【同步讲义】高中化学（苏教版2019）必修第二册--6.3.1 化学能转化为电能 讲义

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

知识点01  原电池的工作原理

1．实验探究

2．原电池的工作原理

（1）原电池的概念

将__________转化成__________的装置称为原电池，在原电池中发生的化学反应是__________反应。

（2）工作原理：以Zn－H2SO4－Cu原电池为例

（3）能量转化过程：

原电池在工作时，______极失去电子，电子通过导线流向______极，溶液中氧化性物质__________此电子，发生__________反应，这样氧化反应和还原反应不断发生，_______极不断地失电子，失去的电子不断地通过导线流向_______极，被氧化性物质得到，闭合回路中不断有__________产生，也就形成了电流，__________能转变为__________能。

3．原电池的形成条件

（1）两个__________不同的电极。

（2）__________溶液。

（3）电极、导线和电解质溶液形成__________。

（4）自发进行的__________反应。

【即学即练1】下列有关原电池的说法正确的是（    ）

A．正极发生氧化反应，负极发生还原反应

B．电子在溶液中从负极流向正极

C．溶液中依靠阴阳离子的定向移动传递电荷

D．电流从负极经导线流向正极

【即学即练2】判断下列装置能否形成原电池，若能，请写出电极反应式和电池反应式：

知识点02  原电池工作原理的应用

1．加快氧化还原反应速率

如实验室用Zn和稀H2SO4(或稀HCl)反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4形成__________，加快了反应，使产生H2的速率加快。

2．比较金属的活动性强弱

原电池中，一般活动性强的金属为_______极，活动性弱的金属为_______极。

例如有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，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________。

3．设计原电池

已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般__________为负极材料(或在负极上被__________)，__________(电解质溶液中的阳离子)在正极上被__________。

例如，利用Cu＋2AgNO3= Cu(NO3)2＋2Ag的氧化还原反应可设计成如图所示的原电池，该原电池的电极反应式为：

负极(Cu)：______________________________ (__________反应)

正极(C)：______________________________ (__________反应)

【即学即练3】(1)根据Zn+CuSO4=Cu+ZnSO4，设计一个原电池，画出装置图，标明电极材料，并写出正、负极的电极反应式。

(2)根据Fe+2FeCl3=3FeCl2，设计一个原电池，画出装置图，标明电极材料，并写出正、负极的电极反应式。

知识点03  钢铁的电化学腐蚀

1．钢铁的电化学腐蚀原理

（1）电解质溶液：

在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一薄层水膜，水膜里含有少量_______、_______和________等。

（2）电极：

钢铁里的铁和少量碳形成了无数微小的__________，其中，负极为_______，正极为_______。

（3）电极反应式：

①负极______________________________，②正极______________________________。

（4）铁锈的形成：

①2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2    ②________________________________________

③Fe(OH)3脱水：铁锈主要成分__________。

2．电化学腐蚀

不纯的金属与电解质溶液接触，发生__________反应，__________金属失去电子而被氧化。

【即学即练3】在钢铁腐蚀过程中，下列五种变化可能发生的是(　　)

①Fe2＋转化为Fe3＋　②O2被还原　③产生H2  ④Fe(OH)3失水形成Fe2O3·xH2O　⑤杂质碳被氧化

A．只有①②     B．只有②③④    C．①②③④   D．①②③④⑤

考法01  原电池工作原理

1．原电池的工作原理

2．判断原电池的方法

一看本质：原电池反应是自发进行的氧化还原反应。

二看电极：具有两个活泼性不同的电极(燃料电池的电极一般都是惰性电极)。

三看溶液：电解质溶液(一般负极材料与电解质溶液反应)。

四看回路：电极、电解质溶液构成闭合回路。

3．原电池正、负极的判断方法

【典例1】下图是Zn和Cu组成的原电池示意图，某小组做完该实验后，在读书卡片上记录如下，卡片上描述合理的是(　　)

实验记录：①导线中电流方向：Zn→Cu ②Cu极变厚，发生还原反应 ③锌片变薄

实验结论：④Zn为正极，Cu为负极  ⑤正极反应式：Cu－2e－=Cu2＋，发生氧化反应  ⑥Cu2＋向Cu极移动，SO42-向Zn极移动

A．①②③    B．④⑤⑥        C．③④⑤    D．②③⑥

考法02  原电池的分析与设计

1．原电池反应的分析方法

原电池的分析一般采取以下步骤：

（1）确定装置中发生的氧化还原反应，并写出化学方程式。如果有多个反应发生，则选择最容易进行的那个反应为电池反应。

（2）将化学方程式改写成离子方程式。

（3）分析氧化还原反应的电子得失数目，并改写成电极反应式。

2．设计原电池的具体方法

（1）将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应：氧化反应和还原反应。

（2）选择电极材料和电解质溶液：要结合原电池的电极反应特点和两个半反应选择。

①电极材料的选择：一般选择较活泼的金属作负极，较不活泼金属或非金属导体作正极。负极一般能与电解质溶液或电解质溶液中溶解的物质反应。

②电解质溶液的选择：电解质溶液一般能与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的物质能与负极发生反应。

（3）按要求画出原电池装置图，作必要的标注，注意形成闭合回路。

【典例2】现有如下两个反应：

A．NaOH＋HCl=NaCl＋H2O      B．Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋

（1）根据上述两反应的本质，能设计成原电池的是_______(填序号)，其原因是

_______________________________________。

（2）将上述反应中能设计成原电池的反应设计成原电池。

①写出电极反应式及反应类型：

负极：______________________，________________；

正极：______________________，________________。

②画出装置图并标明电极材料与名称、电解质溶液、电子流向。

③若导线上通过电子0.1 mol，则正极质量增加________ g。

题组A  基础过关练

1．下列反应不可能是原电池反应的是（     ）

A．Fe + 2H+ = Fe2+ + H2↑           B．Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

C．2H2 + O2 = 2H2O               D．Cu + 2H+ = Cu2+ + H2↑

2．将纯锌片和纯铜片按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．两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C．甲中铜被氧化，乙中锌被氧化

D．产生气泡的速率甲比乙快

3．如图所示的装置中，M为活动性顺序位于氢之前的金属，N为石墨棒，关于此装置的下列叙述中，不正确的是(　　)

A．N上有气体放出

B．M为负极，N为正极

C．电解质溶液中H＋浓度减小

D．导线中有电流通过，电流方向是由M到N

4．下列装置中，属于原电池的是（    ）

5．如图装置中，明显有电流产生的是(　　)

6．实验室用锌片、铜片和AgNO3溶液组成了原电池，正极上发生的电极反应式为（     ）

A．2H+ + 2e- = H2↑                   B．Zn -2e- = Zn2+

C．2H2O + O2 + 4e- = 4OH-            D．Ag+ + e- = Ag

7．钢铁生锈过程发生如下反应：

①2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2  ②4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 ③2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O。下列说法正确的是（    ）

A．反应①、②中电子转移数目相等

B．反应①中氧化剂是氧气和水

C．与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀

D．钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀

8．把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为(　　)

A．a＞b＞c＞d   B．a＞c＞d＞b

C．c＞a＞b＞d   D．b＞d＞c＞a

9．钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe2＋＋4OH－。以下说法正确的是(　　)

A．负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋

B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－

C．钢铁被腐蚀最后生成的铁锈为Fe(OH)2

D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀

10．如图所示，将锌、铜通过导线连接，置于稀硫酸中。

（1）锌片上的现象是_____________，电极反应为_____________。

（2）铜片上的现象是__________，电极反应为______________。

（3）电流由_______经导线流向______，说明______为正极，______为负极。

（4）若反应过程中有0．2mol电子发生转移，则生成的氢气在标准状况下的体积为_____________。

（5）若将电解质溶液换成硫酸铜溶液，能否形成原电池？__________，若能，请写出电极反应式，若不能，请说明理由：___________________________________________

____________________________________________________。

11．利用化学反应：2FeCl3 +Fe=3FeCl2，选择适宜的材料和试剂，设计一个原电池。

可供选择的电极材料：铁棒、铜棒、石墨棒。

可供选择的电解质溶液：CuCl2溶液、FeCl2溶液、FeCl3溶液。

请填写下列空白：

（1）选用         做正极材料，          做负极材料，选用          做该原电池的电解质溶液。

（2）写出有关的电极反应式：

正极：                        ；负极：                        。

题组B  能力提升练

1．如图所示装置，电流计指针发生偏转，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

2．下列关于原电池的叙述中正确的是(　　)

A．正极和负极必须是两种不同的金属

B．电子流入的一极为正极

C．原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应

D．锌、铜和盐酸构成的原电池工作时，锌片上有6.5 g锌溶解，正极上就有0.1 g氢气生成

3．一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(　　)

4．由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。

根据实验现象回答下列问题：

(1)装置甲中负极的电极反应式是__________________________________________。

(2)装置乙中正极的电极反应式是__________________________________________。

(3)装置丙中溶液的pH变化是________。

(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是______________________________________。

5．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化学知识，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、____________、____________、耳机(或者电流计)(填写所缺的实验用品)。

 (3)实验装置如图。

(4)原电池设计及注意的问题：

①按如图所示装置连接好实验仪器，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生“嚓嚓嚓……”的声音。其原因是在原电池中，化学能转化为____________，在耳机中又由__________转化为声音这种能量；

②如果将装置中的耳机改为电流计，则________应该接电流计的负极，电极反应是________________________，发生了__________反应；________应该接电流计的正极，电极反应是______________，发生了__________反应。

题组C  培优拔尖练

1．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、Pt­Fe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中(　　)

①铝合金是正极　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．①②   D．①④

2．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(SO)

3．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丝，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)______(填字母序号)。

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：_____________________________________________。

4．实验是研究化学的基础，试回答以下问题：

(1)把一块纯净的锌片插入装有稀硫酸的烧杯里，可观察锌片上有气泡，再平行插入一块铜片(见图A)，可观察到铜片________(填“有”或“没有”)气泡产生。再用导线把锌片和铜片连接起来(见图B)，组成一个原电池，负极为______，正极的电极反应式为______________。

(2)如果烧杯中最初装入的是500 mL 2 mol·L－1的稀硫酸溶液，构成铜锌原电池(见图C，假设产生的气体没有损失)，当在标准状况下收集到11.2 L的氢气时，则此时烧杯内溶液中溶质的物质的量浓度分别为(溶液体积变化忽略不计)c(H2SO4) ＝________ mol·L－1，c(ZnSO4)＝______mol·L－1。

5．铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板和外伤止血剂等。

(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：__________________________________。

(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。

(3)某科研人员发现劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢，但在某些盐溶液中腐蚀现象明显。请从提供的药品：浓H2SO4、NaOH溶液、CuO、Cu中选择两种(蒸馏水可任选)，设计最佳实验，验证劣质不锈钢易被腐蚀。

有关反应的化学方程式：___________________________________________________________。

劣质不锈钢腐蚀的实验现象：___________________________________________________。