化学能与电能第1课时.docx
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化学能与电能第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
核心素养建构
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。
[知识梳理]
一、一次能源和二次能源
分类
定义
实例
一次能源
直接从自然界取得的能源
流水、风力、化石能源、天然铀矿等
二次能源
一次能源经加工、转换得到的能源
电力、蒸汽等
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）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
实验装置
实验现象
铜片：
有气泡产生
锌片：
逐渐溶解
电流表：
指针偏转
结论
有电流产生，装置中化学能转化为电能
（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：
电极材料
电子转移
电极反应式
反应类型
Zn
失电子
Zn－2e－===Zn2＋
氧化反应
Cu
得电子
2H＋＋2e－===H2↑
还原反应
电池总反应：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋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。
①两个活泼性不同的金属（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。
【自主思考】
1．原电池是如何构成闭合回路的？
（请从电子流向和离子移动方向分析）
提示 在外电路，电子从负极流出经导线流向正极，在电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
2．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？
提示 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）。
[效果自测]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
（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（ ）
（5）HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池（ ）
（6）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（ ）
（7）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（ ）
（8）原电池中阳离子向正极移动（ ）
（9）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）× （6）× （7）× （8）√ （9）×
2．下列装置中能够组成原电池的是________。
解析 构成原电池的条件缺一不可：
①②缺少一个电极；③中电极相同；⑤中酒精为非电解质；⑧中不能形成闭合回路。
答案 ④⑥⑦⑨
探究一、原电池的构成条件、工作原理及正负极的判断
【合作交流】
1．原电池是由哪几部分组成？
各起什么作用？
提示 构成原电池需有两个活泼性不同的电极，将电极插入电解质溶液中，两电极间用导线连接使之构成闭合回路。
电极的作用是导电，有些电池中电极材料会参加反应；导线的作用是传导电子；电解质溶液的作用是通过自由离子的移动传导电荷。
2．在铜锌原电池中，电子是怎样移动的？
电子能否通过电解质溶液？
如果不能，电流是如何形成的？
提示 由于金属锌比金属铜活泼，锌失去电子，电子通过导线流向铜片。
电子不能通过电解质溶液，在稀硫酸中H＋移向铜片，SO
移向锌片，阴阳离子定向移动形成电流。
3．
（1）若将2中铜片换作石墨棒，能否产生电流？
电极反应有无变化？
（2）若将2中稀硫酸换作硫酸铜溶液，能否产生电流？
电极反应有何不同？
（3）若将稀硫酸换为酒精，还能否产生电流？
提示
（1）改为石墨棒后，仍然可以形成原电池，产生电流。
锌为负极，石墨棒为正极，电极反应及原电池反应均不变。
（2）将稀硫酸换作硫酸铜溶液，也可以形成原电池，产生电流。
锌为负极，发生氧化反应：
Zn－2e－===Zn2＋，铜为正极，发生还原反应：
Cu2＋＋2e－===Cu，总反应为：
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。
（3）酒精是非电解质，此时不能构成原电池，因此不能产生电流。
【点拨提升】
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．原电池的判断方法
3．原电池正负极的判断方法
易错提醒
（1）构成原电池的两电极材料不一定都是金属，正极材料可以为导电的非金属，例如石墨。
两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。
（2）两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。
（3）在判断原电池正负极时，既要考虑金属活泼的强弱也要考虑电解质溶液性质。
如Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。
【典题例证1】 如图所示，电流表指针发生偏转，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
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错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D正确。
答案 C
【学以致用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
探究二、原电池原理的应用
【合作交流】
1．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，这个反应能设计成原电池吗，为什么？
提示 不能，因为它不是氧化还原反应。
2．CO2＋C
2CO，这个反应能设计成原电池，为什么？
提示 不能，虽然它是氧化还原反应，但不是释放能量的氧化还原反应。
3．锌与H2SO4反应制H2时向溶液中加少量CuSO4后为什么反应速率加快？
提示 锌置换出铜构成原电池。
【点拨提升】
1．加快氧化还原反应的速率
（1）原理：
原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大。
（2）实例：
实验室用Zn和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成原电池，加快反应速率。
2．比较金属活泼性强弱
（1）原理：
一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼金属作正极，发生还原反应。
（2）实例：
有两种金属A和B，用导线连接后插入稀硫酸中，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）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。
（3）实例：
以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例
【典题例证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
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，故选C。
答案 C
【学以致用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
解析 A中能加快反应速率，但增加了产生氢气的总量，A错误；C、D中不影响H2的量，但稀释了盐酸，降低了反应速率，C、D错误；B中发生反应：
Cu2＋＋Zn===Zn2＋＋Cu，形成Cu－Zn原电池，加快了反应速率，B正确。
答案 B
1．下列装置中，能构成原电池的是（ ）
A．只有甲 B．只有乙
C．只有丙D．除乙均可以
解析 甲装置不能构成闭合回路，乙装置两极材料相同，丁装置酒精是非电解质，只有丙装置具备原电池的构成条件。
答案 C
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
解析 甲中构成了铜锌原电池，锌作负极，失电子；铜作正极，氢离子在铜极上得电子，生成氢气；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。
构成原电池后生成氢气的速率加快。
答案 B
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
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。
答案 C
4．下列有关电池的说法不正确的是（ ）
A．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从锌电极流向铜电极
C．氢氧燃料电池工作时，氢气在负极被氧化
D．原电池中一定发生了氧化还原反应
解析 太阳能电池的主要材料是高纯度的晶体硅，A项错误；铜锌原电池工作时，电子沿外电路由负极（锌）流向正极（铜），B项正确；氢氧燃料电池工作时，氢气在负极失去电子被氧化，C项正确；由原电池的工作原理可知原电池中一定发生了氧化还原反应，D项正确。
答案 A
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：
________，________________，________。
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能导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。
答案
（1）（A）不能，（B）可以
（2）（A）不是氧化还原反应，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
课时作业
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
2．下列装置可以构成原电池的是（ ）
答案 C
3．为探究原电池的形成条件和反应原理，某同学设计了如下实验，并记录了实验现象：
①向一定浓度的稀硫酸中插入锌片，看到有气泡生成；
②向上述浓度的稀硫酸中插入铜片，没有气泡生成；
③将锌片与铜片上端接触并捏住，一起插入上述浓度的稀硫酸中，看到铜片上有气泡生成，且生成气泡的速率比实验①中快；
④在锌片和铜片中间接上电流计，再将锌片和铜片插入上述浓度的稀硫酸中，发现电流计指针偏转。
下列关于以上实验设计及现象的分析，不正确的是（ ）
A．实验①、②说明锌能与稀硫酸反应而铜不能
B．实验③说明发生原电池反应时会加快化学反应速率
C．实验③说明在该条件下铜可以与稀硫酸反应生成氢气
D．实验③、④说明该原电池中铜为正极、锌为负极
答案 C
4.在如图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的下列叙述不正确的是（ ）
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
解析 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极流出经电流表流向b极。
答案 B
5．等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积（V）与时间（t）的关系，其中正确的是（ ）
解析 分析好图象中线的走势。
由于a中Zn还与CuSO4发生置换反应，所以最后生成H2的量小于b，而a中Zn Cu形成原电池，可加快反应速率。
答案 D
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
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中的反应为：
Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，则A中A极变细，B中A极不变。
C和D两项中的反应为：
Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe（NO3）2，其中C中A极变细，D中A极变粗。
答案 D
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
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，正极反应为：
Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是：
2H＋＋2e－===H2↑，C正确。
答案 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．②①③④ B．④③①②
C．④②①③D．③②④①
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中构成原电池，，作为正极的杂质碳较少，腐蚀速率最慢。
答案 C
9．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学知识，自己动手设计一个原电池。
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、________（填写所缺的实验用品）、耳机（或者电流计）。
（3）实验装置：
（如右图所示）
（4）原电池设计及注意的问题。
①按如图所示连接好实验仪器，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出“嚓嚓嚓”声音。
其原因是：
在原电池中，由化学能转化为________。
②如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的________极，电极反应是________________；另一极应该接电流计的________极，电极发生了________反应（填“氧化”或“还原”）。
解析 由实验原理：
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，可知组成该原电池的负极应为Fe，正极可选用活动性比Fe弱的金属或导电的非金属。
答案
（2）铁钉或铁条 铜钉（其他的惰性电极如铅笔芯、石墨等） 烧杯、导线 （4）①电能 ②负 Fe－2e－===Fe2＋ 正 还原
10．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线，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）________________________（填字母）。
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：
_______________________________________________
________________________________________________________________________。
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。
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
11．有甲、乙两位同学均想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，两人均用镁片和铝片作电极，但甲同学将电极放入6mol·L－1的H2SO4溶液中，乙同学将电极放入6mol·L－1的NaOH溶液中，如图所示。
（1）写出甲中正极的电极反应式：
_____________________________________________。
（2）乙中负极为________，总反应的离子方程式：
________________________________
________________________________________________________________________。
（3）如果甲与乙同学均认为“构成原电池的电极材料如果都是金属，则负极材料的金属应比正极材料的金属活泼”，则甲会判断出________金属活动性更强，而乙会判断出________金属活动性更强（填写元素符号）。
（4）由此实验得出的下列结论中，正确的有________。
A．利用原电池反应判断金属活动性顺序时应注意选择合适的介质
B．镁的金属性不一定比铝的金属性强
C．该实验说明金属活动性顺序表已过时，没有实用价值了
D．该实验说明化学研究对象复杂、反应受条件影响较大，因此应具体问题具体分析
解析 甲同学依据的化学反应原理是：
Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑，乙同学依据的化学反应原理是：
2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。
但是由于Al与碱的反应是一特例，不可作为判断金属性强弱的依据。
所以判断一个原电池的正负极应具体问题具体分析。
答案
（1）2H＋＋2e－===H2↑
（2）Al 2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO
＋3H2↑
（3）Mg Al （4）AD
12．【实验目的】 利用所学知识，设计原电池装置。
【实验用品】 电极：
镁条、铜片、铁片等。
【电解质】 果汁（橙汁、苹果汁、柠檬汁等）。
【其他】 导线、金属夹、发光二极管、500mL烧杯。
【实验方案】 ①Cu Mg原电池，电解质溶液为橙汁；
②Cu Fe原电池，电解质溶液为苹果汁；
③Fe Mg原电池，电解质溶液为柠檬汁。
【实验操作】 用导线分别将三种方案中的金属片连接到金属夹上，分别将金属片两两插入到盛有果汁的三个500mL的烧杯中，将发光二极管两端分别接在三种方案中金属活动性不同的金属夹上。
观察现象，连接方式如图所示。
【实验现象】 三种方案中发光二极管均发光。
【实验结论】 原电池把化学能转变为电能。
回答问题：
（1）连接装置时活泼金属接二极管的________极上，较不活泼金属接二极管的________极上。
（2）在方案①②中铜作电极情况：
______________________________________________。
（3）在方案①③中镁作电极情况：
_______________________________________
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