1、第二节 化学能与电能 第1课时 化学能转化为电能 必备知识自主学习 一、能源与火力发电 1.一次能源和二次能源 分类定义实例一次能源_从自然界取得的能源流水、风力、化石能源、天然铀矿、太阳能等二次能源一次能源经加工、转换得到的能源电力、蒸汽、水煤气等二次能源中的_是应用最广泛,使用最方便,污染最小的能源。直接 电能 2.火力发电化学能间接转化为电能(1)火力发电的原理 首先通过化石燃料燃烧,使_,加热水使之_以推动 蒸汽轮机,然后带动发电机发电。(2)能量转换过程 化学能转变为热能 汽化为蒸汽(3)火力发电的弊端 化石燃料属于不可再生资源,用化石燃料发电会造成资源的浪费。火力发电的过程中,能量
2、经过多次转化,利用率低,能量损失大。化石燃料燃烧会产生大量的有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等),污染环境。【自主探索】(1)判断下列说法是否正确。氢能、水能、风能和化石能源均属于一次能源。()提示:。氢能是经过一定加工手段制得的,属于二次能源。火力发电是化学能间接转化为电能的过程。()提示:。火力发电是化学能间接转化为电能的过程。(2)(情境思考)火力发电的原理是通过化石燃料燃烧,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。火力发电存在着三种能量转换过程:在锅炉 中煤的化学能转变为热能;在涡轮机中热能转变为机械能;在 发电机中机械能转换成电能。火力发
3、电过程能量转化效率很高吗?提示:火力发电是化学能和电能的间接转化,能量主要转变为热能和机楲能,能量转化效率低。火力发电中使化学能转化为电能的关键是什么?提示:燃烧(氧化还原反应)是使化学能转化为电能的关键;氧化还原反应的本质是氧化剂和还原剂之间发生电子转移的过程,电子转移引起化学键的重新组合,同时伴随着体系能量的变化。二、原电池化学能直接转化为电能 1.实验探究电流的形成过程 装置实验现象实验结论铜片上_铜与稀硫酸_锌片上_锌与稀硫酸_铜片上_,锌片_,电流表指针_该装置将_能转化为_能无气泡 不反应 有气泡 反应 有气泡 溶解 偏转 化学 电 2.原电池的概念(1)定义:将化学能转变为_的装
4、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_铜正极_总电极离子反应式_电能 失电子 Zn-2e-=Zn2+氧化反应 得电子 2H+2e-=H2 还原反应 Zn+2H+=Zn2+H2【自主探索】(1)判断下列说法是否正确。CaO+H2O=Ca(OH)2,可以放出大量的热,可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能。()提示:。CaO+H2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应。原电池的负极发生还原反应。()提示:。原电池的负极发生氧化反应。由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池中,负极反应式为Cu-2e-=Cu2+。()提示:。Fe的
5、还原性比Cu强,铁作负极。(2)(教材二次开发)根据教材“实验2-4将锌片和铜片用导线连 接(导线中间接入一个电流表),平行插入盛有稀硫酸的烧杯中,观察现象”,分析下图两个装置的现象是否相同?提示:不同。图1中锌片逐渐溶解,表面有气泡,铜片上没有气泡;图2中乙醇是非电解质,不能形成原电池,铜片、锌片均无现象。关键能力合作学习 知识点一 原电池 1.原电池的构成条件(1)一看反应:看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)二看两电极:一般是活泼性不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需要三个条件:电解质溶液;两电极直接或间接接触;两电极插
6、入电解质溶液中。2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn-2e-=Zn2+Cu2+2e-=Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn沿导线流向Cu离子移向(内电路)阴离子向负极移动,阳离子向正极移动3.原电池中的三个方向(1)电子方向:从负极流出沿导线流入正极;(2)电流方向:从正极沿导线流向负极;(3)离子的迁移方向:电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。4.原电池正、负极的判断【合作探究】(1)(思维升华)在原电池中活泼性强的金属一定为负极吗?(宏观辨识与微观探析)提示:不一定。例如Mg-Al用导线连接后,插入NaOH溶液中,Mg是正
7、极,Al是负极。(2)(教材二次开发)下列烧杯中盛放的都是稀硫酸,在铜棒上能产生气泡的是哪个装置?(科学探究与创新意识)提示:。是锌铜原电池,铜作正极,氢离子在铜电极上放电生成氢气,有气泡产生;中的铜银都不与稀硫酸反应,不能形成原电池;中没有形成闭合电路。【典例示范】【典例】如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断下表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是()选项MNPA锌铜稀硫酸B铜铁稀盐酸C银锌硝酸银溶液D锌铁硝酸铁溶液【解题指南】解答本题要注意以下两个方面:(1)负极参与反应,质量一般减少。(2)负极与电解质溶液反应,正极质量增加或产生气体。【解析】选C。本题通
8、过电极变化来确定电极,N棒变细,即N极上发生氧化反应,N棒金属较活泼,A、D错误,由M棒变粗,可知B错误。【母题追问】(1)A项P为硫酸铜溶液符合题意吗?提示:不符合题意。N极生成单质铜,质量增加。(2)D项P为硝酸亚铁溶液符合题意吗?提示:不符合题意。N极生成单质铁,质量增加。【误区警示】(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属,正极材料可以为导电的非金属,例如石墨。两极材料可能参与反应,也可能不参与反应。(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接,共同插入电解质溶液中不一定构成原电池,必须有一个能自发进行的氧化还原反应。(3)在判断原电池正负极时,既要考虑金属活泼性的强弱也要考虑电解质溶液
9、性质。如Mg-Al-HCl溶液构成的原电池中,负极为Mg;但是Mg-Al-NaOH溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。【素养训练】如图是苹果和西红柿形成的原电池,其发电原理是两种金属片的电化学活性是不一样的,其中更活泼的那边的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子,由于产生了正电荷,整个系统需要保持稳定,所以在组成原电池的情况下,自由电子从回路中保持系统的稳定,理论上来说电流大小直接和果酸浓度相关。(1)两金属片有何现象?提示:其中较活泼的金属片逐渐溶解,另一金属片表面有气泡冒出。(2)内电路中移向负极参与反应的离子是什么?提示:H+。知识点二 原电池的应用 1.加快氧化还原反应的速率
10、 一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大。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 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,加快速率 2.比较金属活动性强弱 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。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,发生还原反应实例有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,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AB3.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
11、,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。(2)步骤:以Fe+CuSO4=FeSO4+Cu为例。步骤实例将反应拆分 为电极反应负极反应Fe-2e-=Fe2+正极反应Cu2+2e-=Cu选择电极 材料负极:较活泼金属,一般为发生氧化反应的金属Fe正极:活泼性弱于负极材料的金属或石墨Cu或C选择电解质一般为与负极反应的电解质CuSO4溶液画出装置图 【方法导引】原电池的应用(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。在原电池中还原性强的物质作为负极,氧化性强的物质作为正极,正极材料只起导电作用,一般用“万
12、能电极”石墨。(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率,但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。(3)离子不上导线,电子不进溶液,即电子在导线中移动而不能在溶液中通过,自由离子在溶液中迁移而不能在导线中通过。【合作探究】(1)(思维升华)实验室制取少量H2时,为什么滴少量CuSO4溶液?(宏观辨识与微观探析)提示:在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液,Zn与置换出的Cu形成原电池加快了反应速率。(2)(知识关联)a和b两种金属,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生,则a和b哪种金属活动性强?(变化观念与平衡思想)提示:a为负极,b
13、为正极,a活动性强。【典例示范】【典例】FeCl3可用作印刷电路铜板腐蚀剂。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。正极反应式:_ 负极反应式:_【思维建模】解答“设计原电池”类试题思维流程如下:【素养训练】公元前三百多年,亚历山大带领军队东征时,受到热带痢疾的感染,大多数士兵得病死亡,而皇帝和军官们却很少染疾。这个谜直到现代才被解开,原来皇帝和军官们的餐具都是用银制造的,而士兵的餐具都是用锡制
14、造的。银在水中分解出极微量的银离子能吸附水中的微生物,使微生物赖以呼吸的酶失去作用,从而杀死微生物。请利用反应Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+设计一个化学电池(正极材料用石墨棒),回答下列问题:(1)该电池的负极材料、电解质溶液分别是什么?提示:该电池的负极材料是Cu,电解质溶液是AgNO3溶液。(2)正极上出现哪些现象?提示:正极石墨棒上出现银白色物质。(3)若导线上转移电子1 mol,则生成银的质量是多少?提示:若导线上转移电子1 mol,则生成银的质量是108 g。【课堂小结】三言两语话重点 (1)原电池的本质 能量转化:化学能转化为电能。反应本质:自发进行的氧化还原反应。(2)必记原电
15、池中的三个方向 电子:负极导线流入正极;电流:正极导线流向负极;电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。(3)原电池中的三个应用 加快反应速率;设计原电池;比较金属的活泼性。课堂检测素养达标 1.(教材二次开发教材习题改编)某金属能和盐酸反应生成氢气,该金属与锌组成原电池时,锌为负极,则该金属可能为()A.铝 B.铜 C.铁 D.镁【解析】选C。原电池的两极是活动性不同的材料,Zn为负极,正极材料应比Zn的活动性差,且能与盐酸反应放出H2,结合选项只有铁,答案为C。2.如图所示进行实验,下列说法不正确的是()A.装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生 B.甲、乙装置中的能
16、量变化均为化学能转化为电能 C.装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计,可观察到电流计指针发生偏转 D.装置乙中负极的电极反应式:Zn-2e-=Zn2+3.如图所示,Mg-H2O2电池是以Mg和石墨为电极,海水为电解质溶液。下列说法错误的是()A.石墨电极是该电池的正极 B.石墨电极上发生还原反应 C.Mg电极的电极反应式:Mg-2e-=Mg2+D.电池工作时,电子从Mg电极经导线流向石墨电极,再出石墨电极经电解质溶液流向Mg电极【加固训练】(2020南昌高一检测)X、Y、Z、W四种金属片浸在稀盐酸中,用导线连接,可以组成原电池,实验结果如图所示:则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为()A.ZYX
17、W B.ZXYW C.ZYWX D.YZXW【解析】选A。甲中Z为负极,Y为正极,活泼性ZY;乙中X上有气泡生成为正极,Y为负极,活泼性:YX;丙中电子由负极流向正极,Z为负极,W为正极,活泼性:ZW;丁中正极发生还原反应,X为负极,W为正极,活泼性:XW,则活泼性为ZYXW。4.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()24SO【加固训练】由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。装置 现象金属A不断 溶解形成二 价金属离子C极质量增加A上有气 泡产生根据实验现象回答下列问题:(1)装置
18、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)四种金属活动性由强到弱的顺序是_。【素养新思维】5.新的研究发现,血液中的葡萄糖要进入细胞里面,胰岛素是很关键的。但是这还不够,还需要一个帮手把血液里面的葡萄糖送到细胞里面去,这个帮手就是铬。就是胰岛素和铬共同把血液里的葡萄糖送到细胞中,血糖就可以控制在一个比较正常的范围内。某化学兴趣小组为了探究铬和铁的活泼性,设计如图所示装置,回答下列问题。(1)若铬比铁活泼,则电子流向如何?写出铁电极的电极反应式。提示:若铬比铁活泼,则铬为负极,铁为正极,电子经外电路由铬电极流向铁电极;铁为正极,反应式为2H+2e-=H2。(2)若铁比铬活泼,溶液中H+向哪电极迁移?提示:若铁比铬活泼,则铬为正极,H+向铬极移动。(3)若铁电极附近溶液pH增大,铁、铬谁是负极?提示:若铁电极附近溶液pH增大,说明消耗H+,则铁电极发生还原反应,铁是正极,铬是负极。
