

2．原电池

（1）实验探究

装置

实现现象

实验结论

①

铜片上无气泡

铜与稀硫酸不反应

②

锌片上有气泡

锌与稀硫酸反应

续　表

装置

实现现象

实验结论

③

铜片上有气泡，锌片逐渐溶解，电流表指针发生偏转

该装置将化学能转化为电能

（2）原电池

①定义：

将化学能转变为电能的装置。

②工作原理（以铜－锌－稀硫酸原电池为例）

电极材料

电极名称

电子

转移

电极

反应式

反应

类型

锌

负极

失电子

Zn－2e－===Zn2＋

氧化反应

铜

正极

得电子

2H＋＋2e－===H2↑

还原反应

电极总离子反应式

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

（3）构成条件

理论上，能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池。

①两种活泼性不同的金属（或一种为能导电的非金属单质，如石墨）做电极。

②电解质溶液

③形成闭合回路。

1．判断正误

（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。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×

2．下列各装置能构成原电池的是（　　）

解析：

选B。

A项中两电极相同，错误；蔗糖溶液是非电解质溶液，C项错误；两烧杯中溶液是分开的，没有形成闭合回路，D项错误。

3.

如图所示，将锌、铜通过导线相连，置于稀硫酸中。

（1）锌片上的现象是____________，电极反应为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）铜片上的现象是____________，电极反应为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）电子由________经导线流向______________。

（4）若反应过程中有0.2mol电子发生转移，则生成的氢气在标准状况下的体积为____________。

解析：

Cu－Zn－稀H2SO4形成的原电池中，Zn做负极：

Zn－2e－===Zn2＋，锌片逐渐溶解，Cu做正极：

2H＋＋2e－===H2↑，铜片表面有气泡产生。

电子由负极（Zn）经导线流向正极（Cu），由电极反应式可知当有0.2mol电子发生转移时，可生成0.1molH2，即标准状况下的体积为2.24L。

答案：

（1）锌片逐渐溶解　Zn－2e－===Zn2＋

（2）铜片上有气泡产生　2H＋＋2e－===H2↑

（3）锌片　铜片　（4）2.24L

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

（1）原电池分外电路和内电路：

电极和导线构成外电路，电解质溶液为内电路，电子只能在外电路移动，阴、阳离子只能在内电路移动。

（2）有气泡生成的电极一定是原电池的正极。

（3）较活泼的电极不一定是负极，如Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al做负极。

　（2016·合肥高一检测）

如图所示的装置中，M为活泼性顺序位于氢之前的金属，N为石墨棒，下列关于此装置的叙述不正确的是（　　）

A．N上有气体放出

B．M为负极，N为正极

C．稀硫酸中的SO

移向M极

D．导线中有电流通过，电流方向是由M到N

[解析]　N应为原电池正极，M为金属电极，为原电池负极，H＋在石墨电极上获得电子生成H2，SO

带有负电荷应向M电极移动，电流应该由正极（N）流向负极（M），故选项D错误。

[答案]　D

（1）写出例1中N电极发生反应的电极反应式：

________________________________________________________________________。

（2）例1中电路中电子如何流动？

当生成标准状况下2.24LH2时，电路中转移多少个电子？

答案：

（1）2H＋＋2e－===H2↑　

（2）电子流向：

M极→导线→N极；0.2NA。

　原电池的构成

1．如图是某课外活动小组设计的用化学电源使耳机发声的装置。

下列说法错误的是（　　）

A．铜片表面有气泡生成

B．装置中存在化学能→电能→声能的能量转化关系

C．如果将铜片换成铁片，电路中的电流方向将改变

D．如果将锌片换成铁片，耳机还能发声

解析：

选C。

锌片为负极，铜片为正极，铜片上的反应为2H＋＋2e－===H2↑，A项正确；耳机中存在着电能转化为声能的能量转化关系，B项正确；铜片换为铁片后，锌片仍为负极，电流方向不变，C项错误；锌片换为铁片后，铁片也可作为原电池的负极，D项正确。

2．

（1）下列装置属于原电池的是________；

（2）在选出的原电池中，________是负极，发生________反应，________是正极，该极的现象是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

（3）此原电池反应的化学方程式为

________________________________________________________________________

____________________。

解析：

（1）依据构成原电池的基本条件，只有⑤符合。

（2）在装置⑤中，较为活泼的金属铁作负极，发生氧化反应：

Fe－2e－===Fe2＋；不活泼的金属铜作正极，发生还原反应：

2H＋＋2e－===H2↑，所以看到的现象是电极上产生气泡。

（3）由上述分析，可确定此原电池的总反应式是：

Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑。

答案：

（1）⑤　

（2）Fe　氧化　Cu　电极上产生气泡

（3）Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑

原电池正、负极的判断

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。

空气－锌电池中，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．下列有关原电池的说法中，正确的是（　　）

A．铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，镁片较活泼，作负极

B．铝片和铜片用导线连接后插入浓硝酸中，铜作负极

C．镀锌铁和镀锡铁的镀层破损后，前者铁较易被腐蚀

D．利用反应2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋设计原电池，可用锌片作负极，铁片作正极，FeCl3溶液作电解质溶液

解析：

选B。

A项，该原电池工作时，Al失去电子，为原电池负极。

B项，Al在浓硝酸中钝化，Cu失去电子，为原电池负极。

C项，Zn的活泼性强于Fe，镀锌铁镀层破损后，Zn失去电子被腐蚀，铁不易被腐蚀。

D项，负极应该为铁片，正极可以是石墨电极。

　　原电池工作原理

5．（2016·西安高一检测）下列有关锌、铜和稀硫酸组成的原电池的说法正确的是（　　）

①Zn极有紫红色物质覆盖

②电子由Zn极经外电路流向Cu极

③负极：

Zn＋2e－===Zn2＋

④H＋在溶液中由Cu极向Zn极迁移

A．①②④　　　　　　　　　　　B．①②③

C．②　　　D．②④

解析：

选C。

组成的原电池中锌是负极，铜是正极。

锌极逐渐溶解，铜极产生气泡，①错误；锌失去电子，电子经外电路从锌极流向铜极，②正确，③错误；氢离子是移向铜极的，④错误。

6．（2016·广州高一检测）某学生用如图装置研究原电池原理，下列说法错误的是（　　）

A．（3）中Zn片增加的质量与Cu片减少的质量的比值为65∶64

B．

（2）与（3）中锌电极上发生的反应相同

C．

（1）中铜片上没有气体产生

D．当

（2）与（3）中正极生成物的质量比为1∶32时，通过外电路的电子数相等

解析：

选A。

（3）中Zn片质量减少，Cu片质量增加，A项错误；

（2）中Zn片失去电子发生氧化反应，（3）中Zn片也是失去电子发生氧化反应，B项正确；

（1）中不能形成原电池且铜不与稀硫酸反应，C项正确；

（2）中正极产生氢气的质量为1g时通过外电路的电子为1mol，（3）中正极析出铜的质量为32g时通过外电路的电子为1mol，D项正确。

知识点二　发展中的化学电源[学生用书P30]

阅读教材P42～P44，思考并填空。

1．干电池

（1）锌锰电池

（2）碱性锌锰电池

将锌锰干电池中的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上作了改进。

2．充电电池

充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。

（1）铅蓄电池

（2）镍镉电池

正极材料为NiO（OH），负极材料为Cd，电解质为KOH。

（3）锂离子电池

新一代可充电的绿色电池，已成为笔记本电脑、移动电话等低功耗电器的主流电源。

3．燃料电池

（1）原理

利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接转化为电能。

（2）实例——氢氧燃料电池

负极：

氢气失电子，正极：

氧气得电子，电解质是KOH或硫酸。

1．判断正误

（1）锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。

（　　）

（2）氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。

（　　）

（3）氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。

（　　）

（4）太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅。

（　　）

（5）手机、笔记本电脑所用锂离子电池属于二次电池。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）√

2．下列对化学电源的叙述不正确的是（　　）

A．化学电源对化学能的利用率比火力发电高

B．铅蓄电池属于二次电池

C．化学电源均是安全、无污染的

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

解析：

选C。

火力发电先将化学能转化为热能，热能转化为机械能，机械能再转化为电能，转化过程中能量损失较多，A项正确；铅蓄电池可以充电再次使用，B项正确；化学电源中常含有Cd、Hg、Pb等重金属，如果废旧电池随意丢弃，则会造成环境污染，C项错误；锌锰干电池中，Zn失去电子转化为Zn2＋，故锌电极是负极，D项正确。

3．氯铝电池是一种新型的燃料电池。

试回答下列问题：

（1）通入Cl2（g）的电极是________（填“正”或“负”）极。

（2）投入Al（s）的电极是________（填“正”或“负”）极。

（3）电子从________（填“Al”或“Cl2”）极流向________极（填“正”或“负”）。

（4）每消耗8.1gAl（s），电路中通过的电子数目为________NA（NA表示阿伏加德罗常数的值）。

解析：

判断原电池的正负极首先要分析题中所给信息，此题所给信息是具体反应物，根据具体反应物间的相互反应式：

2Al＋3Cl2===2AlCl3，可知Cl2得电子在正极反应，Al失电子在负极反应，所以通入Cl2（g）的电极是正极，投入Al（s）的电极是负极，电子由负极（Al）流向正极。

8.1gAl（s）的物质的量为

＝0.3mol，每摩尔Al反应转移3mol电子，0.3molAl发生反应，电路中通过的电子数为3NA×0.3＝0.9NA。

答案：

（1）正　

（2）负　（3）Al　正　（4）0.9

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的干扰减小，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．设计化学电源

（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）实例

以Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑为例

　如图所示装置，电流计指针发生偏转，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AgNO3溶液

D．A是Ag，B是Fe，C为AgNO3溶液

[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两项中的反应均为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，A选项中A极逐渐变细，B极不变；B选项中A极不变，B极逐渐变细。

C和D两项中的反应均为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2，其中C选项中A极逐渐变细，B极逐渐变粗；D选项中A极逐渐变粗，B极逐渐变细。

[答案]　D

（1）例2中，A、B两电极中较活泼的是________电极。

（2）例2中，若A极逐渐变细，B极逐渐变粗，则应选________项。

答案：

（1）B　

（2）C

　化学电源

1．（2016·中山高一检测）将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2即可构成甲烷燃料电池。

已知通入甲烷的一极的电极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O，下列叙述正确的是（　　）

A．通入甲烷的一极为正极

B．通入氧气的一极发生氧化反应

C．该电池的总反应为CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

D．该电池在工作时，溶液中的阴离子向正极移动

解析：

选C。

A项，CH4在反应中失去电子，所以通入甲烷的一极为负极。

B项，O2在反应中得到电子，所以通入氧气的一极发生还原反应。

C项，CH4燃烧生成CO2和H2O，CO2被KOH溶液吸收生成CO

，C项正确。

D项，溶液中阴离子应该向原电池的负极移动。

2．（2016·郑州高一检测）日常所用干电池的电极分别为石墨棒（上面有铜帽）和锌皮，用糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质（其中加入MnO2吸收H2），电极反应式可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH

＋2e－===2NH3↑＋H2↑（NH3与Zn2＋能生成一种稳定的物质）。

根据上述判断，下列结论正确的是（　　）

①锌为正极，石墨为负极　②锌为负极，石墨为正极

③电池工作时，电子由石墨极经过外电路流向锌极

④长时间连续使用时，内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器

A．①③　　　　　　　　　　　B．②③

C．③④　　　D．②④

解析：

选D。

由负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，可判断出①不正确，②正确；在外电路中，电子从负极流向正极，③不正确；长时间连续使用该电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，且MnO2不断吸收H2发生反应生成MnO（OH），使糊状物越来越稀，故其容易流出而腐蚀用电器，④正确。

3．爱迪生蓄电池在充电和放电时发生的反应为Fe＋NiO2＋2H2O

Fe（OH）2＋Ni（OH）2，下列对该蓄电池的推断错误的是（　　）

①放电时，Fe参与负极反应，NiO2参与正极反应　②放电时，电解质溶液中的阴离子向正极方向移动　③放电时，负极上的电极反应式为Fe＋2H2O－2e－===Fe（OH）2＋2H＋　④该蓄电池的电极必须浸入某种碱性电解质溶液中

A．只有③　　　B．②③

C．③④　　　D．①②④

解析：

选B。

根据电池总反应方程式可知，放电时Fe失去电子化合价升高，Ni由＋4价降到＋2价，①正确；放电时，电解质溶液中的阴离子向负极移动，②错误；放电时的生成物是氢氧化物，溶液不可能显酸性，故负极上的电极反应式为Fe＋2OH－－2e－===Fe（OH）2，③错误；因为该电池中含有氢氧化物，故电解质溶液是碱性溶液，④正确。

　原电池原理的应用

4．把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀硫酸中，用导线两两连接，可组成若干原电池，若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，c为负极；a、c相连时，c为正极；b、d相连时，b为正极。

则下列说法正确的是（　　）

A．b的活动性一定在氢之后

B．若a与d相连，则a为原电池的正极

C．若c与b相连，则b极上发生氧化反应

D．若将稀硫酸换为NaOH溶液，a、c分别为镁、铝，则a极上有气泡产生

解析：

选D。

根据原电池的反应原理分析，当选用两种活泼性不同的金属作为电极材料时，相对活泼的金属作原电池的负极，相对不活泼的金属作原电池的正极。

由于a、b相连时a为负极，说明活泼性：

a>b；c、d相连时c为负极，说明活泼性：

c>d；a、c相连时c为正极，说明活泼性：

a>c；b、d相连时b为正极，说明活泼性：

d>b，所以四种金属活泼性顺序为a>c>d>b。

A项，四种金属中b的活泼性最弱，但不一定在氢之后；B项，a比d活泼，故a为原电池的负极；C项，c比b活泼，故b为正极，该电极上发生还原反应；D项，由于Al能与NaOH溶液发生氧化还原反应：

2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，而Mg与NaOH溶液不反应，故Al为负极，Mg为正极，Mg电极上发生还原反应，产生H2。

5．

（1）原电池原理的应用之一是可以设计原电池装置。

请利用反应“Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋”设计一个原电池，在方框内画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。

正极反应：

________________________________________________________________________；

负极反应：

________________________________________________________________________。

若外电路中转移的电子为1.5mol，则溶解铜的质量是________。

（2）实验室在用锌与稀硫酸反应制备氢气时，可向反应液中滴加少量硫酸铜溶液，其作用是________________________________，这体现了原电池原理的另一个应用。

解析：

（1）依据反应：

2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，Cu失电子，应为原电池的负极，正极选用碳棒或铂丝等，电解质溶液选用FeCl3溶液；由转移2mol电子时溶解64g铜，可计算出转移1.5mol电子时溶解48gCu。

答案：

（1）

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

Cu－2e－===Cu2＋　48g

（2）形成Zn－Cu原电池，增大化学反应的速率

重难易错提炼

1.构成原电池的四个条件

（1）具有活泼性不同的两个电极；

（2）两电极必须插入电解质溶液中；（3）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

原电池分为两极；负极氧化正还原；电子由负流向正；离子阳正阴向负。

3.原电池正、负极的判断方法

首先准确判断元素化合价的变化，然后根据原电池工作原理判断。

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。

课后达标检测[学生用书P93（独立成册）]

[基础巩固]

1．下列关于原电池的说法错误的是（　　）

A．原电池是一种将化学能转化为电能的装置

B．原电池中，正极发生氧化反应

C．比较活泼的金属一般作负极

D．电流的方向由正极到负极

解析：

选B。

原电池是将化学能转化为电能的装置，A项正确；原电池的正极上发生的是还原反应，而负极上发生的是氧化反应，B项错误；原电池中相对活泼的金属作负极，C项正确；电流方向与电子流动方向相反，由正极到负极，D项正确。

2.

将纯锌片和纯铜片按如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．两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C．甲中铜被氧化，乙中锌被氧化

D．产生气泡的速率甲比乙快

解析：

选D。

甲装置构成原电池，锌片是负极，铜片是正极，锌片发生氧化反应，铜片上有气泡产生；乙装置不能构成原电池，锌与稀H2SO4发生反应：

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，铜不反应，故A、B、C项均不正确。

因为原电池能够增大反应速率，故D项正确。

3.

根据反应2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag，设计了如图所示的原电池，下列说法中错误的是（　　）

A．X可能是银或石墨

B．Y是硫酸铜溶液

C．电子从铜电极经外电路流向X电极

D．X电极上的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag

解析：

选B。

由反应原理知，铜作负极，X作正极，A项正确；电解质溶液中应含有Ag＋，B项错误；铜失去电子，电子经外电路流向X电极，C项正确；在正极上，溶液中的Ag＋得电子发生还原反应，D项正确。

4．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>Z　　　　　　　　　　B．X>Z>Y

C．Y>X>Z　　　D．Y>Z>X

解析：

选C。

根据原电池原理，负极的金属比正极活泼，可知金属活动性：

Y＞X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知金属活动性：

X＞Z，故金属活动性：

Y＞X＞Z。

5．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并形成碱性溶液。

根据这个特点，科学家发明了测水泥初凝时间的某种方法。

此法的原理如图所示，反应的总方程式为2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag，下列有关说法正确的是（　　）

A．工业上以黏土、石灰石和石英为主要原料制造普