6.1.2化学反应与电能

第一节化学反应与能量变化（2）化学反应与电能【学习目标】1、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2、会判断原电池的正极、负极，会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用【主干知识梳理】一、火力发电——化学能间接转化为电能1、我国目前电能主要来自火力发电，其次来自水力发电2、火力发电的原理：火力发电(火电)是通过化石燃料(如：煤、石油、天然气)燃烧时发生的氧化还原反应，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。火力发电过程中，化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能。其中，燃烧(氧化还原反应)是使化学能转换为电能的关键3、能量转换过程：化学能(氧化还原反应)热能机械能电能4、火力发电的优缺点(1)优点：=1\*GB3①我国煤炭资源丰富；=2\*GB3②电能清洁、安全，又快捷方便(2)缺点：=1\*GB3①排出大量的温室气体CO2；=2\*GB3②有些废气可能导致酸雨，如：SO2；=3\*GB3③消耗大量的不可再生能源；=4\*GB3④能量转化率低；=5\*GB3⑤产生大量的废渣、废水二、原电池——化学能直接转化为电能1、实验探究实验步骤装置图实验现象原因解释(1)将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象Zn片：锌片溶解，表面产生无色气泡Cu片：无变化反应的离子方程式：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑；Cu片表面无明显变化的原因：铜排在金属活动性顺序表氢的后面，不能从酸溶液中置换出氢气(2)用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象Zn片：锌片溶解Cu片：铜片表面有气泡锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生(3)用导线连接锌片和铜片，并在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表指针是否偏转Zn片：锌片溶解Cu片：铜片表面有气泡电流表A指针偏转电流表指针偏转说明：导线中有电流；Cu片上有气泡说明：溶液中的氢离子在铜片表面获得电子发生还原反应产生氢气，从铜片上放出2、原电池的概念：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、原电池的工作原理当用导线连接铜片和锌片一同进入稀硫酸时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子则有锌片经导线流向铜片，溶液中的H+从铜片中获得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上析出。由于导线上有电子通过，因此产生了电流，电流表的指针会发生偏转电极名称电极名称电极反应类型电极反应类型电极反应式电极反应式原电池总反应式：4、组成原电池的条件(1)两个活泼性不同的电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，如：金属与金属、金属与非金属(2)电解质溶液(溶液或者熔融)(3)电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路(4)有自发进行的氧化还原反应【对点训练1】1、下列装置中能够组成原电池的是________(填序号)，其他不能构成原电池的试分别说明理由______________________________________________2、下列装置能形成原电池的是()A．①②③⑦ B．①②⑤⑥C．①②③④ D．①②③⑥⑦5、原电池中电子流向、电流的流向及离子的迁移方向(1)外电路中电子的流向：负极——经导线——正极(2)外电路中电流的流向：正极——经导线——负极(3)内电路中离子的迁移：阴离子移向负极，阳离子移向正极沿导线6、原电池中正负极的判断方法沿导线(1)根据电极反应或总反应方程式来判断作还原剂、失电子、化合价升高、发生氧化反应的电极是负极作氧化剂、得电子、化合价降低、发生还原反应的电极是正极(2)根据外电路中电子流向或电流方向来判断

电子流出或电流流入的一极负极；电子流入或电流流出的一极正极(3)根据内电路(电解质溶液中)中离子的迁移方向来判断阳离子向正极移动；阴离子向负极移动(4)根据原电池的两电极材料来判断两种金属(或金属与非金属)组成的电极，若它们都与(或都不与)电解质溶液单独能反应，则较活泼的金属作负极；若只有一种电极与电解质溶液能反应，则能反应的电极作负极【对点训练2】1、根据原电池原理，结合装置图，按要求解答问题：(1)若X为Zn，Y为硫酸铜溶液，则X为________(填电极名称)，判断依据________________；铜电极的名称是________，溶液中的Cu2＋移向________(填“Cu”或“X”)电极(2)若X为银，Y为硝酸银溶液，则X为________(填电极名称)，判断依据________________；铜电极的名称是________，溶液中的Ag＋移向________(填“Cu”或“X”)电极。(3)若X为Fe，Y为浓硝酸，则Cu为________(填电极名称)，铜电极可能观察到的现象是________________；X电极的名称是________________三、原电池原理的主要应用1、加快氧化还原反应的速率：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。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2、比较金属活动性的强弱(1)方法：一般情况下，负极的金属活动性比正极的金属活动性强。(2)常见规律：电极质量较少，作负极较活泼，有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼3、设计原电池(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4、制造化学电源：如各种干电池、蓄电池、燃料电池等【对点训练3】1、过量铁与少量稀硫酸反应，为了加快反应速率，但是又不影响生成氢气的总量，可以采取的措施是()A．加入适量NaCl溶液B．加入适量的水C．加入几滴硫酸铜溶液D．再加入少量同浓度的稀硫酸2、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，由此可判断这四种金属的活动性顺序是()实验装置部分实验现象a极质量减小，b极质量增大b极有气泡产生，c极无变化d极溶解，c极有气泡产生电流从a极流向d极A．a>b>c>dB．b>c>d>aC．d>a>b>cD．a>b>d>c3、铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：_________________________________________(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请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。eq\x(\a\al(,,,,))正极反应式：_____________________________，负极反应式：：_____________________________4、银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是()A．Zn电极是负极，K＋向Ag2O电极迁移B．Ag2O电极发生还原反应C．Zn电极的电极反应式：Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2D．放电前后电解质溶液的pH保持不变四、原电池电极反应式的书写方法1、遵循三个守恒(1)得失电子守恒：元素的化合价每升高一价，则元素的原子就会失去一个电子元素的化合价每降低一价，则元素的原子就会得到一个电子(2)电荷守恒：电极反应左、右两边的正电荷和负电荷数相等(3)原子守恒(质量守恒)：电极反应两边同种原子的原子个数相等2、书写方法(1)直观法：针对比较简单的原电池可以采取直观法，先确定原电池的正、负极，列出正、负极上反应的物质，并标出相同数目电子的得失【微点拨】注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式中【对点训练4】装置图Zn——Cu(稀硫酸)总反应负极反应正极反应Al——Mg(稀盐酸)总反应负极反应正极反应Cu——Ag(硝酸银溶液)总反应负极反应正极反应Fe——Cu(FeCl3溶液)总反应负极反应正极反应(2)用差值法写电极反应方程式：正、负极反应相加得到电池反应的离子方程式。反之，若能写出已知电池的总反应的离子方程式，可以减去较易写出的电极反应式，从而得到较难写出的电极反应式复杂电极反应式=总反应式—简单的电极反应式【对点训练5】Al——Cu(稀硝酸)总反应负极反应正极反应Al——Cu(浓硝酸)总反应负极反应正极反应Al——Mg(NaOH溶液)总反应负极反应正极反应燃料电池燃料电池的构成燃料电池装置示意图燃料电池是通过燃料气体与氧气分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体，电解质通常有四种情况：=1\*GB3①稀硫酸②KOH溶液=3\*GB3③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是CO32－=4\*GB3④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2－离子【对点训练6】1、氢氧燃料电池电池类型导电介质反应式酸性燃料电池H＋总反应负极反应正极反应碱性燃料电池OH－总反应负极反应正极反应2、燃料电池四种甲烷(CH4)电池类型导电介质反应式酸性燃料电池H＋总反应负极反应正极反应碱性燃料电池OH－总反应负极反应正极反应熔融碳酸盐燃料电池COeq\o\al(2－,3)总反应负极反应正极反应固态氧化物燃料电池O2－总反应负极反应正极反应基础达标一、选择题(每小题只有一个选项符合题意)1．将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中，经过一段时间后，下列各项叙述正确的是()A．负极有Cl2逸出，正极有H2逸出B．负极附近Cl－的浓度减小C．正极附近Cl－的浓度逐渐增大D．溶液中Cl－的浓度基本不变2．下列电池中不易造成环境污染的是()A．镍镉电池 B．锌锰电池C．铅蓄电池 D．氢氧燃料电池3．电子计算机所用纽扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应式：Zn＋2OH－－2e－=ZnO＋H2O；Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－。下列判断正确的是()A．锌为正极，Ag2O为负极B．锌为负极，Ag2O为正极C．该电池工作时，将电能转化为化学能D．该电池工作时，负极区溶液的pH增大4．鱼雷是一种水中兵器。它可从舰艇、飞机上发射，它发射后可自己控制航行方向和深度，遇到舰船，只要一接触就可以爆炸。用于攻击敌方水面舰船和潜艇，也可以用于封锁港口和狭窄水道。鱼雷采用Al－Ag2O动力电池，以溶有氢氧化钾的流动海水为电解液，电池反应为2Al＋3Ag2O＋2KOH－2e－=6Ag＋2KAlO2＋H2O，下列说法错误的是()A．Ag2O为电池的正极B．Al在电池反应中被氧化C．电子由Ag2O极经外电路流向Al极D．溶液中的OH－向Al极迁移5．过量铁与少量稀硫酸反应，为了加快反应速率，但是又不影响生成氢气的总量，可以采取的措施是()A．加入适量NaCl溶液 B．加入适量的水C．加入几滴硫酸铜溶液 D．再加入少量稀硫酸6．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7．原电池是化学电源的雏形。若保持如图装置原电池的电池反应式不变，下列说法中正确的是()A．Zn换成Fe B．稀H2SO4换成CuSO4溶液C．稀H2SO4换成蔗糖溶液 D．Cu换成石墨8．如图是用化学电源使LED灯发光的装置。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→光能”的转换C．如果将稀硫酸换成柠檬汁，导线中不会有电子流动二、非选择题9．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。10．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。总反应为2Li＋2H2O=2LiOH＋H2↑。(1)该电池的负极是，负极反应式是。(2)正极现象是。(3)放电时OH－向(填“正极”或“负极”)移动。能力提升一、选择题(每小题有1个或2个选项符合题意)1．在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是()A．外电路的电流方向为X→外电路→YB．若两电极分别为Fe和碳棒，则X为Fe，Y为碳棒C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X＞Y2.某小组为研究原电池原理，设计如图装置，下列叙述正确的是()A．若X为Fe，Y为Cu，铁为负极B．若X为Fe，Y为Cu，电子由铜片流向铁片C．若X为Fe，Y为C，碳棒上有红色固体析出D．若X为Cu，Y为Zn，锌片发生还原反应3．图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示()A．铜棒的质量 B．c(Zn2＋)C．c(H＋) D．c(SOeq\o\al(2－,4))4．实验探究是提高学习效果的有力手段。陈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中的Zn、Cu下端接触，Zn片逐渐溶解，Cu片上能看到气泡产生B．图2中H＋向Zn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，Zn片减轻的质量相等时，正极产物的质量比为1︰32二、非选择题5．A、B、C三个水槽中分别盛有200mL相同物质的量浓度的稀硫酸：(1)分别写出B、C装置中铁片表面发生反应的电极反应式：B，C。(2)一段时间后，C中产生3.36L(标准状况下)气体时，硫酸恰好消耗完。此时三个烧杯中液体质量最大的为(填字母)，稀硫酸的物质的量浓度为mol·L－1。6．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1Al、Mg稀盐酸偏向Al2Al、Cu稀盐酸偏向Cu3Al、C(石墨)稀盐酸偏向石墨4Al、Mg氢氧化钠溶液偏向Mg5Al、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：。【化学反应与电能】答案【对点训练1】1、③⑤①只有一个电极，②中两个电极的活泼性相同，④中为非电解质溶液，不能导电，⑥电解质溶液(内电路)未形成闭合回路2、A。解析：根据构成原电池的“两极一液一线一反应”判断，装置④不能形成闭合回路；装置⑤不具有两个活动性不同的电极，只能发生氧化还原反应；装置⑥中酒精不是电解质溶液。【对点训练2】1、(1)负极锌的活泼性比铜强(或Zn的还原性比Cu强)正极Cu(2)正极铜的活泼性比银强(或Cu的还原性比Ag强)负极X(3)负极铜电极逐渐溶解，溶液变蓝正极【对点训练3】1、C。解析：若加入NaCl溶液或水，会将稀硫酸稀释，c(H＋)减小，反应速率减慢；若加入几滴CuSO4溶液，则发生反应Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋，析出的Cu与Fe、稀硫酸形成原电池，反应速率加快且不影响生成H2的总量；若再加入少量同浓度的稀硫酸，因Fe过量，则生成H2的总量增大，且反应速率不会改变。2、C。解析：装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，由b极有气泡产生可知金属活动性顺序中b极金属位于氢的前面，c极金属位于氢的后面。装置三和四均形成原电池，根据电极质量变化及电流方向易知d极金属比c极金属活泼，d极金属比a极金属活泼。因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，C正确。3、(1)2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋(2)装置图2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋Cu－2e－=Cu2＋解析：依据反应：2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋。氧化反应为Cu－2e－=Cu2＋，还原反应为2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，则设计思路明确：原电池组成为Cu是负极，正极材料选用比铜不活泼的铂或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。4、D。解析：根据电池总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag可知，Zn电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2，K＋向正极迁移，A、C项正确；Ag2O电极为正极，发生还原反应，B项正确；由于放电过程中不断消耗水，故放电后电解质溶液的pH增大，D项错误。课后作业基础达标1解析：铁片、银片、稀盐酸构成的原电池，负极反应Fe－2e－=Fe2＋，正极反应2H＋＋2e－=H2↑，溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极，负极附近Cl－浓度变大，但整个溶液中Cl－浓度不变，只有D项正确。2、解析：镍镉电池、锌锰电池、铅蓄电池中都有重金属，使用时容易造成环境污染；氢氧燃料电池的原料分别为氢气、氧气，最终产物为水，使用时对环境不会造成污染，故选D。3解析：根据化合价变化可知Zn被氧化，应为电池的负极，则正极为Ag2O，故A错误，B正确；原电池是将化学能转化为电能的装置，故C错误；原电池工作时，负极发生反应Zn＋2OH－=ZnO＋H2O，OH－浓度减小，溶液的pH减小，故D错误。4解析：A项，根据原电池工作原理，化合价升高，失电子的作负极，即铝单质作负极，则Ag2O作电池的正极，正确；B项，根据电池总反应，铝的化合价升高，被氧化，正确；C项，根据原电池工作原理，外电路电子从负极流向正极，由铝流向氧化银，错误；D项，根据原电池工作原理，阳离子移向正极，阴离子移向负极，即OH－移向Al极，正确。5、解析：若加入NaCl溶液或水，会将稀硫酸稀释，c(H＋)减小，反应速率减慢；若加入几滴CuSO4溶液，则发生反应Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋，析出的Cu与Fe、稀硫酸形成原电池，反应速率加快且不影响生成H2的总量；若再加入少量稀硫酸，因Fe过量，则生成H2的总量增大，且反应速率不会改变。6、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。7、解析：如果Zn换为Fe，则负极反应式为Fe－2e－=Fe2＋，电池反应式发生改变，故A错误；稀硫酸换为硫酸铜，正极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，电池反应式发生改变，故B错误；稀硫酸换为蔗糖溶液，不能自发地发生氧化还原反应，则不能构成原电池，故C错误；如果Cu换为石墨，正极反应式仍为2H＋＋2e－=H2↑，电池反应式不变，故D正确。8、解析：铜锌原电池中，Cu作正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以Cu上有气泡生成，故A正确；原电池中化学能转化为电能，LED灯发光时，电能转化为光能，故B正确；柠檬汁显酸性也能作电解质溶液，所以将稀硫酸换成柠檬汁，仍能构成原电池，所以导线中有电子流动，故C错误；金属性Cu比Zn、Fe弱，Cu作正极，所以电路中的电流方向不变，仍然由Cu流向负极，故D正确。二、非选择题9、解析：Cu－Zn－稀硫酸形成的原电池中，Zn作负极：Zn－2e－=Zn2＋，现象是锌片逐渐溶解，Cu作正极：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，标准状况下为2.24L。10、解析：金属锂比铁活泼，作原电池的负极，电极反应式为Li－e－=Li＋，LiOH溶液中的阳离子有Li＋和H＋，由于氧化性：H＋＞Li＋，所以正极反应是2H＋＋2e－=H2↑，正极产生无色气体；在原电池的放电过程中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以OH－向负极移动。能力提升一、选择题(每小题有1个或2个选项符合题意)1、解析：由图示电子流向知X为负极，Y为正极，则电流方向为Y→外电路→X，故A错；若两电极分别为Fe和碳棒，则X为Fe，Y为碳棒，B正确；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，故有活动性X＞Y，D正确。2、解析：Fe比Cu活泼，Fe作负极，电子从Fe流向Cu，故A正确，B错误；若X为Fe，Y为C，电解质为硫酸铜，则正极C上析出Cu，故C正确；Zn比Cu活泼，Zn作负极，发生氧化反应，故D错误。3、解析：该装置构成原电池，Zn是负极，Cu是正极。在正极Cu上溶液中的H＋获得电子变为氢气，Cu棒的质量不变，A项错误；由于Zn是负极，不断发生反应Zn－2e－=Zn2＋，所以溶液中c(Zn2＋)逐渐增大，B项错误；由于反应不断消耗H＋，所以溶液中c(H＋)逐渐减小，C项正确；SOeq\o\al(2－,4)不参加反应，其浓度不变，D项错误。4、解析：Zn、Cu直接接触就能构成闭合回路而形成原电池，Zn片逐