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第2课时　化学反应与电能
课前 基础认知
一、化学能转化为电能
1.燃煤发电的能量转化。
(2)　燃烧　(氧化还原反应)是使化学能间接转换为电能的关键。
微训练1下列关于各种形式的能量相互转化途径的叙述错误的是(　　)。
A.家庭液化气灶将化学能转变为热能
B.灯泡将电能全部转变为光能
C.光合作用将光能转变为化学能
D.太阳能电池将太阳能转变为电能
答案:B
解析:灯泡除了将电能转变为光能之外,还转变为热能等其他形式的能量。
2.原电池。
(1)实验探究。
(2)原电池的定义:把　化学　能转化为　电　能的装置。
(3)锌铜原电池的工作原理。
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)原电池的构成要素。
理论上,自发的　氧化还原反应　均可设计成原电池。
①两个　活动性不同的金属　(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　。
微训练2 下列装置中,不能构成原电池的是(　　)。
答案:B
解析:A、C、D项都具备两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路和自发进行的氧化还原反应的条件,都构成了原电池。B项,蔗糖溶液不是电解质溶液,不能构成原电池。
微判断(1)原电池中电子从负极经过溶液移向正极。(　　)
(2)负极失去电子发生氧化反应。(　　)
(3)盐酸与氢氧化钠溶液混合放热,故可以设计成原电池。
(　　)
(4)锌-铜-稀硫酸原电池中,将铜换成石墨棒也能产生电流。
(　　)
(5)原电池中阳离子移向正极。(　　)
×
√
×
√
√
二、发展中的化学电池
1.一次电池。
(1)电池放电后 不能 再充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),这种电池属于一次电池。
(2)常见的一次电池——锌锰干电池。
2.二次电池。
(1)定义:电池放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以　逆向　进行,使电池恢复到放电前的状态,从而实现放电(化学能转化为电能)与充电(电能转化为化学能)的循环。这种充电电池属于二次电池。
(2)常见的充电电池:①铅酸蓄电池;②镍氢电池;③锂离子电池。
3.燃料电池。
(1)定义:将　燃料　(如氢气、甲烷、乙醇)和　氧化剂　(如氧气)的　化学能　直接转化为　电能　的电化学反应装置。
(2)特点:①清洁、安全、高效;②反应物从外部提供;③能量转化率较高。
微训练3 下列几种化学电池中,不属于可充电电池的是(　　)。
A.碱性锌锰电池 B.锂离子电池
C.铅酸蓄电池 D.镍氢电池
答案:A
解析:碱性锌锰电池属于一次电池,不属于可充电电池,A项符合题意。锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢电池属于可充电电池,B、C、D三项不符合题意。
课堂 重难突破
重难归纳
一 化学能转化为电能
据报道,野外生存达人用柑橘、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池能引燃易燃物用于野外生火。某同学受到启发,自己动手制作了一个这样的“柑橘电池”。
(1)该“柑橘电池”的正、负极分别是什么 铜片、石墨棒、柑橘能不能形成原电池
提示:该电池的负极是锌片,正极是铜片。不可以。原电池的电极材料是活泼性不同的金属或能导电的非金属,同时负极金属要与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。
(2)氧化还原反应的规律之一是得失电子守恒。原电池工作时,负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系 为什么
提示:相等。原电池中,负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,根据氧化还原反应中电子守恒规律知,正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。
(3)观察该“柑橘电池”的反应现象,判断原电池工作时,电子和离子的移动方向。
提示:该“柑橘电池”中,负极锌片变薄,正极铜片上有气泡产生。原电池工作时,电子是由负极经过导线移向正极;在原电池内部电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
重难归纳
1.原电池的工作原理。
原电池总反应式:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(1)“两反应”:正极发生还原反应;负极发生氧化反应。
(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离子移动方向(电解质溶液中):阳离子→正极;阴离子→负极。
2.原电池的构成条件。
3.原电池正、负极的“常用”判断方法。
特别提醒
(1)在判断原电池正、负极时,既要考虑金属活动性的强弱也要考虑电解质溶液的性质。如由镁、铝、稀盐酸构成的原电池中,负极为Mg;但是由镁、铝、氢氧化钠溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。 (2)燃料电池放电时,正、负极的质量都不变;铅酸蓄电池放电时,正、负极的质量都增加,正极上PbO2→PbSO4,负极上Pb→PbSO4。
典型例题
【例1】在如图所示装置中,观察到电流表指针发生偏转,M棒变粗,N棒变细,P为电解质溶液。由此判断下列M、N、P所代表的物质符合上述情况的是(　　)。
答案:C
解析:该装置是原电池,M棒变粗,则M棒作正极,有金属单质析出;N棒变细,则N棒作负极,失电子溶解。A项、B项中电解质是酸,M棒上无金属单质析出,不符合题意。C项,锌、银、硝酸银溶液构成原电池,锌是负极,M棒上有银析出,符合题意。D项,电解质溶液中的Fe3+得到电子转化为Fe2+,不能析出金属,不符合题意。
【例2】如图是锌铜原电池,某同学做完实验后,在读书卡片上做了如下记录,该卡片上的描述不合理的是(　 )。
①Zn为负极,Cu为正极
②H+向负极移动
③电子流动方向:从Zn经外电路流向Cu
④Cu极上有H2产生
⑤若有1 mol电子流过导线,则产生的H2为0.5 mol
⑥负极的电极反应式为Zn-2e-══Zn2+
A.①②⑥ B.④⑥ C.④⑤⑥ D.②⑥
答案:D
解析:在该原电池中,Zn比Cu活泼,Zn作负极,Cu作正极,电子由Zn流出经导线流向Cu,负极的电极反应为Zn-2e-═Zn2+,正极的电极反应为2H++2e-═H2↑,转移1 mol电子时,产生H2 0.5 mol,在溶液中H+向正极移动, 向负极移动,故②⑥错误, ① ③④⑤正确,选D项。
问题探究
二 原电池原理的应用
印刷电路是通过蚀刻或感光等印制手段,将导体图形制作在绝缘基板上,使电子元件实现互连的一种电子电路。可以使用自动绘图仪快速地把导体图形直接描绘在玻璃上制版,再进行印刷。印刷电路使电子设备的批量生产变得简单易行。其蚀刻工序的原理是利用氧化还原反应2Fe3++Cu══2Fe2++Cu2+,溶解去除多余的铜。
(1)能否将蚀刻反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计成原电池 若能,电极材料和电解质溶液可分别是什么 写出电极反应式。
提示:能。设计原电池时,注意电解质溶液一般要能够与负极发生反应(或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应,如空气中的氧气)。一般选择活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属或能导电的惰性电极材料(如石墨)作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化,氧化性物质在正极上得到电子被还原。根据氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计原电池时,应用铜片作负极,可以用石墨作正极,硫酸铁溶液作电解质溶液,负极反应式是Cu-2e-═Cu2+,正极反应式是2Fe3++2e-═2Fe2+。
(2)能否根据(1)设计的原电池比较金属铁和铜的活动性 如何根据原电池原理比较金属的活动性强弱
提示:不能,因为该电池的正极材料是石墨,负极材料铜与电解质溶液发生反应。在两极都是金属电极的原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。如有两种金属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)现有如图所示的装置。
甲、乙两个装置中,产生H2的位置有什么不同 能量转化形式有什么不同 哪个装置中产生H2的反应速率更大 为什么
提示:装置甲中Zn棒表面产生H2,化学能转化为热能。装置乙中Cu棒表面产生H2,化学能转化为电能。装置乙产生H2的反应速率更大。装置甲中,氧化反应和还原反应都在Zn表面进行,生成的Zn2+越来越多,使H+越来越难靠近Zn表面得电子。装置乙构成了原电池,氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行,Zn失去的电子沿导线聚集在Cu棒上,溶液中H+非常容易靠近Cu表面得电子生成H2,因此装置乙中反应速率更大。
重难归纳
1.比较金属的活动性强弱。
原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或能导电的非金属)作正极。
如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入酸溶液中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以断定金属活动性顺序A>B。
2.加快化学反应。
形成原电池,使反应加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成锌铜原电池,加快反应进行。
3.用于金属的防护。
使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如,要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
4.设计制作化学电池。
设计原电池时要明确原电池的构成要素。
(1)首先要分析氧化还原反应中的氧化反应和还原反应(两个半反应)。
(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料(一般来说负极是失电子的物质,正极用比负极活动性差的金属或导电的非金属,如石墨)及电解质溶液。
以Fe+Cu2+═Fe2++Cu为例说明:
典型例题
【例3】有a、b、c、d四个金属电极,有关的反应装置及部分实验现象如下表所示。
由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)。
A.a>b>c>d B.b>c>d>a C.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案:C
解析:由装置①中a极质量减小,b极质量增加可知,a是负极,b是正极,活动性a>b;由装置②中c极有气体产生,b极质量减小可知,b是负极,c是正极,活动性b>c;由装置③中d极溶解,c极有气体产生,得d是负极,c是正极,活动性d>c;由装置④中电流从a极流向d极可知,a是正极,d是负极,活动性d>a;由上可得活动性:d>a>b>c,C项正确。
【例4】已知电极材料:铁、铜、银、石墨、锌、铝;电解质溶液:CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、稀硫酸。按要求回答下列问题。
(1)电工操作上规定:不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。原因是 　　　　　　　　　。
(2)若电极材料选铜和石墨,电解质溶液选Fe2(SO4)3溶液,外加导线,　　　　　(填“能”或“不能”)构成原电池。若能,写出电极反应,负极:　　　　　　　　,正极:　　　　　　(若不能,后两空不填)。
(3)设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池,要求画出装置图(需标明电极材料及电池的正、负极)。
答案:(1)二者连接在一起时,接头处在潮湿的空气中构成原电池而加快铝导线的腐蚀,在接头处易断开
(2)能　Cu-2e-══Cu2+　Fe3++e-══Fe2+
(3)
问题探究
三 发展中的化学电池
汽车用铅酸蓄电池和手机、笔记本电脑使用的锂离子电池都是二次电池,可以进行充电与放电的循环。
(1)二次电池在充电和放电时,能量是如何转化的
提示:放电时是化学能转化为电能,充电时是电能转化为化学能。
(2)碱性锌锰电池是二次电池吗 相对于普通锌锰电池来讲,碱性锌锰电池有什么优点
提示:不是。碱性锌锰电池是一次电池,将普通锌锰电池中的NH4Cl换成了湿的KOH,这样可延长电池的寿命和提高其性能。
(3)燃料电池是绿色清洁电池,其能量是如何转化的 写出氢氧燃料电池反应的化学方程式,由此分析两极反应物分别是什么 氢氧燃料电池是否属于二次电池
提示:燃料电池直接将化学能转化为电能。在反应2H2+O2═2H2O中,氢元素的化合价由0价升高为+1价,氧元素的化合价由0价降低为-2价,H2发生氧化反应,O2发生还原反应,H2为负极反应物,O2为正极反应物。氢氧燃料电池不属于二次电池。
重难归纳
1.几种电池的特点。
名称 干电池
(一次电池) 充电电池
(二次电池) 燃料电池
特点 ①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后,不能再使用 ①放电后可再充电使活性物质获得再生 ①电极本身不包含活性物质,只是一个催化转换元件
②电解质溶液为胶状,不流动 ②可以多次充电,重复使用 ②工作时,燃料和氧化剂连续由外部供给,在电极上不断进行反应,生成物不断被排出
名称 干电池
(一次电池) 充电电池
(二次电池) 燃料电池
举例 普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等 铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等 氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等
2.电极反应式书写的一般步骤。
典型例题
【例5】氟离子电池是一种前景广阔的新型电池,其能量密度是目前锂电池的10倍以上。其中一种氟离子电池的工作原理为3Mg+2BiF3 3MgF2+2Bi(MgF2为难溶盐),电解质为熔融氟化物。下列说法正确的是(　　)。
A.放电时,负极的电极反应式为Mg-2e-+2F-═MgF2
B.放电时,电子从镁电极流出,经电解质流向正极
C.放电时,化学能完全转化为电能
D.放电时,F-向正极移动
答案:A
解析:放电时,Mg作负极,失去电子,发生氧化反应,电极反应式为Mg-2e-+2F-═MgF2,A项正确。放电时,电子从镁电极流出,经导线流向正极,B项错误。原电池是把化学能转化为电能的装置,但化学能不可能100%转化为电能,还有部分转化为热能等,C项错误。放电时,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,故F-向负极移动,D项错误。
【例6】锌银电池是一种常见的化学电源,其反应原理为Zn+Ag2O+H2O══Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是(　　)。
A.K+向正极移动
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-══Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的碱性保持不变
答案:D
解析:根据总反应,锌失电子发生氧化反应,所以锌电极是负极,Ag2O电极是正极,阳离子向正极移动,A项正确。Ag2O电极是正极,正极发生还原反应,B项正确。Zn电极是负极,负极失电子发生氧化反应,Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-═Zn(OH)2, C项正确。根据总反应Zn+Ag2O+H2O═ Zn(OH)2+2Ag可知,放电过程消耗水,氢氧化钾浓度增大,碱性增强,D项错误。
易错提醒
原电池中负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,电解质溶液是通过阳离子向正极移动、阴离子向负极移动而导电,溶液中没有电子的移动。
成果验收站
1.下列装置能构成原电池的是(　　)。
A.只有甲 B.只有乙 C.只有丙 D.除乙均可以
答案:C
解析:甲装置没有构成闭合回路,乙装置两极材料相同,丁装置中酒精不是电解质,只有丙装置具备原电池的构成条件。
2.某科学探究小组为探究电化学原理,设计了如图所示的装置进行探究实验。下列对实验中观察到的现象或相关结论的叙述错误的是(　　)。
A.a和b不连接时,该装置不能形成原电池,
铁片上有紫红色的铜析出
B.a和b用导线连接时,铜片为负极,发生的反应
为Cu2++2e-══Cu
C.无论a和b是否连接,铁片均会被氧化,溶液中均有Fe2+生成
D.a和b用导线连接时,溶液中的Cu2+向铜电极移动
答案:B
解析:a和b不连接时,没有形成闭合回路,没有构成原电池,Fe与CuSO4发生化学反应,铁把铜置换出来,A项正确。导线连接后,构成原电池,铁比铜活泼,铁作负极,发生的反应为Fe-2e-═Fe2+,B项错误。根据选项A、B分析可知,无论a和b是否连接,铁片均会被氧化,溶液中均有Fe2+生成,C项正确。构成原电池时,铜作正极,阳离子向正极移动,D项正确。
3.下列关于化学电源的说法正确的是(　　)。
A.干电池放电之后还能再充电
B.充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能
C.充电电池可以无限制地反复放电、充电
D.氢氧燃料电池是一种环境友好型电池
答案:D
解析:A项,干电池是一次电池,放电之后不能再充电,错误。B项,充电电池在放电时将化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,错误。C项,充电电池不能无限制地反复放电、充电,错误。D项,氢氧燃料电池的生成物是水,是一种环境友好型电池,正确。
4.选用下列试剂和电极:Fe2(SO4)3溶液、铁棒、铜棒、铂棒,组成如图所示的原电池装置,观察到电流表的指针明显偏转,则构成原电池的可能组合共有(　　)。
A.6种 B.5种
C.4种 D.3种
答案:B
解析:铁棒作负极时,正极可以是铜棒或铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有2种组合;铜棒作负极时,正极只能是铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有1种组合。因此,能构成原电池的组合有3种。
5.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)与氧气(或空气)发生反应将化学能转化为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法不正确的是(　　)。
A.正极反应式:O2+2H2O+4e-═4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-═CO2+6H2O
C.放电时,溶液中的氢氧根离子浓度减小
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案:B
解析:O2+2H2O+4e-═4OH-应为正极反应式。燃料被氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出,它将进一步转化成碳酸根离子,所以负极反应式为CH4+10OH--8e-═ +7H2O。由于部分碱液与二氧化碳反应,所以溶液中的c(OH-)将减小。
6.现有如下两个反应:A.NaOH+HCl══NaCl+H2O
B.Cu+2Ag+══2Ag+Cu2+
(1)根据以上两个反应的本质,判断能否用于设计成原电池
若不能,请说明原因:　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)请利用能设计为原电池的反应设计一个原电池,写出正、负极材料,电极反应式,电极反应类型以及电解质溶液。
负极:　　　　,　　　　　　　　　　,　　　　　　。
正极:　　　　,　　　　　　　　　　,　　　　　　。
答案:(1)A不能,B能　A不是氧化还原反应,没有电子转移
(2)Cu　Cu-2e-═Cu2+　氧化反应　石墨棒(或Ag、铂、金)　Ag++e-═Ag　还原反应　AgNO3溶液

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