人教新课标高中化学必修二教师用书1第一课时 化学能转化为电能 含答案.docx
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人教新课标高中化学必修二教师用书1第一课时化学能转化为电能含答案
第二节 化学能与电能
第一课时 化学能转化为电能
学习目标
核心素养
1.通过实验探究认识化学能与电能之间转化的实质。
2.理解原电池的概念及工作原理。
3.了解原电池的构成与设计。
1.科学探究:
设计实验认识构成原电池的条件及其原理,判断原电池的正负极。
2.创新意识:
利用原电池原理能设计原电池。
一、一次能源和二次能源
二次能源中的电能是应用最广泛,使用最方便,污染最小的能源。
二、化学能转化为电能
1.燃煤发电的能量转化
(1)过程:
化学能
热能
机械能
电能
(2)化石燃料的燃烧(氧化还原反应)是使化学能转换为电能的关键。
2.原电池
(1)实验
(2)原电池概念:
将化学能转变为电能的装置
(3)铜锌原电池工作原理
电池总反应:
Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。
(4)反应本质:
原电池反应的本质是氧化还原反应。
(5)构成原电池的条件
理论上,自发的氧化还原反应均可设计成原电池。
①两个活动性不同的电极(或一个为金属,一个为能导电的非金属)电极。
②具有电解质溶液。
③形成闭合回路。
1.正误判断
(1)HCl+NaOH===NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池( )
(2)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( )
(3)原电池中阳离子向正极移动( )
(4)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子( )
(5)把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴CuCl2溶液,气泡放出速率加快( )
[答案]
(1)×
(2)× (3)√ (4)× (5)√
2.下列叙述不正确的是( )
A.根据一次能源和二次能源的划分,氢气为二次能源
B.电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源
C.火力发电是将燃料中的化学能直接转化为电能的过程
D.在火力发电过程中,化学能转化为热能实际上是氧化还原反应发生的过程,伴随着能量的变化
[答案] A
3.下列设备工作时,将化学能转化为电能的是( )
[答案] C
4.
(1)下列装置属于原电池的是________。
(2)在选出的原电池中,________是负极,发生________反应,________是正极,该极的现象是________________。
(3)此原电池反应的化学方程式为______________________。
[答案]
(1)⑤
(2)Fe 氧化 Cu 电极上有气泡产生
Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
知识点一化学能转化为电能
1.化学能直接转化为电能——原电池的实验探究
2.构成条件
(1)原电池反应必须是自发的氧化还原反应;
(2)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)两电极均插入电解质溶液中;
(4)电解质溶液、电极、导线形成闭合回路。
3.工作原理
负极
正极
电池反应:
Zn+2H+===Zn2++H2↑
4.电子的流向:
电子由负极经导线流向正极。
5.反应本质:
原电池反应的本质是氧化还原反应。
【典例1】 在如图所示装置中,观察到电流表指针发生偏转,M棒变粗,N棒变细,P为电解质溶液。
由此判断下列M、N、P所代表的物质可以成立的是( )
[思路启迪] 首先根据电极上的反应现象确定电极属性及电极材料,然后依据原电池的工作原理整合题干的图表信息作出准确的判断。
[解析] 经分析可知该装置是原电池,其中M棒作正极,有金属单质析出,N棒作负极,失电子溶解。
A项,锌、铜、稀硫酸构成原电池,则锌是负极,M棒变细,A项错误;B项,铁、铜、稀盐酸构成原电池,M棒上无金属单质析出,B项错误;C项,锌、银、硝酸银溶液构成原电池,则锌是负极,M棒上有银析出,C项正确;D项,铁离子得到电子转化为亚铁离子,不能析出金属,D项错误。
[答案] C
原电池的判断方法
[针对训练1] 如图是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记录如下,在卡片上描述合理的是( )
实验后的记录:
A.①②③ B.③④⑤
C.④⑤⑥D.②③④
[解析] 在该原电池中,Zn比Cu活泼,故Zn作负极,Cu作正极,电子由Zn流出经导线流向Cu片,负极反应为:
Zn-2e-===Zn2+,正极反应为:
2H++2e-===H2↑,故转移1mol电子时,产生H20.5mol,在溶液中H+向正极移动,SO
向负极移动,故①②⑥错误,③④⑤正确,选B项。
[答案] B
知识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:
在原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,使溶液中粒子运动相互间的干扰减小,使反应速率增大。
(2)应用:
实验室用Zn和稀H2SO4(或稀盐酸)反应制H2,常用粗锌,它产生H2的速率快。
原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4形成原电池,加快了锌的腐蚀,使产生H2的速率加快。
2.比较金属的活动性强弱
(1)原理:
原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。
(2)应用:
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A>B。
3.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,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)实例
以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu为例
装置
材料选择
电极反应
负极:
Fe
正极:
Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或导电的石墨棒均可)
电解质溶液:
CuSO4溶液
负极:
Fe-2e-===Fe2+
正极:
Cu2++2e-===Cu
【典例2】 某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池正确的组成是( )
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Cu
Zn
HCl
B
Zn
Cu
CuSO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Cu
Zn
ZnCl2
[思路启迪] 解决原电池设计题型时,首先根据反应方程式分析出氧化剂、还原剂;然后依据原电池的构成条件及工作原理确定电极材料和电解质溶液。
[解析] 将Zn+Cu2+===Zn2++Cu拆为两个半反应:
氧化反应(负极反应):
Zn-2e-===Zn2+。
还原反应(正极反应):
Cu2++2e-===Cu。
则电池的负极是Zn,正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属,电解质溶液中含Cu2+。
[答案] C
设计原电池的方法及注意事项
(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,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)选择合适的材料
①电极材料:
电极材料必须导电。
负极材料一般选择较活泼的金属材料,或者在该氧化还原反应中,本身失去电子的材料。
②电解质溶液:
电解质溶液一般能与负极反应。
[针对训练2] 有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如表:
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
[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d>a>b>c。
[答案] C
1.下列图示的装置不能构成原电池的是( )
[解析] C选项中两种金属都不能和稀H2SO4发生自发的氧化还原反应,故C选项中装置不能构成原电池。
[答案] C
2.如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是( )
A.电子由铜通过导线流向锌
B.该装置是将电能转化为化学能的装置
C.锌电极发生氧化反应
D.电流由锌通过导线流向铜
[解析] A项,铜作正极,锌作负极,因此电子由锌流向铜,故错误;B项,该装置将化学能转化为电能,故错误;C项,锌作负极失去电子,发生氧化反应,故正确;D项,电子与电流的方向相反,因此电流由铜极流向锌极,故错误。
[答案] C
3.X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X与Y组成原电池时,Y为原电池的负极。
X、Y、Z三种金属的活动性顺序为( )
A.X>Y>ZB.X>Z>Y
C.Y>X>ZD.Y>Z>X
[解析] X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,说明活泼性X>Z;X与Y组成原电池时,Y为电池的负极,说明活泼性Y>X。
故三种金属的活动性顺序为Y>X>Z。
[答案] C
4.如图所示电流表的指针发生偏转,同时A极的质量减小,B极上有气泡产生,C为电解质溶液,下列说法错误的是( )
A.B极为原电池的正极
B.A、B、C分别可以为Zn、Cu和稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应
[解析] 原电池中,负极金属失去电子,发生氧化反应溶解,质量减小,故A极为负极,B极为正极,A、D项正确;A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时,可以构成原电池,且现象符合题意,B项正确;电解质溶液中阳离子移向正极,C项错误。
[答案] C
5.现有如下两个反应:
(A)NaOH+HCl===NaCl+H2O,(B)Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+。
(1)根据两反应本质,判断能否设计成原电池________。
(2)如果不能,说明其原因________________________。
(3)如果可以,则写出正、负极材料,其电极反应式及反应类型(“氧化反应”或“还原反应”),电解质溶液名称:
负极:
________,________________,________。
正极:
________,________________,________。
电解质溶液:
________________。
若导线上转移电子1mol,则正极质量增加________g。
[解析]
(1)、
(2)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池,(A)是非氧化还原反应,(B)是氧化还原反应且能自发进行。
(3)根据电池反应式Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+可知,Cu失电子作负极,负极材料是Cu,正极材料应是比铜不活泼的金属或导电非金属;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)。
根据正极反应式:
Ag++e-===Ag,转移1mol电子时正极析出1molAg,质量为108g。
[答案]
(1)(A)不能,(B)可以
(2)(A)的反应是非氧化还原反应,没有电子转移
(3)Cu Cu-2e-===Cu2+ 氧化反应 石墨棒、Ag、铂、金(任选一种) 2Ag++2e-===2Ag 还原反应 AgNO3溶液 108
课后作业(九)
[基础巩固]
一、能源的分类
1.下列有关能源的说法错误的是( )
A.风能是人类通过风车等工具获取的能源,但属于一次能源
B.在即将到来的新能源时代,核能、太阳能、氢能将成为主要能源
C.月球土壤中含有丰富的质量数为3的氦,它可作为未来核能的重要原料
D.原电池把化学能直接转化为电能,所以由原电池提供的电能是一次能源
[解析] 风能是直接从自然界中取得的能源,属于一次能源,原电池提供的电能是由化学能转化而得到的,不是直接获得的,属于二次能源,A正确,D错误;随着时代的发展,化石能源逐渐枯竭,所以新能源时代污染小的核能、太阳能、氢能将成为主要能源,B、C正确。
[答案] D
二、原电池工作原理及其应用
2.下面是四个化学反应,你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是( )
A.2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
B.2H2+O2
2H2O
C.Zn+CuSO4===Cu+ZnSO4
D.Na2CO3+2HCl===2NaCl+H2O+CO2↑
[解析] D项中的反应不属于氧化还原反应,不能设计成原电池。
[答案] D
3.有关原电池的下列说法中正确的是( )
A.在外电路中电子由正极流向负极
B.在原电池中负极发生还原反应
C.原电池工作时,阳离子向正极方向移动
D.原电池中正极一定是不活泼金属
[解析] 在外电路中电子由负极流向正极;负极发生氧化反应;Mg—Al原电池,NaOH作电解质溶液,镁作正极,属于活泼金属。
[答案] C
4.如图是以稀硫酸为电解质溶液的原电池装置,下列叙述正确的是( )
A.锌片上有气泡产生
B.锌片为负极,铜片发生氧化反应
C.电解质溶液中的H+向铜极移动
D.电子流动方向:
锌极→导线→铜极→电解质溶液→锌极
[解析] 该原电池中,锌易失电子作负极,铜作正极,稀硫酸是电解质溶液,氢离子在正极得到电子生成氢气,铜电极有气泡产生,故A错误;铜锌原电池中,Zn易失电子作负极,Cu作正极,正极上氢离子得电子发生还原反应生成氢气,故B错误;原电池中阳离子移向正极,电解质溶液中的H+向铜极移动,故C正确;原电池中,负极失电子,则电子从负极流向正极,即电子从锌片流入铜片,不能通过电解质溶液,故D错误。
[答案] C
5.如图将锌片和铜片用导线连接后放入稀硫酸中,发生原电池反应,下列叙述错误的是( )
A.溶液的pH增大
B.溶液中的Zn2+浓度增大
C.溶液中的SO
浓度增大
D.溶液的密度增大
[解析] A项,氢离子浓度降低,溶液的pH增大,正确;B项,锌不断溶解,溶液中的Zn2+浓度增大,正确;C项,由于在反应过程中溶液中SO
没有参加反应,所以溶液中c(SO
)不变,错误;D项,原电池放电时,溶液由硫酸溶液逐渐变成硫酸锌溶液,所以溶液的密度增大,正确。
[答案] C
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( )
A.A是Zn,B是Cu,C为稀硫酸
B.A是Cu,B是Zn,C为稀硫酸
C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液
D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液
[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极逐渐变细,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Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,则A项A极变细,B项A极不变;C和D两项中的反应为Fe+2AgNO3===2Ag+Fe(NO3)2,其中C项A极变细,D项A极变粗。
[答案] D
7.为将反应2Al+6H+===2Al3++3H2↑的化学能转化为电能,下列装置能达到目的的是(铝条均已除去了氧化膜)( )
[解析] A项为原电池,铝为负极,但总反应为2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑,不符合;C项为原电池,但硝酸是氧化性酸,则总反应为Al+4H++NO
===Al3++NO↑+2H2O,不符合;D项装置中有外接电源,不属于原电池,不符合。
[答案] B
8.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.Z>Y>X>WB.Z>X>Y>W
C.Z>Y>W>XD.Y>Z>X>W
[解析] 甲中,Z为负极,Y为正极,活泼性Z>Y;乙中,X上有气泡生成,所以X为正极,Y为负极,活泼性:
Y>X;丙中,电子由负极流向正极,所以Z为负极,W为正极,活泼性:
Z>W;丁中,正极发生氧化反应,所以X为负极,W为正极,活泼性:
X>W,根据传递性可知活泼性为Z>Y>X>W。
[答案] A
[能力提升]
9.小颖同学用如图所示装置研究原电池原理,下列说法错误的是( )
A.若将图1装置的Zn、Cu直接接触,Cu片上能看到气泡产生
B.图2装置中SO
向Cu片移动
C.若将图2中的Zn片改为Mg片,Cu片上产生气泡的速率加快
D.图2与图3中正极生成物的质量比为1∶32时,Zn片减轻的质量相等
[解析] Zn、Cu直接接触就能构成闭合回路而形成原电池,Cu片上可看到有气泡产生,A项正确;SO
带负电荷,应该向负极Zn片移动,B项错误;由于Mg的失电子能力强于Zn,所以将Zn片改为Mg片后,电子转移速率加快,生成H2的速率也加快,C项正确;假设图2中正极产生2gH2,则转移2mol电子,消耗负极65gZn,而图3中正极析出64gCu,也转移2mol电子,消耗负极65gZn,故Zn片减轻的质量相等,D项正确。
[答案] B
10.把金属A放入盐B(NO3)2的溶液中,发生反应A+B2+===A2++B,以下叙述正确的是( )
A.常温下金属A一定能与水反应,B-定不能与水反应
B.A与B用导线连接后放入酒精中,一定形成原电池
C.A与B用导线连接后放入B(NO3)2的溶液中,一定有电流产生
D.由A、B和B(NO3)2溶液构成的原电池,A一定是正极,B一定是负极
[解析] A+B2+===A2++B说明A比B活泼,但A、B有可能都在金属活动性顺序H之后,因此,A、B都有可能不与水反应,故A项错;酒精是非电解质,不能形成原电池,故B项错;由A、B和B(NO3)2溶液构成的原电池,A一定是负极,B一定是正极,故D项错。
[答案] C
11.下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是( )
A.①②③④B.④②①③
C.③①②④D.②①③④
[解析] ③中的锌作负极,腐蚀速率最快;④中的锌与外界不接触,腐蚀速率最慢;②中的锌作正极,腐蚀速率比①中的锌要慢;因此腐蚀速率由慢到快的顺序为④②①③,故B正确。
[答案] B
12.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( )
①c(Ag+) ②c(NO
) ③a棒的质量 ④b棒的质量
⑤溶液的质量
A.①③B.②④C.①③⑤D.②④⑥
[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和硝酸银之间发生氧化还原反应,所以银离子浓度减小,硝酸根浓度不变,①正确、②错误;在负极上金属铁本身失电子,即a棒质量减轻,③正确;正极b棒上析出金属银,即b棒质量增加,④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,但不能为零,⑤错误。
A正确。
[答案] A
13.分别按下图甲、乙所示装置进行实验,图中两个烧杯里的溶液为同浓度的稀硫酸,乙中A为电流表。
请回答下列问题:
(1)以下叙述中,正确的是________(填字母)。
A.甲中锌片是负极,乙中铜片是正极
B.两烧杯中铜片表面均有气泡产生
C.两烧杯中溶液pH均增大
D.产生气泡的速度甲中比乙中慢
E.乙的外电路中电流方向Zn→Cu
F.乙溶液中SO
向铜片方向移动
(2)变化过程中能量转化的主要形式:
甲为________;乙为________。
(3)在乙实验中,某同学发现不仅在铜片上有气泡产生,而且在锌片上也产生了气体,分析原因可能是_______________________
________________________________________________________。
(4)在乙实验中,如果把硫酸换成硫酸铜溶液,请写出铜电极的电极反应方程式及总反应离子方程式:
铜电极:
______________________,总反应:
_____________________。
当电路中转移0.25mol电子时,消耗负极材料的质量为________________g(Zn的相对原子质量65)。
[解析] 甲中没有形成闭合回路,不能构成原电池,铜不能与稀硫酸反应,所以铜片表面没有气泡产生,烧杯中氢离子参加反应,浓度减小,溶液的pH增大。
乙中构成原电池,加快了化学反应速率,所以产生气泡的速率甲中比乙中慢;乙中Zn为负极,Cu为正极,所以电流方向Cu→Zn,溶液中的H+向铜片方向移动,SO
向锌片方向移动。
乙中负极反应式为Zn-2e-===Zn2+,转移0.25mol电子时,消耗Zn0.125mol,质量为0.125mol×65g·mol-1=8.125g。
[答案]
(1)CD
(2)化学能转化为热能 化学能转化为电能
(3)锌片不纯,在锌片上就形成原电池
(4)Cu2++2e-===Cu Zn+Cu2+===Zn2++Cu 8.125
14.由A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验。
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)四种金属活动性由强到弱的顺序是____________。
[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A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活动性B>C;丙中A上有气体即H2产生,则A为正极,活动性D>A,随着H+的消耗,pH变大。
[答案]
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大 (4)D>A>B>C
15.依据氧化还原反应:
2Ag++Cu===Cu2++2Ag设计的原电池如图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是________;电解质溶液Y是________。
(2)银电极为电池的________极,发生的电极反应为________________________;X电极上发生的电极反应为________(填“氧化”或“还原”)反应。
(3)外电路中的电子________(填“流出”或“流向”)Ag电极。
(4)当有1.6g铜溶解时,银电极增重________g。
[解析]
(1)由原电池反应:
2Ag++Cu===Cu2++2Ag知,铜失电子,发生氧化反应,作负极,比铜不活泼的金属或石墨作正极,电解质溶液用可溶性的硝酸银溶液,则电极X的材料是铜,电解质溶液Y是AgNO3溶液。
(2)由
(1)知,银电极为电池的正极,发生的电极反应为Ag++e-===Ag,X电极上发生氧化反应。
(3)外电路中,Cu是负极,银是正极,Cu失去的电子沿导线经电流计流向正极(Ag电极)。
(4)1.6g铜的物质的量为1.6÷64=0.025mol,根据反应2Ag++Cu===Cu2++2Ag,银电极增重实际上是生成金属银的质量,为0.025mol×2×108g·mol-1=5.4g。
[答案]
(1)Cu AgNO3溶液
(2)正 Ag++e-===Ag 氧化 (3)流向 (4)5.4
16.某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用,在常温下,设计并进行了以下一系列实验,实验结果记录如下。
编号
电极材料
电解质溶液
电流表指针偏转方向
1
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