1、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，导线中有电流产生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
2、)工作原理： (以ZnH2SO4Cu原电池为例)电极材料锌铜电极名称负极正极电极反应Zn2e=Zn2 2H2e=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Zn2H=Zn2H23.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)；
3、(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，使还原反应与氧化反应分别在两极发生，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
4、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：2Fe4e=2Fe2，正极反应式：2H2OO24e=4OH总反应式2Fe2H2OO2=2Fe(OH)2溶液中的反应4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(3x)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
5、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Zn2NH4Cl2MnO2=Zn
6、(NH3)2Cl22MnO(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ZnAg2OH2O Zn(OH)22Ag铅蓄电池负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液PbPbO22H2SO4 2PbSO42H2O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)MHNiOMH2O (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2H2O2=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2CH3OH3O24OH=2CO6H2O【自主思考】5.铅蓄电池的电池反应式为PbPbO
7、22H2SO4=2PbSO42H2O。请写出负极、正极的电极反应式。提示负极：Pb2eSO=PbSO4；正极：PbO22e4HSO=PbSO42H2O。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.判断正误，正确的打“”，错误的打“”。(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
8、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.原电池是把电能转变成化学能的装置B.原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应C.原电池两极板一定分别发生氧化反应和还原反应D.原电池内部的阳离子向正极移动解析原电池中的电子移动方向是：负极外电路正极，可见B选项错；阳离子向正极移动，得电子，发生还原反应，D项正确；在原电池中两个电极板不一定发生氧化还原反应，也可能是通入两个电极的其他物质发生氧化还原反应，如氢氧燃料
9、电池，C项错。答案D探究一、原电池工作原理【合作交流】1.将反应：ZnCu2=CuZn2，设计成原电池写出正、负极反应式。提示正极：Cu22e=Cu，负极：Zn2e=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)CH3OH6e8OH=CO6H2O【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
10、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】某实验兴趣小组用如图所示装置做完实验后，在读书卡片上记下了如下6条记录，其中合理的是()A. B.C. D.解析在铜锌原电池中，锌为负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Zn2e=Zn2，Cu为正极，得到电子，发生还原反应，电极反应式为2H2e=H2，所以H向正极移动，电子由锌流出，经过导线流向铜，每流过1 mol电子，生成0.5 mol H2，正确答案为。答案B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：Al在强碱性溶液中比
11、Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；Fe、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ZnCu2=Zn2Cu，该原电池的合理组成是()正极负极电解质溶液AZnCuCuCl2BCuZnH2SO4CCuZnCuSO4DCuZnZnCl2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Cu22e=Cu，B选项中是2H2e=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
12、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ab。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
13、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Fe2Fe3=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：A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D流向C；A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；B、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.ABCD B.ACDBC.CABD D.BDCA解析金属与稀H2SO4溶
14、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，AB原电池，A为负极；CD原电池，C为负极；AC原电池，A为负极；BD原电池，D为负极。综上可知，金属活动性：ACDB。答案B【学以致用2】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，电池反应为Zn2NH4Cl2MnO2=Zn(NH3)2Cl22MnO(OH)。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
15、，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B1.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，A
16、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B2.下列图示的装置属于原电池的是()A. B.C. D.解析构成原电池的条件为：两极为活泼性不同的金属(或金属与石墨)、电解质溶液、导线连接或直接接触、构成闭合回路。其中缺少另一电极材料、中的酒精不是电解质溶液、没有构成闭合回路，故不能构成原电池。答案C3.中性条件下钢铁发生吸氧腐蚀时，正极上发生的电极反应是()A.2H2e=H2B.Fe22e=FeC.2H2OO24e=4OHD.Fe3e=Fe2解析钢铁发生吸氧腐蚀时，负极反应为Fe2e=Fe2，正极反应为O24e2H2O=4OH，C正确。答案C
17、4.我国首创的海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应为4Al3O26H2O=4Al(OH)3，下列说法不正确的是()A.正极反应式为O22H2O4e=4OHB.电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极C.以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积D.该电池通常只需更换铝板就可继续使用解析电子由负极铝流出流向正极，电流流向铝，B项错误。答案B5.如图所示，电流表G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。 (1)B为原电池的_极，金属活泼性，A_B(填“”或“”)。(2)若电极有：Zn、Fe、Cu、Ag四种金属棒，且已知B为Cu
18、，则A为_；现有稀H2SO4和AgNO3溶液可供选择，则C应为_。解析据题意可知，B为原电池负极，A为正极，所以金属活泼性：AB，因此，若B为Cu，则A只能为Ag，且电解质溶液应为不活泼金属的盐溶液，故C应为AgNO3溶液。 答案(1)负bcd B.bcdaC.dabc D.abdc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dabc。答案C7.原电池
19、的电极反应不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中不正确的是()A.由Al、Cu、稀硫酸组成原电池，其负极反应式为：Al3e=Al3B.由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，其负极反应式为Al3e4OH=AlO2H2OC.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池，其负极反应式为Cu2e=Cu2D.由Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为Cu2e=Cu2解析A项，铝比铜活泼，且可与稀硫酸反应，所以铝作负极，正确；B项，Mg和Al在NaOH中，只有Al与其反应，故Al为负极，正确；C项，Fe比Cu活泼，故Fe先于Cu与Fe3反应，而作负极，故错。D项，Al虽比Cu活泼，但由于其
20、与浓硝酸钝化，故Cu作负极，正确。答案C8.汽车的启动电源常用铅蓄电池。放电时其电池反应如下：PbO2Pb2H2SO4=2PbSO42H2O，据此反应判断下列叙述中正确的是()A.电池上Pb极标有“”符号B.PbO2得电子，被氧化C.负极反应是PbSO2e=PbSO4D.电池放电时，溶液酸性增强解析铅蓄电池在放电时为原电池，Pb失电子作负极，标有“”符号，电极反应式为PbSO2e=PbSO4，A错，C正确；PbO2在正极得电子，被还原，B错；电池放电时消耗硫酸，溶液酸性减弱，D错。答案C9.液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小，无需气体存储装置等优点。一种以肼(N2H4)为燃料的电池装置如
21、图所示。该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH作为电解质。下列关于该燃料电池的叙述正确的是()A.电子从右侧电极经过负载后流向左侧电极B.负极发生的电极反应式为N2H44e=N24HC.该燃料电池的电极材料应采用多孔导电材料，以提高电极反应物质在电极表面的吸附量，并使它们与电解质溶液充分接触D.该燃料电池持续放电时，K从负极向正极迁移，因而离子交换膜需选用阳离子交换膜解析A.通N2H4的一极为负极，通空气的一极为正极，根据原电池的工作原理，电子从负极经过外电路流向正极，即从左侧流向右侧，故错误；B.因为环境是碱性，因此负极电极反应式为N2H44OH4e=N24H2O，故错误；C.该燃料电池的电
22、极材料应采用多孔导电材料，以提高电极反应物质在电极表面的吸附量，并使它们与电解质溶液充分接触，故正确；D.根据原电池的工作原理，阳离子应移向正极，正极上产生OH，应用阴离子交换膜，故错误。答案C10.由A、B、C、D四种金属按如表中装置进行实验。装置现象二价金属A不断溶解C的质量增加A上有气体产生根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是_。(2)装置乙中正极的电极反应式是_。(3)装置丙中溶液的pH_(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是_。解析据图()知活泼性：AB，A作负极，电极反应式为A2e=A2；据图()知活泼性：BC，正极反应式为Cu
23、22e=Cu；据图()知活泼性：DA，正极反应为2H2e=H2，故c(H)减小，pH增大。据()、()、()知活泼性：DABC。答案(1)A2e=A2(2)Cu22e=Cu(3)变大(4)DABC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60 g，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ZnAg，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Z
24、n2e=Zn2；银片作正极，发生还原反应2H2e=H2。(2)锌片与银片总质量减轻，是因为负极锌失去电子溶解，根据得失电子守恒，负极每有1 mol锌溶解，正极必产生1 mol H2，并转移2 mol电子。根据电子得失守恒有：Zn2H=Zn2H2转移电子6522.4 L2 mol60 g47 gV L x得V4.48 L，x0.4 mol，故N(e)0.4NA。答案(1)Zn2e=Zn22H2e=H2(2)4.48 L0.4NA12.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=
25、4OHy极：H2(气)2OH2e=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5.4 g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2H2O2=2H2O。(3)4 mol e2H2O 4 mol 218 g n(e) 5.4 gn(e)0.6 mol。答案(1)正还原(2)负氧化2H2O2=2H2O(3)0.6
26、NA13.某实验小组同学对电化学原理进行了一系列探究活动。(1)如图为某实验小组依据氧化还原反应设计的原电池装置，反应前，电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差12 g，导线中通过_ mol电子。(2)其他条件不变，若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液，石墨电极会产生气泡，这是由于NH4Cl溶液显_(填“酸性”“碱性”或“中性”)，用吸管吸出铁片附近溶液少许置于试管中，向其中滴加少量新制饱和氯水，然后滴加几滴硫氰化钾溶液，溶液变红，继续滴加过量新制饱和氯水，颜色褪去，同学们对此做了多种假设，某同学的假设是：“溶液中的3价铁被氧化为更高的价态。”如果3价铁被氧化为FeO，试写出该反应(红色褪去
27、)的离子方程式：_。(3)如图其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，如图所示。一段时间后，在甲装置铜丝电极反应为_；乙装置中石墨(1)电极现象为_。解析(1)负极反应：Fe2e=Fe2，正极反应：Cu22e=Cu，导线中通过2 mol电子时，两电极质量相差120 g，所以两电极质量相差12 g，导线中通过0.2 mol电子。(2)其他条件不变，若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液，石墨电极会产生气泡，这是由于NH4Cl溶液显酸性，如果3价铁被氧化为FeO，该反应(红色褪去)的离子方程式：2Fe33Cl28H2O=2FeO6Cl16H。(3)一段时间后，在甲装置铜丝电极反应为O22
28、H2O4e=4OH；乙装置中石墨(1)电极发生还原反应，生成铜单质，现象为析出红色固体。答案(1)0.2(2)酸性2Fe33Cl28H2O=2FeO6Cl16H(3)O22H2O4e=4OH析出红色固体14.LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为4Li2SOCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题：(1)电池的负极材料为_，发生的电极反应为_；(2)电池正极发生的电极反应为_；(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是_
29、，反应的化学方程式为_；(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是_。解析分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂 ，SOCl2为氧化剂。(1)负极材料为Li(还原剂)，发生反应：Lie=Li。(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl24e=4ClSSO2。(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液而用水吸收时的产物应为SO2和HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。(4)因为构成电池的两个主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。答案(1)LiLie=Li(2)2SOCl24e=4ClSSO2(3)出现白雾，有刺激性气味的气体生成SOCl2H2O=SO2 2HCl(4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应
