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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
课标定向　
　　1.能举出化学能转化为电能的实例,能辨识简单原电池的构成要素,并能分析简单原电池的工作原理。(宏观辨识与微观探析)
　　2.能以原电池为例认识化学能可以转化为电能,从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。(证据推理与模型认知)
教学建议 情境导入
首先通过趣味生活认识生活中的原电池,再充分利用铜-锌原电池等实验探究,组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动,发展学生对原电池工作原理的认识,促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体是电化学体系的基本要素,建立对电化学过程的系统分析思路,提高学生对电化学本质的认识。 2024年6月5日上午,神舟十四号载人飞船发射取得圆满成功。神舟十四号将面临“史上最复杂”遮挡情况,其6个月的能源供给如何保证 考虑到太空环境复杂,研制人员为电源分系统再上了一份“保险”——一对新的太阳电池翼,让“神舟”添“翼”。
学习任务一:原电池的工作原理及正负极判断　重点探究
【教材认知】
1.实验探究
实验步骤 实验现象 解释或结论
2.原电池的概念
原电池是将 能转化为 能的装置。
3.原电池的工作原理
【思考讨论】
1.思考:下列关于原电池的说法正确吗
(1)盐酸与NaOH溶液反应放出热量,故可利用此反应设计原电池。( )
原因:
(2)铜片和锌片用导线连接插入稀硫酸中,锌片表面产生大量气泡。( )
原因:
(3)原电池的电解质溶液中,阳离子移向负极,阴离子移向正极。( )
原因:
2.质疑:(1)原电池中,负极一定失去电子发生氧化反应吗
(2)原电池中,电子与电流的流向相同吗
(3)是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池
3.探索:(1)在Zn-H2SO4-Cu原电池中,H+得到的电子是Cu失去的吗 在这个过程中Cu起什么作用 你怎样知道导线中有电子通过
(2)在Cu—CuSO4—Zn形成的原电池中,正极有何现象 质量如何变化
(3)在Cu—H2SO4—Zn形成的原电池中,1 mol Zn完全反应,流经电解质溶液的电子数是多少
【归纳总结】
1.原电池的构成条件
2.原电池工作原理
(1)两反应:正极发生还原反应,负极发生氧化反应。
(2)三方向:电流方向为正极→负极;电子流动方向(导线中)为负极→正极;阴阳离子的移动方向(电解质溶液中)为阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
3.原电池正、负极判断方法
【注意】原电池中“电子不下水,离子不上岸”(或电子走陆路,离子走水路)。阳离子移向正极(不是负极),即“正向正”,阴离子移向负极(不是正极),即“负向负”。
【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。电极材料可能参与反应,也可能不参与反应。
2.在判断原电池正、负极时,既要考虑金属活泼性的强弱也要考虑电解质溶液的性质。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。
【典例引导】
【典例】如图所示电流表的指针发生偏转,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可能分别为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
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 (1)A极的质量减小; (2)B极上有气泡产生
转化 知识点 (1)根据A极的质量减小可推测A极为负极;(2)根据B极有气泡产生推测B极为正极
排除 障碍点 负极一般质量减小,正极一般产生气泡或质量增大
[借题发挥]
(1)改变现象:若将“B极上有气泡产生”改为“B极上有金属析出”,答案选什么
(2)改变电极及电解质:将上题B项改为A、B、C分别为Fe、Cu和浓硝酸,能否构成原电池 若能,正负极分别是什么
【针对训练】
1.(2024·盐城高一检测)下列装置能构成原电池的是(　　)
2.(2024·江苏高一检测)某化学小组为了探究铝电极在原电池中的作用,进行了下列实验,实验结果记录如表。下列说法正确的是(　　)
编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针偏转方向
① Mg、Al 稀盐酸 偏向Al
② Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu
③ Al、石墨 稀盐酸 偏向
④ Mg、Al NaOH溶液 偏向Mg
A.实验①和②中,Al电极的作用相同
B.实验③中,电流表指针偏向Al
C.实验④中,Mg为负极,电极反应式为Mg-2e-+2OH-===Mg(OH)2↓
D.以上实验说明,铝在原电池中的作用,与另一个电极材料和电解质溶液有关
学习任务二:原电池原理的应用　实践应用
【思考讨论】
1.思考:(1)实验室用Zn和稀硫酸制取少量H2时,为什么滴少量CuSO4溶液
(2)a和b两种金属,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,则金属活动性a和b哪个活动性强
2.质疑:原电池中,较活泼的一极一定是负极吗
3.探索:(1)根据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱
(2)钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈,但在潮湿的空气里很快就会生锈,纯的铁片在潮湿的空气里也不容易生锈,这是什么原因呢
【归纳总结】
原电池原理的应用
(1)增大氧化还原反应的速率
(2)比较金属活动性强弱
(3)钢铁的电化学腐蚀
负极(Fe):2Fe-4e-===2Fe2+
正极( ):2H2O+O2+4e-===4OH-
总反应方程式:2Fe+2H2O+O2===2Fe(OH)2
Fe(OH)2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O(红色铁锈)
(4)设计原电池
①依据:氧化还原反应中,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。
②步骤:
a.定:确定一个能够自发进行的氧化还原反应(以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu为例)。
b.拆:将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,分别作为负极和正极的电极反应式,还原剂-ne-===氧化产物(负极的电极反应式),氧化剂+ne-===还原产物(正极的电极反应式)。例如,负极的电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,正极的电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
c.找:根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液。选择电极材料:负极为较活泼的金属,一般为发生氧化反应的金属(Fe);正极为活泼性弱于负极材料的金属(Cu)或石墨( )。选择电解质溶液:一般为能与负极反应的电解质溶液(CuSO4溶液)。
【典例引导】
【典例】设计原电池装置证明F的氧化性比C强。
(1)写出能说明氧化性Fe3+大于Cu2+的离子方程式: 。
(2)若将上述反应设计成原电池,电极反应式为
①负极: 。
②正极: 。
(3)在框中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 证明Fe3+的氧化性比Cu2+强
转化 知识点 根据实验目的“证明Fe3+的氧化性比Cu2+强”,选择氧化剂、还原剂和电极,连接形成闭合回路
排除 障碍点 (1)能设计成原电池的反应一般是自发的放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。 (2)设计原电池时,负极材料确定之后,正极材料的选择范围较广,只要合理都可以
[借题发挥]
改变电极材料:原电池的正极能否用铁片
【针对训练】
为了探究原电池的工作原理,某化学学习小组设计了一组实验,其装置如图:
回答下列问题:
(1)根据原电池原理填写下表:
装置 序号 正极 负极反应式 阳离子移动方向
甲 Al Mg-2e-===Mg2+ 铝极
乙 Pt Fe-2e-===Fe2+ 铂极
丙 Mg Al-3e-+4OH-===Al+2H2O 镁极
(2)电极类型除与电极材料的性质有关外,还与 有关。
(3)指出下列电池的放电过程中,电解质溶液酸碱性的变化:甲 ,丙 。(填“酸性增强”“酸性减弱”“碱性增强”或“碱性减弱”)
【补偿训练】某原电池的总反应的离子方程式为2Fe3++Fe===3Fe2+,不能实现该反应的原电池是(　　)
选项 正极 负极 电解质溶液
A Cu Fe FeCl3溶液
B C Fe Fe(NO3)3溶液
C Fe Zn Fe2(SO4)3溶液
D Ag Fe Fe2(SO4)3溶液
学习任务三:钢铁的电化学腐蚀原理及其应用(等级考要求)　 基础理解
【教材认知】
1.化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
项目 化学腐蚀 电化学腐蚀
条件 金属与其他物质直接接触发生氧化还原反应 不纯的金属或合金发生原电池反应
特点 无电流产生 有电流产生
本质 金属失电子变成金属阳离子而被氧化(M—ne-===Mn+)
金属被氧化的过程 较活泼的金属被氧化的过程
相互关系 两种腐蚀往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害更严重
2.钢铁的电化学腐蚀
(1)实验探究
实验内容 在一块表面无锈的钢铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水,放置一段时间
实验现象 液滴周围逐渐呈现红色,并慢慢形成
实验结论 钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀
钢 铁 的 电 化 学 腐 蚀 原 理 图示
形成条件 钢铁表面吸附一层水膜,形成的电解质溶液里含有少量的H+、OH-和
电极 负极是 ,正极是
电极反应式 负极反应式:2Fe-4e-===2Fe2+, 正极反应式:2H2O+O2+4e-===4OH-
总反应式 2Fe+2H2O+O2===2Fe(OH)2
溶液中 的反应 4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3, 2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O
(2)电化学腐蚀:不纯的金属与电解质溶液接触,发生 反应,比较活泼的金属 被氧化,这种腐蚀叫作 。
3.析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 金属在较强的酸性溶液中 金属在中性或酸性很弱的溶液中
电极反应 负极(Fe):Fe-2e-===Fe2+ 正极( ):2H++2e-===H2↑ 负极(Fe):2Fe-4e-===2Fe2+ 正极( ):2H2O+O2+4e-===4OH-
发生情况 相对较少,腐蚀速率一般较快 非常普遍,腐蚀速率一般较慢
联系 两种腐蚀常相继发生,以吸氧腐蚀为主
4.金属的防护
(1)加防护层,如在金属表面加上耐腐蚀的油漆、搪瓷、陶瓷、沥青、塑料、橡胶及电镀、喷镀或表面钝化等方法。
(2)电化学防护
①牺牲负极的正极保护——原电池原理
正极:被保护的金属;负极:比被保护的金属活泼的金属
②外加电流的阴极保护 ——电解原理
阴极:被保护的金属;阳极:惰性电极
【思考讨论】
1.辨析:在小珂同学的笔记中有如下记录,请帮他分析,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)金属的腐蚀全都是氧化反应。(　 　)
(2)金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。(　 )
(3)因为CO2普遍存在,所以钢铁的腐蚀以析氢腐蚀为主。(　 　)
(4)不论吸氧腐蚀还是析氢腐蚀,都是金属被腐蚀。(　 　)
(5)银质奖牌久置变暗是银发生电化学腐蚀。( 　)
(6)钢铁发生析氢腐蚀时负极反应为Fe-2e-===Fe2+,发生吸氧腐蚀时负极反应为Fe-3e-===Fe3+。(　 　)
2.思考:炒过菜的铁锅未及时洗净(残液中含有NaCl),不久便会因腐蚀而出现红褐色锈斑。
(1)铁锅腐蚀的原因是什么
(2)①写出铁锅锈蚀的电极反应式 ②正负极反应产物会继续发生反应,写出反应的离子方程式或化学方程式
【核心总结】
影响金属腐蚀的因素包括金属的本性、介质和纯度三个方面:
(1)就金属本性来说,金属越活泼,就越容易失去电子而被腐蚀。
(2)介质对金属腐蚀的影响也很大,如果金属在潮湿的空气中,接触气体或电解质溶液,都容易被腐蚀。
(3)同一金属越纯,越难腐蚀。如纯铁即使在盐酸溶液中反应也会很慢,而含杂质的生铁在潮湿的空气中也会很快生锈而被腐蚀。
【针对训练】
文物的腐蚀是指出土前由于自然的侵蚀、损坏而破坏文物的原貌,电化学腐蚀也是重要因素之一。三星堆是中华文明的重要组成部分,下列出土文物可能涉及电化学腐蚀的是(　　)
A B C D
青铜神树 玉璋 陶瓷马头 黄金面罩
学情检测·素养达标
1.铜锌原电池如图所示,电解质溶液为硫酸铜。下列说法不正确的是(　　)
A.铜电极为正极,发生氧化反应
B.锌电极为负极,将逐渐被腐蚀
C.铜电极上的反应为Cu2++2e-===Cu
D.电子从锌电极经过导线流向铜电极
2.(2024·淮阴中学高一检测)有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,A极为负极;
②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,电流方向由D→导线→C;
③A、C用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,C极产生大量气泡;
④B、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,D极发生氧化反应。
据此可判断四种金属的活动性由强到弱的顺序为(　　)
A.A>B>C>D　　　 B.A>C>D>B
C.C>A>B>D D.B>D>C>A
【补偿训练】(2024·苏州昆山中学高一检测)有a、b、c三种金属电极,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
由此可判断这三种金属的活动性顺序是(　　)
A.b>a>c　B.c>b>a　C.a>b>c　D.c>a>b
3.(2024·盐城高一检测)2024年4月25日,我国神舟十八号载人飞船成功发射。我国自主研制的“天宫”空间站中的电能来源是各种不同的电池。燃料电池是一种常见化学电源,下图是最常见的可以实现“零污染”的氢氧燃料电池的简易工作示意图。下列说法正确的是(　　)
A.通H2的一极是负极,得到电子
B.电子由a电极经H2SO4溶液流向b电极
C.b电极上发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-
D.该装置可以实现化学能转化为电能
【补偿训练】
某学习小组用如图所示A、B装置分别探究金属锌与稀硫酸的反应,实验过程中A装置烧杯内的溶液温度升高,B装置的电流计指针发生偏转。
(1)A装置的烧杯中发生反应的离子方程式为 Zn+2H+===Zn2++H2↑ 。
(2)Cu板上的现象是 有气泡产生 , 发生的电极反应是 2H++2e-===H2↑ 。
(3)从能量转化的角度看,A、B中反应物的总能量 大于 (填“大于”“小于”或“等于”)生成物的总能量。
(4)该小组同学反思原电池的原理,其中观点正确的是 BD (填字母)。
A.原电池反应的过程中可能没有电子发生转移
B.原电池装置需要2个电极
C.电极一定不能参加反应
D.氧化反应和还原反应可以拆开在两极发生第三单元　化学能与电能的转化
第1课时　化学能转化为电能
课标定向　
　　1.能举出化学能转化为电能的实例,能辨识简单原电池的构成要素,并能分析简单原电池的工作原理。(宏观辨识与微观探析)
　　2.能以原电池为例认识化学能可以转化为电能,从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。(证据推理与模型认知)
教学建议 情境导入
首先通过趣味生活认识生活中的原电池,再充分利用铜-锌原电池等实验探究,组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动,发展学生对原电池工作原理的认识,促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体是电化学体系的基本要素,建立对电化学过程的系统分析思路,提高学生对电化学本质的认识。 2024年6月5日上午,神舟十四号载人飞船发射取得圆满成功。神舟十四号将面临“史上最复杂”遮挡情况,其6个月的能源供给如何保证 考虑到太空环境复杂,研制人员为电源分系统再上了一份“保险”——一对新的太阳电池翼,让“神舟”添“翼”。
学习任务一:原电池的工作原理及正负极判断　重点探究
【教材认知】
1.实验探究
实验步骤 实验现象 解释或结论
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,而铜不能
锌片逐渐溶解,铜片表面有气泡 锌与稀硫酸反应,但氢气在铜片上产生
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,导线中有电流产生
2.原电池的概念
原电池是将化学能转化为电能的装置。
3.原电池的工作原理
【思考讨论】
1.思考:下列关于原电池的说法正确吗
(1)盐酸与NaOH溶液反应放出热量,故可利用此反应设计原电池。(×)
原因:无电子转移,不能设计成原电池。
(2)铜片和锌片用导线连接插入稀硫酸中,锌片表面产生大量气泡。(×)
原因:氢离子在铜片得电子生成氢气。
(3)原电池的电解质溶液中,阳离子移向负极,阴离子移向正极。(×)
原因:原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
2.质疑:(1)原电池中,负极一定失去电子发生氧化反应吗
提示:是,负极一定失去电子发生氧化反应。
(2)原电池中,电子与电流的流向相同吗
提示:不同,恰好相反,电子从负极流出,电流从正极流出。
(3)是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池
提示:不是。原电池是利用氧化还原反应原理,使还原反应与氧化反应分别在两极发生,电子在导线中定向移动,形成电流。
3.探索:(1)在Zn-H2SO4-Cu原电池中,H+得到的电子是Cu失去的吗 在这个过程中Cu起什么作用 你怎样知道导线中有电子通过
提示:不是;Cu作导体,起传导电子的作用;电流计的指针发生了偏转可以证明导线中有电子通过。
(2)在Cu—CuSO4—Zn形成的原电池中,正极有何现象 质量如何变化
提示:正极覆盖紫红色固体,质量增加。
(3)在Cu—H2SO4—Zn形成的原电池中,1 mol Zn完全反应,流经电解质溶液的电子数是多少
提示:电子不经过电解质溶液。
【归纳总结】
1.原电池的构成条件
2.原电池工作原理
(1)两反应:正极发生还原反应,负极发生氧化反应。
(2)三方向:电流方向为正极→负极;电子流动方向(导线中)为负极→正极;阴阳离子的移动方向(电解质溶液中)为阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
3.原电池正、负极判断方法
【注意】原电池中“电子不下水,离子不上岸”(或电子走陆路,离子走水路)。阳离子移向正极(不是负极),即“正向正”,阴离子移向负极(不是正极),即“负向负”。
【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。电极材料可能参与反应,也可能不参与反应。
2.在判断原电池正、负极时,既要考虑金属活泼性的强弱也要考虑电解质溶液的性质。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。
【典例引导】
【典例】如图所示电流表的指针发生偏转,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可能分别为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
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 (1)A极的质量减小; (2)B极上有气泡产生
转化 知识点 (1)根据A极的质量减小可推测A极为负极;(2)根据B极有气泡产生推测B极为正极
排除 障碍点 负极一般质量减小,正极一般产生气泡或质量增大
【解析】选C。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。
[借题发挥]
(1)改变现象:若将“B极上有气泡产生”改为“B极上有金属析出”,答案选什么
提示:选B、C。“B极上有金属析出”说明在正极上电解质溶液中的金属阳离子发生还原反应,B也错误。
(2)改变电极及电解质:将上题B项改为A、B、C分别为Fe、Cu和浓硝酸,能否构成原电池 若能,正负极分别是什么
提示:能构成原电池。由于Fe被浓硝酸钝化,Fe为正极,Cu为负极。
【针对训练】
1.(2024·盐城高一检测)下列装置能构成原电池的是(　　)
【解析】选C。A装置没有形成闭合电路,不能构成原电池;B装置中两个电极材料相同,不能构成原电池;C装置,铁和稀硫酸反应,铁失电子发生氧化反应,铁为负极,氢离子在石墨表面得电子生成氢气,石墨为正极,能构成原电池;D装置,乙醇是非电解质,不能构成原电池。
2.(2024·江苏高一检测)某化学小组为了探究铝电极在原电池中的作用,进行了下列实验,实验结果记录如表。下列说法正确的是(　　)
编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针偏转方向
① Mg、Al 稀盐酸 偏向Al
② Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu
③ Al、石墨 稀盐酸 偏向　　 　　
④ Mg、Al NaOH溶液 偏向Mg
A.实验①和②中,Al电极的作用相同
B.实验③中,电流表指针偏向Al
C.实验④中,Mg为负极,电极反应式为Mg-2e-+2OH-===Mg(OH)2↓
D.以上实验说明,铝在原电池中的作用,与另一个电极材料和电解质溶液有关
【解析】选D。由表中可以看出实验①电流表指针偏向Al,说明Al是正极,而实验②中指针偏向Cu,说明此时Al是负极,故两个实验中,Al 电极的作用不相同,A错误;实验③中,Al为负极,而电流表指针偏向正极,故偏向石墨,B错误;由于Mg与NaOH溶液不反应,而Al能与NaOH溶液发生反应:2Al+2NaOH+2H2O=== 2NaAlO2+3H2↑,Al被氧化,故实验④中,Al为负极 ,电极反应式为Al-3e-+4OH- ===Al+2H2O,而Mg为正极,电极反应式为2H2O+2e-===2OH-+H2↑,C错误;分析实验①②③可知铝在原电池中的作用,与另一个电极材料有关,分析实验①④可知铝在原电池中的作用,与电解质溶液有关,D正确。
学习任务二:原电池原理的应用　实践应用
【思考讨论】
1.思考:(1)实验室用Zn和稀硫酸制取少量H2时,为什么滴少量CuSO4溶液
提示:在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液,因为Zn与置换出的Cu形成原电池加快了反应的进行。
(2)a和b两种金属,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,则金属活动性a和b哪个活动性强
提示:a为负极,b为正极,a活动性强。
2.质疑:原电池中,较活泼的一极一定是负极吗
提示:不一定,还与电解质溶液有关。如Mg-Al-NaOH溶液原电池,铝为负极。
3.探索:(1)根据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱
提示:将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中,发现铁片逐渐溶解,铜片表面有气泡产生,说明铁比铜活动性强。
(2)钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈,但在潮湿的空气里很快就会生锈,纯的铁片在潮湿的空气里也不容易生锈,这是什么原因呢
提示:钢铁腐蚀实质上是发生了原电池反应。潮湿的空气具备了构成原电池的条件,而干燥的空气中不具备与电解质溶液接触的条件,纯的铁片不能构成原电池的两个电极,所以不容易生锈。
【归纳总结】
原电池原理的应用
(1)增大氧化还原反应的速率
(2)比较金属活动性强弱
(3)钢铁的电化学腐蚀
负极(Fe):2Fe-4e-===2Fe2+
正极(C):2H2O+O2+4e-===4OH-
总反应方程式:2Fe+2H2O+O2===2Fe(OH)2
Fe(OH)2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O(红色铁锈)
(4)设计原电池
①依据:氧化还原反应中,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。
②步骤:
a.定:确定一个能够自发进行的氧化还原反应(以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu为例)。
b.拆:将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,分别作为负极和正极的电极反应式,还原剂-ne-===氧化产物(负极的电极反应式),氧化剂+ne-===还原产物(正极的电极反应式)。例如,负极的电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,正极的电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
c.找:根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液。选择电极材料:负极为较活泼的金属,一般为发生氧化反应的金属(Fe);正极为活泼性弱于负极材料的金属(Cu)或石墨(C)。选择电解质溶液:一般为能与负极反应的电解质溶液(CuSO4溶液)。
【典例引导】
【典例】设计原电池装置证明F的氧化性比C强。
(1)写出能说明氧化性Fe3+大于Cu2+的离子方程式:2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。
(2)若将上述反应设计成原电池,电极反应式为
①负极:Cu-2e-===Cu2+。
②正极:2Fe3++2e-===2Fe2+。
(3)在框中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
[解题思维]　解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 证明Fe3+的氧化性比Cu2+强
转化 知识点 根据实验目的“证明Fe3+的氧化性比Cu2+强”,选择氧化剂、还原剂和电极,连接形成闭合回路
排除 障碍点 (1)能设计成原电池的反应一般是自发的放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。 (2)设计原电池时,负极材料确定之后,正极材料的选择范围较广,只要合理都可以
【解析】根据反应2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,证明氧化性Fe3+大于Cu2+。若将上述反应设计成原电池,原电池负极是铜,正极材料可以用碳棒,电解质溶液选含Fe3+的溶液。
[借题发挥]
改变电极材料:原电池的正极能否用铁片
提示:不能。铁活泼性强于铜,铁会与电解质溶液发生反应。
【针对训练】
为了探究原电池的工作原理,某化学学习小组设计了一组实验,其装置如图:
回答下列问题:
(1)根据原电池原理填写下表:
装置 序号 正极 负极反应式 阳离子移动方向
甲 Al Mg-2e-===Mg2+ 铝极
乙 Pt Fe-2e-===Fe2+ 铂极
丙 Mg Al-3e-+4OH-===Al+2H2O 镁极
【解析】(1)电池甲:在稀硫酸中,镁比铝活泼,镁为负极,发生氧化反应,铝为正极,H+在铝极上发生还原反应;乙电池:铁比铂活泼,铁为负极;丙电池:在氢氧化钠溶液中,铝与NaOH溶液反应,铝失去电子,发生氧化反应,铝离子与氢氧化钠反应生成偏铝酸根离子和水;
(2)电极类型除与电极材料的性质有关外,还与电解质溶液的性质有关。
【解析】(2)通过比较甲、丙电池可知,电极都是铝、镁,由于电解质溶液不同,故电极名称不同,即电极类型与电极材料、电解质溶液都有关。
(3)指出下列电池的放电过程中,电解质溶液酸碱性的变化:甲酸性减弱,丙碱性减弱。(填“酸性增强”“酸性减弱”“碱性增强”或“碱性减弱”)
【解析】(3)根据溶液中离子参加反应情况判断溶液酸碱性的变化。
【补偿训练】某原电池的总反应的离子方程式为2Fe3++Fe===3Fe2+,不能实现该反应的原电池是(　　)
选项 正极 负极 电解质溶液
A Cu Fe FeCl3溶液
B C Fe Fe(NO3)3溶液
C Fe Zn Fe2(SO4)3溶液
D Ag Fe Fe2(SO4)3溶液
【解析】选C。根据原电池的电池反应为Fe+2Fe3+===3Fe2+可知,Fe为负极,比Fe不活泼的金属或非金属导体作正极,含Fe3+的溶液为电解质溶液。
学习任务三:钢铁的电化学腐蚀原理及其应用(等级考要求)　 基础理解
【教材认知】
1.化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
项目 化学腐蚀 电化学腐蚀
条件 金属与其他物质直接接触发生氧化还原反应 不纯的金属或合金发生原电池反应
特点 无电流产生 有电流产生
本质 金属失电子变成金属阳离子而被氧化(M—ne-===Mn+)
金属被氧化的过程 较活泼的金属被氧化的过程
相互关系 两种腐蚀往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害更严重
2.钢铁的电化学腐蚀
(1)实验探究
实验内容 在一块表面无锈的钢铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水,放置一段时间
实验现象 液滴周围逐渐呈现红色,并慢慢形成红色的锈斑
实验结论 钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀
钢 铁 的 电 化 学 腐 蚀 原 理 图示
形成条件 钢铁表面吸附一层水膜,形成的电解质溶液里含有少量的H+、OH-和O2
电极 负极是Fe,正极是C
电极反应式 负极反应式:2Fe-4e-===2Fe2+, 正极反应式:2H2O+O2+4e-===4OH-
总反应式 2Fe+2H2O+O2===2Fe(OH)2
溶液中 的反应 4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3, 2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O
(2)电化学腐蚀:不纯的金属与电解质溶液接触,发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子被氧化,这种腐蚀叫作电化学腐蚀。
3.析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较
项目 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 金属在较强的酸性溶液中 金属在中性或酸性很弱的溶液中
电极反应 负极(Fe):Fe-2e-===Fe2+ 正极(C):2H++2e-===H2↑ 负极(Fe):2Fe-4e-===2Fe2+ 正极(C):2H2O+O2+4e-===4OH-
发生情况 相对较少,腐蚀速率一般较快 非常普遍,腐蚀速率一般较慢
联系 两种腐蚀常相继发生,以吸氧腐蚀为主
4.金属的防护
(1)加防护层,如在金属表面加上耐腐蚀的油漆、搪瓷、陶瓷、沥青、塑料、橡胶及电镀、喷镀或表面钝化等方法。
(2)电化学防护
①牺牲负极的正极保护——原电池原理
正极:被保护的金属;负极:比被保护的金属活泼的金属
②外加电流的阴极保护 ——电解原理
阴极:被保护的金属;阳极:惰性电极
【思考讨论】
1.辨析:在小珂同学的笔记中有如下记录,请帮他分析,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)金属的腐蚀全都是氧化反应。(　√　)
(2)金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。(　√　)
(3)因为CO2普遍存在,所以钢铁的腐蚀以析氢腐蚀为主。(　×　)
(4)不论吸氧腐蚀还是析氢腐蚀,都是金属被腐蚀。(　√　)
(5)银质奖牌久置变暗是银发生电化学腐蚀。(　×　)
(6)钢铁发生析氢腐蚀时负极反应为Fe-2e-===Fe2+,发生吸氧腐蚀时负极反应为Fe-3e-===Fe3+。(　×　)
【解析】(1)金属腐蚀的本质是金属失去电子变为金属阳离子,故发生的为氧化反应。
(2)由于与金属接触的物质不同,发生腐蚀的情况也不同,一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
(3)虽然CO2普遍存在,但一般情况下,钢铁表面的水膜酸性很弱或呈中性且溶有一定量的O2,故钢铁腐蚀以吸氧腐蚀为主。
(4)(6)金属发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀时,均是金属被腐蚀,若金属为钢铁制品,则负极反应均为Fe-2e-===Fe2+,故(4)正确、(6)错误。
(5)银质奖牌久置变暗是因为银发生缓慢氧化所致,属于化学腐蚀。
2.思考:炒过菜的铁锅未及时洗净(残液中含有NaCl),不久便会因腐蚀而出现红褐色锈斑。
(1)铁锅腐蚀的原因是什么
(2)①写出铁锅锈蚀的电极反应式 ②正负极反应产物会继续发生反应,写出反应的离子方程式或化学方程式
提示:(1)Fe、C、NaCl溶液一起组成了原电池,发生了原电池反应。
(2)①负极:2Fe-4e-===2Fe2+;正极:O2+2H2O+4e-===4OH-。
②Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓、4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3、
2Fe(OH)3===Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O。
【核心总结】
影响金属腐蚀的因素包括金属的本性、介质和纯度三个方面:
(1)就金属本性来说,金属越活泼,就越容易失去电子而被腐蚀。
(2)介质对金属腐蚀的影响也很大,如果金属在潮湿的空气中,接触气体或电解质溶液,都容易被腐蚀。
(3)同一金属越纯,越难腐蚀。如纯铁即使在盐酸溶液中反应也会很慢,而含杂质的生铁在潮湿的空气中也会很快生锈而被腐蚀。
【针对训练】
文物的腐蚀是指出土前由于自然的侵蚀、损坏而破坏文物的原貌,电化学腐蚀也是重要因素之一。三星堆是中华文明的重要组成部分,下列出土文物可能涉及电化学腐蚀的是(　　)
A B C D
青铜神树 玉璋 陶瓷马头 黄金面罩
【解析】选A。青铜神树中含有Sn和Cu,可能涉及电化学腐蚀,故A符合题意;玉璋属于玉器,主要成分为无机物,不涉及电化学腐蚀,故B不符合题意;陶瓷马头以黏土为主要原料制成,不涉及电化学腐蚀,故C不符合题意;黄金面罩由黄金制成,只含有金,不涉及电化学腐蚀,故D不符合题意。
学情检测·素养达标
1.铜锌原电池如图所示,电解质溶液为硫酸铜。下列说法不正确的是(　　)
A.铜电极为正极,发生氧化反应
B.锌电极为负极,将逐渐被腐蚀
C.铜电极上的反应为Cu2++2e-===Cu
D.电子从锌电极经过导线流向铜电极
【解析】选A。铜电极为原电池的正极,得到电子,发生还原反应,A项错误;锌为原电池的负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,逐渐被腐蚀,B项正确;铜电极为原电池的正极,得到电子,发生还原反应,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,C项正确;电子从负极经过导线流向正极,所以电子从锌电极经过导线流向铜电极,D项正确。
2.(2024·淮阴中学高一检测)有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,A极为负极;
②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,电流方向由D→导线→C;
③A、C用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,C极产生大量气泡;
④B、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,D极发生氧化反应。
据此可判断四种金属的活动性由强到弱的顺序为(　　)
A.A>B>C>D　　　 B.A>C>D>B
C.C>A>B>D D.B>D>C>A
【解析】选B。一般情况下,原电池中金属活动性:负极材料>正极材料。①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,A极为负极,则金属活动性:A>B;②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,电流方向由D→导线→C,则C是负极、D是正极,金属活动性:C>D;③A、C用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,C极产生大量气泡,则C极上得到电子发生还原反应,C是正极、A是负极,金属活动性:A>C;④B、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸中,D极发生氧化反应,则D是负极、 B是正极,金属活动性:D>B;综合以上分析知,金属活动性顺序为A>C>D>B。
【补偿训练】(2024·苏州昆山中学高一检测)有a、b、c三种金属电极,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
由此可判断这三种金属的活动性顺序是(　　)
A.b>a>c　B.c>b>a　C.a>b>c　D.c>a>b
【解析】选C。一般情况下,原电池中不同活泼性的金属作为两极,活泼性:负极>正极,把两个实验从左到右分别编号为①②。由实验①可知,a作原电池负极,b作原电池正极,金属活动性:a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则金属活动性:b>c。故三种金属的活动性:a>b>c。
3.(2024·盐城高一检测)2024年4月25日,我国神舟十八号载人飞船成功发射。我国自主研制的“天宫”空间站中的电能来源是各种不同的电池。燃料电池是一种常见化学电源,下图是最常见的可以实现“零污染”的氢氧燃料电池的简易工作示意图。下列说法正确的是(　　)
A.通H2的一极是负极,得到电子
B.电子由a电极经H2SO4溶液流向b电极
C.b电极上发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-
D.该装置可以实现化学能转化为电能
【解析】选D。氢氧燃料电池通入燃料氢气的电极为负极,发生失电子的氧化反应,通入氧化剂氧气的电极为正极,发生得电子的还原反应,电极反应式: O2+4e-+4H+===2H2O。A.根据分析,通入燃料氢气的电极为负极,发生失电子的氧化反应,A错误;B.根据分析,a电极为负极,电子由a电极经外电路流向b电极,但电子无法在电解质溶液中移动,B错误;C.根据分析,b电极为正极,发生得电子的还原反应,电极反应式:O2+4e-+4H+===2H2O,C错误;D.该装置为原电池,可以实现化学能转化为电能,D正确。
【补偿训练】
某学习小组用如图所示A、B装置分别探究金属锌与稀硫酸的反应,实验过程中A装置烧杯内的溶液温度升高,B装置的电流计指针发生偏转。
(1)A装置的烧杯中发生反应的离子方程式为　Zn+2H+===Zn2++H2↑　。
【解析】(1)A装置烧杯中锌与稀硫酸反应的离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑。
(2)Cu板上的现象是　有气泡产生　, 发生的电极反应是　2H++2e-===H2↑　。
【解析】(2)该装置为原电池,Zn板作负极,Cu板作正极,Cu板上有气泡产生,其电极反应为2H++2e-===H2↑。
(3)从能量转化的角度看,A、B中反应物的总能量　大于　(填“大于”“小于”或“等于”)生成物的总能量。
【解析】(3) 从能量转化的角度来看,锌与稀硫酸的反应属于放热反应,故反应物的总能量大于生成物的总能量;不同的是,A中是将化学能转变为热能,B中主要是将化学能转变为电能。
(4)该小组同学反思原电池的原理,其中观点正确的是　BD　(填字母)。
A.原电池反应的过程中可能没有电子发生转移
B.原电池装置需要2个电极
C.电极一定不能参加反应
D.氧化反应和还原反应可以拆开在两极发生
【解析】(4)原电池反应是一个氧化还原反应,一定有电子转移,A错误;根据原电池的构成条件,原电池装置需要2个电极,B正确;根据题意,锌逐渐溶解,参加了反应,即电极可以参加反应,C错误;根据原电池原理,氧化反应和还原反应可以拆开在两极发生,从而产生电流,D正确。
课时巩固训练,请使用　“课时过程性评价 六”

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