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第六章 第一节 化学反应与能量变化
第2课时 化学反应与电能
【学习目标】
1．认识化学能转化为电能的实际意义及其重要应用。
2．能分析、解释原电池的工作原理，正确判断原电池的两极，能书写电极反应式和总反应方程式。能设计简单原电池。
3．了解常见化学电源的种类及其工作原理；了解燃料电池的应用。
【素养目标】
1．通过原电池工作原理模型理解原电池工作原理，培养学生“证据推理和模型认知”的学科素养。
2．通过认识电能在生活中的重要作用，培养学生“科学精神和社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：化学能转化为电能
1．火力发电
(1)火力发电原理：通过化石燃料燃烧时发生的氧化还原反应，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。间接实现了化学能转化为电能。
(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(氧化还原反应)。
化学能直接转化为电能——原电池
知识点二：原电池的工作原理及应用
1．原电池的概念及构成条件
(1)定义：将化学能转化为电能的装置。
(2)原电池的形成条件
①能自发进行的氧化还原反应。
②两个活泼性不同的电极(燃料电池的两个电极可以相同)。
③形成闭合回路，需满足三个条件：a.存在电解质；b.两电极直接或间接接触；c.两电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
2．工作原理(以锌铜原电池为例)
(1)装置变迁
2．原电池的工作原理
【注意】　①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
(1)电极反应
负极：Zn－2e－===Zn2＋，氧化反应。正极：Cu2＋＋2e－===Cu，还原反应。
总反应：Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋。
(2)三方向：
①电流方向：正极→负极；
②电子流动方向(导线中)：负极→正极；
③阴、阳离子移动方向(电解质溶液中)；阳离子：负极→正极；阴离子：正极→负极。
(3)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶。
②盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。
③盐桥中离子移向：阴离子移向负极，阳离子移向正极。
【思维建模】判断电极的方法
(1)通过反应类型判断
①失去电子的电极为负极，发生氧化反应；②得到电子的电极为正极，发生还原反应。
(2)通过电子定向移动方向和电流方向判断
①电子流出的电极为负极，电子经外电路流入正极；
②电流流出的电极为正极，电流经外电路流入负极。
(3)根据离子移动方向判断
阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。
(4)根据电极现象判断
一般不断溶解、质量减轻的电极为负极；有固体析出、质量增加或不变或有气体产生的电极为正极。
【点拨】确定原电池正、负极应注意的问题
(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属，两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，既要考虑金属的活泼性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。对于Cu—Fe(或Al)—浓硝酸构成的原电池中，负极为Cu。
【思维建模】电极反应式书写的一般步骤
类似氧化还原反应方程式的书写
方法一：直接书写
方法二：间接书写
第一步，写出电池总反应式。
第二步，写出电极的正极反应式。
第三步，负极反应式＝总反应式－正极反应式。
3．原电池的应用
(1)设计制作化学电源
(2)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或能导电的非金属)。
(3)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。
(4)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。
4．原电池的生活示例——水果电池
(1)水果电池中，水果的作用是提供电解质溶液。
(2)水果电池中，选择电极材料时应注意两电极不能相同，其中有一电极为活泼金属如Al、Fe等，另一电极可以是Cu片或石墨棒等。
典例1．M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4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>E　　　　　 B．E>N>M>P
C．P>N>M>E D．E>P>M>N
【答案】A
【解析】由①知M>N，由②知P>M，由③知N>E，故还原性：P>M>N>E。
典例2．实验探究是提高学习效果的有力手段。陈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中的Zn、Cu下端接触，Zn片逐渐溶解，Cu片上能看到气泡产生
B．图2中H+向Zn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，Zn片减轻的质量相等时，正极产物的质量比为1∶32
【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，Zn片逐渐溶解，Cu片上可看到有气泡产生，A项正确；H+带正电荷，应该向正极Cu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；图2中假设消耗负极65 g Zn，则转移2 mol电子，正极产生2 g H2，而图3中消耗负极65 g Zn，也转移2 mol电子,则正极析出64 g Cu，正极产物的质量比为1∶32，D项正确。
典例3．雌黄(As2S3)在我国古代常用作书写涂改修正胶。浓硝酸氧化雌黄可制得硫黄，并生成砷酸和一种红棕色气体，利用此反应原理设计成原电池，下列有关叙述正确的是(　　)
A．砷酸生成的电极为正极
B．红棕色气体在该原电池的负极区生成并逸出
C．该反应的氧化剂和还原剂物质的量之比为12∶1
D．该原电池的正极反应式为NO＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O
【答案】D
【解析】A项，砷酸生成的电极为负极，错误；B项，NO2是还原产物，在正极区生成，错误；C项，根据电子守恒：n(氧)×1＝n(还)×10，故n(氧)∶n(还)＝10∶1，错误。
知识点三：常见的化学电源
1．分类
2．电池优劣的标准
一是看电池单位质量或体积输出的电能多少(比能量)或输出功率多少(比功率)，二是电池储存的时间长短。
3．一次电池——干电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
4．二次电池——充电电池或蓄电池
充电电池属于二次电池。有些充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是化学能电能。
即正极接正极，负极接负极。
(1)可充电电池原理示意图
二次电池充电时的电极连接
①充电时，原电池负极与外接电源负极相连，原电池正极与外接电源正极相连，记作：“正接正，负接负”。
②可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。充电、放电不是可逆反应。
③放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反，放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。
例：Fe＋Ni2O3＋3H2OFe(OH)2＋2Ni(OH)2，放电时负极的电极反应式为Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2。则充电时阴极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－。
(2)常见充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
①铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。
总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
②锂离子电池
一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为LiCoO2(钴酸锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)，其总反应为LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy，其放电时电极反应式为
负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy；
正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。
5．发展中的燃料电池
(1)特点：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。常见燃料有H2、烃、肼、烃的衍生物、NH3、煤气等。电能转化率超过80%。
(2)氢氧燃料电池
酸性 碱性
负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式 2H2＋O2===2H2O
【点拨】　①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。
典例4．银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，其工作示意图如图。下列说法不正确的是(　　)
A．Zn电极发生氧化反应
B．Ag2O电极是电源的正极
C．电池工作时，电子从Zn电极经导线流向Ag2O电极，再由Ag2O电极经电解质溶液流向Zn电极
D．Zn电极上发生的反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
【答案】C
【解析】电池工作时，负极Zn失去电子，电子经导线流向正极，Ag2O得到电子转化为Ag，电子不会进入电解质溶液，C项错误。
典例5．镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。研究的燃料电池可分为镁—空气燃料电池，镁—海水燃料电池，镁—过氧化氢燃料电池，镁—次氯酸盐燃料电池。如图为镁—次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是(　　)
A．放电过程中OH 移向正极
B．电池的总反应式为Mg+ClO +H2O===Mg(OH)2↓+Cl
C．镁电池中镁均为负极，发生氧化反应
D．镁—过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应式为H2O2+2H++2e ===2H2O
【答案】A
【解析】根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。镁燃料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液生成Mg2+，若为碱性溶液生成Mg(OH)2。ClO 在正极反应，由图可知有Cl 和OH 生成，OH 向负极移动，生成Mg(OH)2。
典例6．锂离子电池是新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂离子电池， 某种锂离子电池的总反应为Li+MnO2===LiMnO2，下列说法中正确的是(　　)
A．Li是正极，电极反应式为Li e ===Li+
B．Li是负极，电极反应式为Li e ===Li+
C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2+e ===MnO2
D．Li是负极，电极反应式为Li 2e ===Li2+
【答案】B
【解析】根据总反应可判断Li被氧化，应为负极材料，其失电子成为Li+，正极放电的为MnO2。
核心价值与学科素养
典例7．鱼雷是一种水中兵器。它可从舰艇、飞机上发射，它发射后可自己控制航行方向和深度，遇到舰船，只要一接触就可以爆炸。用于攻击敌方水面舰船和潜艇，也可以用于封锁港口和狭窄水道。鱼雷采用Al-Ag2O动力电池，以溶有氢氧化钾的流动海水为电解液，电池反应为2Al+3Ag2O+2KOH===6Ag+2KAlO2+H2O，下列说法错误的是(　　)
A．Ag2O为电池的正极
B．Al在电池反应中被氧化
C．电子由Ag2O极经外电路流向Al极
D．溶液中的OH-向Al极迁移
【答案】C
【解析】A项，根据原电池工作原理，化合价升高，失电子的作负极，即铝单质作负极，则Ag2O作电池的正极，正确；B项，根据电池总反应，铝的化合价升高，被氧化，正确；C项，根据原电池工作原理，外电路电子从负极流向正极，由铝流向氧化银，错误；D项同，根据原电池工作原理，阳离子移向正极，阴离子移向负极，即OH-移向Al极，正确。
典例8．十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．该电池放电时质子从Pt2电极经过内电路流到Pt1电极
B．Pt1电极附近发生的反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋
C．Pt2电极附近发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
【答案】D
【解析】放电时为原电池，质子向正极移动，Pt1电极为负极，则该电池放电时质子从Pt1电极移向Pt2电极，A错误；Pt1电极为负极，发生氧化反应，SO2被氧化为硫酸，电极反应式为SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，硫酸应当拆写成离子形式，B错误；酸性条件下，氧气得电子生成水， C错误；相同条件下，放电过程中：负极发生氧化反应：2SO2＋4H2O－4e－===2SO＋8H＋，正极发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，根据转移电子数相等可知，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1，D正确。　
【跟踪练习】 基础过关
如图是用化学电源使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．如果将稀硫酸换成柠檬汁,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，所以Cu上有气泡生成，故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，故B正确；柠檬汁显酸性也能作电解质溶液，所以将稀硫酸换成柠檬汁，仍然构成原电池，所以导线中有电子流动，故C错误；金属性Cu比Zn、Fe弱，Cu作正极，所以电路中的电流方向不变，仍然由Cu流向负极，故D正确。
2． X、Y两根金属棒插入Z溶液中构成如图所示的装置，实验中电流计指针发生偏转，同时X棒变粗，Y 棒变细，则X、Y和Z溶液可能是下列中的(　　)
编号 X Y Z溶液
A Zn Cu 稀硫酸
B Cu Zn 稀硫酸
C Cu Ag 硫酸铜溶液
D Ag Zn 硝酸银溶液
【答案】D
【解析】原电池中负极的活泼性大于正极的活泼性，负极上金属失电子变成离子进入溶液，质量减少，正极上得电子发生还原反应，正极上析出物质，若析出的物质是金属，则正极质量增加，据此分析。该原电池中，X极逐渐变粗，Y极逐渐变细，所以Y作负极，X作正极，Y的活泼性大于X的活泼性，所以排除AC选项；X极逐渐变粗，说明有金属析出，B选项析出氢气不是金属，D选项析出金属，所以D符合题意。答案选D。故选D。
3． 某些电子手表安装的纽扣电池由锌和氧化银、KOH溶液构成。放电时，电极反应分别为Zn＋2OH－－2e===Zn(OH)2；Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。下列说法中正确的是(　　)
A．锌为正极，电极上发生了氧化反应
B．放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变
C．溶液中的OH－向正极移动，K＋和H＋向负极移动
D．常温下，该电池总反应为非自发的氧化还原反应
【答案】B
【解析】由电极反应式可知，Zn失电子化合价升高，发生氧化反应，Zn作负极，故A错误；由正、负极的电极反应式可得原电池总反应为Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag，则电解质溶液的酸碱性基本保持不变，故B正确；原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，所以溶液中OH－向负极移动，K＋、H＋向正极移动，故C错误；原电池反应为自发的氧化还原反应，则常温下，该电池总反应为自发的氧化还原反应，故D错误。
4． 图1是铜锌原电池示意图。图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示 (　　)
A．铜棒的质量 B．c(Zn2+) C．c(H+) D．c(SO42-)
【答案】C
【解析】该装置构成原电池，Zn是负极，Cu是正极。在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气，Cu棒的质量不变，A项错误；由于Zn是负极同，不断发生反应Zn-2e-===Zn2+，所以溶液中c(Zn2+)逐渐增大，B项错误；由于反应不断消耗H+，所以溶液中c(H+)逐渐减小，C项正确； SO42-不参加反应，其浓度不变，D项错误。
5．某小组为研究原电池原理，设计如图装置，下列叙述正确的是(　　)
A．若X为Fe，Y为Cu，则铁为正极
B．若X为Fe，Y为Cu，则电子由铜片流向铁片
C．若X为Fe，Y为C，则碳棒上有红色固体析出
【答案】C
【解析】Fe比Cu活泼，Fe作负极，电子由铁片流向铜片，故A、B错误；若X为Fe，Y为C，电解质为硫酸铜，则正极碳棒上析出Cu，故C正确；Zn比Cu活泼，Zn作负极，发生氧化反应，故D错误。
能力达成
6．分别按下图A、B、C所示装置进行实验，图中三个烧杯里的溶液为同浓度的稀硫酸。请回答下列问题：
(1)以下叙述中，正确的是__________。
A．B中铁片是负极，C中铁片是正极
B．三个烧杯中铁片表面均无气泡产生
C．产生气泡的速率A中比B中慢
D．B溶液中向铁片电极移动
(2)装置B变化过程中能量转化的形式主要是 。
(3)装置B中正极反应式为 ，负极反应式为 。
(4)有同学想把Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应设计成原电池，你认为是否可行 __________(填“是”或“否”)，理由是 。
【答案】 (1)ACD (2)化学能转化为电能 (3)2H++2e ===H2↑ Fe 2e ===Fe2+
(4)否 不是氧化还原反应
【解析】(1)活动性：Zn＞Fe＞Sn，活沷性强的金属易失电子作负极，故A正确；B、A烧杯中铁直接反应表面有气泡，C中铁作正极，烧杯中铁表面有气泡，故B错误；C、B形成原电池，比A中反应速率快，产生气泡的速率A中比B中慢，故C正确；D、原电池中阴离子移向负极，B中Fe是负极，B溶液中向铁片电极移动，故D正确；故选ACD。(2)装置B形成原电池，变化过程中能量转化的形式主要是化学能转化为电能。(3)Sn作正极，正极上氢离子得电子生成氢气装置B中正极反应式为 2H++2e ===H2↑，活泼金属锌作负极，电极反应为Fe，负极反应式为Fe 2e ===Fe2+。
(4)常温下自发进行的氧化还原反应，可设计成原电池，而Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应为非氧化还原反应，则不能设计成原电池。
7． (1)对于锌—银—稀硫酸组成的原电池装置，当导线中有2 mol电子通过时，锌片溶解了________g，银片上析出_____L H2（标准状况下）。电池总反应的化学方程式为 。
(2)美国阿波罗宇宙飞船上使用了一种新型装置，其构造如下图所示：
A、B两个电极均由多孔的碳块组成。该电池的正极反应式为 。若该电池工作时增加了1 mol H2O，电路中转移电子的物质的量为__________。
(3)如果将上述装置中通入的H2改成CH4气体，也可以组成一个原电池装置，则该电池的负极反应式为 。
【答案】(1)65 22.4 Zn + H2SO4===ZnSO4 + H2 ↑
(2)O2+2H2O+4e ===4OH 2 mol
(3)CH4+10OH 8e ===+7H2O
【解析】(1)对于锌—银—稀硫酸组成的原电池装置，当导线中有2 mol电子通过时，锌呈+2价，锌片溶解了65 g，银片上析出1 mol即22.4 L H2（标准状况下）。电池总反应的化学方程式为Zn+ H2SO4===ZnSO4 + H2 ↑。(2)该电池的正极通入氧气，正极反应式为O2+2H2O+4e ===4OH 。若该电池工作时增加了1 mol H2O，H2O～2e ，电路中转移电子的物质的量为2 mol。(3)如果将上述装置中通入的H2改成CH4气体，则该电池的负极反应式为：CH4+10OH 8e ===+7H2O。
8．依据原电池原理，回答下列问题：
如图是使用固体电解质的燃料电池，装置中以稀土金属材料作惰性电极，在两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导正极生成的O2－(O2＋4e－===2O2－)。
(1)c电极为________(填“正”或“负”)极。
(2)d电极上的电极反应为______________________________________________________。
(3)如果消耗160 g甲烷，假设化学能完全转化为电能，则转移电子的数目为________(用NA表示)，需要消耗标准状况下氧气的体积为________ L。
【答案】　(1)正　(2)CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O　(3)80NA　448
【解析】　(1)根据图中电流方向可知，c电极是正极。(3)160 g CH4的物质的量为10 mol，根据电极反应式可知，反应中转移80 mol电子，则正极消耗O2应为20 mol，在标准状况下的体积为20 mol×22.4 L·mol－1＝448 L。
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