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第二章第二节第1课时
第二节 化学能与电能
第1课时 化学能转化为电能
[学习目标定位] 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,会判断原电池的正极、负极,会正确书写电极反应式,熟知原电池的应用。
一 化学能与电能的转化
1.电能
使用电器时都需要电能。
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,又称电力。
2.火力发电
火电(火力发电)是通过化石燃料(如煤、石油、天然气)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。
燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转换过程,该过程可表示为
化学能
热能
机械能
电能
其中,燃烧(氧化还原反应)是使化学能转换为电能的关键。
3.化学能与电能的直接转化
化学能可通过氧化还原反应直接转化成电能。
归纳总结
一次能源与二次能源对比
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、转化得到的能源
电能(水电、火电、核电)、蒸汽能、机械能等
1.下列说法不正确的是( )
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.火力发电是化学能间接转化为电能的过程
D.水力发电是将化学能转化为电能的过程
答案 D
解析 水力发电是将水的机械能转化为电能的过程。
2.下列各项中,属于一次能源的是( )
①煤 ②石油 ③天然气 ④煤气 ⑤电力
A.①②③B.①②④C.②③⑤D.③④⑤
答案 A
解析 煤、石油、天然气等没有经过加工或转换而直接从自然界中取得,称为一次能源;煤气、电力、汽油、煤油、焦炭等,是在一次能源基础上经过加工转换而来的,称为二次能源。
二 原电池的工作原理
1.按要求完成下列实验,并填表:
实验步骤
现象
锌片逐渐溶解,表面有气泡;铜片表面无气泡
锌片逐渐溶解,铜片表面有气泡,电流表指针发生偏转
两锌片逐渐溶解且表面都有气泡,电流表指针不偏转
无现象
解释或说明
锌与稀硫酸发生置换反应产生H2,而铜则不能
锌与稀硫酸反应,但氢气在铜片上产生,导线中有电流
锌与稀硫酸反应产生氢气,但导线中无电流
乙醇是非电解质,与Zn、Cu都不反应
2.原电池
(1)原电池的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)原电池的构成条件
理论上,自发的氧化还原反应均可构成原电池。
具体条件是:
①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);
②溶液:
两电极均插入电解质溶液中;
③导线:
两极用导线相连,形成闭合回路。
(3)原电池的工作原理
①根据原电池反应原理,分析下图并填空
原电池总反应式:
Zn+2H+===Zn2++H2↑;
②能量转化过程:
原电池在工作时,负极失去电子,电子通过导线流向正极,溶液中氧化性物质得到电子,发生还原反应,这样氧化反应和还原反应不断发生,负极不断地失电子,失去的电子不断地通过导线流向正极,被氧化性物质得到,闭合回路中不断有电子流产生,也就形成了电流,即化学能转变为电能。
(4)原电池工作原理的应用
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。
归纳总结
3.如图装置中,明显有电流产生的是( )
答案 C
解析 依据原电池的构成条件分析可知:
A选项中酒精不是电解质溶液,不能构成原电池;B选项中的两电极材料与电解质溶液不能发生自发的氧化还原反应,因而也不能构成原电池;D选项中的装置没有构成闭合回路,不能构成原电池;只有C选项中的装置符合原电池的构成条件。
理解感悟 原电池的判定方法:
一看反应原理(能否自发地进行氧化还原反应);二看构成条件(两极一液成回路:
两个活泼性不同的电极,插入电解质溶液中,装置形成闭合回路)。
4.由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。
装置
现象
二价金属A
不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
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___________________________________。
(2)装置乙中正极的电极反应式是___________________________________________。
(3)装置丙中溶液的pH变化是________。
(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是_____________________________________________。
答案
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大 (4)D>A>B>C
解析 据装置甲知活动性:
A>B,A作负极,电极反应式为A-2e-===A2+;据装置乙知活动性:
B>C,正极反应式为Cu2++2e-===Cu;据装置丙知活动性:
D>A,正极反应式为2H++2e-===H2↑,故c(H+)减小,pH增大。
据甲、乙、丙知活动性强弱顺序:
D>A>B>C。
原电池是把化学能转化为电能的装置。
其工作原理是
1.化学与能源开发、环境保护、资源利用等密切相关。
下列说法正确的是( )
A.天然气、石油、流水、风力、氢气为一次能源
B.无论是风力发电还是火力发电,都是将化学能转化为电能
C.PM2.5含有的铅、镉、铬、钒、砷等对人体有害的元素均是金属元素
D.发展低碳经济、循环经济,推广可利用太阳能、风能的城市照明系统
答案 D
解析 A项,H2不是一次能源;B项,风力发电不是将化学能转化为电能;C项,砷不是金属元素。
2.现有M、N、P、E四种金属,已知:
①M+N2+===N+M2+;②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出;③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中,电极反应为E2++2e-===E,N-2e-===N2+。
则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )
A.P>M>N>EB.E>N>M>P
C.P>N>M>ED.E>P>M>N
答案 A
解析 由①知,金属还原性:
M>N;M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出,说明M作原电池的正极,故金属还原性:
P>M;N、E构成的原电池中,N作负极,故金属还原性:
N>E。
3.将纯锌片和纯铜片按图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.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
C.两烧杯中溶液的酸性均减弱
D.产生气泡的速率甲比乙慢
答案 C
解析 因乙烧杯中锌片和铜片没有接触,没有构成闭合回路,故不能构成原电池,因此乙烧杯中铜片上没有气泡,只有锌片上有气泡。
因甲烧杯中锌片和铜片用导线连接后构成原电池,加快了锌的溶解,铜片上产生气泡的速率比乙烧杯中锌片上产生气泡的速率快。
又因两烧杯中的锌都能与稀硫酸反应产生氢气而消耗H+,导致两烧杯中溶液的酸性均减弱。
理解感悟 金属铜和锌插入稀硫酸中后,铜不反应,锌溶解并产生气泡。
若用导线连接两金属或将两金属直接接触,就构成了原电池,现象也就发生了变化:
铜表面产生大量气泡,比未构成原电池时锌表面的气泡产生速率要快。
这一原理可用于实验室制氢气:
在稀硫酸中滴加少量硫酸铜溶液,与锌粒混合后,锌置换出铜,覆盖在锌的表面,形成许多微小的铜锌原电池,使得产生氢气的速率大大加快。
4.在铜锌原电池中(如下图),以硫酸铜为电解质溶液,锌为________极,电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为_____________________。
锌片上观察到的现象为_______________________________________________________;
铜为________极,电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式是______________________________________________________;
铜片上观察到的现象是_________________________________________________________,
原电池总反应的离子方程式为__________________________________________。
答案 负 氧化 Zn-2e-===Zn2+ 锌片溶解 正 还原 Cu2++2e-===Cu 铜极变粗 Zn+Cu2+===Zn2++Cu
解析 CuSO4为电解质溶液时,铜锌原电池的负极为锌,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,所以锌片不断溶解,正极为铜,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,所以铜极不断变粗,电池总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu。
5.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,请写出电极反应式:
正极反应:
_____________________________________________________;
负极反应:
_______________________________________________________。
答案
(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)2Fe3++2e-===2Fe2+
Cu-2e-===Cu2+
40分钟课时作业
[经典基础题]
一、能源及其能量转换
1.下列关于能量转换的认识中不正确的是( )
A.白炽灯工作时,电能全部转化为光能
B.普通干电池工作时将化学能转变为电能
C.化学反应中的能量变化,通常主要表现为热量的变化
D.火电是通过化石燃料燃烧,使化学能经过一系列能量转化最终转变为电能
答案 A
解析 A项,白炽灯工作时,电能除转化为光能外,还转化为热能。
2.核聚变是人类未来获取能源的理想方式之一。
人类从受控热核聚变反应中可得到无穷尽的清洁能源,相当于为自己制造了一个个小太阳。
下列关于能量转换的认识中不正确的是( )
A.电解水生成氢气和氧气时,电能转化为化学能
B.绿色植物进行光合作用时,太阳能转化为化学能
C.煤燃烧时,化学能主要转化为热能
D.蜡烛燃烧时,化学能全部转化为光能
答案 D
二、原电池的形成与判定
3.一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。
4.下列烧杯中盛放的都是稀硫酸,在铜电极上能产生气泡的是( )
答案 D
5.如图是课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。
下列说法错误的是( )
A.铜片表面有气泡生成
B.装置中存在“化学能→电能→光能”的转换
C.如果将硫酸换成柠檬汁,导线中不会有电子流动
D.如果将锌片换成铁片,电路中的电流方向不变
答案 C
解析 铜锌原电池中,Cu作正极,溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气,故Cu上有气泡生成,A正确;原电池中化学能转化为电能,LED灯发光时,电能转化为光能,B正确;柠檬汁显酸性也能作电解质溶液,将硫酸换成柠檬汁,仍然构成原电池,导线中会有电子流动,C错误;金属性Cu比Zn、Fe弱,Cu作正极,电路中的电流方向不变,仍然由Cu流向负极,D正确。
三、原电池正极和负极的判定
6.
右图为铜锌原电池示意图,下列说法正确的是( )
A.锌片逐渐溶解
B.烧杯中溶液逐渐呈蓝色
C.电子由铜片通过导线流向锌片
D.Zn为正极,Cu为负极
答案 A
解析 在该原电池中,Zn作负极,Zn溶解并失e-,在外电路中e-由Zn→Cu,在Cu电极表面,H+得e-生成H2,故Cu并没有参加任何反应,故A选项正确,B、C选项错误;锌的活动性大于铜,锌为负极、Cu为正极,D选项错误。
7.
如图所示,两电极一为碳棒,一为铁片,若电流表的指针发生偏转,且a极上有大量气泡生成,则以下叙述正确的是( )
A.a为负极,是铁片,烧杯中的溶液为硫酸
B.b为负极,是铁片,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
C.a为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸
D.b为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
答案 C
解析 Fe、C形成的原电池中,负极铁失去电子,变成亚铁离子,由于a极上有大量气泡产生,所以反应为2H++2e-===H2↑,a为正极,是碳棒;b为负极,是铁片;电解质溶液为硫酸。
8.
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选项中A极变粗。
四、原电池的应用
9.在实验室制取氢气时,最好的方法是( )
A.纯锌与稀硫酸反应
B.纯锌与浓硫酸反应
C.纯锌与稀盐酸反应
D.粗锌(含铜、银)与稀硫酸反应
答案 D
解析 含有铜或银的锌与稀硫酸反应时,由于发生原电池反应,生成氢气的速率加快。
[能力提升题]
10.
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(如右图所示)。
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。
11.利用原电池原理可以探究金属的活动性。
(1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池,两电极间连接一个电流计。
锌片作________(填“正”或“负”)极,锌片上发生的电极反应式是_________________;
银片上发生的电极反应式是________________。
(2)若该电池中两电极的总质量为60g,工作一段时间后,取出锌片和银片洗净干燥后称重,总质量为47g。
此时产生标准状况下氢气的体积为________L,通过导线的电子的物质的量为________mol。
(3)为证明铁的金属活动性比铜强,某同学设计了如下一些方案。
其中能证明铁的金属活动性比铜强的方案是________(填序号)。
方案
现象或产物
①将铁片置于CuSO4溶液中
铁片上有亮红色物质析出
②将铁丝和铜丝分别在氯气燃烧
产物分别为FeCl3和CuCl2
③将铁片和铜片分别置于稀硫酸溶液中
铁片上有气泡产生,铜片上无气泡产生
④将铁片和铜片置于盛有稀硫酸的烧杯中,并用导线连接
铁片溶解,铜片上有气泡产生
答案
(1)负 Zn-2e-===Zn2+ 2H++2e-===H2↑
(2)4.48 0.4 (3)①③④
解析
(2)溶解的n(Zn)=
=0.2mol
负极:
Zn - 2e- === Zn2+
0.2mol0.4mol
正极:
2H++2e-===H2↑
0.4mol0.4mol
所以V(H2)=4.48L,
n(e-)=0.4mol。
12.有A、B两位学生均想利用原电池反应验证金属的活动性顺序,并探究产物的有关性质,分别设计了如图所示的原电池,请完成下列问题:
(1)①负极材料:
A池________,B池________;
②电极反应式:
A池:
正极:
__________________,负极:
__________________________________________,
B池:
正极:
__________________,负极:
_________________________________________。
(2)B池总反应的离子方程式为_______________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)写出两池反应的化学方程式:
_____________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)①Mg Al ②2H++2e-===H2↑ Mg-2e-===Mg2+ 2H2O+2e-===2OH-+H2↑ Al+4OH--3e-===AlO
+2H2O
(2)2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑
(3)A池:
Mg+H2SO4===MgSO4+H2↑
B池:
2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
13.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:
Fe+2H+===Fe2++H2↑
(2)实验用品:
电极(______、______)、稀硫酸、______、________、耳机(或者电流表)(填写所缺的实验用品)。
(3)实验装置如图。
(4)原电池设计及注意的问题:
①按如图所示装置连接好实验仪器,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____________,在耳机中又由__________转化为声音这种能量;
②如果将装置中的耳机改为电流表,则铁钉应该接电流表的________极,电极反应式为________________________________________________________________________,
发生了__________反应;铜钉应该接电流表的________极,电极反应式为________________________________________________________________________,
发生了________________________________________________________________________
反应。
答案
(2)铁钉或铁条 铜钉(其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确) 烧杯 导线
(4)①电能 电能 ②负 Fe-2e-===Fe2+ 氧化 正
2H++2e-===H2↑ 还原
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负极。
14.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
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)由实验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:
__________________________________
____
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