1、第二节 化学能与电能激趣导读 甲醇燃料电池是一种低温有机燃料电池，微型甲醇燃料电池适用于手机、电话、笔记本电脑、掌上摄像机和游戏机。它的电能要比传统电池大10倍，其面积约有一平方英寸、厚度不到英寸。这种电池“能呼吸”，完全摒弃了传统电池的“气泵”热转器和其他复杂装置，因而体积微小，其电路设计独特、精巧，非常适用于各种新电子产品。电池中化学能与电能是怎样转化的呢？目标 1.了解化学能与电能之间的转化关系。2理解原电池的概念、构成、工作原理及应用。3掌握原电池电极反应方程式的书写。4了解几种重要的化学电源。5认识化学能转化为电能对现代文明的重大意义。第1课时化学能转化为电能一、一次能源和二次能源1
2、一次能源：直接从自然界取得的能源，如流水、风力、原煤、石油、天然气等。2二次能源：一次能源经过加工、转换得到的能源，如电力、蒸汽等。其中电能是应用最广泛、使用最方便、污染最小的二次能源。二、化学能与电能的相互转化1燃煤发电的能量转化(1)过程：化学能热能机械能电能。(2)燃烧是使化学能转化为电能的关键。2原电池(1)实验探究。(2)原电池。定义：将化学能转变为电能的装置。工作原理(以铜锌稀硫酸原电池为例)：构成条件“两极一液一线一反应”a两极两种活泼性不同的金属(或一种为能导电的非金属)。b一液电解质溶液。c一线形成闭合回路。d一反应能自发进行的氧化还原反应。探究点一原电池的构成条件和工作原理
3、 在原电池中，活泼的金属电极一定作负极吗？提示：不一定。原电池的正、负极判断除考虑两极的活动性外，还应注意电极能否与电解质溶液发生反应。如下图所示，甲中，电解质溶液是稀硫酸，Fe作负极，电极反应：Fe2e=Fe2；但乙中，电解质溶液是浓硝酸，Fe发生钝化，Cu作负极，电极反应：Cu2e=Cu2；丙中，电解质溶液是稀硫酸，Mg较活泼作负极，电极反应：Mg2e=Mg2；但丁中，电解质溶液是NaOH溶液，Al与NaOH溶液反应作负极，电极反应：Al4OH3e=AlO2H2O。例11下列叙述是某同学做完铜锌原电池的实验后得出的结论和认识，你认为正确的是()A构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属B由
4、铜、锌作为电极与硫酸铜溶液组成的原电池中，铜是负极C电子沿外导线由锌流向铜，通过硫酸溶液被氢离子得到而放出氢气D铜锌原电池工作时，若有13 g锌被溶解，电路中就有0.4 mol电子通过答案D在如图所示的8个装置中，属于原电池的是。(填序号)解析：不是由两个电极构成的，两电极的活动性应不同，无电解质溶液，不形成闭合回路，只有满足形成原电池的三个条件，形成了原电池。例12用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、导线构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是()在外电路中，电流由铜电极流向银电极正极反应为：Age=Ag将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A BC D思路分析对于
5、原电池工作原理常考查的几个方面可用顺口溜帮助掌握。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。解析铜片、银片、Cu(NO3)2溶液，构成一个原电池，Cu作负极，Ag作正极，两极的电极反应分别为：负极：Cu2e=Cu2，正极：2Ag2e=2Ag，电子的流向是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反，因此C正确。故选C。答案C按下图装置进行实验，若x轴表示流入正极的电子的物质的量，则y轴可以表示(A)c(Ag)c(NO)a棒的质量b棒的质量溶液的质量A BC D解析：根据图中装置可判断，Fe、Ag、AgNO3构成的原电池中，活泼金属Fe为负极，Ag为正极，Fe和硝酸银之间发生
6、氧化还原反应，所以银离子浓度减小，硝酸根浓度不变，正确、错误；在负极上金属铁本身失电子，即a棒质量减轻，正确；正极b棒上析出金属银，即b棒质量增加，错误；负极上金属铁本身失电子，正极Ag上析出金属银，所以溶液的质量是增加了Fe，但是析出了Ag，在转移电子数相等情况下，析出的金属质量多，所以溶液质量减轻，但不能为零，错误。故A正确。探究点二原电池原理的应用 1加快氧化还原反应的速率(1)原理：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。(2)实例：实验室用Zn和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成原电池，加快反应速率。2比较金属活泼性
7、强弱(1)原理：一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼金属作正极，发生还原反应。(2)实例：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AB。3设计原电池(1)首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应。氧化反应：还原剂ne=氧化产物；还原反应：氧化剂ne=还原产物；正极反应式负极反应式电池的总反应式。(2)根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料及电解质溶液。电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。电极材料的选择：在原电池中，一般
8、选择活泼性较强的金属作为负极，活泼性较弱的金属或能导电的惰性材料作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化，氧化性物质在正极上得到电子被还原。(3)实例：在大海中航行的轮船，钢制船壳上常镶嵌一定量的锌块，目的是什么？提示：钢的成分是铁碳合金，轮船在大海中航行，钢铁与海水接触，形成铁碳原电池，能加速铁的腐蚀。由于锌比铁活泼，在船壳上镶嵌锌块后，形成铁锌原电池，锌作负极被腐蚀，从而保护了轮船不被腐蚀。例2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，请画出原电池的
9、装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。正极反应： _；负极反应：_。(3)某科研人员发现劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢，但在某些盐溶液中腐蚀现象明显。请从提供的药品：浓H2SO4、NaOH溶液、CuO、Cu中选择两种(蒸馏水可任选)，设计最佳实验，验证劣质不锈钢易被腐蚀。有关反应的化学方程式：_；劣质不锈钢腐蚀的实验现象：_。思路分析设计原电池步骤如下：以自发发生的氧化还原反应为基础。把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应。以两极反应为原理，确定电极材料以及电解质溶液。画出示意图。解析由于Fe3具有较强的氧化性，能将铜氧化而溶解，所以将印刷电路铜板插入FeCl3溶液中时
10、会发生反应生成FeCl2和CuCl2，其反应的离子方程式为2Fe3Cu=2Fe2Cu2；如果要将它设计成原电池，则应选用铜作原电池的负极，这样使铜与FeCl3溶液反应，再选一个比铜不活泼的金属或其他导电物质作正极，如选择银或石墨等作为正极材料；由于劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢，但在某些盐溶液中腐蚀现象明显，所以应找一种盐溶液来与不锈钢反应，在所提供的四种物质中能形成盐的有三种：浓硫酸和NaOH、浓硫酸和氧化铜、浓硫酸与铜。但第一种形成的Na2SO4不与铁反应，第二种浓硫酸(或加水形成稀硫酸)和氧化铜反应后得到硫酸铜溶液，再与铁反应生成铜和硫酸亚铁溶液，第三种浓硫酸与铜反应也能得到硫酸铜，但同时会得
11、到有毒气体二氧化硫，所以第二种方法最佳，最佳的方法是选择浓硫酸和氧化铜反应配制盐溶液。答案(1)2Fe3Cu=2Fe2Cu2(2)装置如图所示；Fe3e=Fe2(或2Fe32e=2Fe2)Cu2e=Cu2(3)CuOH2SO4=CuSO4H2O，CuSO4Fe=FeSO4Cu不锈钢表面有红色物质生成某同学利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计了一个原电池。请填写下列空白：(1)实验原理：Fe2H=Fe2H2(2)实验用品：电极(铁钉、铜钉)、稀硫酸、烧杯、导线、耳机(或者电流表)。(3)实验装置如图。(4)原电池设计及注意的问题：按如图所示装置连接好实验
12、仪器，注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出，如果没有，可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意：接触的同时耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的)，这时可以听见耳机发生“嚓嚓嚓”的声音。其原因是在原电池中，由化学能转化为电能，在耳机中又由电能转化为声音这种能量；如果将装置中的耳机改为电流表，则铁钉应该接电流表的负极，电极反应式为Fe2e=Fe2。发生了氧化反应；铜钉应该接电流表的正极，电极反应式为2H2e=H2，发生了还原反应。解析：原电池是将化学能转变为电能的装置，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼材料作正极，发生还原反应。电流表正极应接原电池正极，电流表负极应接原电池
13、负极。1下列关于原电池的叙述中正确的是(A)A在锌、铜、CuSO4溶液组成的原电池中，负极质量减轻，正极质量增加B在铁、铝、稀硫酸组成的原电池中，电子由铁片通过导线流向铝片C在锌、铜、稀硫酸组成的原电池中，当电池工作时，硫酸根离子向正极移动D在镁、铝、稀NaOH溶液组成的原电池中，镁是负极，铝是正极解析：A项，锌作负极，电极反应式为Zn2e=Zn2，负极质量减轻，铜作正极，电极反应式为Cu22e=Cu，正极质量增加，故A正确；B项，铝作负极，铁作正极，电子由铝片(负极)通过导线流向铁片(正极)，故B错误；C项，H向正极移动，得到电子，发生还原反应，则硫酸根离子必然向负极移动，这样才能形成一个闭
14、合回路，故C错误；D项，虽然镁的金属活动性比铝强，但镁不与NaOH溶液反应，而铝能与NaOH溶液反应，即在此环境中铝更容易失去电子，铝作负极，镁作正极，故D错误。2下列可设计成原电池的化学反应是(D)AH2O(l)CaO(s)=Ca(OH)2(s)BBa(OH)28H2O2NH4Cl=BaCl22NH310H2OC2KClO32KCl3O2DCH4(g)2O2(g)CO2(g)2H2O(l)解析：可设计成原电池的化学反应是能自发进行的氧化还原反应，且为放热反应。A、B项中的反应均不是氧化还原反应，不符合题意；C项中的反应为吸热反应，不符合题意。3.如图所示的装置中，M为活动性顺序位于氢之前的金
15、属，N为石墨棒，关于此装置的下列叙述中，不正确的是(D)AN上有气体放出BM为负极，N为正极C是化学能转变为电能的装置D导线中有电流通过，电流方向是由M到N解析：原电池中活泼金属为负极，失去电子，即M为负极，溶液中的氢离子在正极得到电子被还原为H2，则N为正极，电流方向与电子流向相反，应由正极(N)流向负极(M)。4有a、b、c、d四种金属。将a与b用导线连接起来，浸入电解质溶液中，外电路电流从b流向a。将a、d分别投入等浓度盐酸中，d比a反应剧烈。将铜浸入b的盐溶液里，无明显变化。如果把铜浸入c的盐溶液里，有金属c析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是(B)Adcab BdabcCdba
16、c Dbadc解析：本题考查金属活动性强弱的判断。原电池中，电流从正极流向负极，负极材料比正极材料活泼，故活泼性：ab；与酸反应越剧烈，金属越活泼，则活泼性：da；铜不能置换出盐溶液中的b，故活泼性：dabCu；Cu能置换出盐溶液中的c，故活泼性：Cuc；综上所述，活泼性顺序为dabc。5如图是铜锌原电池示意图。下图中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示的是(C)A铜棒的质量 Bc(Zn2)Cc(H) Dc(SO)解析：铜锌原电池正极(铜棒)和负极(锌棒)的电极反应式分别为2H2e=H2、Zn2e=Zn2。由于铜棒上生成的氢气逸出，铜棒不参与反应，故铜棒的质量保持不变，故A项错误
17、。随着放电的进行，溶液中c(Zn2)逐渐增大，c(H)逐渐减小，故B项错误，C项正确。铜锌原电池的总反应为Zn2H=Zn2H2，放电过程中c(SO)保持不变，故D项错误。6如图所示装置，电流表指针发生偏转，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(D)AA是Zn，B是Cu，C为稀硫酸BA是Cu，B是Zn，C为稀硫酸CA是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3DA是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3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两项中的反应为Z
18、nH2SO4=ZnSO4H2，则A选项中A极变细，B选项中A极不变。C和D两项中的反应为Fe2AgNO3=2AgFe(NO3)2，其中C选项中A极变细，D选项中A极变粗。7(1)在铜锌原电池中，以硫酸铜为电解质溶液，锌为负极，电极上发生的是氧化反应(填“氧化”或“还原”)，电极反应式为Zn2e=Zn2，锌片上观察到的现象为锌片溶解；铜为正极，电极上发生的是还原反应(填“氧化”或“还原”)，电极反应式是Cu22e=Cu；铜片上观察到的现象是铜极变粗，原电池反应的离子方程式为ZnCu2=Zn2Cu。(2)在由铜片、锌片和200 mL稀H2SO4组成的原电池中，若H2只在铜片上产生，当在铜片上放出3
19、.36 L(标准状况)的H2时，H2SO4恰好用完，则产生这些气体消耗的Zn为9.75 g，在导线上有0.3 mol电子通过，原稀H2SO4的物质的量浓度是0.75_mol/L。8现有如下两个反应：(A)NaOHHCl=NaClH2O(B)Cu2Ag=2AgCu2(1)根据两反应本质，判断能否设计成原电池(A)不能，(B)可以。(2)如果不能，说明其原因(A)的反应是非氧化还原反应，没有电子转移。(3)如果可以，则写出正、负极材料，其电极反应式及反应类型(“氧化”或“还原”)，电解质溶液名称：负极：Cu，Cu2e=Cu2，氧化。正极：石墨棒、Ag、铂、金(任选一种)，2Ag2e=2Ag，还原。电解质溶液：AgNO3溶液。若导线上转移电子1 mol，则正极质量增加108 g。解析：(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，(B)是氧化还原反应且能自发进行；(3)根据电池反应式Cu2Ag=2AgCu2可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜还不活泼的金属，Ag得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液(因为Ag只能与NO大量共存)。