高中化学22化学能转化为电能第1课时课时作业 新人教版必修2.docx

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高中化学22化学能转化为电能第1课时课时作业新人教版必修2

第二节化学能与电能

第1课时　化学能转化为电能

[目标导航]　1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。

2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，以及判断原电池的正、负极。

3.会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。

一、一次能源和二次能源

1．能源按其来源可分为一次能源和二次能源。

能源类别

定义

实例

一次能源

直接从自然界中取得的能源

太阳能、风能、地热能、潮汐能、煤、石油、天然气等

二次能源

由一次能源经过加工、转换得到的能源

电能（水电、火电、核电）、蒸汽能、机械能等

2.二次能源——火力发电

（1）火力发电原理：

首先通过化石燃料燃烧，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。

（2）能量转换过程：

化学能

热能

机械能

电能。

其中能量转换的关键环节是燃烧。

（3）火力发电弊端：

①煤属于不可再生资源，用一点少一点，用煤发电会造成资源的浪费。

②能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。

③煤燃烧会产生有害物质（如SO2、CO、NO2、粉尘等），污染环境。

【议一议】

1．判断正误

（1）根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源。

（　　）

（2）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。

（　　）

（3）火力发电是化学能间接转化为电能的过程。

（　　）

（4）水力发电是将化学能转化为电能的过程。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）√　（4）×

二、化学能直接转化为电能

1．按要求完成下列实验，并填表

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，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

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

2.原电池

（1）概念：

是将化学能转化为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应。

（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）原电池的工作原理

原电池总反应式：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

（4）能量转化过程：

原电池在工作时，负极失电子，电子通过导线流向正极，被氧化性物质得到，闭合回路中形成电流，化学能转变为电能。

【议一议】

2．判断正误：

（1）HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池。

（　　）

（2）将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转。

（　　）

（3）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。

（　　）

（4）原电池中阳离子向正极移动。

（　　）

（5）原电池中的负极反应一定是电极材料失电子。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）×

3．原电池中作负极的一定是活泼金属，作正极的一定是不活泼金属吗？

答案　不一定。

在原电池中的两极可以都是活泼金属（如Zn－Fe－稀硫酸，Zn作负极），也可以都是不活泼金属（如Cu－Ag－AgNO3，Cu作负极）也可以是一种金属和一种能导电的非金属（如Cu－C－AgNO3，Cu作负极）。

三、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

因为形成原电池后，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中的粒子运动时相互间的干扰减小，使反应速率增大。

2．比较金属活动性的强弱

例如：

有两种金属a、b，用导线相连后插入稀硫酸中，能溶解的金属活动性较强，表面出现较多气泡的金属活动性较弱。

3．用于金属的防护

原理：

使被保护的金属制品作原电池的正极而得到保护。

实例：

要保护一个铁质的输水管道，可用导线将其与锌块相连，使锌作原电池的负极，铁质管道作原电池的正极。

4．设计原电池

根据原电池的构成条件，可把自发的氧化还原反应设计为原电池。

点拨　原电池正负极判断的注意点：

①原电池中发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。

②判断电极时，不能简单地依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况，如：

a.Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；b.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。

【议一议】

4．

（1）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？

（2）如何利用Fe＋2FeCl3===3FeCl2设计原电池？

答案　

（1）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。

（2）该氧化还原反应可拆分为如下两个半反应：

氧化反应（负极反应）：

Fe－2e－===Fe2＋。

还原反应（正极反应）：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

故Fe作负极，活泼性比Fe差的材料作正极，如Cu、C等，FeCl3溶液作电解质溶液，如图。

一、原电池的工作原理

【例1】　如图所示，

电流计指针发生偏转，同时A极质量减少，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可能分别为Zn、Cu、稀盐酸

C．C中阳离子向A极移动

D．A极发生氧化反应

答案　C

解析　原电池中，负极金属失去电子，溶解，质量减小，故A极是负极，B极是正极，根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸，A、B两项正确；离子移动方向：

阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D项正确。

知识归纳

1．原电池的工作原理

（1）反应类型：

负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

（2）电子的移动方向：

负极流出，经导线流向正极。

（3）离子的移动方向：

阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

2．原电池正负极的判断

变式训练1　关于原电池的叙述中正确的是（　　）

A．构成原电池的两个电极必须是两种不同的金属

B．原电池是将化学能转变为电能的装置

C．原电池工作时总是负极溶解，正极上有物质生成

D．原电池的正极是还原剂发生反应，总是溶液中的阳离子在此被还原

答案　B

解析　构成原电池电极的也可以是非金属导体，A项错；燃料电池中负极不溶解，C项错；D选项应是氧化剂在原电池的正极上发生还原反应。

二、原电池原理的应用

【例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下：

实验装置

部分实验现象

a极质量减小，b极质量增大

b极有气体产生，c极无变化

d极溶解，c极有气体产生

电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是（　　）

A．a＞b＞c＞dB．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞cD．a＞b＞d＞c

答案　C

解析　装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失去电子形成离子，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；装置三和四均形成原电池，易知d比c活泼，d比a活泼。

因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，选C。

归纳总结

原电池原理的应用

（1）比较金属活动性

作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱。

（2）改变化学反应速率

如：

在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。

（3）设计原电池

如：

把Fe＋2Fe3＋===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。

（4）保护金属设备

如：

船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，在船体外壳焊接上比铁活泼的金属（如Zn），则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。

变式训练2　100mL2mol·L－1的盐酸与过量的锌反应，为加快速率，又不影响产生氢气的总量，可采用的方法是（　　）

A．加入适量的6mol·L－1的盐酸

B．加入数滴氯化铜溶液

C．加入适量的蒸馏水

D．加入适量的氯化钠溶液

答案　B

解析　A项能加快反应速率，但增加了氢气的总量；C、D两项不影响H2的量，但稀释了盐酸，降低了反应速率；B项发生反应Cu2＋＋Zn===Zn2＋＋Cu，形成Cu—Zn原电池，加快了反应速率。

1．下列装置能形成原电池的是（　　）

A．①②③⑦⑧B．①②⑤⑥

C．①②③④D．①②③⑥⑦

答案　A

解析　装置④不能形成闭合回路；装置⑤不具有两个活动性不同的电极，只能发生氧化还原反应；装置⑥中酒精不是电解质溶液。

2．将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（　　）

A．两个装置都构成了原电池

B．甲装置构成了原电池，乙装置没有构成原电池

C．两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生

D．产生气泡的速率甲比乙慢

答案　B

解析　甲中构成了铜锌原电池，锌作负极，失电子；铜作正极，H＋在铜极上得电子，生成H2；总反应式为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，乙装置没有构成原电池，因为没有形成闭合电路。

构成原电池后生成H2的速率加快。

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和Y组成原电池时，Y为电池的负极。

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

答案　C

解析　根据原电池原理，负极的金属比正极活泼，可知Y>X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知X>Z，故有Y>X>Z。

4．已知金属锈蚀的原理是在潮湿空气中金属表面形成水膜，金属与杂质和水膜中溶解的电解质组成原电池，从而使金属锈蚀加快，下列制品的镀层损坏后，金属腐蚀速率最快的是（　　）

A．镀铝塑扣B．食品罐头盒（镀锡铁盒）

C．白铁水桶（镀锌）D．镀银铜质奖章

答案　B

解析　在构成原电池反应中，被腐蚀的是较活泼的作负极的金属，根据金属活动顺序表，Zn、Al比Fe较活泼，Fe比Sn（锡）、Cu比Ag较活泼，而Fe比Cu活泼，故镀锡铁盒镀层破坏后腐蚀最快。

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、反应类型（“氧化反应”或“还原反应”）：

负极：

________，________________，________。

正极：

________，________________，________。

答案　

（1）（A）不能，（B）可以　

（2）（A）为非氧化还原反应，没有电子转移　（3）Cu　Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　碳棒、Ag、铂、金（任选一）　2Ag＋＋2e－===2Ag　还原反应

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的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。

[经典基础题]

题组1　能源判断

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

答案　D

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。

题组2　原电池及正负极的判断

2．下列装置可以构成原电池的是（　　）

答案　C

3．下列叙述中正确的是（　　）

A．原电池的负极发生得电子的还原反应

B．原电池中较活泼的金属作正极

C．原电池中的电极一定要由两种不同的金属组成

D．原电池中发生氧化反应的电极是负极

答案　D

解析　原电池的两极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是由金属与非金属（例如石墨）构成，原电池的负极失去电子发生氧化反应，故A、B、C选项错；只有D选项正确。

4.

在如右图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是（　　）

A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大

B．a是正极，b是负极

C．导线中有电子流动，电子从a极到b极

D．a极上发生了氧化反应

答案　B

解析　本题考查原电池基本知识，难度不大，但概念容易混淆。

没有扎实的基础知识容易搞错，显然，电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。

因活泼性a>b（碳棒），所以a为电池的负极，b为正极。

电极反应式：

a（负）极：

a－ne－===an＋（氧化反应）

b（正）极：

nH＋＋ne－===

H2↑（还原反应）

由于正极放电消耗H＋，溶液中c（H＋）减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流计A流向b极。

5．下列关于原电池的叙述中正确的是（　　）

A．正极和负极必须是两种不同的金属

B．电子流入的一极为正极

C．原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应

D．锌、铜和盐酸构成的原电池工作时，锌片上有6.5g锌溶解，正极上就有0.1g氢气生成

答案　B

解析　原电池中电子从负极流出，从正极流入。

它的正、负极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是金属与非金属；原电池工作时负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应；当锌片上有6.5g锌溶解时，正极上析出0.2g氢气。

题组3　原电池工作原理及应用

6.

如右图所示装置，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

答案　D

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Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2，其中C选项中A极变细，D选项A极变粗。

7．一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池的合理组成是（　　）

正极

负极

电解质溶液

A

Zn

Cu

CuCl2

B

Cu

Zn

H2SO4

C

Cu

Zn

CuSO4

D

Zn

Fe

CuCl2

答案　C

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两项，电解质溶液中Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，故应选C。

8．各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为（　　）

A．②①③④B．④③①②

C．④②①③D．③②④①

答案　C

解析　②③④实质均为原电池装置。

③中Fe为正极，被保护；②④中Fe为负极，均被腐蚀。

但相对来说，Fe和Cu的金属活动性差别较Fe和Sn的差别大，故Fe—Cu原电池中的Fe被腐蚀得更快；①中不能构成原电池，仅发生化学腐蚀反应。

9．根据下列事实：

①A＋B2＋===A2＋＋B；②D＋2H2O===D（OH）2＋H2↑；③以B、E为电极与E的盐溶液组成原电池，电极反应为E2＋＋2e－===E，B－2e－===

B2＋，由此可知A2＋、B2＋、D2＋、E2＋的氧化性强弱关系是________。

答案　E2＋＞B2＋＞A2＋＞D2＋

解析　由金属活泼性的判断条件，①中A＞B；②D是很活泼的金属；③中B＞E；所以金属性为D＞A＞B＞E，对应阳离子的氧化性恰好相反。

10．利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池。

（1）负极材料是________（写名称），电极反应为__________________________。

（2）正极电极反应式为______________________________________________。

（3）溶液中SO

向________极移动。

答案　

（1）铜　Cu－2e－===Cu2＋　

（2）O2＋4e－＋4H＋===2H2O　（3）负

解析　该氧化还原反应中还原剂为Cu，故负极是铜，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，氧化剂是O2，故正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，溶液中阴离子SO

向负极移动。

[能力提升题]

11.如图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。

小心地往烧杯中央滴入CuSO4溶液。

（1）片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）______________________________________________________________。

A．铁圈和银圈左右摇摆不定

B．保持平衡状态不变

C．铁圈向下倾斜

D．银圈向下倾斜

（2）产生上述现象的原因是__________________________________________。

（3）写出反应的化学方程式：

_________________________________________。

答案　

（1）D　

（2）加入CuSO4溶液后，构成Fe—Ag原电池，铁溶解，质量减轻，Cu2＋在银圈上得电子，生成Cu沉积在其上，质量增加　（3）Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu

解析　加入CuSO4溶液后，构成Fe—Ag原电池，Fe失电子作负极，质量减轻，Cu2＋在正极银圈上得电子，生成金属铜沉积在上面使其质量增加。

12．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，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

Al、Mg

稀盐酸

偏向Al

2

Al、Cu

稀盐酸

偏向Cu

3

Al、C（石墨）

稀盐酸

偏向石墨

4

Al、Mg

氢氧化钠溶液

偏向Mg

5

Al、Zn

浓硝酸

偏向Al

试根据上表中的实验现象回答下列问题：

（1）实验1、2中Al所作的电极（正极或负极）是否相同（填“是”或“否”）？

____________。

（2）对实验3完成下列填空：

①铝为________极，电极反应式：

____________________________________。

②石墨为________极，电极反应式：

__________________________________。

③电池总反应式：

_________________________________________________。

（3）实验4中铝作负极还是正极________，理由是__________________。

写出铝电极的电极反应式：

____________________________________________。

（4）解释实验5中电流表指针偏向铝的原因：

_____________________________

_________________________________________________________________。

（5）根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素：

_________________________________________________________________。

答案　

（1）否　

（2）①负　2Al－6e－===2Al3＋　②正　6H＋＋6e－===3H2↑　③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑

（3）负极　在NaOH溶液中，活动性Al＞Mg　Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O

（4）Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中发生反应，被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Al是原电池的正极

（5）①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液

解析　在这样的原电池中，相对较活泼的金属材料作负极。

在稀盐酸中的活动性Mg＞Al、Al＞Cu。

由实验1和2可知，原电池中电流表指针是偏向正极。

在实验3中电流表指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极。

化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋，盐酸中的H＋得到电子被还原为H2。

在NaOH溶液中活动性Al＞Mg，则Al是负极，Mg是正极。

Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流表指针偏向铝。