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第1课时　化学反应的反应热　化学反应的内能变化与焓变
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目
标
体
系
构
建
1.通过对日常生活生产常见化学反应的放热、吸热现象的认知，能辨识化学反应中能量变化的本质；认识反应热、放热反应、吸热反应的含义。
2.能从内能变化角度认识反应热、焓变。
3.通过中和反应的反应热测定实验，明确反应热测定的原理和方法。
一、化学反应的反应热
1．反应热
(1)定义
当化学反应在一定的温度下进行时，反应所释放或吸收的热量。
(2)表示符号
用Q表示
(3)单位
kJ·mol－1或
J·mol－1。
微点拨：(1)物理变化中的能量变化不是反应热。如物质的三态变化，物质的溶解等。
(2)反应放热或吸热与反应条件无关。
2．反应热的测定
(1)仪器——量热计
(2)原理
Q＝－C(T2－T1)，其中C表示溶液及量热计的热容，其单位为J·K－1；T1、T2分别表示反应前和反应后体系的温度。
微点拨：(1)热力学温度与摄氏温度的换算关系：T＝t＋273.15
K。
(2)热容(C)与比热容(比热)的关系：
比热＝。
(3)常温下，液态水的比热为4.18
kJ·K－1·kg－1。
二、化学反应的内能变化与焓变
1．反应体系的能量
2．内能
(1)定义：是体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。符号：_U。
(2)内能大小的影响因素
内能的大小除了与物质的种类、数量及聚集状态(即气态、液态或固态等)有关，还与体系的温度、压强有关。
(3)反应体系的能量变化
在一般情况下，反应体系处于静止状态，即体系整体的动能和势能没有变化，体系的能量变化可表示为ΔU＝U(反应产物)－U(反应物)＝Q＋W。
当反应过程中体系没有做功时，则ΔU＝Q。ΔU>0，反应吸收能量；ΔU<0，反应释放能量。
微点拨：(1)化学反应体系能量变化中的功是指除热能外，体系与环境之间交换的其他形式的能(如电能、光能、机械能等)。
(2)微观粒子的能量包括分子的平动、转动、振动以及电子和原子核的运动等。
3．等压反应的反应热——焓变
(1)等压反应
在反应前后压强不变的条件下发生的化学反应，如在敞口容器中进行的反应。
(2)焓变及单位
①定义：反应产物的焓与反应物的焓之差。
②表达式：ΔH＝H(反应产物)－H(反应物)＝Qp。
其中Qp表示等压条件下化学反应的反应热。焓变的单位为
kJ·mol－1或J·mol－1。
(3)化学反应的焓变示意图
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)化学反应过程中一定伴随着能量的变化。(　　)
(2)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化，单位为kJ或J。(　　)
(3)化学反应中反应物总能量一定大于反应产物总能量。(　　)
(4)吸热反应的ΔH＜0，放热反应的ΔH＞0。(　　)
(5)反应体系的内能变化就是反应热。(　　)
提示：(1)√　
(2)×　反应热、焓变均指化学反应中的能量变化，单位为kJ·mol－1或
J·mol－1。
(3)×　放热反应：E(反应物)＞E(反应产物)，吸热反应：E(反应物)＜E(反应产物)。
(4)×　吸热反应：ΔH＞0，放热反应：ΔH＜0。
(5)×　反应体系的内能变化等于反应热和功的加和，如果反应过程中体系没有做功，则反应体系的内能变化就是反应热。
2．下列说法正确的是(　　)
A．焓变是指1
mol物质参加反应时的能量变化
B．当反应放热时ΔH>0，反应吸热时ΔH<0
C．在加热条件下发生的反应均为吸热反应
D．一个化学反应中，当反应物的总能量大于反应产物的总能量时，反应放热，ΔH为负值
D　[反应物的物质的量越多，则焓变的绝对值越大，A项错误；反应是否需要加热，只是引发反应的条件，与反应放热还是吸热无关，C项错误；在反应中物质所具有的总能量减少，反应就放热，此时ΔH<0，因此B项错误、D项正确。]
3．量热计直接测出的是(　　)
A．质量的变化
B．能量的变化
C．温度的变化
D．电流的变化
C　[量热计直接测出的是反应前后的温度差。]
测定中和反应的反应热
(素养养成——科学探究与创新意识)
在实验室用如图所示装置测定中和反应的反应热。
　
图1　　　　　　　　　
　图2
1．用50
mL
0.50
mol·L－1的盐酸与50
mL
0.55
mol·L－1的NaOH溶液，在如图所示的装置中分别进行中和反应反应热的测定，测定的结果是否相同？哪个结果更接近于真实值？为什么？
提示：两种装置测定的结果不同。用图2装置测定中和反应的反应热更接近于真实值。因为图2装置热量损失少。
2．谈一谈中和反应的反应热测定实验成功与否的关键是什么？
提示：中和反应的反应热测定实验成功的关键是比较准确地配制一定物质的量浓度的溶液，量热器要尽量做到保温、绝热且可使体系温度尽快达到一致；在量热的过程中要尽量避免热量的散失。
1．中和反应的实质是H＋和OH－反应生成H2O。若反应过程中有其他物质生成(如生成不溶性物质、难电离物质等)，这部分反应热不在中和反应反应热之内。
2．测定中和反应的反应热需注意的几个问题
(1)实验中要用强酸、强碱的稀溶液(0.1～0.55
mol·L－1)。
(2)操作时动作要快，尽量减少热量的损失，使用绝热装置，避免热量散发到反应体系外。
(3)测量盐酸的温度后，要将温度计上的酸冲洗干净后，再测量NaOH溶液的温度，避免酸、碱在温度计的表面反应放热而影响测量结果。
(4)读取的中和反应的温度(T2)是反应混合液的最高温度。
(5)不能用弱酸或弱碱，因弱酸、弱碱电离时吸收热量而使测量数值偏低。
(6)中和反应的反应热的数值是57.3
kJ·mol－1，测定时与强酸、强碱的用量无关。
1．中和反应的反应热测定实验中下列说法错误的是(　　)
A．一组完整实验数据需要测温度三次
B．烧杯间填满碎纸屑是为了减少实验过程中热量散失
C．可用铜做的环形搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，因铜和盐酸不反应
D．在量取NaOH溶液和HCl溶液体积时均仰视，测得中和热数值将偏大
C　[一组完整实验数据需要测实验前酸的温度、碱的温度和反应过程中的最高温度，故A正确；实验的关键是保温工作，烧杯间填满碎纸屑是为了保温，减少实验过程中热量散失，故B正确；金属的导热性很好，用铜做的环形搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，会导致热量的散失，使测得中和热数值偏小，故C错误；在量取溶液体积时仰视，则实际量取体积偏高，测得中和热数值将偏大，故D正确。]
2．50
mL
0.50
mol·L－1盐酸与50
mL
0.55
mol·L－1
NaOH溶液在如图所示的装置中进行中和反应。通过测定反应过程中所放出的热量可计算中和反应的反应热。
回答下列问题：
(1)从实验装置看，图中还缺少的一种玻璃仪器是________________。
(2)两烧杯间填满碎纸屑的作用是__________________________________
______________________________________________________________。
(3)实验中改用60
mL
0.50
mol·L－1盐酸与50
mL
0.55
mol·L－1
NaOH溶液进行反应，与上述实验相比较，所放出的热量________(填“相等”或“不相等”)，中和反应的反应热________(填“相等”或“不相等”)，理由是____________
___________________________________________________________________。
(4)用相同浓度和体积的氨水代替NaOH溶液进行上述实验，测得中和反应的反应热的数值与57.3
kJ·mol－1相比较会________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(5)大烧杯上如不盖硬纸板，求得的中和反应的反应热数值________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
[解析]　(1)根据量热计的构造可知该装置还缺少的仪器是环形玻璃搅拌棒。
(2)中和反应的反应热测定实验成败的关键是保温工作，大小烧杯之间填满碎纸屑的作用是减少实验过程中的热量损失。
(3)反应放出的热量和所用酸、碱的量有关，若用60
mL
0.50
mol·L－1盐酸与50
mL
0.55
mol·L－1
NaOH溶液进行反应，与上述实验相比，生成水的量增多，所放出的热量多，但是中和反应的反应热是强酸和强碱反应生成1
mol水时放出的热量，与酸、碱的用量无关，所以用60
mL
0.50
mol·L－1盐酸进行上述实验，测得中和反应的反应热数值相等。
(4)氨水为弱碱，电离过程为吸热过程，所以用氨水代替稀氢氧化钠溶液反应，反应放出的热量偏小，求得的中和反应的反应热数值将会偏小。
(5)大烧杯上如不盖硬纸板，会有一部分热量散失，求得的中和反应的反应热数值将会偏小。
[答案]　(1)环形玻璃搅拌棒
(2)保温、隔热，减少热量散失
(3)不相等　相等　中和反应的反应热是生成1
mol水时放出的热量(其他合理答案也可)
(4)偏小　(5)偏小
强酸和弱碱或弱酸和强碱的稀溶液发生中和反应，反应热的数值一般小于57.3
kJ·mol－1，因为弱电解质的电离是吸热的。
焓变与化学键、物质能量之间的关系
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
1
mol
H2和1
mol
Cl2反应生成2
mol
HCl的能量转化关系如图所示：
1．断裂1
mol
H2分子和1
mol
Cl2分子中的化学键吸收的能量是多少？
提示：436
kJ·mol－1×1
mol＋243
kJ·mol－1×1
mol＝679
kJ。
2．由H原子形成1
mol
H—H所放出的能量是多少？
提示：由H原子形成1
mol
H—H所放出的能量等于断裂1
mol
H—H吸收的能量，即436
kJ。
3．该反应是吸热反应还是放热反应？(通过计算回答)
提示：ΔH＝436
kJ·mol－1＋243
kJ·mol－1－2×431
kJ·mol－1＝－183
kJ·mol－1<0，故该反应为放热反应。
1．焓变与化学键变化的关系
化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因(如图)。
　
吸收能量E1
　　
　↓
反应物反应产物
　　
　↓
　
放出能量E2
E1>E2
　反应吸收能量　ΔH>0
E12．焓变与物质能量变化的关系
放热反应
吸热反应
关系
反应物具有的总能量大于反应产物具有的总能量
反应物具有的总能量小于反应产物具有的总能量
表示方法
ΔH<0
ΔH>0
图示
实例
H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)ΔH＝－183.0
kJ·mol－1
C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋131.3
kJ·mol－1　
1．已知氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中，破坏1
mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1
kJ，破坏1
mol氯气中的化学键消耗的能量为Q2
kJ，形成1
mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3
kJ，下列关系式中正确的是(　　)
A．Q1＋Q2>Q3
B．Q1＋Q2>2Q3
C．Q1＋Q2D．Q1＋Q2<2Q3
D　[由于氢气在氯气中燃烧是放热反应，则ΔH<0，ΔH＝Q1＋Q2－2Q3，则Q1＋Q2－2Q3<0，即Q1＋Q2<2Q3，D正确。]
2．白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得深灰色固体——黑磷，其转化过程中能量变化如图所示。下列叙述中正确的是(　　)
A．黑磷比白磷稳定
B．黑磷与白磷互为同分异构体
C．白磷转化为黑磷是氧化还原反应
D．白磷转化为黑磷是吸热反应
A　[物质本身具有的能量越低越稳定，因白磷转化为黑磷是放热反应，故白磷不如黑磷稳定；两者互为同素异形体，两者之间的转化不是氧化还原反应。]
3．CO(g)与H2O(g)反应的能量变化如图所示，有关两者反应的说法正确的是(　　)
A．该反应为吸热反应
B．1
mol
CO(g)和1
mol
H2O(g)具有的总能量大于1
mol
CO2(g)和1
mol
H2(g)具有的总能量
C．该反应不需要加热就能进行
D．1
mol
CO2(g)和1
mol
H2(g)反应生成1
mol
CO(g)和1
mol
H2O(g)要放出41
kJ热量
B　[由能量变化可知，反应产物的总能量比反应物的总能量低，反应为放热反应，放热反应也有可能需要加热后才能进行；当1
mol
CO2(g)和1
mol
H2(g)反应生成1
mol
CO(g)和1
mol
H2O(g)时，要吸收41
kJ热量。]
(1)反应物总能量大于反应产物总能量的反应为放热反应，其逆反应过程为吸热反应。
(2)加热条件下进行的反应可能是吸热反应，也可能是放热反应，反应是吸热反应还是放热反应取决于反应物总能量与反应产物总能量的相对大小，与反应条件无关。
2017年5月，中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。天然气水合物甲烷含量占80%～99.9%，燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用约1
000年，因而被各国视为未来石油、天然气的替代能源。
1．可燃冰燃烧是放热反应还是吸热反应？其反应热大于0还是小于0?
提示：放热反应。其反应热小于0。
2．可燃冰燃烧为什么伴随着能量变化？试从宏观角度和微观角度分别分析。
提示：宏观角度：反应物总能量与反应产物总能量不相等，故化学反应都伴随着能量变化；微观角度：因为断裂反应物中的化学键吸收的能量与形成反应产物中的化学键时放出的能量不相等，故伴随着能量变化。
3．若可燃冰在一个恒压容器中与空气反应，其反应热是否等于体系内能的变化？为什么？
提示：否。因为反应产生气体使体系体积发生改变，有体积功存在，ΔU＝Q＋W。
通过本情境素材中从宏观角度、微观角度分析化学反应能量变化的原因，以及对内能变化与反应热的关系的分析，提升了“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
1．(素养题)2020年3月9日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第54颗导航卫星。卫星顺利进入预定轨道。卫星发射中涉及许多的化学反应与能量变化。下列说法不正确的是(　　)
A．反应热既包括放热反应放出的热量，又包括吸热反应吸收的热量
B．化学反应可分为吸热反应和放热反应
C．化学反应中的能量变化多少与反应物的量有关
D．化学反应中的能量变化都是以热能形式表现出来的
D　[化学反应中的能量变化主要是化学能与热能之间的转化，但化学能也可以转化为光能、电能等。]
2．下列反应中反应产物总能量高于反应物总能量的是(　　)
A．碳酸钙受热分解
B．乙醇燃烧
C．Al与Fe2O3反应
D．CaO溶于水
A　[反应产物总能量高于反应物总能量的反应为吸热反应，B、C、D三项反应均为放热反应。]
3．下列变化为放热的化学反应的是(　　)
A．H2O(g)===H2O(l)
B．2HI(g)===H2(g)＋I2(g)
C．形成化学键时共放出能量862
kJ的化学反应
D．能量变化如图所示的化学反应
D　[A项不属于化学反应；B项为吸热反应；C项中化学反应是放热反应还是吸热反应取决于断开反应物中的化学键吸收的能量与形成反应产物的化学键放出能量的相对大小，该项说法无法确定该反应是放热反应还是吸热反应。]
4．(双选)如图为N2(g)和O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化，下列说法中正确的是(　　)
A．1
mol
N2(g)和1
mol
O2(g)反应吸收的能量为180
kJ
B．1
mol
N2(g)和1
mol
O2(g)具有的总能量小于2
mol
NO(g)具有的总能量
C．通常情况下，N2(g)和O2(g)混合能直接生成NO
D．NO是一种酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成盐和水
AB　[反应热就是断裂旧化学键吸收的总能量和形成新化学键所放出的总能量的差值，所以该反应的反应热ΔH＝946
kJ·mol－1＋498
kJ·mol－1－2×632
kJ·mol－1＝＋180
kJ·mol－1，故该反应是吸热反应，选项A、B正确；氮气和氧气反应需要在放电条件下，选项C不正确；NO不是酸性氧化物，和氢氧化钠溶液不反应，选项D不正确。]
5．在测定中和反应的反应热的实验中，下列叙述错误的是(　　)
A．向量热计中加入盐酸，盖上杯盖，搅拌后的温度即为初始温度
B．实验中可使酸液或碱液稍微过量
C．向量热计中加入碱液时，碱液的温度应与酸液的温度相同
D．可以用KOH溶液代替NaOH溶液，浓硫酸代替盐酸
D　[可以用KOH溶液代替NaOH溶液，但不能用浓硫酸代替盐酸，因为浓硫酸溶于水时会放出热量，影响测定结果。]
6．实验室用50
mL
0.50
mol·L－1盐酸、50
mL
0.55
mol·L－1
NaOH溶液和如图所示装置进行测定中和热的实验得到下表中的数据。
实验次数
起始温度t1/℃
终止温度t2/℃
盐酸
NaOH溶液
1
20.2
20.3
23.7
2
20.3
20.5
23.8
3
21.5
21.6
24.9
请完成下列问题：
(1)实验时用搅拌器搅拌溶液的方法是______________，不能用铜丝搅拌棒代替搅拌器的理由是__________________________________________________
___________________________________________________________________。
(2)经数据处理，t2－t1＝3.4
℃。则该实验测得的反应热Q＝________。[盐酸和NaOH溶液的密度按1
g·cm－3计算，反应后混合溶液的比热容按4.18
J·(g·℃)－1计算]
[解析]　(1)对于本实验，让氢氧化钠和盐酸尽可能地完全反应是减小误差的一个方面，所以实验时用的反应搅拌器旋转上下搅动，同时可防止损坏温度计，做好保温工作是减小误差的另一个重要方面，所以用搅拌器而不用铜丝搅拌棒。
(2)Q＝－[100
g×4.18
J·(g·℃)－1×3.4
℃]＝－1
421.2
J。
[答案]　(1)旋转上下搅动　铜导热快，热量损失大　
(2)－1
421.2
J
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11第2课时　热化学方程式　反应焓变的计算
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1.通过热化学方程式与化学方程式的比较，理解热化学方程式的意义，能用热化学方程式表示反应中的能量变化。2.能通过生活中的事例类比，知道盖斯定律的含义，并能进行简单计算。
一、热化学方程式
1．概念
在热化学中，常用热化学方程式把一个化学反应中物质的变化和反应的焓变同时表示出来。
2．意义
热化学方程式不仅表明了化学反应中的物质变化，还表明了化学反应中的能量变化。
3．常用的聚集状态符号
g(气体)、l(液体)、s(固体)、aq(溶液)。
4．实例
已知在298
K时，由N2、H2反应生成1
mol
NH3(g)放热46.1
kJ，请将下列化学方程式写成热化学方程式：
H2＋N2===NH3：H2(g)＋N2(g)===NH3(g)　ΔH＝－46.1
kJ·mol－1；
3H2＋N2===2NH3：3H2(g)＋N2(g)===2NH3(g)　ΔH＝－92.2
kJ·mol－1；
NH3===H2＋N2：NH3(g)===H2(g)＋N2(g)　ΔH＝＋46.1
kJ·mol－1。
结论：①ΔH与化学系数对应成比例。
②反应逆向进行时，与正向相比，ΔH符号相反，绝对值相等。
微点拨：热化学方程式ΔH的单位中“mol－1”表示参加反应的各物质的物质的量的数值与化学方程式中各物质化学式前的系数相同。“每摩尔”不要理解为每摩尔具体物质，可以理解为“每摩尔反应”。
二、反应焓变的计算
1．盖斯定律
(1)定义：对于一个化学反应，无论是一步完成还是分几步完成，反应热都是一样的。
(2)盖斯定律的特点
①化学反应的焓变只与反应的始态和终态有关，与反应的途径无关。
②反应焓变一定。如图分别有三个途径：(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)。
则有ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝ΔH3＋ΔH4＋ΔH5。
微点拨：化学反应的焓变与反应的过程、条件无关。
2．盖斯定律的应用
(1)科学意义：对于无法或较难通过实验测定的反应的焓变，可应用盖斯定律计算求得。
(2)方法——“叠加法”
若一个化学反应的化学方程式可由另外几个化学反应的化学方程式相加减而得到，则该化学反应的焓变即为另外几个化学反应焓变的代数和。
三、能源
1．概念
自然界中，能为人类提供能量的物质或物质运动。
2．常见能源
常见能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能、核能、化石燃料等。
3．实现能源可持续发展的措施是“开源”；“节流”。
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)热化学方程式中各物质化学式前的系数代表分子数或物质的量。(　　)
(2)H2(g)＋O2(g)===H2O(l)和2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)的ΔH相同。(　　)
(3)相同条件下，等质量的S(s)和S(g)完全燃烧释放的热量不同。(　　)
(4)中，存在关系式：ΔH1＝ΔH2＋ΔH3。(　　)
提示：(1)×　热化学方程式中的系数只代表物质的量。
(2)×　同一反应的热化学方程式系数不同，ΔH不同。
(3)√　
(4)×　ΔH3＝ΔH1＋ΔH2。
2．下列对H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH(101
kPa、298
K)＝－184.6
kJ·mol－1的叙述正确的是
(　　)
A．1分子H2和Cl2反应，放出热量184.6
kJ
B．1
mol
H2(g)和1
mol
Cl2(g)完全反应生成
2
mol
HCl(g)，放出的热量为184.6
kJ
C．在101
kPa、298
K的条件下，1
mol
H2(g)和1
mol
Cl2(g)完全反应生成2
mol
HCl(g)，放出的热量为184.6
kJ
D．在101
kPa、298
K的条件下，1
mol
H2(g)和1
mol
Cl2(g)完全反应生成2
mol
HCl(g)，吸收的热量为184.6
kJ
C　[热化学方程式中ΔH的值与具体化学反应相对应，在反应中各物质前的化学系数不再表示微粒数目，只表示各物质的物质的量，A错误；在描述反应时应说明外界条件，而B中没有说明温度和压强，B错误；ΔH<0时，反应放热而非吸热，D错误。]
3．写出下列反应的热化学方程式。
(1)1
mol
C2H4(g)与适量O2(g)反应，生成CO2(g)和H2O(l)，放出1
411
kJ的热量。
__________________________________________________________________
(2)1
mol
Al(s)与适量O2(g)发生反应，生成Al2O3(s)，放出834.9
kJ的热量。
__________________________________________________________________
(3)23
g
C2H6O(l)和一定量的氧气混合点燃，恰好完全反应，生成27
g液态水和22.4
L
CO2(标准状况)并放出683.5
kJ的热量。
__________________________________________________________________
[答案]　(1)C2H4(g)＋3O2(g)===2CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－1
411
kJ·mol－1
(2)Al(s)＋O2(g)===Al2O3(s)ΔH＝－834.9
kJ·mol－1
(3)C2H6O(l)＋O2(g)===CO2(g)＋H2O(l)
ΔH＝－683.5
kJ·mol－1(其他合理答案也可)
热化学方程式的书写
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
请你认真分析以下三个热化学方程式：
①H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－285.8
kJ·mol－1
②H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－235
kJ·mol－1
③2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6
kJ·mol－1
1．对比①、②你得出什么结论？
提示：反应物和反应产物的聚集状态不同，焓变不同。
2．对比①、③你得出什么结论？
提示：热化学方程式中各物质化学式前的系数加倍，则ΔH的数值也加倍。
3．方程式中“”代表什么意义？
提示：“”代表物质的量为“
mol”。
4．热化学方程式与普通化学方程式的意义有什么不同？
提示：普通化学方程式只表明化学反应中的物质变化；热化学方程式不仅表明了化学反应中的物质变化，而且表明了化学反应中的能量变化。
1．“五步”突破热化学方程式的书写
2．热化学方程式书写“五注意”
(1)注意ΔH只能写在标有反应物和反应产物状态的化学方程式的右边，并用“空格”隔开。若为放热反应，ΔH为“－”；若为吸热反应，ΔH为“＋”。ΔH的单位一般为kJ·mol－1。
(2)注意反应热ΔH与测定条件(温度、压强等)有关。因此书写热化学方程式时应注明ΔH的测定条件。绝大多数ΔH是在25
℃、101
Pa下测定的，此时可不注明温度和压强。
(3)注意热化学方程式中各物质化学式前面的系数仅表示该物质的物质的量，并不表示物质的分子或原子数。因此各物质的系数可以是整数，也可以是分数。
(4)注意反应物和产物的聚集状态不同，反应热数值以及符号都可能不同。因此，必须注明物质的聚集状态(“s”“l”“g”或“aq”)才能完整地体现出热化学方程式的意义。热化学方程式中不用“↓”和“↑”。
(5)注意热化学方程式不是表示反应已完成的数量。由于ΔH与反应完成物质的量有关，所以方程式中化学式前面的系数必须与ΔH相对应。如果系数加倍，则ΔH也要加倍。当反应逆向进行时，其反应热与正反应的反应热数值相等，符号相反。
【例1】　(双选)根据如图所给信息，得出的结论正确的是(　　)
A．48
g碳完全燃烧放出热量为1
574
kJ·mol－1
B．2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　
ΔH＝－221.0
kJ·mol－1
C．2CO2(g)===2CO(g)＋O2(g)　
ΔH＝＋283.0
kJ·mol－1
D．C(s)＋O2(g)===CO2(g)　
ΔH＝－393.5
kJ·mol－1
BD　[A.根据图示可知，1
mol的C完全燃烧放出热量是393.5
kJ，则48
g碳也就是4
mol的碳完全燃烧放出热量为393.5
kJ·mol－1×4
mol＝1
574
kJ，错误；B.1
mol的C燃烧变为CO，放热为393.5
kJ－283.0
kJ＝110.5
kJ，则2
mol的C燃烧变为CO放出热量是110.5
kJ×2＝221.0
kJ，所以有热化学方程式2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH＝－221.0
kJ·mol－1，正确；C.根据图示可知1
mol的CO2比1
mol的CO和mol的O2的能量低283.0
kJ，则相应的热化学方程式是2CO2(g)===2CO(g)＋O2(g)　ΔH＝＋566.0
kJ·mol－1，错误；D.1
mol的固体C完全燃烧产生1
mol
CO2(g)放出热量为393.5
kJ，热化学方程式为C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－393.5
kJ·mol－1，正确。]
1．下列热化学方程式或叙述正确的是(　　)
A．1
mol液态肼在足量氧气中完全燃烧生成水蒸气，放出642
kJ的热量：N2H4(l)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝＋642
kJ·mol－1
B．12
g石墨转化为CO时，放出110.5
kJ的热量：2C(石墨，s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH＝－110.5
kJ·mol－1
C．已知：H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－286
kJ·mol－1，则：2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋572
kJ·mol－1
D．已知N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4
kJ·mol－1，则在一定条件下向密闭容器中充入0.5
mol
N2(g)和1.5
mol
H2(g)充分反应放出46.2
kJ的热量
C　[A.反应放热，ΔH<0，A错误；B.2
mol石墨即24
g石墨放出的热量是221.0
kJ，B错误；C.氢气燃烧放热，则水分解吸热，C正确；D.反应是可逆反应，不能计算放出的热量，D错误。]
2．化学反应N2＋3H2===2NH3的能量变化如图所示，该反应的热化学方程式是(　　)
A．N2(g)＋3H2(g)===2NH3(l)　ΔH＝2(a－b－c)
kJ·mol－1
B．N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g)　ΔH＝2(b－a)
kJ·mol－1
C．N2(g)＋H2(g)===NH3(l)　ΔH＝(b＋c－a)
kJ·mol－1
D．N2(g)＋H2(g)===NH3(g)　ΔH＝(a＋b)
kJ·mol－1
A　[由题图可以看出，
mol
N2(g)和
mol
H2(g)的化学键断裂需吸收的总能量为a
kJ，形成1
mol
NH3(g)放出的能量为b
kJ，所以有N2(g)＋H2(g)===NH3(g)　ΔH＝(a－b)
kJ·mol－1，而1
mol
NH3(g)转化为1
mol
NH3(l)放出c
kJ的热量，所以有N2(g)＋H2(g)===NH3(l)　ΔH＝(a－b－c)
kJ·mol－1，即N2(g)＋3H2(g)===2NH3(l)　ΔH＝2(a－b－c)
kJ·mol－1。]
3．完全燃烧m
g液态乙醇得到液态水时放出的热量为
a
kJ，经测定m
g乙醇与Na反应时最多可生成0.5
g
H2，则液态乙醇完全燃烧生成液态水的热化学方程式为(　　)
A．C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l)
ΔH＝－a
kJ·mol－1
B．C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l)
ΔH＝＋a
kJ·mol－1
C．C2H5OH(l)＋O2(g)===CO2(g)＋H2O(l)
ΔH＝＋a
kJ·mol－1
D．C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l)
ΔH＝－2a
kJ·mol－1
D　[根据相关的化学方程式进行计算
2C2H5OH＋2Na―→2C2H5ONa＋H2↑
2
mol
2
g
n(C2H5OH)
0.5
g
则有n(C2H5OH)＝0.5
mol，即m
g乙醇的物质的量为0.5
mol，其完全燃烧放出的热量为a
kJ，D项正确。]
利用盖斯定律计算反应焓变
(素养养成——变化观念与平衡思想)
如图表示始态到终态的反应焓变：
1．ΔH、ΔH1、ΔH2之间有什么关系？
提示：ΔH＝ΔH1＋ΔH2。
2．ΔH、ΔH3、ΔH4、ΔH5之间有什么关系？
提示：ΔH＝ΔH3＋ΔH4＋ΔH5。
3．由前两问焓变间关系可知Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种途径的焓变与途径有关吗？反应焓变与什么有关？
提示：反应焓变与反应的途径无关，只与反应体系的始态与终态有关。
　利用盖斯定律计算反应焓变的常用方法
(1)加和法
(2)虚拟途径法
①方法
先根据题意虚拟转化过程，然后根据盖斯定律列式求解，即可求得待求的反应热。
②举例
若反应物A变为反应产物D，可以有两个途径：
a．由A直接变成D，反应热为ΔH；
b．由A经过B变成C，再由C变成D，每步的反应热分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3。
如图所示：
则有：ΔH＝ΔH1＋ΔH2＋ΔH3。
【例2】　黑火药是中国古代的四大发明之一，其爆炸的热化学方程式为
S(s)＋2KNO3(s)＋3C(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3CO2(g)
ΔH＝x
kJ·mol－1
已知碳的燃烧热ΔH1＝a
kJ·mol－1
S(s)＋2K(s)===K2S(s)　ΔH2＝b
kJ·mol－1
2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s)　ΔH3＝c
kJ·mol－1则x为(　　)
A．3a＋b－c　
B．c＋3a－b
C．a＋b－c
D．c＋a－b
A　[碳的燃烧热ΔH1＝a
kJ·mol－1，其热化学方程式为C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH1＝a
kJ·mol－1……①，S(s)＋2K(s)===K2S(s)　ΔH2＝b
kJ·mol－1……②，2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s)
　ΔH3＝c
kJ·mol－1……③，将方程式3×①＋②－③得S(s)＋2KNO3(s)＋3C(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3CO2(g)，则ΔH＝x
kJ·mol－1＝(3a＋b－c)
kJ·mol－1，所以x＝3a＋b－c，故选A。]
[借题发挥]
(1)结合题目分析a＋b和c的大小关系是怎样的？
(2)反应S(s)＋2KNO3(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3O2(g)的反应热ΔH＝y
kJ·mol－1，则y是多少？
[答案]　(1)a＋b(2)S(s)＋2K(s)===K2S(s)　ΔH2＝b
kJ·mol－1……②，2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s)　ΔH3＝c
kJ·mol－1……③，将方程式②－③得S(s)＋2KNO3(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3O2(g)，则ΔH＝y
kJ·mol－1＝(b－c)
kJ·mol－1，所以y＝b－c。
1．已知：Fe2O3(s)＋C(s)===CO2(g)＋2Fe(s)　ΔH1＝＋234.1
kJ·mol－1；C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH2＝－393.5
kJ·mol－1；则2Fe(s)＋O2(g)===Fe2O3(s)的ΔH是(　　)
A．－824.4
kJ·mol－1
B．－627.6
kJ·mol－1
C．－744.7
kJ·mol－1
D．－169.4
kJ·mol－1
A　[已知热化学方程式Fe2O3(s)＋C(s)===CO2(g)＋2Fe(s)　ΔH1＝＋234.1
kJ·mol－1①；C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH2＝－393.5
kJ·mol－1②；由②×－①可得2Fe(s)＋O2(g)===Fe2O3(s)，ΔH＝ΔH2－ΔH1＝－824.35
kJ·mol－1≈－824.4
kJ·mol－1。]
2．在298
K、100
kPa时，已知：
C(s，石墨)＋O2(g)===CO2(g)
ΔH1＝－393.5
kJ·mol－1
2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)
ΔH2＝－571.6
kJ·mol－1
2C2H2(g)＋5O2(g)===4CO2(g)＋2H2O(l)
ΔH3＝－2
599
kJ·mol－1
则相同条件下时由C(s，石墨)和H2(g)生成1
mol
C2H2(g)反应的焓变ΔH4是
(　　)
A．－226.7
kJ·mol－1　
B．－326
kJ·mol－1
C．＋226.7
kJ·mol－1
D．＋326
kJ·mol－1
C　[据盖斯定律可知ΔH4＝＝＋226.7
kJ·mol－1。]
3．已知：
C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH1
CO2(g)＋C(s)===2CO(g)　ΔH2
2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)　ΔH3
4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)　ΔH4
3CO(g)＋Fe2O3(s)===3CO2(g)＋2Fe(s)　ΔH5
下列关于上述反应焓变的判断正确的是(　　)
A．ΔH1>0，ΔH3<0
B．ΔH2>0，ΔH4>0
C．ΔH1＝ΔH2＋ΔH3
D．ΔH3＝ΔH4＋ΔH5
C　[C或CO燃烧生成CO2均是放热反应，ΔH1<0，A错误；C与CO2反应生成CO是吸热反应，则ΔH2>0，Fe与O2反应生成Fe2O3是放热反应，ΔH4<0，B错误；将第2个热化学方程式和第3个热化学方程式相加可得第1个热化学方程式，所以由盖斯定律可知ΔH1＝ΔH2＋ΔH3，C正确；由盖斯定律可知ΔH3＝ΔH4＋ΔH5，D错误。]
运用盖斯定律计算反应热的3个关键
(1)热化学方程式的系数加倍，ΔH也相应加倍。
(2)热化学方程式相加减，同种物质之间可加减，反应热也要相应加减。
(3)将热化学方程式颠倒时，ΔH的正负必须随之改变。
1．下列热化学方程式书写正确的是(ΔH的绝对值均正确)(　　)
A．2SO2＋O22SO3
　ΔH＝－196.6
kJ·mol－1
B．H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－285.8
kJ·mol－1
C．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6
kJ
D．C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝＋393.5
kJ·mol－1
B　[逐项分析如下：
A
没标明物质的聚集状态
错误
B
符合书写要求
正确
C
ΔH的单位是kJ·mol－1
错误
D
放热反应ΔH为“－”，吸热反应ΔH为“＋”
错误
2．(双选)已知热化学方程式2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH1＝－571.6
kJ·mol－1，则关于热化学方程式2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g)　ΔH2的说法中正确的是
(　　)
A．方程式中物质前的系数表示分子数
B．该反应ΔH2>0
C．该反应ΔH2＝＋571.6
kJ·mol－1
D．该反应与上述反应属于可逆反应
BC　[方程式中物质前的系数表示物质的量；若反应逆向进行，则ΔH改变符号，但绝对值不变；可逆反应是在同一条件下同时向正、逆两个方向进行的反应，而题中这两个反应的反应条件不同。]
3．已知：2Zn(s)＋O2(g)===2ZnO(s)
ΔH＝－701.0
kJ·mol－1
2Hg(l)＋O2(g)===2HgO(s)
ΔH＝－181.6
kJ·mol－1
则反应Zn(s)＋HgO(s)===ZnO(s)＋Hg(l)的ΔH为(　　)
A．＋519.4
kJ·mol－1　　
B．＋259.7
kJ·mol－1
C．－259.7
kJ·mol－1
D．－519.4
kJ·mol－1
C　[给两个反应标号
①2Zn(s)＋O2(g)===2ZnO(s)　ΔH＝－701.0
kJ·mol－1
②2Hg(l)＋O2(g)===2HgO(s)　ΔH＝－181.6
kJ·mol－1
则所求反应可表示为(①－②)×1/2；
则其ΔH＝[(－701.0
kJ·mol－1)－(－181.6
kJ·mol－1)]×1/2＝－259.7
kJ·mol－1。]
4．298
K时，下列对热化学方程式“H2(g)＋I2(g)===HI(g)　ΔH＝＋26
kJ·mol－1”的叙述中，正确的是(　　)
A．在298
K时，1
mol氢气与1
mol碘蒸气完全反应需要吸收26
kJ的热量
B．在298
K时，1个氢分子和1个碘分子完全反应需要吸收52
kJ的热量
C．在298
K时，1
mol
H2(g)与1
mol
I2(g)完全反应生成2
mol的HI气体需吸收52
kJ的热量
D．在298
K时，
mol
H2(g)与
mol
I2(g)完全反应放出26
kJ的热量
C　[题中热化学方程式表示298
K时，
mol
H2(g)和
mol
I2(g)反应生成1
mol
HI(g)吸收26
kJ热量，故A、B项错误，C项正确；D项中应为吸收26
kJ热量。]
5．比较下列各组热化学方程式中ΔH的大小关系：
(1)CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH1
CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2
ΔH1________ΔH2(填“>”“<”或“＝”，下同)。
(2)4Al(s)＋3O2(g)===2Al2O3(s)　ΔH1
4Fe(s)＋3O2(g)===2Fe2O3(s)　ΔH2
ΔH1________ΔH2。
[解析]　(1)水蒸气变为液态水是放热过程，生成液态水的反应放出的热量多，但ΔH为负值，所以ΔH1<ΔH2。(2)两式相减得4Al(s)＋2Fe2O3(s)===2Al2O3(s)＋4Fe(s)　ΔH＝ΔH1－ΔH2，铝热反应很剧烈，是典型的放热反应，所以ΔH＝ΔH1－ΔH2<0，即ΔH1<ΔH2。
[答案]　(1)<　(2)<
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11第1课时　原电池的工作原理
发
展
目
标
体
系
构
建
1.能通过双液电池的实验探究活动，了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应式。2.能利用身边的材料设计简单的原电池。提升“科学探究和创新意识”的学科素养。
1．铜锌原电池实验探究
(1)实验装置
(2)实验现象
检流计指针
电极表面变化情况
(a)
发生偏转
锌片质量减少，铜片质量增加
(b)
发生偏转
锌片质量减少，铜片质量增加
(3)电极材料及电极反应
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
电池反应
Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋
电子流向
由锌极通过导线流向铜极
离子移向
阳离子移向正极，阴离子移向负极
盐桥作用
构成闭合回路，使离子通过，传导电流
微点拨：外电路中由电子的定向移动产生电流，而电解质溶液内部只有离子的定向移动，没有电子的移动。
2．原电池的工作原理
(1)原电池
①定义：能把化学能转化为电能的装置。
②电极名称及电极反应。
负极：电子流出的一极，发生氧化反应；
正极：电子流入的一极，发生还原反应。
③原电池的构成条件。
a．两个活泼性不同的电极(两种金属或一种金属和一种能导电的非金属)。
b．将电极插入电解质溶液。
c．构成闭合回路。
d．能自发发生的氧化还原反应。
(2)工作原理
外电路中电子由负极流向正极；内电路(电解质溶液)中阴离子移向负极，阳离子移向正极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)所有的氧化还原反应都可以设计成原电池。(　　)
(2)原电池中，负极材料一定比正极材料活泼。(　　)
(3)原电池工作时，负极发生氧化反应。(　　)
(4)原电池中，电流由负极经导线流向正极。(　　)
(5)铜锌原电池中，溶液中的阳离子移向锌极。(　　)
提示：(1)×　自发的氧化还原反应才能设计成原电池。
(2)×　原电池的负极材料不一定比正极材料活泼，如Mg－Al－NaOH(aq)原电池中，Al作负极。
(3)√
(4)×　原电池中，电流由正极经导线流向负极。
(5)×　铜锌原电池中，Cu2＋移向铜极。
2．下列说法正确的是(　　)
A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属
B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应
D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能
C　[构成原电池的电极材料可以是导电的非金属，如碳棒，所以A错。在原电池中电子流出的一极失电子被氧化，所以B错。粗锌中含有杂质Cu可形成铜锌原电池，所以C对。能量转化率不可能达100%，所以D错。]
3．下列反应不可用于设计原电池的是(　　)
A．CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
B．2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑
D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3
A　[自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，A为复分解反应。]
原电池的工作原理与电极判断
(素养养成——证据推理与模型认知)
甲　　　　　　　乙
1．打开甲、乙两装置中的K1与K2，检流计及锌片有何现象？
提示：检流计指针均不发生偏转，甲装置中锌片溶解且有气泡产生，乙装置中锌片上无明显变化。
2．闭合K1、K2，甲、乙装置中的检流计、铜片及锌片有何现象？
提示：检流计指针发生偏转，铜片上均有气泡生成，锌片均溶解。
3．乙中盐桥的作用是什么？
提示：离子在盐桥中能够定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流传导。
4．甲、乙两原电池中哪个工作效率高？
提示：乙电池工作效率高，甲电池中锌片和硫酸电解质溶液直接接触，少量锌会与硫酸直接反应，降低工作效率。
1．原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
2．原电池正负极的判断
3．原电池电极反应式书写的一般步骤
—
—
—
【例题】　(双选)某兴趣小组同学利用氧化还原反应：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O，设计如图原电池，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列说法正确的是(　　)
A．b电极上发生还原反应
B．外电路电子的流向是从a到b
C．电池工作时，盐桥中SO移向乙烧杯
D．a电极上发生的反应为MnO＋8H＋＋5e－===Mn2＋＋4H2O
CD　[依据总反应：Fe2＋―→Fe3＋，b电极上发生氧化反应，A错误；b电极上发生氧化反应，失去电子，电子流向为b―→a，B错误。]
原电池电极反应式在书写时应注意的问题
(1)电极反应常用“===”而不用“”连接。
(2)电极反应中若有气体生成，需加“↑”，弱电解质或难溶物均以化学式表示，其余以离子符号表示。
(3)必须遵循质量守恒、电荷守恒及正、负两极得失电子数相等的规律。
(4)原电池正、负两极的电极反应在得失电子数相等的情况下加和即得总反应(合二为一)；反之，总反应减去其中的一极反应可得另一极反应(一分为二)。
1．某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是(　　)
A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出
B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu
C．a和b用导线连接后，溶液中的Cu2＋向铜电极移动
D．a和b用导线连接后，Fe片上发生还原反应
D　[a和b不连接时，Fe与硫酸铜溶液发生置换反应，和b用导线连接时，形成原电池，Fe作负极，Cu作正极，以此解答该题。a和b不连接时，铁和铜离子发生置换反应，所以铁片上有铜析出，A正确；a和b连接时，该装置构成原电池，铜作正极，发生还原反应，铜离子得电子生成铜，电极反应式为Cu2＋＋
2e－===Cu，B正确；a和b用导线连接时，形成原电池，原电池溶液中阳离子移向正极，即溶液中的Cu2＋向铜电极移动，C正确；a和b连接时，该装置构成原电池，铁作负极，发生氧化反应，D错误。]
2．如图所示装置，检流计G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是稀硫酸
B．a是Cu，b是Zn，c是稀硫酸
C．a是Fe，b是Ag，c为AgNO3溶液
D．a是Ag，b是Fe，c为AgNO3溶液
D　[由题意，a极变粗，b极变细可知，b为负极，a为正极，溶液中阳离子在a极上得电子析出，应为金属盐溶液，a、b两金属活泼性b>a，所以A、B、C错，D正确。]
3．下列说法正确的是(　　)
A．原电池中，负极上发生的反应是还原反应
B．原电池中，电流的方向是负极—导线—正极
C．双液原电池中的盐桥是为了联通电路，所以也可以用金属导线代替
D．在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极
D　[A项，负极上发生氧化反应；B项，电流的方向应是正极—导线—负极；C项，盐桥不能用导线代替。]
原电池工作原理的应用
(素养养成——科学探究与创新意识)
1．将金属a、b用导线相连插入稀硫酸中，发现b上产生气泡，则a与b相比较，谁更活泼？
提示：a比b活泼。
2．实验室用稀硫酸与锌粒反应制取H2时常加入少量铜片，其目的是什么？
提示：加快制取氢气的反应速率。
3．已知2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，如何设计成原电池装置？
提示：根据氧化还原反应分析，Cu被氧化，为原电池的负极，则正极可为惰性电极或不如Cu活泼的金属，电解质溶液一定含Fe3＋。
1．比较金属活动性强弱
2．加快化学反应速率
构成原电池负极的反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，锌(负极)反应加快。
3．设计原电池
(1)理论上，自发的氧化还原反应，可以设计成原电池。
(2)外电路
负极—还原性较强的物质被氧化
　↓e－
正极—氧化性较强的物质被还原
(3)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。
1．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极质量增加
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＞d
B．b＞c＞d＞a
C．d＞a＞b＞c
D．a＞b＞d＞c
C　[由第一个装置a极质量减小，可知a极是负极，金属活动性a＞b，对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性b＞c，第三个装置的金属活动性d＞c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d＞a。]
2．100
mL
2
mol·L－1盐酸和过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的量，可采用的方法是(　　)
A．加入适量的6
mol·L－1的盐酸
B．加入数滴氯化铜溶液
C．加入适量蒸馏水
D．加入适量的氯化钠溶液
B　[加入适量的6
mol·L－1的盐酸会增加生成氢气的量，A不符合题意；加入数滴氯化铜溶液，锌置换出铜以后，会构成原电池，加快反应速率，B符合题意；加入适量蒸馏水或加入NaCl溶液，都会减小氢离子浓度，从而减慢了反应速率，C、D不符合题意。]
3．设计原电池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图(标出电极材料、电解质溶液)
负极：________，电极反应：_____________________________________；
正极：________，电极反应：_____________________________________。
[解析]　分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性差的金属或非金属(石墨等)作正极，负极选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液，正极选择含有Fe3＋的溶液作电解质溶液。
[答案]　见下图
Zn　Zn－2e－===Zn2＋
Pt　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
设计原电池的方法思路
(1)根据原电池总反应式确定正、负极反应式。
(2)根据正、负极反应式选择电极材料和电解质溶液。
(3)要形成闭合回路(可画出装置图)。
相同电极材料、不同电解质溶液电池反应的比较：
甲　　　　　　乙
1．甲、乙两原电池中Al电极都是正极吗？各有什么现象呢？
提示：(1)甲池中Al作正极，Al表面产生气泡。
(2)乙池中Al作负极，Al逐渐溶解。
2．请你写出甲、乙两池内发生的电池反应式及Al电极的反应式。
提示：(1)甲池反应式：Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑；
Al电极：2H＋＋2e－===H2↑。
(2)乙池反应式：2Al＋2OH－＋6H2O===3H2↑＋2[Al(OH)4]－；
Al电极：Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－。
3．判断原电池正、负极的最根本依据是什么？
提示：原电池原理从本质讲是氧化还原反应，故判断正、负极根本依据：发生氧化反应(失去电子)的一极是负极；发生还原反应(得到电子)的一极是正极。
通过分析本情境素材中两原电池的构成条件，正、负极等实验探究活动，培养了学生勤于实践、敢于质疑，勇于创新的精神，提升了学生“科学探究与创新意识”的学科素养。
1．下列叙述正确的是(　　)
①原电池是把化学能转化成电能的一种装置
②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应
③不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现
④碳棒不能用来作原电池的正极
⑤反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，能以原电池的形式来实现
A．①⑤
B．①④⑤
C．②③④
D．②⑤
A　[①原电池是把化学能转化成电能的装置，故正确；②根据原电池的工作原理，负极上失去电子，化合价升高，发生氧化反应，正极上得电子，化合价降低，发生还原反应，故错误；③原电池构成条件之一是自发发生氧化还原反应，故错误；④碳棒能导电，可以作正极，故错误；⑤可以让铜作负极，正极是石墨，电解质溶液为硝酸银溶液，组成原电池，故正确。]
2．(素养题)“暖宝宝”采用的是铁的“氧化放热”原理，使其发生原电池反应，铁粉在原电池中充当(　　)
A．正极
B．负极
C．阳极
D．阴极
B　[铁粉与活性炭作为原电池的电极，食盐水作为电解质溶液，加快铁粉的氧化，即铁粉失电子作负极。]
3．如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是(　　)
A．外电路的电流方向为X→外电路→Y
B．若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn
C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X>Y
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
C　[由图可知，电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向就为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y的强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。所以A、B、D错误，C正确。]
4．(双选)如图所示装置中，观察到检流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是
(　　)
M
N
P
A
铜
锌
硫酸铜溶液
B
铜
铁
氯化亚铁溶液
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
AC　[本题通过电极变化来确定电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，应为负极，N棒金属较活泼，M棒变粗说明M极上有固体析出。]
5．将Fe片和石墨用导线连接，一组插入稀H2SO4溶液中，一组插入FeCl3溶液中，分别形成原电池。
(1)在这两个原电池中，正极分别为________(填序号)。
A．石墨、石墨
B．石墨、Fe片
C．Fe片、Fe片
D．Fe片、石墨
(2)插入稀H2SO4溶液中形成的原电池的正极反应式为
_____________________________________________(用离子方程式表示)。
(3)插入FeCl3溶液中形成的原电池的电池总反应式为
_____________________________________________(用离子方程式表示)。
[解析]　当电解质溶液为稀H2SO4溶液时，原电池的总反应为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，则负极为Fe片，正极为石墨，正极反应式为2H＋＋
2e－===H2↑；当电解质溶液为FeCl3溶液时，原电池的总反应为Fe＋2FeCl3===3FeCl2，对应的离子方程式为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，负极为Fe片，正极为石墨。
[答案]　(1)A　(2)2H＋＋2e－===H2↑　
(3)2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋
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10第2课时　化学电源
发
展
目
标
体
系
构
建
1.通过搜集、观察生活中常见的化学电源，了解化学电源的分类。2．通过设计简单的燃料电池分析、体会化学电源的工作原理，电极构成及简单的电极反应式书写与判断。
1．化学电源的分类
2．常见电池
(1)锌锰干电池
项目
酸性锌锰干电池
碱性锌锰干电池
电极
锌筒作负极，石墨作正极
电解质
氯化铵和氯化锌
氢氧化钾
电极反应
负极
Zn－2e－===Zn2＋
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
正极
2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O
MnO2＋H2O＋e－===MnOOH＋OH－
电池反应
Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===
2NH3＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O
Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH
(2)铅蓄电池
①电极材料
②电解质溶液：H2SO4溶液。
③原理
④特点：性能优良，造价低，可多次充放电；单位质量储存的电能少。
(3)氢氧燃料电池
①原理(电极反应及电池反应)。
项目
酸性燃料电池
碱性燃料电池
电极
石墨电极材料
电解质
磷酸等酸性溶液
KOH溶液
电极反应
负极
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池反应
2H2＋O2===2H2O
②特点：能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。
微点拨：燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料(还原性气体或液体)和氧气分别在两极发生反应。
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)手机、电脑使用的电池为一次电池。(　　)
(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时，负极反应相同。(　　)
(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。(　　)
(4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。(　　)
(5)氢氧燃料电池的负极反应为H2－2e－===2H＋。(　　)
提示：(1)×　手机、电脑使用的是二次电池。
(2)×　酸性锌锰干电池负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，碱性锌锰干电池负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O。
(3)×　铅蓄电池放电时负极反应为充电时阴极反应的逆反应。
(4)√
(5)×　氢氧燃料电池在碱性环境中的负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O。
2．茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt－Fe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中(　　)
①铝合金是阳极　②铝合金是负极　③海水是电解液　④铝合金电极发生还原反应
A．②③　　　
B．②④　　　
C．①③　
D．①④
A　[电池电极只称为正、负极，故①错。其中活泼的一极为负极，即为铝合金，②对。电极在海水中，故海水为电解质溶液，③对。铝合金为负极，发生氧化反应，故④错。]
3．Zn－MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。
(1)该电池的负极材料是________。电池工作时，电子流向________(填“正极”或“负极”)。
(2)若ZnCl2－NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2＋，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是_____________________________________________________________
____________________________________________________________________。
欲除去Cu2＋，最好选用下列试剂中的________(填代号)。
A．NaOH
B．Zn
C．Fe
D．NH3·H2O
[解析]　(1)原电池的负极是发生氧化反应的一极：Zn－2e－===Zn2＋；电池工作时，电子是从负极流向正极。
(2)Zn与Cu2＋发生氧化还原反应，生成的Cu附着在Zn的表面构成铜锌原电池，加快反应速率，从而加快了Zn的腐蚀。
[答案]　(1)Zn(或锌)　正极
(2)锌与还原出的铜构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀　B
二次电池的工作原理
(素养养成——证据推理与模型认知)
一种充电电池的原料为H2，其电池反应为H2＋2NiOOH2Ni(OH)2，它具有比能量多等优点，常作为电动汽车、卫星等的电源。
1．该电池内电解质溶液呈酸性还是碱性？
提示：由H2→OH－知呈碱性。
2．放电时的电极反应式如何书写？
提示：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
3．充电时的电极反应式如何书写？
提示：阴极：2H2O＋2e－===H2＋2OH－
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
4．电池充电时，外电源的负极连接二次电池的哪个电极？
提示：负极或阴极。
1．二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。
2．当蓄电池充电时就是通直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。可简单记忆：负接负，正接正。
3．充电时发生的电极反应和电池反应是放电时发生的反应的逆过程。
【例题】　LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4。下列有关LiFePO4电池的说法正确的是(　　)
A．该电池可用H2SO4溶液作电解质溶液
B．该电池放电时，电池内部的Li＋向负极移动
C．该电池充电时，阳极的电极反应式为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋
D．在该电池的放电过程中，电池正极的质量逐渐减少
C　[H2SO4溶液作电解质溶液时，将会与Li发生反应，A项错误；该电池放电时，阳离子Li＋移向正极，B项错误；该电池充电时，阳极发生的是失去电子的氧化反应，C项正确；在该电池的放电过程中，正极上不断有LiFePO4生成，正极的质量逐渐增大，D项错误。]
[借题发挥]
(1)写出该电池放电时的正、负极反应式。
(2)该电池能用水作电解质溶液吗？为什么？
[答案]　(1)负极：Li－e－===Li＋；正极：FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4。
(2)不能。因为锂是活泼金属，可与水发生反应，故不能用水作电解质溶液，电解质可以为导电固体。
可充电电池电极反应式的书写方法
已知电池总反应式书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
1．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。关于标有“－”的接线柱，下列说法正确的是(　　)
A．充电时作阳极，放电时作正极
B．充电时作阳极，放电时作负极
C．充电时作阴极，放电时作负极
D．充电时作阴极，放电时作正极
C　[“－”接线柱放电时为原电池的负极，失去电子发生氧化反应，充电时与外接电源负极相连，作电解池的阴极，得到电子发生还原反应，C项正确。]
2．(双选)生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金栅架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　)
A．需要定期补充硫酸
B．放电时Pb是负极，PbO2是正极
C．放电时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4
D．放电时电解质溶液的密度增大
AD　[由电池反应式可知，不需要定期补充硫酸，A项错误；铅蓄电池放电时，相当于原电池，则发生氧化反应的电极是负极，发生还原反应的电极是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极，B项正确；放电时，负极上铅失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO结合生成PbSO4，电极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，C项正确；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也减小，D项错误。]
3．有一种电池，它的一个电极材料是NiO2(在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是＋2价的镍的化合物)，另一电极是铁，电解质溶液是21%的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是(　　)
A．此电池不用密封
B．铁是负极，放电时，铁失电子生成能自由移动的Fe2＋，负极反应是Fe－2e－===Fe2＋
C．放电时，正极反应为NiO2＋2e－===Ni2＋＋2O2－
D．放电时的总反应为Fe＋NiO2＋2H2O===Fe(OH)2＋Ni(OH)2
D　[因该电池的电解质溶液是KOH溶液，应防止与空气接触，否则KOH会与空气中的CO2发生反应生成K2CO3，所以A选项错误；在KOH溶液中，负极反应的产物是Fe(OH)2：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，正极反应为NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，因此B、C选项均错误。]
常见燃料电池的比较
(素养养成——证据推理与模型认知)
设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。
1．该电池放电时发生的化学方程式如何书写？
提示：该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应：C9H20＋14O2===9CO2＋10H2O。
2．该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？
提示：该电池的正极是氧气，得电子，电极反应式是O2＋4e－===2O2－。负极失去电子发生氧化反应。
3．固体电解质里的O2－的移动方向是怎样的？
提示：原电池中阴离子O2－向负极移动。
4．向外电路释放电子的电极为哪一极？
提示：负极。原电池中电子由负极流出，经外电路流向正极。
5．若用KOH溶液代替固体电解质，则放电时负极电极反应式如何书写？
提示：C9H20＋74OH－－56e－===9CO＋47H2O。
1．常见的四种典型燃料电池
名称
电解质
电极反应和总反应
氢氧燃料电池
KOH
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O总反应：2H2＋O2===2H2O
H2SO4
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O负极：2H2－4e－===4H＋总反应：2H2＋O2===2H2O
甲烷燃料电池
KOH
正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
甲醇燃料电池
KOH
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
肼燃料电池　
KOH
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
2．燃料电池的工作原理
一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。
3．书写燃料电池电极反应式的三步骤
——
——
——
1．氢氧燃料电池是一种能在航天飞机上使用的特殊电池，其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法中不正确的是(　　)
A．由于A、B两电极没有活动性差别，不能构成原电池
B．A电极是负极，电极上发生氧化反应
C．产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池
D．外电路中电流由B电极通过导线流向A电极
A　[A项，燃料电池中电极的活泼性可以是相同的，通入氢气的电极为负极，通入氧气的电极为正极，错误；B项，A电极通入的是氢气，H2为负极反应物，电极上发生氧化反应，正确；C项，氢氧燃料电池反应产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池，正确；D项，B电极是正极，则外电路中电流由B电极通过导线流向A电极，正确。]
2．燃料电池是一种利用能源物质的新形式，比如我们可用熔融的K2CO3作电解质，惰性材料作电极，一极通CH2===CH2，另一极通O2、CO2。下列说法中不正确的是(　　)
A．电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O
B．正极发生的电极反应为3O2＋6CO2＋12e－===6CO
C．负极发生的电极反应为CH2===CH2＋6CO－12e－===8CO2＋2H2O
D．通入乙烯的一极为正极
D　[燃料电池中可燃性气体作负极，D项错误；该燃料电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O，产物CO2、H2O均不与熔融的K2CO3反应，A项正确；正极O2得到电子生成O2－、O2－与CO2反应生成CO，B项
正确；总反应式减去正极反应式即为负极反应式，C项正确。]
3．用CH3OH气体代替H2作燃料，则得到甲醇燃料电池。
写出下列燃料电池的电极反应式和总反应方程式。
(1)CH3OH－NaOH溶液－O2构成的燃料电池：
负极反应式：____________________________________________________，
正极反应式：____________________________________________________，
总反应式：______________________________________________________。
(2)CH3OH－H2SO4溶液－O2构成的燃料电池：
负极反应式：____________________________________________________，
正极反应式：____________________________________________________，
总反应式：_____________________________________________________。
[答案]　(1)2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－　2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O
(2)2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
(1)酸溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO2。
(2)碱溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO。
1．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如图所示装置中，电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　)
A．Zn　　　
B．碳
C．MnO2和NH
D．Zn2＋和NH3
C　[Zn在负极上被氧化得到Zn2＋；MnO2、NH在正极上被还原得到Mn2O3、NH3。]
2．(双选)电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是(　　)
A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能
C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D．太阳能电池的主要材料是高纯度的单晶硅
CD　[选项A中Zn－Mn干电池中作负极的是Zn，石墨作电池的正极，只起导电的作用，被腐蚀的是Zn；选项B中氢氧燃料电池是把化学能直接转化为电能。]
3．可以将反应Zn＋Br2===ZnBr2设计成可充电电池，下列4个电极反应：
①Br2＋2e－===2Br－　
②2Br－－2e－===Br2
③Zn－2e－===Zn2＋　
④Zn2＋＋2e－===Zn
其中表示充电时的阳极反应和放电时的负极反应的分别是(　　)
A．②和③　　
B．②和①
C．③和①
D．④和①
A　[充电时的阳极和放电时的负极均发生氧化反应。]
4．(素养题)某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是(　　)
A．电子通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．每转移0.1
mol电子，消耗1.12
L的H2
D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极
D　[由电池总反应方程式及原电池原理可知，充入H2的一极即a极是负极，充入O2的一极即b极是正极；电子由负极经外电路流向正极；电池内部阳离子即H＋移向正极，正极即b极的电极反应式应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故A、B项错误，D项正确；C项没有指明标准状况，故C项错误。]
5．(1)直接以甲烷为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极反应式为___________________________________________________________________；
正极反应式为_______________________________________________________。
(2)熔融盐电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650
℃下工作的燃料电池，完成有关电池反应式。
阳极反应式：2CO＋2CO－4e－===4CO2；
阴极反应式：____________________________________________________
_______________________________________________________________；
电池总反应式：_________________________________________________。
[解析]　(2)本题中电池中的电解质是熔融物，而不是电解质溶液，但有自由移动的离子CO存在。原电池的反应原理实质是氧化还原反应中的电子转移，燃料电池总反应实质是一个燃烧反应。故阳极CO失去电子，而阴极应为O2得到电子，再与阴极助燃气CO2反应生成电解质阴离子CO。
[答案]　(1)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋　2O2＋8e－＋8H＋===4H2O　(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO　2CO＋O2===2CO2
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10第1课时　电解的原理
发
展
目
标
体
系
构
建
1.能通过对电解熔融氯化钠的探究，了解电解池的构成、工作原理，能正确书写电极反应式、电解反应式。2.通过对常见物质的电解产物的分析，归纳出电极放电规律。
1．电解熔融氯化钠实验
电极名称
铁电极
石墨电极
现象
铁片上产生银白色金属
石墨片周围有气泡产生
离子移动方向
阳离子(Na＋)移向铁电极
阴离子(Cl－)移向石墨电极
电极反应式
2Na＋＋2e－===2Na
2Cl－－2e－===Cl2↑
反应类型
还原反应
氧化反应
实验结论
2NaCl2Na＋Cl2↑
微点拨：电解质的导电过程是被电解的过程，属于化学变化；金属导电过程是电子的定向移动，属于物理变化。
2．基本概念
(1)电解：让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
(2)电解池
①定义：将电能转化为化学能的装置。
②构成条件：直流电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融的电解质并构成闭合回路。
(3)电极
阳极——发生氧化反应的电极(与电源正极相连)，
阴极——发生还原反应的电极(与电源负极相连)。
(4)电极反应
在电极上进行的半反应，可以用电极反应式表示。
3．电解池的工作原理
微点拨：(1)放电：离子在电极表面得到或失去电子的过程。
(2)水中存在平衡：H2OH＋＋OH－，当OH－和H＋的浓度改变时，平衡发生移动。
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)与电源正极相连的是电解池的阴极。(　　)
(2)用惰性电极电解NaCl溶液时可以得到Na和Cl2。(　　)
(3)电解池工作时，阳极发生还原反应，失去电子。(　　)
(4)电解池工作时，阳极上的电子通过电解质溶液移向阴极。(　　)
(5)电解AgNO3溶液时，Ag＋移向阳极，NO移向阴极。(　　)
提示：(1)×　电解池的阳极连接电源的正极。
(2)×　用惰性电极电解NaCl溶液得H2、Cl2、NaOH。
(3)×　电解过程中，阳极发生氧化反应。
(4)×　电解池中电子不通过电解质溶液。
(5)×　电解池中，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。
2．将下面的电极反应与对应的电极名称连线。
①Na＋＋e－===Na
②氧化反应　　　　　　　
A．阳极
③还原反应
④4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
B．阴极
[答案]　①—B　②—A　③—B　④—A
3．用石墨棒作阳极、铁棒作阴极电解熔融的氯化钠，下列说法正确的是
(　　)
A．石墨棒周围有大量的Na＋
B．铁棒质量增加
C．电子通过熔融电解质由石墨棒流向铁棒
D．阴极发生氧化反应
B　[阴离子移向阳极(石墨棒)，发生氧化反应2Cl－－2e－===Cl2↑，阳离子移向阴极，发生还原反应2Na＋＋2e－===2Na，A、D项错误，B项正确；电子不能通过熔融电解质，熔融的电解质是由于其内部自由移动的离子定向移动而导电的，C项错误。]
电极产物的判断　电极反应式的书写
(素养养成——宏观辨识与微观探析)
CuCl2溶液的电解
实验目的：以电解氯化铜溶液为例研究电解的基本原理。
实验步骤：在U形管中注入CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极(如图)，把湿润的淀粉碘化钾试纸放在与直流电源正极相连的电极附近，接通电源。
实验现象：阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色的铜，在阳极石墨棒上有刺激性气味气体产生，且使湿润的淀粉碘化钾试纸变成蓝色。
1．分析上述电解池工作时，电子的流向、离子的运动方向，并在上图的基础上，绘制出电解池工作时，是如何构成闭合回路的？
提示：接通外接电源后，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，阳离子向阴极移动，在阴极上得电子，发生还原反应，阴离子向阳极移动，在阳极上失去电子，发生氧化反应，电子由阳极流出，并沿导线流回电源的正极，如图所示。
2．根据上述实验现象分析，电解过程中在阴极、阳极上各发生什么反应？其电极反应式分别是什么？电解的总反应式是什么？
提示：氯离子在阳极上失去电子发生氧化反应，铜离子在阴极上得电子发生还原反应，电极反应式分别为
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)
阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)
总反应方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑
1．电解时电极产物的判断——“阳失阴得”
2．电解池的阴极、阳极的判断方法
3．电解池电极反应式及电解总反应式的书写步骤
书写步骤
具体操作
判断两极
阳极：与电源正极相连
阴极：与电源负极相连
判断反应微观粒子
活性电极：电极材料本身失电子
溶液中的较易得电子的阳离子反应
惰性电极：溶液中的较易失去电子的阴离子反应
书写电极反应式
活性电极：M－ne－===Mn＋
Mn＋＋ne－===M
惰性电极：mRn－－mne－===Rm
书写电解总方程式
根据得失电子数相等，将阴、阳极电极反应式相加得电解总反应式，注意若是水电离的H＋或OH－参与电极反应，写总反应式时要写成H2O
【例1】　如图所示，下列有关实验现象的描述正确的是(　　)
选项
a电极
b电极
X溶液
实验现象
A
石墨
石墨
CuCl2溶液
a极质量增加，b极放出无色气体
B
Fe
石墨
KNO3溶液
a极质量增加，b极放出无色气体
C
Fe
Cu
CuSO4溶液
a极质量增加，b极质量减少
D
石墨
石墨
HCl溶液
a极放出无色气体，b极放出无色气体
C　[a电极为阴极，得到电子，发生还原反应，b电极为阳极，失去电子，发生氧化反应。A项，a电极上有铜生成，质量增加，b电极上有黄绿色的氯气生成，A项错误；B项，a电极上有氢气生成，质量不变，b电极上有无色的氧气生成，B项错误；C项，a电极上有铜生成，质量增加，b电极为活泼电极，铜失去电子转化为铜离子，质量减少，C项正确；D项，a电极上有无色的氢气生成，b电极上有黄绿色的氯气生成，D项错误。]
【例2】　用如图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，阳极产生的ClO－将CN－氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确的是(　　)
A．用石墨作阳极，铁作阴极
B．阳极的电极反应式：Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O
C．阴极的电极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．除去CN－的反应：2CN－＋5ClO－＋2H＋===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋H2O
D　[石墨作阳极，为惰性电极，溶液中的Cl－放电，电极反应式：Cl－＋
2OH－－2e－===ClO－＋H2O，铁作阴极，在碱性环境下发生：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故A、B、C正确；D选项pH为9～10的碱性溶液不可能是H＋参加反应，离子反应应为2CN－＋5ClO－＋H2O===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋2OH－。]
(1)书写电解池中电极反应式时，可以用实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成化学式。
(2)书写两极电极反应式时，要确保两极得失电子数目相等。
(3)铁作阳极时，铁失去电子生成Fe2＋而不是Fe3＋。
(4)书写电极反应式时，要判断阳极溶解生成的阳离子是否和电解质溶液中的阴离子发生反应。
1．用惰性电极电解稀硫酸、Cu(NO3)2、NaCl的混合液，最初一段时间阴极和阳极上析出的物质分别是(　　)
A．H2和Cl2
B．Cu和Cl2
C．H2和O2
D．Cu和O2
B　[溶液中的离子有H＋、Cu2＋、Na＋及SO、NO、Cl－、OH－七种离子，得电子能力：Cu2＋＞H＋＞Na＋，失电子能力：Cl－＞OH－＞含氧酸根，所以电解初期阴极：Cu2＋＋2e－===Cu，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，故选B。]
2．如图所示装置为在直流电源的作用下电解CuSO4溶液的装置，其中A、B为石墨电极，a、b为电源的两极，当接通电源，通电一段时间后，将B电极取出，洗干净并干燥后称量，其质量增加了3.2
g，则：
(1)a电极为电源的________极。
(2)写出电极反应式：A极__________________，B极_________________。
(3)若使反应后的溶液恢复到原来状态，则应该加入________，加入________g。
[解析]　B电极质量增加，则B电极为电解池的阴极，阴极发生还原反应，铜离子得到电子转化为铜单质，阴极与电源的负极相连，因此b电极为电源的负极、a电极为电源的正极。A电极为电解池的阳极，发生氧化反应，水失去电子转化为氧气和氢离子。应补充氧化铜使电解质溶液恢复到原来状态，阴极析出的铜的质量为3.2
g，而氧化铜中铜的质量分数为80%，因此需要补充的氧化铜的质量为4.0
g。
[答案]　(1)正　(2)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
2Cu2＋＋4e－===2Cu
　(3)CuO　4.0
用惰性电极电解电解质水溶液的类型总结
(素养养成——证据推理与模型认知)
1．利用图中装置分别电解Na2SO4溶液、NaOH溶液和稀硫酸能产生装置中的现象吗？为什么？
提示：能。因为电解Na2SO4溶液、NaOH溶液、稀硫酸实质上都是电解水。阳极(A试管内)发生：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O；阴极(B试管内)发生：4H＋＋4e－===2H2↑。
2．利用图中装置分别电解饱和NaCl溶液、NaNO3溶液产生的现象相同吗？为什么？
提示：不相同。因为电解饱和NaCl溶液，阳极(A试管内)发生：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极(B试管内)发生：2H＋＋2e－===H2↑，若不考虑Cl2、H2的溶解，理论上气体体积相同；电解NaNO3溶液实质是电解水，阳极(A试管内)发生：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极(B试管内)发生：4H＋＋4e－===2H2↑，两者的体积比为1∶2。
类型
电极反应特点
例子
实际电解对象
电解质浓度
溶液pH
电解质溶液复原
电解电解质型
电解质的离子放电
HCl
HCl
减少
增大
加HCl
CuCl2
CuCl2
减少
—
加CuCl2
电解水型
阳极OH－放电，阴极H＋放电
NaOH
H2O
增大
增大
加H2O
H2SO4
H2O
增大
减小
加H2O
Na2SO4、KNO3
H2O
增大
不变
加H2O
放出氢气生成碱型
阴极H＋放电
NaCl
电解质和水
部分离子浓度减少　
增大
加HCl
KBr
加HBr
放出氧气生成酸型
阳极OH－放电
AgNO3
电解质和水
部分离子浓度减少
减小
加Ag2O
CuSO4
加CuO
【例3】　(双选)用惰性电极进行下列电解，有关说法正确的是(　　)
①电解稀硫酸　②电解Cu(NO3)2溶液　③电解KOH溶液　④电解NaCl溶液
A．通电进行一段时间后四份溶液的pH均增大
B．反应②中通电一段时间后，向溶液中加入适量的CuO固体可使溶液恢复到电解前的情况
C．反应③中阳极消耗OH－，故溶液浓度变小
D．反应④中阴、阳两极上气体产物的物质的量之比为1∶1
BD　[依据电解规律可知①为电解水型，②为放氧生酸型，③为电解水型，④为放氢生碱型，所以A、C错误；B项电解产物为Cu和O2，所以加氧化铜固体可恢复，正确；D项阳极产生Cl2，阴极产生H2，物质的量之比为1∶1，正确。]
[借题发挥]
(1)反应③④中需向溶液中加入什么物质可复原？
(2)反应②中如向溶液中加入Cu(OH)2可复原吗？
[答案]　(1)③加H2O、④加HCl。
(2)不可，因为Cu(OH)2和CuO相比，多了H2O，不能恢复到原浓度。
电解后溶液复原时遵循的原则
少什么(元素的种类及原子个数比)加什么(按所少元素原子个数比组合成一种新物质加入)。
1．下列各组中，每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是
(　　)
A．HCl、CuCl2、Ba(OH)2　　
B．NaOH、CuSO4、H2SO4
C．NaOH、H2SO4、Ba(OH)2
D．NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
C　[电解时只生成氧气和氢气，则电解质所含阳离子在金属活动性顺序表中位于铜之前，阴离子不是简单离子。]
2．用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为3∶1的CuSO4溶液和NaCl溶液的混合溶液，不可能发生的反应是(　　)
A．2Cu2＋＋2H2O2Cu＋4H＋＋O2↑
B．Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑
C．2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑
D．2H2O2H2↑＋O2↑
C　[CuSO4与NaCl物质的量之比为3∶1，电解的第一阶段为电解CuCl2，第二阶段可认为是电解CuSO4，第三阶段电解H2O。]
3．用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种物质(括号内物质)，能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)
A．KOH(KOH)　
B．HNO3(HNO3)
C．KCl(HCl)
D．AgNO3(H2O)
C　[A、B项中均逸出H2、O2，应加适量水；C项中逸出H2、Cl2，应通入HCl(g)；D项中产生O2、Ag，应加Ag2O。]
1807年，英国化学家戴维将铂电极插入熔融的氢氧化钾中并接通直流电源时，奇迹发生了，在阴极附近产生一种银白色的金属，随即形成紫色火焰。这就是发现钾元素的主要过程，在当时社会上引起轰动。
1．通电过程中能量的转化形式是什么？
提示：通电过程中电能转化为化学能。
2．通电过程中阴极发生反应的类型是什么？阳极发生反应的类型是什么？
提示：阴极钾元素的化合价降低，发生还原反应，则阳极发生氧化反应。
3．若将“熔融的氢氧化钾”换成KOH溶液，还能制得金属钾吗？为什么？
提示：不能。因为水溶液中存在H＋，H＋的放电顺序优先于K＋。
4．若将“铂电极”换成铜电极，电解KOH溶液，会得到什么产物？
提示：H2、Cu(OH)2。
通过本情境素材对电解过程中的电极、电解质的讨论，增强了学生科学探究与创新意识，也提升了“证据推理与模型认知”素养。
1．下列说法正确的是(　　)
A．电解KCl溶液时，阴极上的电极方程式为K＋＋e－===K
B．电解熔融NaCl的装置中，Na＋向阳极移动、Cl－向阴极移动
C．用石墨作电极电解熔融的MgCl2，会在阴极上析出单质镁，阳极上会有气体产生
D．在电解装置中，电子从阴极通过电解液流向阳极
C　[电解KCl溶液时，根据离子的放电顺序，阴极上应该H＋得电子，即
2H＋＋2e－===H2↑，A项错误；接通电源后阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，B项错误；用石墨作电极电解熔融MgCl2时，Mg2＋在阴极上得电子，被还原，得到单质Mg，Cl－在阳极失电子被氧化，得到Cl2，C项正确；电解池中，电子不能通过电极进入电解质溶液，D项错误。]
2．(双选)用惰性电极分别电解下列各物质的水溶液，一段时间后，向剩余电解质溶液中加入适量相应的溶质能使溶液恢复到电解前浓度的是(　　)
A．CuSO4
B．Na2SO4
C．CuCl2
D．HCl
CD　[电解CuSO4发生反应：2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，加CuO或CuCO3可恢复；电解Na2SO4的水溶液实际电解的是水。]
3．用惰性电极进行电解，下列说法正确的是(　　)
A．电解稀硫酸，实质上是电解水，故溶液的pH不变
B．电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH－，故溶液的pH降低
C．电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶2
D．电解氯化铜溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1
D　[A项，电解稀硫酸，实质是电解H2O，由于H2O的量减小，故c平(H2SO4)增大，溶液的pH降低；B项，电解NaOH溶液，实质是电解H2O，由于H2O的量减少，故c(NaOH)增大，溶液的pH升高；C项，电解Na2SO4溶液，实质是电解H2O，阳极产生O2，阴极产生H2，n(H2)∶n(O2)＝2∶1；D项，电解CuCl2溶液时，发生反应CuCl2Cu＋Cl2↑，阴极析出Cu，阳极产生Cl2，n(Cu)∶n(Cl2)＝1∶1。本题选D。]
4．(素养题)将如图所示实验装置的k闭合，下列判断正确的是(　　)
A．Zn电极上发生还原反应
B．片刻后盐桥中的Cl－向乙装置中移动
C．片刻后在a点滴加酚酞观察到滤纸变红色
D．片刻后在b点滴加淀粉－KI溶液观察到滤纸无变化
C　[该装置为原电池，Zn为负极，Cu为正极，Zn电极上发生氧化反应，A项错误；原电池中阴离子移向负极，即盐桥中的Cl－向甲装置中移动，B项错误；对于用饱和氯化钠溶液浸取的滤纸而言，相当于电解氯化钠溶液，其中a是阴极，发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，OH－不断增大，溶液呈碱性，酚酞遇碱变红，b是阳极，发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，氯气能使淀粉－KI溶液变蓝色，C项正确、D项错误。]
5．如图是一个用铂丝作电极，电解稀的MgSO4溶液的装置，回答下列问题：
(1)写出A管中发生反应的反应式：___________________________________
________________________________________________________________。
(2)写出B管中发生反应的反应式：___________________________________
________________________________________________________________。
(3)检验a管中气体的方法是_________________________________________
________________________________________________________________。
(4)通电一段时间后，切断电源，将电解液倒入烧杯内观察到的现象是
_______________________________________________________________。
[答案]　(1)2H＋＋2e－===H2↑，Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓
(2)4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
(3)用拇指按住管口，取出试管，靠近火焰，放开拇指，有爆鸣声，管口有蓝色火焰
(4)白色沉淀溶解(或大部分溶解)
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11第2课时　电解原理的应用
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建
1.通过对电解饱和食盐水、电解精炼铜、电镀等电解实例的认知，认识电解在实现物质转化和储存能量中的重要作用。2.通过讨论电镀工业对环境造成的影响，提升“科学态度与社会责任”的学科素养。
1．电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气
　向上述实验中滴入酚酞溶液，接通电源后，哪个电极附近溶液的颜色发生了变化？为什么？
提示：接通电源后，阴极区溶液变红色。原因：H2O电离出的H＋放电，水的电离平衡右移，使c(OH－)增大，即阴极区产生碱，使酚酞变红色。
2．铜的电解精炼
(1)装置
(2)粗铜成分
①主要成分：Cu。
②杂质金属：比铜活泼的有Zn、Fe、Ni等。
比铜不活泼的有Ag、Pt、Au等。
(3)电极反应
微点拨：(1)粗铜中含Zn、Fe、Ag等杂质，同时间段内两电极改变的质量不相等，但两电极通过的电量相等。
(2)电解过程中，阴离子浓度不变，Cu2＋浓度减小，Fe2＋、Zn2＋、Ni2＋浓度增大。
3．电镀
(1)定义：应用电解原理，在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。
(2)目的：增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品的外观。
(3)根据电解原理，设计在铁钉上镀铜的实验方案
电镀原理
阳极：Cu－2e－===Cu2＋阴极：Cu2＋＋2e－===Cu
电镀方案
电极材料
阳极：铜片阴极：铁钉
电镀液
CuSO4溶液
镀件
铁钉
微点拨：电镀的特点：“一多、一少、一不变”。
(1)一多：是指阴极上有镀层金属沉积；
(2)一少：是指阳极上有镀层金属溶解；
(3)一不变：是指电镀后，电解质溶液中的离子浓度保持不变。
4．钒液流电池
以全钒液流电池为例，酸性溶液中钒通常以V2＋、V3＋、VO2＋、VO等形式存在。充电时，VO2＋在阳极被氧化为VO，V3＋在阴极被还原为V2＋。以液流电池为代表的电化学储能技术可为可再生能源发电提供有力的支持，缓冲昼夜、季节的用电变化对电网的影响。
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)氯碱工业中，阳极区产生H2和NaOH。(　　)
(2)精炼铜装置中，粗铜作阴极，精铜作阳极。(　　)
(3)精炼铜过程中，电解质溶液中c(Cu2＋)不变。(　　)
(4)电镀装置中，镀件作阴极，待镀金属作阳极。(　　)
(5)电镀过程中，电解质溶液的浓度减小。(　　)
提示：(1)×　氯碱工业中，阴极区产生H2和NaOH，阳极区产生Cl2。
(2)×　精炼铜装置中，粗铜作阳极，精铜作阴极。
(3)×　精炼铜过程中，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。
(4)√
(5)×　电镀过程中，电解质溶液的浓度不变。
2．欲在金属表面镀银，应把镀件挂在电镀池的阴极。下列各组中，选用的阳极金属和电镀液均正确的是(　　)
A．Ag和AgCl溶液
B．Ag和AgNO3溶液
C．Fe和AgNO3溶液
D．Pt和Ag2SO4溶液
[答案]　B
3．粗铜的电解精炼如图所示。在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________(填图中的字母)；在电极d上发生的电极反应式为_________________；
若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解池中的存在形式和位置为_________
___________________________________________________________________。
[答案]　c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解液
电解原理的应用
(素养养成——证据推理与模型认知)
实验目的：模拟电解原理的应用。实验装置：如图所示：
1．若用如图所示装置，模拟氯碱工业，则电解质溶液c、电极a、电极b的电极材料分别是什么？电极反应式和总反应式分别是什么？用这种装置进行氯碱工业生产有什么缺点？如何改进？
提示：若用如图所示装置，模拟氯碱工业，则电解质溶液c是NaCl溶液、电极a、电极b的电极材料分别为Pt电极或石墨。电解时，阳极发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，电解的总反应式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。该装置的缺点是生成的NaOH和Cl2以及Cl2与H2容易混合反应。改进的方法是在两极之间加一个离子交换膜。
2．若用如图所示装置，模拟铁制品上镀铜，则电解质溶液c、电极a、电极b的电极材料分别是什么？电镀过程中电解质溶液的浓度如何变化？
提示：若用如图所示装置，模拟铁制品上镀铜，则电极a是Cu，电极b是铁制品，电解质溶液c是CuSO4溶液。电镀过程中电解质溶液的浓度不变。
3．若用如图所示装置，模拟电解精炼粗铜(含Zn、Fe、Ag等杂质)，则电解质溶液c、电极a、电极b的电极材料分别是什么？电极反应式分别是什么？电镀过程中电解质溶液中Cu2＋的浓度如何变化？
提示：若用如图所示装置，模拟电解精炼粗铜(含Zn、Fe、Ag等杂质)，则电解质溶液c为CuSO4溶液、电极a为粗铜、电极b的电极材料是纯铜。电解精炼过程中，阳极上发生的反应依次为Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Cu－2e－===Cu2＋，阴极上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，电镀过程中电解质溶液中
Cu2＋的浓度先减小后保持不变。
1．工业电解食盐水制备烧碱
工业电解食盐水制备烧碱时必须阻止OH－移向阳极，以使氢氧化钠在阴极溶液中富集，常用阳离子交换膜将两极溶液分开，使阳离子能通过阳离子交换膜，而阴离子不能通过。
如：氯碱工业中电解饱和食盐水的原理如图所示，可知溶液A的溶质是NaOH。
2．铜的电解精炼与电镀铜对比
电解精炼铜
电镀铜
电极材料
阴极
精铜
镀件
阳极
粗铜
纯铜
电极反应式
阳极
Cu(粗铜)－2e－===Cu2＋等
Cu－2e－===Cu2＋
阴极
Cu2＋＋2e－===Cu(精铜)
Cu2＋＋2e－===Cu
电解质溶液浓度的变化
Cu2＋减少，比铜活泼的金属阳离子进入溶液
电解质溶液成分及浓度均不变
3．常见活泼金属的电冶法
金属
电极反应式
总反应式
钠
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑阴极：2Na＋＋2e－===2Na
2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
铝
阳极：6O2－－12e－===3O2↑阴极：4Al3＋＋12e－===4Al
2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑
镁
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑阴极：Mg2＋＋2e－===Mg
MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑
【例1】　如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水的原理示意图(所用电极均为惰性电极)。下列说法不正确的是(　　)
A．从E口逸出的气体是H2
B．从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性
C．标准状况下每生成22.4
L
Cl2，便产生2
mol
NaOH
D．通电一段时间后加适量盐酸可以使电解液恢复到通电前的浓度
D　[由钠离子的移动方向可以确定左边电极为阳极，右边电极为阴极。阴极发生还原反应，氢气从E口逸出，B口应补充水，D口得到氢氧化钠浓溶液，A、B项正确。电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，当有1
mol氯气生成时，有2
mol氢氧化钠生成，C项正确。通电过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1∶1，因此补充适量的氯化氢气体可以使电解液恢复到通电前的浓度，D项错误。]
[借题发挥]
(1)如图所示，A、B、C、D、E、F表示的物质分别是什么？
(2)阳离子交换膜的作用是什么？
[答案]　(1)精制饱和食盐水、NaOH的水溶液、淡盐水、NaOH的浓溶液、H2、Cl2。
(2)既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。
1．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是(已知：氧化性Fe2＋A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－===Ni
B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋
D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt
D　[用电解法制备高纯度的镍时，用纯镍作阴极，粗镍作阳极，含Ni2＋的溶液作电解质溶液。其中阳极反应式：Zn－2e－===Zn2＋、Fe－2e－===Fe2＋、Ni－
2e－===Ni2＋；阴极反应式：Ni2＋＋2e－===Ni。因此电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加并不相等。电解质溶液中存在的阳离子有Zn2＋、Fe2＋、Ni2＋。阳极泥中只有Cu和Pt。]
2．如图中能验证饱和食盐水(含酚酞)的电解产物的装置是(下列各图中的电极均为惰性电极)(　　)
D　[电解饱和食盐水时，阳极产物是Cl2，阴极产物是H2、NaOH，根据图中的电子流向先确定装置中电源的正、负极，从而确定电解池的阴、阳极，然后判断电极产物以及检验方法，D选项符合题意。]
3．关于镀铜和电解精炼铜，下列说法中正确的是(　　)
A．都用粗铜作阳极、纯铜作阴极
B．电解液的成分都保持不变
C．阳极反应都只有Cu－2e－===Cu2＋
D．阴极反应都只有Cu2＋＋2e－===Cu
D　[A项电镀时镀件作阴极；B项电解精炼铜时电解液成分改变；C项电解精炼铜时，若有比铜活泼的金属杂质(如锌)，则阳极还会发生Zn－2e－===Zn2＋的反应。]
有关电解计算的方法
(素养养成——变化观念与平衡思想)
1．根据电子守恒法计算
用于串联电路中各电极产物的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。
2．根据总反应方程式计算
先写电极反应式，再写总反应方程式，最后根据总反应方程式计算。
3．根据关系式计算
根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的桥梁，得出计算所需的关系式。
【例2】　500
mL
NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)＝0.3
mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到1.12
L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为500
mL，下列说法正确的是(　　)
A．原混合溶液中c(Na＋)＝0.2
mol·L－1
B．电解后溶液中c(H＋)＝0.2
mol·L－1
C．上述电解过程中共转移0.4
mol电子
D．电解后得到的Cu的物质的量为0.1
mol
B　[阳极是阴离子放电(放电能力：OH－>NO)，根据题给信息，阳极一定是OH－放电，生成0.05
mol氧气，转移0.2
mol电子；阴极离子放电能力：Cu2＋>
H＋>Na＋，所以Cu2＋先放电，然后是H＋放电，阴极生成0.05
mol氢气时，转移0.1
mol电子，根据得失电子守恒知，Cu2＋转移0.1
mol电子，n(Cu2＋)＝0.05
mol。所以原溶液中n[Cu(NO3)2]＝0.05
mol，n(NO)＝0.3
mol·L－1×
0.5
L＝0.15
mol，n(NaNO3)＝0.05
mol。原混合溶液中c(Na＋)＝0.1
mol·L－1，A项错误；结合以上分析及电解总方程式Cu2＋＋2H2OCu＋H2↑＋O2↑＋2H＋可知，生成0.05
mol
Cu、0.05
mol
O2、0.05
mol
H2和0.1
mol
H＋，电解后溶液中c(H＋)＝＝0.2
mol·L－1，B项正确、D项错误；上述电解过程中共转移0.2
mol电子，C项错误。]
[借题发挥]
(1)上题电解后溶液中的溶质为________________。
(2)若为上述过程提供电能的是氢氧燃料电池，则消耗标准状况下的氢气的体积为________。
[解析]　(1)开始阶段电解Cu(NO3)2溶液，生成HNO3，后来电解水，溶质NaNO3不变。
(2)上述过程转移0.2
mol
e－，在燃料电池中也转移0.2
mol
e－，则消耗0.1
mol
H2，标准状况下的体积为2.24
L。
[答案]　(1)HNO3、NaNO3　(2)2.24
L
(1)电解混合溶液时要注意电解的阶段性，电极反应式和总电池反应式，电解产物与转移电子数之间的关系式是电化学计算的主要依据。
(2)当电流通过一个或多个串联的电解池时，它们皆处于同一闭合电路中，所以同一时间内通过的电子的物质的量相等。
1．用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液，当阴极上增重a
g时，在阳极上同时产生b
L氧气(标准状况)，从而可知M的相对原子质量为(　　)
A．
B．
C．
D．
C　[根据得失电子守恒列出物质间的对应关系，设M的相对原子质量为Mr。
Mx＋　～　xe－　～　O2
Mr
g
22.4×
L
a
g
b
L
解得Mr＝＝。]
2．如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂，在A池中加入0.05
mol·L－1的CuCl2溶液，B池中加入0.1
mol·L－1的AgNO3溶液，进行电解。a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是(　　)
A．2∶2∶4∶1　　
B．1∶1∶2∶1
C．2∶1∶1∶1
D．2∶1∶2∶1
A　[由电解规律可知：a、c为阴极，b、d为阳极。a极上析出Cu，b极上析出Cl2，c极上析出Ag，d极上析出O2。由电子守恒可得出：2e－～Cu～Cl2～2Ag～O2，所以a、b、c、d四个电极上所析出物质的物质的量之比为1∶1∶2∶＝2∶2∶4∶1。]
3．将两支惰性电极插入CuSO4溶液中，通电电解。
(1)当有1.0×10－3
mol的OH－放电时，溶液显浅蓝色，则在阴极上析出铜的质量是________。
(2)若溶液的体积为1
L，忽略溶液体积变化，在标准状况下放出5.6
mL
O2时，溶液中c(H＋)是__________________________________________________。
[解析]　(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时，阴极电极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。当有1.0×10－3
mol的OH－放电时，此时转移电子为1.0×10－3
mol，则在阴极上析出Cu的质量为0.032
g。
(2)阳极：
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
4
mol　　　　　　　1
mol
n　　　　　　　
n＝1.0×10－3
mol，即消耗1.0×10－3
mol
OH－，生成
1．0×10－3
mol
H＋，
则c(H＋)＝＝1.0×10－3
mol·L－1。
[答案]　(1)0.032
g　(2)1×10－3
mol·L－1
1．下列图示中关于铜电极的连接，错误的是(　　)
A．铜锌原电池
B．电解精炼铜
C．镀件上镀铜
　D．电解氯化铜溶液
C　[A.原电池中易失电子的金属作负极，Cu、Zn、稀硫酸原电池中，锌易失电子作负极、Cu作正极，故A正确；B.电解精炼粗铜时，粗铜作阳极、精铜作阴极，硫酸铜溶液作电解质溶液，其连接正确，故B正确；C.电镀时，镀层作阳极、镀件作阴极，硫酸铜溶液作电解质溶液，其连接错误，故C错误；D.电解氯化铜溶液时，可以用石墨作阳极、铜作阴极，石墨连接电池正极、铜连接电池负极，故D正确。]
2．(双选)化学在生产和日常生活中有着重要的应用。下列说法正确的是
(　　)
A．铁表面镀锌，铁作阳极
B．工业上电解饱和食盐水的阳极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑
C．电解法精炼粗铜，用精铜作阴极
D．电解MgCl2饱和溶液，可制得金属镁
BC　[选项A，铁作阳极，铁要溶解，铁应该作阴极。选项B，Cl－在阳极失电子能力大于OH－，电解饱和食盐水时，Cl－在阳极失去电子变为Cl2。选项C，电解法精炼粗铜，用精铜作阴极，粗铜作阳极。选项D，电解MgCl2饱和溶液，发生的化学反应为MgCl2＋2H2OMg(OH)2＋Cl2↑＋H2↑，不会产生金属镁，电解熔融的MgCl2能制取单质镁，发生的反应为MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑。]
3．(素养题)如图所示，某同学设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿，然后平铺在一块铂片上，接通电源后，用铅笔在滤纸上写字，会出现红色字迹。据此，下列叙述正确的是(　　)
A．铅笔端作阳极，发生还原反应
B．铂片端作阴极，发生氧化反应
C．铅笔端有少量的氯气产生
D．a端是负极，b端是正极
D　[根据电解原理可知电极反应为
阴极：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)
若要能够出现“黑笔写红宇”的现象，必须是铅笔作阴极，这样铅笔附近产生的OH－会使酚酞溶液变红。
因此与铅笔相连的a端是直流电源的负极。]
4．串联电路中四个电解池分别装有0.5
mol·L－1的下列溶液，用惰性电极电解，连接直流电源一段时间后，溶液pH最小的是(　　)
A．KNO3溶液
B．NaCl溶液
C．AgNO3溶液
D．CuCl2溶液
C　[电解KNO3溶液一段时间后，溶液仍呈中性；电解NaCl溶液一段时间后，由于产生了NaOH，溶液呈碱性；电解AgNO3溶液一段时间后，由于产生了HNO3，溶液呈酸性；电解CuCl2溶液，H＋或OH－都没有放电，若CuCl2完全电解后，如果不考虑Cl2溶于水生成HCl和HClO，溶液呈中性，pH增大(实际上由于部分Cl2生成HCl、HClO，溶液呈酸性)。]
5．如图所示，甲、乙为相互串联的两电解池。
(1)甲池若为用电解原理精炼铜的装置，则A电极名称为________极，电极材料是________，电极反应式为___________________________________________
___________________________________________________________________，
电解质溶液可以是________________。
(2)乙池中Fe极电极反应式为______________________________________，
若在乙池中滴入少量酚酞试液，开始通电一段时间，Fe极附近呈________色。
[解析]　根据电解池的电极与外接电源的关系，A为阴极，B为阳极，Fe为阴极，C为阳极。又因为甲为精炼铜的装置，所以A电极材料是精铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，电解质溶液用含Cu2＋的溶液(如CuSO4溶液)。乙池中Fe极电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，在乙池中滴入少量酚酞试液，开始通电一段时间，由于水提供的H＋在阴极(Fe)放电，OH－越来越多，铁极附近呈红色。
[答案]　(1)阴　精铜　Cu2＋＋2e－===Cu　含Cu2＋的溶液(如CuSO4溶液)　(2)2H＋＋2e－===H2↑　红
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9第4节　金属的腐蚀与防护
发
展
目
标
体
系
构
建
1．通过讨论钢铁腐蚀的现象，认识金属腐蚀的本质，能用电化学腐蚀的原理解释金属腐蚀的现象。2．通过讨论日常生活中金属腐蚀的危害，能选择并设计防腐措施。
1．金属电化学腐蚀的原理
(1)金属腐蚀的定义和分类
(2)化学腐蚀和电化学腐蚀
金属腐蚀
化学腐蚀
电化学腐蚀
定义
金属与接触到的物质直接反应
不纯的金属在潮湿的空气或电解质溶液中形成原电池，发生氧化还原反应
现象
金属被腐蚀
较活泼金属被腐蚀
区别
无电流产生
有微弱电流产生
实质与联系
①实质：都是金属原子失去电子被氧化而损耗；②化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍
(3)钢铁的吸氧腐蚀和析氢腐蚀
类别
吸氧腐蚀
析氢腐蚀
条件
水膜酸性不强
水膜酸度较高
正极反应
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
2H＋＋2e－===H2↑
负极反应
Fe－2e－===Fe2＋
生成铁锈的反应
Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2、4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3、2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O
2．金属腐蚀的防护
(1)在金属表面覆盖保护层
①涂油漆等。
②镀抗腐蚀金属，如电镀等。
③镀膜，如烤蓝等。
(2)改变金属内部组成、结构等，如制成不锈钢。
(3)电化学防护
①牺牲阳极保护法。
利用原电池原理，在被保护的金属上连接更活泼的金属，使被保护金属成为正极。
②阴极电保护法也叫外加电流阴极保护法。
利用电解池原理，使被保护的金属连接电源的负极成为阴极。
3．电化学腐蚀原理的应用
(1)铁腐蚀原理的应用
①测定空气中氧气的含量；
②食品包装袋中以铁粉为主要成分的双吸剂，延长食物的保质期；
③制成一次性保暖贴，使用后其主要成分为炭粉、氯化钠固体、三氧化二铁固体以及含镁、铝的盐。
(2)微电解技术处理工业废水
―→电极产物活性强发生氧化还原反应去除污染
1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)金属被腐蚀的本质是M＋nH2O===M(OH)n＋H2↑。(　　)
(2)马口铁(镀锡铁)镀层破损后，首先是镀层被氧化。(　　)
(3)金属在一般情况下发生的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀。(　　)
(4)常温下，置于空气中的金属主要发生化学腐蚀。(　　)
(5)钢铁发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的正极反应式相同。(　　)
提示：(1)×　金属被腐蚀的本质是M－ne－===Mn＋。
(2)×　活动性：Fe＞Sn，故马口铁破损后形成Fe－Sn原电池，Fe作负极被氧化。
(3)√
(4)×　常温下，置于空气中的金属主要发生电化学腐蚀。
(5)×　钢铁发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的负极反应式相同。
2．铁制自来水管与下列材料做成的水龙头连接，自来水管锈蚀最快的是
(　　)
A．铁水龙头　
B．铜水龙头
C．塑料水龙头
D．陶瓷水龙头
B　[Fe－Cu形成原电池，Fe作负极加快其腐蚀。]
3．下列有关金属腐蚀的说法中正确的是(　　)
A．金属腐蚀指不纯金属与接触到的电解质溶液进行化学反应而损耗的过程
B．电化学腐蚀指在外加电流的作用下不纯金属发生化学反应而损耗的过程
C．钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀，负极吸收氧气，产物最终转化为铁锈
D．金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同，但电化学腐蚀伴有微电流产生
[答案]　D
金属的腐蚀
(素养养成——证据推理与模型认知)
实验1：将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入下图所示的具支试管中。一段时间后，观察导管中水柱和铁钉的变化。如图1。
图1　　　　　　　　图2
实验2：向100
mL烧杯中加入约50
mL饱和食盐水后，插入两个玻璃筒(无底)：将一个无锈铁钉和一个碳棒分别用导线与检流计连接后，再分别插入两个玻璃筒中。如图2。
1．实验1的实验现象是什么？铁钉为什么会生锈？说明什么问题？请分析变化的原因。
提示：实验1中导管中的水柱上升，铁钉生锈。说明该过程铁钉被腐蚀。铁钉发生的是吸氧腐蚀。
2．实验2的检流计的指针是否偏转？说明什么问题？若向实验2的插入碳棒的玻璃筒内滴入酚酞溶液，将会看到什么现象？说明什么问题？请写出相关电极反应式。
提示：检流计指针偏转。说明有电流通过。向碳棒一端加入酚酞，显红色。说明该极的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
3．若将实验1和实验2的溶液换为盐酸(均足量)。实验1存在哪些形式的化学腐蚀？实验2中是否有电流通过？写出相关电极反应式。
提示：若换为盐酸，则实验1中会发生铁与盐酸的化学腐蚀，同时也有电化学腐蚀。实验2中则发生电化学腐蚀。正极：2H＋＋2e－===H2↑，负极：Fe－2e－===Fe2＋。
1．金属的电化学腐蚀及其注意事项
(1)化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生，只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍，危害更大。
(2)析氢腐蚀和吸氧腐蚀取决于金属表面电解质溶液的酸碱性，实际情况中以吸氧腐蚀为主。
(3)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时，负极都是铁，失电子生成Fe2＋，而非Fe3＋。
(4)一般情况下，只有在金属活动性顺序中排在氢之前的金属才有可能发生析氢腐蚀。
2．金属腐蚀的快慢比较
(1)在同一种电解质溶液中，金属腐蚀由快到慢的顺序是电解池的阳极＞原电池的负极＞化学腐蚀＞原电池的正极＞电解池的阴极。
(2)在不同溶液中，金属在电解质溶液中的腐蚀＞金属在非电解质溶液中的腐蚀；金属在强电解质溶液中的腐蚀＞金属在弱电解质溶液中的腐蚀。
(3)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。
1．下列说法中正确的是(　　)
A．钢铁因含杂质而容易发生电化学腐蚀，所以合金都不耐腐蚀
B．原电池反应是导致金属腐蚀的主要原因，故不能用原电池原理来减缓金属的腐蚀
C．钢铁电化学腐蚀的两种类型的主要区别在于水膜的酸性不同，故而引起的正极反应也不同
D．无论哪种类型的腐蚀，其实质都是金属被还原
C　[钢铁中因含杂质，容易形成原电池，发生电化学腐蚀，但并不是所有合金都不耐腐蚀，如不锈钢，故A错误；原电池中，金属作正极时，可以避免腐蚀，故B错误；钢铁电化学腐蚀分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀，主要区别在于水膜的酸性不同，故C正确；金属被腐蚀，化合价升高，被氧化，故D错误。]
2．铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示，下列有关说法中不正确的是(　　)
A．此过程中铜并不被腐蚀
B．此过程中的正极反应式：2H＋＋2e－===H2↑
C．此过程中电子从Fe移向Cu
D．此过程中还涉及反应：4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3
B　[由题图可知，水中溶解了氧气，铜、铁和水构成了原电池，较活泼的金属作负极，发生吸氧腐蚀，则该原电池中铁作负极，铜作正极。原电池放电时，负极失电子容易被腐蚀，则此过程中铁被腐蚀，铜不被腐蚀，A正确；正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B错误；该原电池放电时，外电路中电子从负极铁流向正极铜，C正确；此过程中铁被腐蚀，负极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，亚铁离子和氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁不稳定，容易被空气中的氧气氧化生成氢氧化铁，反应的化学方程式为4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3，D正确。]
3．下列各种情况中，Fe片腐蚀速率由慢到快的顺序是(　　)
A．⑤②①③④
B．⑤①②④③
C．④②①③⑤
D．④③①②⑤
D　[根据装置图知，②③装置是原电池，在②中金属铁作负极被腐蚀，在③中金属铁作正极被保护，所以铁的腐蚀速率：②＞③；④⑤装置是电解池，④中金属铁为阴极被保护，⑤中金属铁为阳极被腐蚀，即铁的腐蚀速率：⑤＞④，根据电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐蚀措施的腐蚀，并且原电池的正极金属腐蚀速率大于电解池的阴极金属腐蚀速率，可知铁腐蚀速率由慢到快的顺序为④③①②⑤。]
金属的防护
(素养养成——科学态度与社会责任)
按如图所示连接好装置：往Fe电极区滴入2滴黄色K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液。
已知Fe2＋与[Fe(CN)6]3－反应生成带有特征蓝色的铁氰化亚铁沉淀：3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－===Fe3[Fe(CN)6]2↓。
1．检流计指针有何变化？为什么？
提示：检流计指针发生偏转。Zn－Fe－酸化的NaCl溶液形成原电池。
2．Zn、Fe两个电极上发生了什么反应？
提示：Zn电极：Zn－2e－===Zn2＋，Fe电极：2H＋＋2e－===H2↑。
3．在这种装置中有没有Fe2＋产生？说明了什么问题？
提示：没有。Fe被保护，Zn被腐蚀。
4．若用该方法对金属进行防护，则被保护金属作为原电池的哪个电极？若改用外加直流电源对金属进行防护，则被保护金属应与电源哪个电极连接？
提示：正极；负极。
1．金属的防护措施
2．金属的电化学防护
电化学防护
牺牲阳极保护法
外加电流阴极保护法
原理
原电池原理
电解原理
措施
被保护的金属作正极(阴极)，以一种活动性较强的金属作负极(阳极)
被保护的金属作阴极，惰性电极作辅助阳极，连上直流电源
应用
如锅炉内壁、船舶外壳、铁塔、铁管道装上若干锌块，可保护钢铁设备
如钢闸门、输送酸性溶液的铁管道等
示意图
1．下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是(　　)
A．水中的钢闸门连接电源的负极
B．金属护栏表面涂漆
C．汽车底盘喷涂高分子膜
D．地下钢管连接镁块
A　[水中的钢闸门连接电源负极，作阴极，阴极材料得电子被保护，所以属于使用外加电流的阴极保护法，故A正确；金属护栏表面涂漆是使金属和空气、水等物质隔离而防止生锈，没有连接外加电源，故B错误；汽车底盘喷涂高分子膜阻止了铁与空气、水的接触，从而防止金属的腐蚀，没有连接外加电源，故C错误；镁的活泼性强于铁，用牺牲镁块的方法来保护地下钢管，属于牺牲阳极保护法，故D错误。]
2．为了保护舰艇(主要是钢合金材料)，在舰体表面镶嵌金属块(R)。下列有关说法不正确的是(　　)
A．这种保护舰体的方法叫做牺牲阳极保护法
B．金属块R可能是镁或锌
C．海水呈弱碱性，舰艇在海水中易发生析氢腐蚀
D．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C　[在舰体表面镶嵌金属块(R)，这种保护方法利用原电池原理，需要金属块R比铁活泼，R作负极，钢铁作正极，这种方法叫作牺牲阳极保护法，A正确；金属块R比铁活泼，可能是镁或锌，B正确；钢铁材料在弱碱性海水中主要发生吸氧腐蚀，在强酸性溶液中才发生析氢腐蚀，C错误；吸氧腐蚀过程中，正极上发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D正确。]
3．下列对如图所示的实验装置的判断中错误的是(　　)
A．若X为碳棒，开关K置于A处可减缓铁的腐蚀
B．若X为锌棒，开关K置于A或B处均可减缓铁的腐蚀
C．若X为锌棒，开关K置于B处时，为牺牲阳极保护法
D．若X为碳棒，开关K置于B处时，铁电极上发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑
[答案]　D
取6根铁钉、6支洁净的试管及其他材料，准备如下图。
试管①放入一根铁钉，再注入蒸馏水，使铁钉和空气及水接触。
试管②的底部放入硅胶(是一种干燥剂)，再放入铁钉，用棉花团堵住试管口，使铁钉和干燥空气接触。
试管③先放入一根铁钉，趁热倒入煮沸的蒸馏水(赶出原先溶解在蒸馏水中的空气)浸没铁钉，再加上一层植物油，使铁钉不能与空气接触。
试管④中放入铁钉注入食盐水，使铁钉和空气及食盐水接触。
试管⑤放入相连的铁钉和锌片，注入自来水，浸没铁钉和锌片。
试管⑥放入相连的铁钉和铜丝，注入自来水浸没铁钉和铜丝。
把6支试管放在试管架上，几天后观察铁钉被腐蚀的情况。
1．上述6支铁钉是否均被腐蚀？
提示：①④⑥中的铁钉被腐蚀，②③⑤中的铁钉未被腐蚀。
2．从上述实验中可知引起和促进铁钉腐蚀的条件有哪些？
提示：铁钉存在的环境中有水、空气、电解质溶液、不活泼金属等杂质。
3．如何对金属进行防护？
提示：在金属表面覆盖防护层；形成原电池时被保护金属作正极，形成电解池时被保护金属作阴极等。
通过本情境素材中对金属腐蚀条件的探究，引导学生对金属防腐蚀措施的探讨，增强了学生对待生活生产中常见现象探究的“科学态度与社会责任”。
1．下列事实中，与电化学腐蚀无关的是(　　)
A．埋在潮湿土壤里的铁管比埋在干燥土壤里的铁管更易被腐蚀
B．在空气中，金属银的表面生成一层黑色物质
C．在电工操作中，铜导线和铁线不能放在一起使用
D．镀银的铁制品，镀层部分受损后，露出的铁表面易被腐蚀
B　[埋在潮湿土壤里的铁管更易形成原电池而发生腐蚀，A不符合题意；纯银久置表面变黑是由于金属银和空气中少量的H2S等发生反应，属于化学腐蚀，与电化学腐蚀无关，B符合题意；铜导线和铁线放在一起使用容易形成原电池而发生腐蚀，C不符合题意；镀银的铁制品，镀层部分受损后，易形成铁银原电池，使铁被腐蚀，D不符合题意。]
2．相同材质的铁在下列四种情况下不易被腐蚀的是(　　)
C　[A项，铁、铜和醋酸构成原电池，铁易失电子作负极，则铁加速被腐蚀；B项，食盐水作电解质溶液，铁炒锅和铁铲都是铁碳合金，符合原电池的形成条件，铁作负极，碳作正极，则铁加速被腐蚀；C项，铜镀层将铁球覆盖，使铁被保护，铁不易被腐蚀；D项，符合原电池的形成条件，酸雨作电解质溶液，铁作负极，则铁加速被腐蚀。综上所述，C项正确。
]
3．(素养题)我国某大城市2019年夏季多次降下酸雨。据环保部门测定，该城市整个夏季酸雨的pH平均值为3.2。在这种环境中的铁制品极易被腐蚀。对此条件下铁的腐蚀的叙述中不正确的是(　　)
A．此腐蚀过程有化学腐蚀也有电化学腐蚀
B．发生电化学腐蚀时，正极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－
C．在电化学腐蚀过程中有氢气产生
D．发生电化学腐蚀时，负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B　[金属铁的腐蚀中，金属铁可以和溶液中的氢离子直接发生化学腐蚀，铁制品中含有铁和碳，再加上酸性电解质环境，具备了原电池的构成条件，也会发生电化学腐蚀，故A正确；发生电化学腐蚀时，碳作正极，溶液中的氢离子得电子生成氢气，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故B错误、C正确；发生电化学腐蚀时，铁作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，故D正确。]
4．(双选)如图液面上浮着一个空心铁球，数天后可观察到的现象是(　　)
A．铁球表面出现红棕色锈斑
B．铁球表面出现黑色锈斑
C．量筒内水位下降
D．量筒内水位上升
AD　[由图示可知铁球表面发生吸氧腐蚀，生成红棕色锈斑，量筒内O2含量减少，故量筒内水位上升。]
5．如图所示，水槽中的试管内有一枚铁钉，放置数天观察。
(1)铁钉逐渐生锈，铁钉的腐蚀属于________腐蚀(填“化学”或“电化学”)。
(2)若试管内液面上升，则原溶液呈________，发生________腐蚀(填“析氢”或“吸氧”)，电极反应：负极为____________________________________
__________________________________________________________________，
正极为____________________________________________________________。
(3)若试管内液面下降，则原溶液呈________，发生________腐蚀(填“析氢”或“吸氧”)，电极反应：负极为___________________________________
____________________________________________________________________，
正极为______________________________________________________________。
(4)若溶液甲为水，溶液乙为海水，则铁钉在________(填“甲”或“乙”)溶液中腐蚀的速率较快。
[答案]　(1)电化学　(2)碱性、弱酸性或中性　吸氧　2Fe－4e－===2Fe2＋　O2＋2H2O＋4e－===4OH－　(3)较强的酸性　析氢　Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑　(4)乙
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10微项目
设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用
通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案，尝试利用原电池原理及焓变、盖斯定律等知识，分析、评价真实环境下化学反应中的能量转化与物质转化问题，并形成电源选择和氧气再生的基本思路。
通过分析载人航天器上的电源，了解真实化学电池的工作原理与装置结构，并形成分析化学电池的一般思路。
通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。
[必备知识]
1．载人航天器中的化学电池的特点：安全、可靠，并且需要单位质量输出的电能较高。
2．载人航天器中常用化学电池的种类：镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。
3．氢氧燃料电池的优势
(1)具有单位质量输出电能较高；
(2)运输成本低；
(3)反应生成的水可作饮用水；
(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。
项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池
[探究任务1]　载人飞船氢氧燃料电池使用存在的问题及解决思路。
“阿波罗”飞船的主电源是以KOH溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。
[思考]　
1．根据所学电化学知识画出该电池的工作原理示意图。
提示：
2．氢氧燃料电池的反应产物对该电池的工作效率有什么影响？
提示：根据电池反应：2H2＋O2===2H2O，可知电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。
3．该电池使用的氧气常用空气制备，由于制备工艺问题会使氧气中混有微量CO2，CO2的存在对电池有什么影响？
提示：CO2能与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。
4．如果你是电池设计员，针对(2)、(3)问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？
提示：要解决以上问题，在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，既为浓缩电解质溶液或补充电解质，也为方便更换被污染的电解质溶液；也可以更换离子导体，如使用酸性电解质溶液作为离子导体，避免电解质与二氧化碳反应；或采用固体材料离子导体，避免电解质被生成的水稀释，同时将生成的水冷凝回收再利用；等等。
[探究任务2]　对培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池解决电池使用中存在的问题的认知。
一种培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图
(电池工作温度为200
℃)
质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图
[思考]　
1．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？
提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液。
②电解质溶液变质时更换电解质溶液。
2．若在上述两电池中加冷凝水接收装置，应该加在什么位置？
提示：培根型电池应加在负极(H2)一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极(O2)一侧的流场板气体出口处。
3．试分析评价两种电池解决电解质溶液稀释和变质问题的方案。
提示：通过分析可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子导体使问题从根本上得以解决。
[探究任务3]　“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理。
当飞船进入光照区时，太阳能电池为用电设备供电，同时为镍镉电池充电，电极反应为：
负极　Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
正极　2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
NiOOH常称氢氧化氧镍或碱式氧化镍，其中Ni为＋3价。
当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为：
负极　Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
正极　2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案
[思考]
1．研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？
提示：因载人航天器携带的物品有限，利用高压存储氧气、电解携带的水制备氧气等常规方法来获得氧气都难以满足长时间飞行对持续供氧的要求。
2．如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2?
提示：2H2O＋2Na2O2===4NaOH＋O2↑
2CO2＋2Na2O2===2Na2CO3＋O2
2H2O2H2↑＋O2↑
3．萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？应如何控制反应器内的温度？
已知：①H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH1＝－241.8
kJ·mol－1；②CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)　ΔH2＝－802.3
kJ·mol－1；③萨巴蒂尔反应为：
利用萨巴蒂尔反应的氧气再生方法
提示：根据盖斯定律，①×4－②得：
CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9
kJ·mol－1，故萨巴蒂尔反应为放热反应。为控制反应温度，一般将进入反应器的气体提前加热至反应温度。同时，反应器配有冷却装置，以便及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量，以及从反应器出来的气体带走的热量还可以继续利用。
1．探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路
——————
2．载人航天器中能量转化形式
3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。
1．已知：
①2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH＝－220
kJ·mol－1
②氢气燃烧的能量变化示意图：
下列说法正确的是(　　)
A．1
mol
C(s)完全燃烧放出110
kJ的热量
B．H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　
ΔH＝－480
kJ·mol－1　
C．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)
ΔH＝＋130
kJ·mol－1
D．欲分解2
mol
H2O(l)，至少需要提供4×462
kJ的热量
C　[1
mol
C(s)燃烧生成CO气体时放出110
kJ热量，此时不是完全燃烧，A项错误；根据氢气燃烧的能量变化示意图，可得热化学方程式②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝2×436
kJ·mol－1＋496
kJ·mol－1－4×462
kJ·mol－1＝－480
kJ·mol－1，故H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－240
kJ·mol－1，B项错误；根据盖斯定律由×(①—②)可得目标热化学方程式：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH＝＋130
kJ·mol－1，C项正确；由图中信息可知，分解2
mol
H2O(g)至少需要提供4×462
kJ的热量，而分解2
mol
H2O(l)需要提供的热量更多，D项错误。]
2．将二氧化碳转化为燃料是目前的研究热点，《科学》杂志曾报道的一种将CO2转化为烃和醇的装置如图所示。下列说法正确的是
(　　)
A．图中能量转化的方式只有1种
B．装置工作时，H＋向X极移动，Y极周围溶液的pH增大
C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－===2CH3OH＋3O2
D．若X极生成1
mol
C2H4和1
mol
CH3OH，电路中通过18
mol电子
D　[由图可知，存在太阳能转化为电能，电能转化为化学能的转化方式，故A错误；如图所示，X为阴极、Y为阳极，氢离子通过质子交换膜向阴极(X极)区移动，阳极(Y极)发生氧化反应：6H2O－12e－===12H＋＋3O2↑，所以Y极周围溶液的pH减小，故B错误；X极(阴极)上发生还原反应生成CH3OH的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，故C错误；2
mol
CO2生成1
mol
C2H4,1
mol
CO2生成1
mol
CH3OH，C元素化合价都是由＋4价降低为－2价，所以若X极生成1
mol
C2H4和1
mol
CH3OH，电路中通过的电子为3×[4－(－2)]mol＝18
mol，故D正确。]
3．用吸附了氢气的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A．充电时，阴极的电极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
B．放电时，负极的电极反应式：H2－2e－＋2OH－===2H2O
C．放电时，OH－移向镍电极
D．充电时，将电池的碳电极与外电源的正极相连
B　[接用电器时为原电池，电池放电，根据电子流向可知，碳电极为负极，镍电极为正极。充电时，阳极发生氧化反应，镍电极为阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项错误；放电时，负极上氢气失电子发生氧化反应，电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，B项正确；放电时，该电池为原电池，电解质溶液中阴离子向负极移动，所以OH－移向碳电极，C项错误；该电池充电时，碳电极附近物质要恢复原状，则应该得电子发生还原反应，所以碳电极作阴极，与电源的负极相连，D项错误。]
一、化学反应的热效应
[答案]　①＞　②＜　③＜　④＞　⑤kJ·mol－1或J·mol－1　⑥ΔH1＋ΔH2＋ΔH3　⑦聚集状态　⑧整数或分数　⑨符号和单位
二、电化学基础
[答案]　①活泼性不同　②电解质溶液　③还原反应　④相连的两个电极　⑤电解质溶液　⑥氧化反应　⑦还原反应　⑧化学　⑨电化学　⑩析氢　?吸氧　?牺牲阳极　?外加电流
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