配套K12高中化学专题2化学反应与能量转化第三单元化学能与电能的转化第1课时化学能转化为电能学案.docx
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配套K12高中化学专题2化学反应与能量转化第三单元化学能与电能的转化第1课时化学能转化为电能学案
第1课时 化学能转化为电能
一、原电池工作原理
1．实验探究
实验步骤
解释或说明
锌与稀硫酸发生置换反应产生氢气，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，与锌、铜都不反应
2.原电池的概念
原电池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。
3．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：
两电极用导线相连，形成闭合回路。
4．原电池的工作原理
（1）分析下图并填空
原电池总反应式：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
（2）能量转化：
化学能转变为电能。
例1
如图所示装置能够组成原电池的是_______________________________________。
其他不能构成原电池的说明理由：
_____________________________________________。
考点 原电池工作原理
题点 原电池的形成条件与判断方法
答案 EFG A装置的两个电极的活泼性相同，电子不会流动形成电流；B装置为非电解质溶液，不能发生氧化还原反应；C装置电解质溶液在两个分开的装置中，不成形成闭合回路；D装置无导线连接电极，不能形成闭合回路。
它们均不能构成原电池
思维启迪
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）。
例2
如图，电流计的指针发生偏转，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
答案 C
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。
二、原电池原理的应用
1．钢铁的电化学腐蚀
（1）电化学腐蚀
金属跟电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的腐蚀。
（2）钢铁的电化学腐蚀
电解质溶液
钢铁表面水膜中含有H＋和OH－，还溶有O2等气体
电极
负极
材料：
Fe，电极反应：
Fe－2e－===Fe2＋
正极
材料：
C，电极反应：
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应
2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2，进一步被氧化，4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，Fe（OH）3易分解生成铁锈（Fe2O3·xH2O）
2.金属活动性强弱的判断
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
（1）装置甲中负极的电极反应式是A－2e－===A2＋。
（2）装置乙中正极的电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。
（3）四种金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。
原电池工作原理的应用
（1）比较金属活动性
原电池中，作负极的金属活动性一般比作正极的金属活动性强。
（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。
例3
（2018·台州月考）在一块表面无锈的铁片上滴食盐水，放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现。
铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式：
2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2，Fe（OH）2进一步被氧气氧化为Fe（OH）3，再在一定条件下脱水生成铁锈，其原理如图。
下列说法正确的是（ ）
A．铁片发生还原反应而被腐蚀
B．铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域
C．铁片腐蚀中负极发生的电极反应：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－
D．铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀
答案 D
解析 铁作负极，发生失电子的氧化反应，选项A错误；铁片负极腐蚀最严重，由于离子的移动，在正极区域生成铁锈最多，选项B错误；铁作负极，发生失电子的氧化反应，即Fe－2e－===Fe2＋，选项C错误；D项，铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀，铁作负极，碳作正极，选项D正确。
例4
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
考点 原电池原理的应用
题点 设计原电池
答案 C
解析 将Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu拆开两个半反应：
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＋。
方法技巧——设计原电池的方法
（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。
原电池是把化学能转化为电能的装置。
其工作原理是
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）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（ ）
（2）NaOH＋HCl===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池（ ）
（3）原电池中的阳离子由负极区向正极区移动（ ）
（4）在Zn|稀硫酸|Cu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（ ）
（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（ ）
考点 原电池工作原理
题点 原电池的综合应用
答案
（1）√
（2）× （3）√ （4）× （5）√
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
考点 原电池工原理
题点 原电池工作原理
答案 C
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。
3．在钢铁腐蚀过程中，下列五种变化可能发生的是（ ）
①Fe2＋转化为Fe3＋ ②O2被还原 ③产生H2④Fe（OH）3失水形成Fe2O3·xH2O ⑤杂质碳被氧化
A．①②B．②③④
C．①②③④D．①②③④⑤
答案 C
解析 本题考查钢铁的电化学腐蚀。
在腐蚀过程中，负极Fe－2e－===Fe2＋，正极O2或H＋得电子，Fe2＋与OH－结合生成Fe（OH）2，Fe（OH）2被氧化生成Fe（OH）3，Fe（OH）3失水形成铁锈。
4．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
考点 原电池原理的应用
题点 金属腐蚀快慢的比较
答案 B
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。
5．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_________________________；
铜片上观察到的现象为___________________________________________________，原电池总反应的离子方程式为__________________________________________________________。
考点 原电池工作原理
题点 常考多变的锌铜原电池
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，原电池总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。
[对点训练]
题组一 化学能转化为电能
1．如图所示各装置中，不能构成原电池的是（烧杯中所盛液体都是稀硫酸）（ ）
考点 能源与构成原电池的条件
题点 原电池的形成条件与判断
答案 D
解析 原电池的形成条件包括活动性不同的电极、电解质溶液、形成闭合回路、自发进行氧化还原反应。
对图示各个装置进行观察，发现只有D不能形成闭合回路，因此不能形成原电池。
2．下列关于原电池的叙述，正确的是（ ）
A．构成原电池的正极和负极材料必须是两种活泼性不同的金属
B．原电池是将化学能转变为电能的装置
C．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
D．原电池放电时，电流的方向是从负极到正极
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 原电池构成和原理的理解
答案 B
解析 构成原电池的正极和负极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是导电的非金属（如石墨棒）和金属，A错误；原电池是将化学能转变为电能的装置，B正确；在原电池中，负极上发生失去电子的氧化反应，正极上发生得到电子的还原反应，所以电子从负极沿导线流向正极，C错误；原电池放电时，电子从负极沿导线流向正极，则电流的方向是从正极到负极，D错误。
3．（2017·湖北部分重点中学期末联考）某实验兴趣小组按下图装置实验后，所记录内容合理的是（ ）
实验记录
①Cu为正极，Zn为负极；
②Zn质量减少，Cu质量增加；
③SO
向Cu极移动；
④电子流向：
由Zn经导线流入Cu片；
⑤Zn电极发生还原反应；
⑥正极反应式：
Cu2＋＋2e－===Cu。
A.②③④B．①②④⑥
C．①②④⑤D．②③⑤⑥
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 原电池工作原理
答案 B
解析 ①Zn比Cu活泼，Zn为负极，Cu为正极，故正确；②铜为正极，发生反应：
Cu2＋＋2e－===Cu，铜极质量增大，故正确；③原电池工作时，阴离子向负极移动，故错误；④电子由负极流向正极，即电子由Zn电极流向Cu电极，故正确；⑤Zn电极发生氧化反应，故错误；⑥正极发生还原反应，电极反应方程式为Cu2＋＋2e－===Cu，故正确。
综上所述，B正确。
4．人造地球卫星用到的一种高能电池——银锌蓄电池，其电池的电极反应式：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。
据此判断氧化银是（ ）
A．负极，被氧化B．正极，被还原
C．负极，被还原D．正极，被氧化
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 正、负极的判断
答案 B
解析 电池的电极反应式：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，从中可以看出锌的化合价升高，所以锌为负极，被氧化，而氧化银中的银化合价降低，故氧化银为正极，被还原，故B符合题意。
5．（2017·武汉高一检测）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
考点 原电池的工作原理和正负极的判断
题点 常考多变的锌铜原电池
答案 C
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。
6.如图所示装置，电流计指针发生偏转，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
考点 原电池工作原理和正负极的判断
题点 多角度判断正、负极
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。
题组二 原电池工作原理的应用
7．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
考点 原电池工作原理的应用
题点 比较金属活泼性的强弱
答案 A
8．（2018·南宁六中5月考试）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．Mg3N2＋6H2O===3Mg（OH）2＋2NH3↑
D．CH4＋2O2
CO2＋2H2O
考点 原电池原理的应用
题点 能否设计原电池的化学反应分析
答案 C
解析 只有属于氧化还原反应，才能用于设计原电池；A、B、D属于氧化还原反应，均可以设计为原电池。
C不属于氧化还原反应，不能设计成原电池，C正确。
9．（2018·北京四中4月月考）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）（ ）
考点 原电池原理的应用
题点 原电池的设计
答案 B
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。
10．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
考点 原电池原理的应用
题点 原电池工作原理的探究
答案 B
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。
题组三 钢铁的电化学腐蚀
11．（2018·深圳高一期末）下图实验为研究金属腐蚀的实验。
下列相关说法正确的是（ ）
A．该实验研究的是金属的吸氧腐蚀
B．铁表面的反应为Fe－3e－===Fe3＋
C．红色首先在食盐水滴的中心出现
D．食盐水中有气泡逸出
考点 原电池原理的应用
题点 钢铁的电化学腐蚀
答案 A
解析 A项，食盐水显中性，因此该实验属于钢铁的吸氧腐蚀，正确；B项，负极上发生的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，错误；C项，食盐水滴周围液体少，氧气量多，所以红色首先在食盐水滴的周围出现，错误；D项，正极上发生的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，所以食盐水中没有气泡逸出，错误，答案选A。
12．（2018·毕节市段考）关于金属材料的锈蚀说法不一，其中没有科学道理的是（ ）
A．金属接触水和空气锈蚀加快
B．改变金属的内部结构形成合金能抵御金属锈蚀
C．金属表面刷油漆可以抵御金属锈蚀
D．不断擦去铝表面的锈能抵御铝的继续锈蚀
考点 原电池原理的应用
题点 金属的电化学腐蚀与防护
答案 D
解析 A项，金属接触水和空气锈蚀加快，正确；B项，铁中掺入铬和镍等金属改变内部结构，制成不锈钢可以防腐蚀，所以改变金属的内部结构能抵御金属锈蚀，正确；C项，金属防锈的措施之一是在金属表面刷油漆，正确；D项，不断擦去铝表面的锈，使得内部金属暴露出来，加快了铝的腐蚀而不是抵御铝的继续锈蚀，错误。
[综合强化]
13．（2018·余姚期中）目前，市场上有多种“热敷袋”出售，有一次性的，有可以重复使用的。
某一化学研究性学习小组在研究了某种“热敷袋”的构造后，决定自己制造一个一次性“热敷袋”，制造过程如下：
①称取15g小颗粒状活性炭，40g还原铁粉，5g细木屑，都放在一只烧杯中，再加入15mL15%食盐水，用玻璃棒搅拌均匀。
②用大头针在小塑料袋上扎几十个针眼（袋的两层同时扎穿），把烧杯里的混合物全部加入小塑料袋中，封上袋口，再放入大塑料袋中，封上袋口，可长期保存。
③使用时将大塑料袋袋口打开，反复搓揉小塑料袋5～8min，能感觉温度明显上升。
回答下列问题：
（1）该一次性“热敷袋”利用了________原理。
（2）使用时将大塑料袋袋口打开的原因是让氧气进入反应，写出其电极反应式________________________________________________________________________；
炭粉的作用是__________________________________________________________。
（3）将使用过的“热敷袋”打开，发现有大量棕红色粉末生成，该物质主要成分是________，写出生成该物质的化学反应方程式：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________。
答案
（1）原电池
（2）O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 作原电池正极，加快铁的腐蚀
（3）铁锈（或Fe2O3）
①4Fe（OH）2＋2H2O＋O2===4Fe（OH）3
②2Fe（OH）3===Fe2O3＋3H2O
解析
（1）铁、碳和氯化钠溶液能自发进行氧化还原反应而构成原电池，所以热敷袋利用原电池原理。
（2）与氧气接触，发生金属的吸氧腐蚀，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，其中炭粉的作用是作原电池正极，加快铁的腐蚀。
（3）铁发生吸氧腐蚀后最终产物红棕色粉末为铁锈，其成分为氧化铁（Fe2O3）；发生反应的化学方程式为4Fe（OH）2＋2H2O＋O2===4Fe（OH）3,2Fe（OH）3===Fe2O3＋3H2O。
14．（2017·咸宁高一检测）理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。
请利用反应“Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋”设计一个化学电池（正极材料用碳棒），回答下列问题：
（1）该电池的负极材料是________，发生________反应（填“氧化”或“还原”），电解质溶液是____________。
（2）正极上出现的现象是________________________________________________。
（3）若导线上转移电子1mol，则生成银______g。
考点 原电池原理的应用
题点 原电池的设计
答案
（1）Cu 氧化 AgNO3溶液
（2）碳棒上出现银白色物质
（3）108
解析
（1）根据电池的总反应，可知负极一般是失电子的物质，所以负极材料应该是铜，发生氧化反应，电解质溶液是一种可溶性的银盐溶液，所以是AgNO3溶液。
（2）正极上是溶液中的银离子得到电子变成银单质，所以正极上的现象是碳棒上出现银白色物质。
（3）当导线上转移1mol电子的时候，正极上会析出1mol银单质，所以正极上生成的银的质量是108g。
15．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
电流计指针偏转方向
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_______________________________
______________________________________________________________
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