1、第二单元化学能与电能的转化【格林太太的假牙】格林太太是一位漂亮、开朗、乐观的妇女。当她开怀大笑的时候，人们发现她一口整齐洁白的牙齿中有两颗假牙：一颗是金黄色的这是她富有的标志；另一颗是不锈钢的这是一次车祸留下的痕迹。可令人百思不得其解的是，自从车祸以后，格林太太经常头疼，晚上失眠，情绪烦躁医生绞尽脑汁，可她的病情仍未好转。后来，一位年轻的化学家来看望她，才为她揭开了病因。你知道化学家发现了什么吗？你能为格林太太开一个药方吗？第1课时原电池的工作原理一、原电池及其工作原理1原电池(1)概念：将化学能转化为电能的装置。(2)实质：利用能自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能。2原电池工作原理(以
2、锌铜原电池为例)3.原电池形成条件(1)两个活泼性不同的电极较活泼金属作负极，较不活泼金属或非金属作正极。(2)电解质溶液两电极必须浸在电解质溶液中。(3)形成闭合回路用导线(或盐桥)分别连通外电路、内电路。(4)自发氧化还原反应实质性非物质形式条件。二、原电池的设计理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应注意以下几方面。(1)外电路负极(还原性较强的物质)正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。(2)内电路将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向运动。(3)闭合电路探究点一原电池的构成条件和工作原理1原电池的构成条件(1)具有不同的电极，较活泼的金属作负极，失去电子，发
3、生氧化反应；较不活泼的金属或非金属(石墨等)作正极，得到电子，发生还原反应，此电极本身不变。(2)具有电解质溶液。(3)具有导线相连(或直接接触)组成的闭合回路或具备将化学能转变成电能的条件。(4)有能自发进行的氧化还原反应(有明显电流产生时需具备此条件)。a不要形成“活泼金属一定作负极”的思维定式，如下图甲池中Mg作负极：Mg2e=Mg2，Al作正极：2H2e=H2；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液的反应能自发进行，所以Al作负极：Al3e4OH=AlO2H2O，Mg作正极：2H2O2e=H22OH。b原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。如下图：c形成闭合回
4、路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极直接接触。如下图：d有的原电池产生的电流大，可以对外做功；有的原电池，电极上发生的反应很慢，产生的电流极其微弱，不能对外做功(如电极是Fe、C，电解质溶液是NaCl溶液)。2半电池、盐桥、内电路、外电路(1)半电池原电池由两个半电池组成。原电池把一个能自发进行的氧化还原反应分在两个不同的区域进行，正极区进行还原反应，负极区进行氧化反应，通过导线转移电子。(2)盐桥盐桥中的盐溶液是电解质溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。当有盐桥存在时，随着反应的进行，溶液保持电中性，让氧化还原反应得以持续进行，从而使原电池不断地产生电流。盐桥的制作方法
5、。方法1：取1 g琼脂置于烧杯中，加入100 mL饱和KCl溶液，加热，使琼脂变成糊状，趁热加入U形管中，待冷却后即可充当盐桥。方法2：将KCl饱和溶液装入U形管中，用棉花堵住管口即可。(3)内电路、外电路在原电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴、阳离子的定向移动而形成内电路。3原电池工作原理(1)原理图示(2)电极名称与反应类型：正极还原反应；负极氧化反应。(3)电子流向：负极正极。(4)电流方向：正极负极。(5)离子流向：阳离子正极；阴离子负极。1盐桥是装有含琼脂的饱和KC
6、l溶液的U形管，原电池工作时，K、Cl的移动方向是怎样的？提示：原电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故K向正极区移动，Cl向负极区移动。2某原电池工作时，a电极质量增加，则该电池的电解质溶液可以是盐酸吗？提示：不能，因为a电极质量增加，说明该电极上应有金属析出，应是溶液中的金属阳离子得电子而析出金属，故不可能是盐酸。【例1】下列装置中能够构成原电池形成持续电流的是()【思路分析】判断装置是否为原电池，要以构成原电池的基本条件为标准进行判断，不能仅凭装置的外形下结论。【解析】A项中两电极均为Cu，且不能与稀硫酸反应，不能构成原电池；B项中Zn、Cu用导线连接，通过稀硫酸发生原电池反
7、应，属于原电池装置；C项中Zn、Cu用导线连接，但CH3CH2OH为非电解质，不能形成闭合回路，不能构成原电池；D项中Zn、Cu在CuSO4溶液中不接触，不能形成闭合回路，不能构成原电池；E项中Zn、Cu用导线连接，形成闭合回路，但Zn、Cu均不与食盐水反应，能构成原电池但不能产生持续电流；F项中AgNO3溶液分装在两个容器中，不能形成闭合电路，不能构成原电池。【答案】B如图所示为一原电池装置，下列叙述中正确的是(A)A铜离子在铜片表面被还原B盐桥中的K移向ZnSO4溶液C电流从锌片经导线流向铜片D铜是负极，铜片上有气泡产生解析：锌作负极，锌发生氧化反应，铜作正极，Cu2发生还原反应，A选项正
8、确。盐桥中的K向正极移动，即移向CuSO4溶液，B选项错误。电子从锌片经导线流向铜片，电流方向与电子流向相反，C选项错误。原电池中的两个电极分别为正极和负极，在题中的原电池中铜作正极，铜离子在正极上得到电子转化为铜单质，D选项错误。探究点二原电池正负极的判断和电极反应式的书写名师释疑：在书写电极反应式时应当注意哪些方面？两极得失电子数目相等；电极反应式常用“=”不用“”表示；电极反应式中若有气体生成，需加“”；而弱电解质或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示；写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H或OH或H2O；两电极反应、电池总反应的三个方程式，若已知其
9、中两个，可由方程式的加减得到第三个。1在原电池的电极材料的选择上有哪些注意事项？提示：(1)若两个电极材料本身都能与电解质溶液反应，则两极活动性须有差异；(2)若电极材料本身都不参加电极反应，则一极储存还原剂，一极储存氧化剂；(3)若只有一个电极材料本身与电解质溶液反应，则另一个电极一般是碳棒等导电材料。2在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？提示：不一定。在判断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。故应由电池反应来确定电极名称，发生氧化反应的金属作负极。如下图甲池中Mg作负极：Mg2e=Mg2，Al作正极：2H2e=H2；乙池中由于镁不与强碱反应而A
10、l和NaOH溶液能反应，所以Al作负极：Al3e4OH=AlO2H2O，Mg作正极：2H2O2e=H22OH。3在原电池中，电极材料一定与电解质溶液反应吗？提示：不一定。在原电池中，电极材料可能与电解质溶液反应，也可能与电解质溶液不反应。如图所示：【例2】分析下图所示的四个装置，其中结论正确的是()A(1)(2)中Mg作负极，(3)(4)中Fe作负极B(2)中Mg作正极，电极反应为6H2O6e=6OH3H2C(3)中Fe作负极，电极反应为Fe2e=Fe2D(4)中Fe作负极，电极反应为Fe2e=Fe2【思路分析】判断原电池的两极是解题的关键，同时注意特殊电解质溶液的存在会使电池的两极发生改变。
11、【解析】金属活动性：MgAl，故在(1)中Mg作负极；在NaOH溶液中，Al能与NaOH溶液反应而Mg不能，故(2)中Al作负极，Mg作正极，正极的电极反应为6H2O6e=6OH3H2；铁在浓硝酸中发生钝化，而铜与浓硝酸在常温下能反应，故(3)中Cu作负极；(4)中CH3CH2OH是非电解质，不符合原电池的构成条件。【答案】B如图所示装置，电流表A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H2SO4BA是Cu，B是Zn，C为稀H2SO4CA是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3溶液DA是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3溶
12、液解析：A极逐渐变粗，说明A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为原电池的负极，失去电子后变成离子进入了溶液中。A和B两项反应为ZnH2SO4=ZnSO4H2，则A选项中A极变细，B选项中A极不变；C和D两项反应为Fe2AgNO3=2AgFe(NO3)2，其中C选项中A极变细，D选项中A极变粗，答案为D项。探究点三原电池原理的应用1比较金属的活动性强弱(1)原理：一般原电池中活动性较强的金属作负极，活动性较弱的金属作正极。(2)应用：A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中，若A极溶解，B极上有气泡冒出，则金属活动性：AB。2加快化学反应的进行(1)原
13、理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。(2)应用：实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。3原电池的设计从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。(1)基本方法：以氧化还原反应为基础，确定原电池的正负极、电解质溶液及电极反应，其方法是：还原剂作负极，比负极不活泼的金属或非金属导体作正极，氧化剂的溶液作电解质溶液。(2)电解质溶液的选择：电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电
14、解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左、右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液。(3)电极材料的选择：电池的电极必须导电，电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极不用同一种材料。一般情况下，两个电极的构成分为下列四种情况：活动性不同的两种金属。例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。金属和非金属。例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。金属和化合物。例如，铅蓄电池中
15、，铅作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。惰性电极。例如，氢氧燃料电池中，两个电极均可用Pt。(4)形成闭合回路。以ZnH2SO4=ZnSO4H2为例设计原电池的思路如下：1把A、B两块金属插入稀硫酸中，用导线相连可以组成原电池，结果A极减轻，则A、B两种金属哪种更活泼？提示：A极减轻，说明A失去电子溶解，故A金属更活泼。2将反应ZnFe2=Zn2Fe设计成原电池，则该电池的电解质可能是什么？提示：该电池的电解质可能是FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。【例3】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
16、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，并写出电极反应式。正极反应：_；负极反应：_。【思路分析】首先根据题给离子方程式确定原电池的正负极，由此写出两个半电池的电极反应，然后根据电极反应确定电解质溶液。【解析】首先分析Fe3与Cu的反应中的氧化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2Fe3Cu=2Fe2Cu2，Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用不如铜活泼的碳棒或铂丝均可，电解质溶液选用FeCl3溶液。【答案】(1)2Fe3Cu=2Fe2Cu2(2)装置如下图或2Fe32e=2Fe2Cu2e=Cu2有A、B、C、D四块金属片，进
17、行如下实验：A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D导线C；A、C相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应。据此，判断四种金属的活动性顺序是(B)AABCD BACDBCCABD DBDCA解析：金属与稀H2SO4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，A、B作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性顺序为AB；C、D作电极的原电池中，C为负极
18、，金属的活动性顺序为CD；A、C作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性顺序为AC；B、D作电极的原电池中，D为负极，金属的活动性顺序为DB。综上可知，金属的活动性顺序为ACDB。1下列说法正确的是(C)A构成原电池正极和负极的材料必须是金属B在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原C实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应D原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能解析：原电池也可以用石墨作电极，A错误。电子流出的一极是负极，负极发生氧化反应，B错误。粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池，加快锌与稀硫酸的反应，C正确。原电池将化学能转化为电能，转化效率较高，但不能全部转化为电能，原电池
19、工作时发热就是一部分能量转化为热能，D错误。2下列说法正确的是(D)A反应CaOH2O=Ca(OH)2放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，放电过程中化学能转化为电能B某原电池反应为Cu2AgNO3=Cu(NO3)22Ag，其装置中的盐桥可以是含KCl饱和溶液的琼脂C铁的活泼性强于铜，所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中，若能组成原电池，则铁作负极，铜作正极D从理论上来说，任何能自发进行的氧化还原反应都可被设计成原电池解析：CaOH2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应，不能设计成原电池，A项错误；由KClAgNO3=AgClKNO3可知，生成的AgCl会使盐桥的导电性减弱，所以该装置中的盐桥
20、不能是含KCl饱和溶液的琼脂，B项错误；铁遇到浓硝酸会发生钝化，而铜可与浓硝酸发生反应：Cu4HNO3(浓)=Cu(NO3)22NO22H2O，Cu失去电子被氧化，作原电池的负极，C项错误。3如表所示，将两电极用导线连接插入电解质溶液中(不考虑溶液中溶解的氧气的影响)，你认为不能构成原电池的是(C)解析：选项能否构成原电池理由A能Zn为负极，Cu为正极，自发的氧化还原反应：ZnCu2=CuZn2B能Zn为负极，Fe为正极，自发的氧化还原反应：Zn2H=Zn2H2C否没有氧化还原反应发生D能Al为负极，C为正极，自发的氧化还原反应：2Al2OH2H2O=2AlO3H24.实验发现，298 K时，
21、在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3立即被还原成Fe2。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是(B)A该原电池的正极反应：Zn2e=Zn2B左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去C该电池铂电极上有气泡生成D该电池总反应：3Zn2Fe3=2Fe3Zn2解析：Zn失去电子，发生氧化反应，Zn为负极，A项错误；Fe3被还原为Fe2，溶液红色逐渐褪去，B项正确，铂电极作正极，无气泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn2Fe3=2Fe2Zn2，D项错误。5某原电池的总反应的离子方程式为ZnCu2=Zn2Cu，则该原电池的正确组成可以是下列中的(A)解析：由电池反应可知
22、，该原电池的负极为锌，电解质溶液为含Cu2的溶液，结合原电池的构成条件可知，A项符合题意。6.镁次氯酸盐燃料电池具有比能量高、安全方便等优点，该电池主要的工作原理如图所示，其总反应为MgClOH2O=Mg(OH)2Cl，关于该电池的叙述错误的是(C)A该电池中正极反应为ClOH2O2e=Cl2OHB电池工作时，Mg作负极，发生氧化反应C此电池可以用稀盐酸作电解质溶液D电池工作时，正极附近溶液的pH将不断增大解析：根据总反应可知，该电池工作时，Mg作负极，发生氧化反应；正极反应为ClOH2O2e=Cl2OH，所以电池工作时，正极附近溶液的pH将不断增大；不能用稀盐酸作电解质溶液，因为氢离子和次氯
23、酸根离子反应可生成易分解的HClO。7如下图所示的八个装置中，属于原电池的是(B)A全部 BC D除外解析：构成原电池的基本条件：电解质溶液；两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，两个电极直接或间接地连接在一起，并插入电解质溶液中；能自发地发生氧化还原反应；形成闭合回路。构成原电池的基本条件是相互联系的。在这几个基本条件中，氧化还原反应是核心。构成原电池的基本条件不仅是判断原电池的依据，也是进行原电池设计的基本依据。故选B。8由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。装置现象二价金属A不断溶解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)装置甲中负极的电极反应式是A2e=A2。(2)装置乙中正极的电极反应式是Cu22e=Cu。(3)装置丙中溶液的pH变大(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是DABC。解析：甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极，B为正极，活动性AB；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性BC；丙中A上有气体即H2产生，则A为正极，活动性DA，随着H的消耗，pH变大。
