化学能转化为电能（解析版）

学而优·教有方第05讲化学能转化为电能【学习目标】通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到：1.能理解化学能与其他形式能量的转化；2.掌握原电池的原理。【课前引入】我们已经知道，化学反应伴有吸热或放热现象，这是化学能与热能相互转化的表现。除热能以外，化学能还可以转化为光能、机械能、电能等其他形式的能量。各种各样的电池就是化学能与电能转化的最好体现。观察下面的图片，你能说出他们的用处吗？在现代生活中，化学电源发挥着越来越重要的作用。大到人造卫星、飞机、新能源汽车，小到电脑、手机、电子手表,都离不开化学电源。尤其是电子产品的日趋丰富,化学电源与人类生活的关系越来越密切。那么，化学电源是如何对外提供电能的呢？【基础知识】一、【化学能转化为电能】【实验】完成下列实验，将观察到的实验现象和得到的实验结论填入下表。1.把一块锌片和一块铜片分别插入盛有稀硫酸的烧杯里，观察实验现象。2.把一块锌片和一块铜片同时插入盛有稀硫酸的烧杯里，观察实验现象。3.用导线把步骤2中的锌片和铜片连起来，观察实验现象。实验步骤实验现象实验结论步骤1步骤2步骤3步骤4总结：总结：通过步骤4的实验可以看出，锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡产生，电流计指针发生偏转，说明这个装置可以将化学能转化为电能。反应过程中的电流的形成过程：1.在锌片(负极)上，锌失去电子形成锌离子（）进入溶液：电子经锌电极流向导线。2.从锌电极流出的电子经导线通过电流计流入铜电极。3.在铜片(正极)上，流入铜电极的电子使溶液中的氢离子还原成氢气：。4.铜电极附近溶液中的氢离子减少，电解质溶液中的阳离子向铜电极附近发生定向迁移，使电极和溶液形成电流回路。上述化学能转化为电能的反应可表示为：总结：总结：我们把将化学能转变为电能的装置称为原电池。在原电池中，两个电极上分别发生氧化反应和还原反应。还原剂在负极发生氧化反应，失去电子；电子通过导线由原电池的负极流向正极，氧化剂在正极得到电子发生还原反应。原电池就是这样通过化学反应将化学能转化为电能的。二、【钢铁的电化学腐蚀原理及其应用】钢铁在潮湿的空气中很容易被腐蚀，因为在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，水膜里含有少量H、OH和氧气等，从而形成一层电解质溶液，它与钢铁里的铁和少量碳形成了无数微小的原电池。在这些微小的原电池中，主要发生了下列反应：负极（铁）：正极（碳）：铁失去电子被氧化，与结合成,进一步被氧气氧化为。在一定条件下发生脱水反应，生成红色的铁锈（主要成分为）。不纯的金属与电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫作电化学腐蚀。钢铁电化学腐蚀的原理在生活中应用广泛。举个例子：生活中常用的取暖产品——暖贴，就是以此原理制成的。暖贴的内部含有铁粉、活性炭、食盐、蛭石、木粉的混合物。铁粉、活性炭、食盐一旦与空气中的氧气和水蒸气接触就会形成原电池，木粉能够吸水并保持水分，蛭石能够保温。原电池的形成加快了铁被氧气氧化的速率，短时间内产生较多的热，供人们取暖。【知识拓展】原电池的结构原电池的结构1.活泼性不同的两个电极:2.电解质溶液，一般能与较活泼金属自发的进行氧化还原反应;3.形成闭合回路。原电池电子流向判断及应用原电池电子流向判断及应用原电池放电时，负极上的电子经过导线流向正极，由电子移动方向可判断原电池的正负极以及相关电极反应式。原电池电极反应式书写原电池电极反应式书写主要分为3步:1.找出原电池的正负极及相关反应物；2.根据反应物和生成物的相关元素化合价变化书写得失电子数；3.根据电荷守恒配平；注意:有些物质反应后，还存在后续反应，要将后续反应一并写入相关电极反应式。原电池正负极判断原电池正负极判断1.根据电极反应的类型:发生氧化反应的电极为负极，发生还原反应的电极为正极;2根据电子流向:失去电子的电极为负极，得到电子的电极为正极;3根据电极材料的活泼性判断:一般来说，相对活泼的金属电极为负极，相对不活泼的金属电极为正极4.根据电极材料的质量变化:质量减少的电极为负极;5根据电解质溶液的pH变化:电解质溶液pH增大的为正极，电解质溶液pH减小的为负极;6根据电解质溶液或盐桥中电荷移动方向:阳离子向正极移动，阴离子向负极移动:7根据外电路电流流向:电流由正极流向负极:8根据反应物或生成物判断:一般来说，通入氧气作反应物的一极为正极，有还原性气体(通常为H)生成的一极为正极。原电池有关计算原电池有关计算原电池常见的计算:两极产物的定量计算、溶液pH的计算、根据电量求产物的量与根据产物的量求电量等，无论哪类计算，均可概括为下列三种:(1)根据电子守恒法计算:用于正负两极产物，相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等；(2)根据总反应式计算:先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算；(3)根据关系式计算:根据得失电子守恒建立已知量与未知量之间的桥梁，列出计算所需的关系式。【考点剖析】考点一：燃烧发电的能量转化过程例1．我国空间站天宫号所采用的光伏系统，光电效率达到30%。利用再生生保技术，能将空间站内的水蒸气收集、处理成可饮用水，并转化为再生氧，实现水的循环使用。空间站以水为介质将不同形式的能量相互转换，原理如图所示。装置X为电解水装置，装置Y为燃料电池电池。下列有关说法不正确的是A．X工作时，将电能转变为化学能 B．太阳能电池工作时，将光能转变为电能C．马达工作时，将电能转变为机械能 D．Y工作时，氢气通入该装置的正极【答案】D【解析】A．装置X为电解水装置，将电能转变为化学能，A正确；B．太阳能电池工作时，将光能转变为电能，B正确；C．马达工作时，耗费电能用来转动，将电能转变为机械能，C正确；D．Y为氢氧燃料电池，O元素化合价降低，通入氧气做正极，D错误；故选：D。考点二：原电池原理例2．、两根金属棒插入溶液中构成如图所示装置，实验中电流表指针发生偏转，同时棒变粗，棒变细，则、、溶液可能是下列中的编号溶液A稀硫酸B硝酸银溶液C硫酸铜溶液D稀硫酸【答案】B【解析】A．锌、铜在稀硫酸中构成原电池，X棒为活泼金属锌，做原电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，X棒变细，故A不符合题意；B．锌、银在硝酸银溶液中构成原电池，X棒为不活泼金属银，做原电池的正极，银离子在正极得到电子发生还原反应生成银，X棒变粗，Y棒为活泼金属锌，做原电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，Y棒变细，故B符合题意；C．铜、银在硫酸铜溶液中构成原电池，铜的金属性强于银，X棒为金属铜，做原电池的负极，失去电子发生氧化反应生成铜离子，X棒变细，故C不符合题意；D．锌、铜在稀硫酸中构成原电池，X棒为不活泼金属铜，做原电池的正极，氢离子在正极得到电子发生还原反应生成氢气，X棒没有变化，故D不符合题意；故选B。【课堂小练】1．下列说法正确的是A．任何反应中的能量变化都表现为热量变化B．有能量变化的都是化学变化C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生D．燃料电池的活性物质大量储存在电池内部【答案】C【解析】A．反应中的能量变化表现形式有多种，主要表现为热量的变化，故A错误；B．物理变化过程中也能有能量变化，如物质的三态变化，部分物质溶解时也会吸收或放出能量，故B错误；C．蓄电池是二次电池放电后可以充电重新使用，使活性物质获得再生，故C正确；D．燃料在两个电极上发生氧化还原反应把化学能转化为电能，不是在电池内部燃烧，故D错误；故选：C。2．“盐水动力”玩具车的电池以镁片、活性炭为电极，向极板上滴加食盐水后电池便可工作，电池反应为2Mg+O2+2H2O=2Mg(OH)2。下列关于该电池的说法错误的是A．镁片作为正极B．食盐水作为电解质溶液C．电池工作时镁片逐渐被消耗D．电池工作时实现了化学能向电能的转化【答案】A【解析】A．从电池反应看，Mg由0价升高到+2价，则镁片失电子，作负极，A错误；B．食盐水中含有Na+和Cl-，具有导电性，可作为电解质溶液，B正确；C．电池工作时，镁片不断失电子生成Mg2+进入溶液，所以镁片逐渐被消耗，C正确；D．电池工作时，通过发生化学反应产生电流，从而实现化学能向电能的转化，D正确；故选A。3．已知：电流效率等于电路中通过的电子数与消耗负极材料失去的电子总数之比。现有两个电池Ⅰ、Ⅱ，装置如图所示。(阴离子交换膜只允许阴离子可以“通过”)下列说法正确的是A．Ⅰ和Ⅱ的电池反应不相同B．能量转化形式不同C．Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率D．5min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1种溶质【答案】C【解析】A．电池Ⅰ和电池Ⅱ的电池反应相同，A错误；B．Ⅰ和Ⅱ都是将化学能转化为电能的装置，B错误；C．电池Ⅰ的工作原理和电池Ⅱ相似,都是将化学能转化为电能的装置，采用了离子交换膜，金属铜和铁离子之间不接触，减少能量损失，Ⅰ的电流效率低于Ⅱ的电流效率，C正确；D．根据电极反应，负极反应式：Cu-2e-=Cu2+，正极上是2Fe3++2e-=2Fe2+，总反应是：2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+，5min后Ⅰ和Ⅱ中都含2种溶质：氯化铜和氯化亚铁，D错误；故合理选项是C。4．锌一铜西红柿电池装置示意图如图所示，下列说法不正确的是A．铜片为正极，发生还原反应 B．锌片上发生氧化反应：Zn-2e-=Zn2+C．可将西红柿替换成盛装酒精的装置 D．电子由锌片沿导线流向铜极【答案】C【解析】A．该原电池工作时，Zn为负极，Cu为正极，正极发生还原反应，A项正确；B．Zn为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn-2e-=Zn2+，B项正确；C．酒精是非电解质，不能导电，若将西红柿替换成盛装酒精的装置，则不能形成闭合回路，不能构成原电池，C项错误；D．电子由负极经导线流向正极，即电子由锌片沿导线流向铜极，D项正确；答案选C。5．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。一种银锌纽扣电池的电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH，电极反应为Zn+2OH—2e-=ZnO+H2O和Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-。下列说法错误的是A．在使用过程中，电池负极区溶液的碱性减弱B．使用过程中，电子由Zn极经外电路流向Ag2O极C．电池总反应为Ag2O+Zn=2Ag+ZnOD．Zn是负极发生还原反应，Ag2O是正极发生氧化反应【答案】D【解析】A．根据电极反应式知，锌作负极，氧化银作正极，负极上氢氧根离子参与反应导致氢氧根离子浓度减小，负极的碱性减弱，故A正确；B．锌是负极，氧化银是正极，电子从锌沿导线流向氧化银，故B正确；C．负极反应为：Zn+2OH—2e-=ZnO+H2O，正极反应为：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-，根据得失电子守恒可得总反应：Ag2O+Zn=2Ag+ZnO，故C正确；D．负极锌失电子发生氧化反应，正极氧化银得电子发生还原反应，故D错误;故选D。6．下列各组材料中，不能组成原电池的是A．Zn片、石墨、H2SO4溶液 B．Cu片、Ag片、AgNO3溶液C．Fe片、Cu片、稀盐酸 D．Zn片、Cu片、蔗糖溶液【答案】D【解析】A．锌为负极，石墨为正极，电解质溶液：H2SO4溶液，Zn和H2SO4自发发生氧化还原反应,可形成原电池，故A不符合题意；B．铜为负极，银为正极，电解质溶液：AgNO3溶液，Cu和AgNO3自发发生氧化还原反应，可形成原电池，故B不符合题意；C．铁为负极，铜为正极，电解质溶液：稀盐酸，Fe和HCl自发发生氧化还原反应，可形成原电池，故C不符合题意；D．蔗糖溶液不是电解溶液，不导电不能形成闭合回路，不能形成原电池，故D符合题意；故选D。7．将足量且等量的形状相同的锌块分别加入到等浓度等体积的两份稀硫酸X、Y中，同时向X中加入少量饱和CuSO4溶液，发生反应生成氢气的体积(V)与时间(t)的关系如图所示，反应速率变快的原因是A．CuSO4作催化剂B．加入硫酸铜溶液增大了c(SO)C．加入硫酸铜溶液增大了溶液体积D．Zn首先与Cu2+反应，生成的Cu与Zn、稀硫酸构成原电池【答案】D【解析】由题意可知，曲线X表示的反应速率更快，且生成氢气的体积不变，原因是Zn首先与Cu2+反应生成Cu,Cu与Zn、稀硫酸构成原电池加快反应速率，导致X比Y的反应速率快，所以选D。故答案为D。8．下列关于原电池的叙述中，不正确的是A．原电池的负极发生的反应是氧化反应B．原电池的正极上发生的反应是还原反应C．原电池电解质溶液中阳离子移向负极，阴离子移向正极D．原电池中电子流入的极是正极【答案】C【解析】A．原电池的负极发生的是失电子的氧化反应，故A正确；B．原电池的正极上发生的是得电子的还原反应，故B正确；C．原电池电解质溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极，故C错误；D．原电池中电子流出的是负极，电子流入的极是正极，故D正确；故选C。9．下列关于实验现象的描述不正确的是A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡B．把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁C．马口铁(镀锡铁)破损时与电解质溶液接触，铁先被腐蚀D．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快【答案】B【解析】A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，构成原电池，铜片为正极，氢离子得电子变为氢气，表面出现气泡，A正确；B．把铜片插入三氯化铁溶液中，发生反应2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+，没有铁单质析出，B错误；C．锡不如铁活泼，马口铁(镀锡铁)破损时形成原电池，铁为负极，先被腐蚀，C正确；D．锌粒置换置换出铜，锌铜盐酸构成原电池，反应速率加快，D正确；综上所述答案为B。10．已知某锂电池的总反应为4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2↑，下列说法中正确的是A．Li电极作电池的负极，发生氧化反应B．Li电极作电池的负极，发生还原反应C．工作时，电子从负极经电解质溶液流向正极D．电池工作时每生成22.4LSO2，转移4mol电子【答案】A【解析】A．Li电极作电池的负极，发生氧化反应，故A正确；B．Li电极作电池的负极，发生氧化反应，故B错误；C．工作时，电子不能经过电解质溶液，故C错误；D．状况不知，无法由体积求物质的量，故D错误；故选A。【过关检测】1．将纯锌片和纯铜片按图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．两烧杯中溶液的c(H＋)均减小 D．产生气泡的速率甲比乙慢【答案】C【解析】A．甲烧杯中，铜、锌用导线连接，甲构成原电池，铜是正极，铜片表面均有氢气产生，故A错误；B．甲烧杯中，铜、锌用导线连接，甲构成原电池，铜是正极；乙中铜、锌没有连接，不构成原电池，故B错误；C．两烧杯中都发生反应，溶液的c(H＋)均减小，故C正确；D．甲烧杯中，铜、锌用导线连接，甲构成原电池，产生气泡的速率甲比乙快，故D错误；选C。2．锂—空气电池放电时的工作原理如图所示。下列叙述正确的是A．放电时，由B极向A极移动B．电池放电时反应方程式为C．B电极反应中每转移2mol电子，消耗11.2L的O2D．电解液a可以是饱和食盐水【答案】B【解析】A．根据图像可知，A电极是负极，B电极是正极，原电池中阳离子向正极移动，放电时Li+由A极向B极移动，A错误；B．根据图像，锂、水与正极的氧气反应生成氢氧化锂，电池放电反应为4Li+O2+2H2O＝4LiOH，B正确；C．B电极反应式为O2+4e-+2H2O＝4OH－，每转移2mol电子，消耗标准状况下11.2L的O2，但是题干中为表明氧气状态，C错误；D．金属锂可与水反应，电解液不能是水溶液，则电解液a不能为饱和食盐水，D错误；答案选B。3．由U形管、质量为的铁棒、质量为的碳棒和溶液组成的装置如图所示，下列说法正确的是A．闭合K，电子通过电解质溶液移到碳棒上B．闭合K，铁棒上有紫红色固体析出C．闭合K，当电路中有个电子通过时，理论上碳棒与铁棒的质量差为D．闭合K，铁棒表面发生的电极反应为【答案】C【解析】A．闭合K，电子由铁棒通过导线移到碳棒上，故A错误；B．由分析可知，闭合K，碳棒为正极，溶液中铜离子在正极得到电子发生还原反应生成铜，碳棒上有紫红色固体析出，故B错误；C．闭合K，当电路中有0.3NA个电子通过时，负极上减少的质量为，正极上增加的质量为，则理论上碳棒与铁棒的质量差为(8.4g+9.6g)=18g，故C正确；D．由分析可知，闭合K，铁棒做原电池的负极，铁失去电子发生氧化反应生成亚铁离子，电极反应式为Fe—2e-=Fe2+，故D错误；故选C。4．奥特曼是男孩子们心目中的偶像和大英雄，据悉大多数奥特曼玩具都装有碱性电池。碱性电池具有容量大，放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)=Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)。下列说法正确的是A．电池工作时，负极区PH增大B．电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e-=Mn2O3(s)＋2OH-(aq)C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D．外电路中每通过0.1mol电子，锌的质量理论上减小6.5g【答案】B【解析】A．原电池中较活泼的金属是负极，失去电子，发生氧化反应电极反应式为：Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2，则消耗氢氧根离子，，负极区pH减小，A选项错误；B．根据总的方程式可知，二氧化锰得到电子，二氧化锰是正极，则电池正极电极反应式为2MnO2(s)+H2O(l)+2e-===Mn2O3+2OH-(aq)，B选项正确；C．电池工作时，电子由负极通过外电路流向正极，C选项错误；D．由负极反应式Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2可知，外电路中每通过0.2mol电子，消耗0.1mol锌，锌的质量理论上减小6.5g，D选项错误；答案选B。5．利用微生物燃料电池原理，可以处理宇航员排出的粪便，同时得到电能。设计的方案是：用微生物中的芽孢杆菌来处理粪便产生氨气，氨气与氧气分别通入燃料电池两极，如图。下列说法错误的是A．a电极是负极，b电极是正极B．负极区发生的反应是2NH3-6e-=N2+6H+C．正极区，每消耗标准状况下2.24LO2，a向b电极转移0.4mol电子D．负极区，每消耗标准状况下2.24LNH3，a向b电极转移0.6mol电子【答案】D【解析】A．根据图中信息可知，左边为失去电子，作负极，右边得到电子，作正极，因此a电极是负极，b电极是正极，故A正确；B．氨气在负极反应变为氮气，因此负极区发生的反应是2NH3-

6e-=

N2+6H+，故B正确；C．正极区，每消耗标准状况下2.24

L

O2即物质的量为0.1

mol，得到0.4mol电子，因此a向b电极转移0.4

mol电子，故C正确；D．负极区，发生的电极反应为：2NH3-

6e-=

N2+6H+，每消耗标准状况下2.24LNH3，即物质的量为0.1

mol，失去0.3mol电子，a向b电极转移0.3mol电子，故D错误；答案为D。6．“碳呼吸”电池原理如图所示，电解质溶液为含的盐溶液，电池总反应为，下列有关说法正确的是A．Al作正极 B．内电路中向负极迁移C．该装置将电能转变为化学能 D．每生成，需要消耗的【答案】B【解析】A．根据分析可知Al作负极，A错误；B．原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负极，故由正极迁移至负极，B正确；C．原电池装置是实现将化学能转变为电能，C错误；D．通过反应2A1+6CO2=Al2(C2O4)3可知每生成1molAl2(C2O4)3，需要消耗6molCO2，这些二氧化碳在标准状况下的体积为：6mol×22.4L/mol=134.4L，但是题干未告知标准状况下，故无法求算CO2的体积，D错误；故答案为：B。7．电化学在生产生活中都具有重要的作用和意义。（1）研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，在海水中电池反应可表示为：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl①该电池的负极反应式为___________；②在电池中，Na+不断移动到“水”电池的___________极(填“正”或“负”)；③外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是___________；（2）中国科学院应用化学研究所在二甲醚(CH3OCH3)燃料电池技术方面获得新突破。二甲醚燃料电池的工作原理如图所示。①该电池工作时，b口通入的物质为___________；②该电池负极的电极反应式为___________；③工作一段时间后，当9.2g二甲醚完全反应生成CO2时，有___________个电子转移。【答案】（1）Ag-e-+Cl-=AgCl正2mol（2）二甲醚(CH3OCH3)CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+2.4NA【解析】（1）①由总方程式分析可知：Ag在反应中失电子作原电池的负极，电极反应为Ag-e-+Cl-=AgCl；②在电池中，阳离子向负电荷较多的正极移动，故Na+移向电池的正极；③根据①可知负极电极反应为Ag-e-+Cl-=AgCl，故反应中转移4mol电子，消耗4molAg，由总反应方程可知：每生成1mol的Na2Mn5O10，反应转移2mol电子，则现在反应转移4mol电子，因此生成Na2Mn5O10的物质量为2mol；（2）①在原电池反应中阳离子向负电荷较多的正极移动。根据图示可知H+移向右侧电极，说明右侧电极为正极，左侧电极为负极。故该电池工作时。b口通入的物质是燃料二甲醚；②在负极上燃料失去电子发生氧化反应产生CO2、H+，故负极的电极反应式为：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+；③9.2g二甲醚的物质的量n(二甲醚)=，根据负极反应式可知：每有1mol二甲醚发生反应，转移12mol电子，则当有9.2g(即有0.2mol)二甲醚发生反应时转移电子的物质的量为n(e-)=0.2mol×12=2.4mol，则反应过程中转移的电子数目为N(e-)=2.4mol×NA/mol=2.4NA。8．反应Sn+H2SO4=SnSO4+H2↑的能量变化趋势，如图所示：（1）该反应为__反应(填“吸热”或“放热”)。（2）若要使该反应的反应速率加快，下列措施可行的是