高中化学人教版必修2（练习）2_2_1 化学能转化为电能含解析 14页

第1课时　化学能转化为电能 目标导航]　1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，以及判断原电池的正、负极。3.会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。‎ 一、一次能源和二次能源 ‎1．能源按其来源可分为一次能源和二次能源。‎ 能源类别 定义 实例 一次能源 直接从自然界中取得的能源 太阳能、风能、地热能、潮汐能、原煤、石油、天然气等 二次能源 由一次能源经过加工、转换得到的能源 电能(水电、火电、核电)、蒸汽能、机械能等 ‎2.二次能源——火力发电 ‎(1)火力发电原理：首先通过化石燃料燃烧，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，然后带动发电机发电。‎ ‎(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。‎ ‎(3)火力发电弊端：①煤属于不可再生资源，用一点少一点，用煤发电会造成资源的浪费。‎ ‎②能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。‎ ‎③煤燃烧会产生有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等)，污染环境。‎ 议一议 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎(1)根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源(　　)‎ ‎(2)电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源(　　)‎ ‎(3)火力发电是化学能间接转化为电能的过程(　　)‎ ‎(4)水力发电是将化学能转化为电能的过程(　　)‎ 答案　(1)√　(2)√　(3)√　(4)×‎ 二、化学能直接转化为电能 ‎1．按要求完成下列实验，并填表 实验步骤 现象 解释或说明 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，而铜则不能 锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡，电流表指针发生偏转 锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流 两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，电流表指针不偏转 锌与稀硫酸反应，但导线中无电流 无现象 乙醇是非电解质，与Zn、Cu都不反应 ‎2.原电池 ‎(1)概念：是将化学能转变为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应。‎ ‎(2)构成条件 ‎①原电池反应必须是自发的氧化还原反应；‎ ‎②具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)；‎ ‎③两电极均插入电解质溶液中；‎ ‎④电解质溶液、电极、导线形成闭合回路。‎ ‎(3)原电池的工作原理 原电池总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。‎ ‎(4)能量转化过程：原电池在工作时，负极失电子，电子通过导线流向正极，被氧化性物质得到，闭合回路中形成电流，化学能转变为电能。‎ 议一议 ‎1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎(1)HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池(　　)‎ ‎(2)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中，电流表指针发生偏转(　　)‎ ‎(3)在铜—锌—稀硫酸原电池中，电子由锌通过导线流向铜，再由铜通过电解质溶液到达锌(　　)‎ ‎(4)原电池中阳离子向正极移动(　　)‎ ‎(5)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子(　　)‎ 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×‎ ‎2．原电池中作负极的一定是活泼金属，作正极的一定是不活泼金属吗？‎ 答案　不一定。在原电池中的两极可以都是活泼金属(如Zn－Fe－稀硫酸，Zn作负极)，也可以都是不活泼金属(如Cu－Ag－AgNO3，Cu作负极)也可以是一种金属和一种能导电的非金属(如Cu－C－AgNO3，Cu作负极)。‎ 一、原电池的工作原理 例1　如图所示，电流表指针发生偏转，同时A极质量减少，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、稀盐酸 C．C中阳离子向A极移动 D．A极发生氧化反应 解析　原电池中，负极金属失去电子，溶解，质量减小，故A极是负极，B极是正极，根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸，A、B正确；离子移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，D正确。‎ 答案　C 归纳总结 ‎1．原电池的工作原理 ‎(1)反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。‎ ‎(2)电子的移动方向：负极流出，经导线流向正极。‎ ‎(3)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。‎ ‎2．原电池正、负极的判断 变式训练1　如图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下，在卡片上描述合理的是(　　)‎ 实验后的记录：‎ ‎①Zn为正极，Cu为负极 ‎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H2为0.5 mol ‎⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋‎ A．①②③ B．③④⑤‎ C．④⑤⑥ D．②③④‎ 答案　B 解析　在该原电池中，Zn比Cu活泼，故Zn作负极，Cu作正极，电子由Zn流出经导线流向Cu片，负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故转移1 mol电子时，产生H2 0.5 mol，在溶液中H＋向正极移动，SO向负极移动，故①②⑥错误，③④⑤正确，选B项。‎ 二、原电池原理的应用 例2　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极质量增大 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 解析　装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失去电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，可知b比c活泼，且c位于金属活动性顺序表中氢的后面；装置三和四均形成原电池，易知d比c活泼，d比a活泼。因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，故选C。‎ 答案　C 归纳总结　原电池原理的应用 ‎(1)比较金属活动性 作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱。‎ ‎(2)改变化学反应速率 如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正、负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。‎ ‎(3)设计原电池 如：把Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋设计成原电池，可用Fe作负极，铜(或石墨)作正极，FeCl3溶液作电解质溶液。‎ ‎(4)保护金属设备 如：船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，在船体外壳焊接上比铁活泼的金属(如Zn)，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。‎ 变式训练2　100 mL 2 mol·L－1的盐酸与过量的锌反应，为加快速率，又不影响产生氢气的总量，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．加入适量的蒸馏水 D．加入适量的氯化钠溶液 答案　B 解析　能加快反应速率，但增加了产生氢气的总量，A错误；不影响H2的量，但稀释了盐酸，降低了反应速率，C、D错误；发生反应Cu2＋＋Zn===Zn2＋＋Cu，形成Cu－Zn原电池，加快了反应速率，B正确。‎ ‎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 答案　A 解析　①原电池是把化学能转化为电能的一种装置，①正确；②在发生反应时，原电池的正极要得到电子而发生还原反应，负极要失去电子而发生氧化反应，②错误；③铜与稀硫酸不能发生反应，若用铜作负极，碳棒作正极，稀硫酸作电解质溶液，组成原电池，此反应仍然不能发生，③错误；④因为碳棒可以用来作原电池的正极，④错误；⑤可以用铜作负极，碳棒作正极，AgNO3溶液作电解质溶液，组成原电池，此时即可发生反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，⑤正确。A正确。‎ ‎2．将纯锌片和纯铜片按下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．两个装置都构成了原电池 B．甲装置构成了原电池，乙装置没有构成原电池 C．两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生 D．产生气泡的速率甲比乙慢 答案　B 解析　甲中构成了铜锌原电池，锌作负极，失电子；铜作正极，氢离子在铜极上得电子，生成氢气；总反应式为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑。乙装置没有构成原电池，因为没有形成闭合电路。构成原电池后生成氢气的速率加快。‎ ‎3．X、Y、Z都是金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为(　　)‎ A．X>Y>Z B．X>Z>Y C．Y>X>Z D．Y>Z>X 答案　C 解析　根据原电池原理，负极的金属比正极活泼，可知Y>X，根据金属活动性顺序和置换反应原理，可知X>Z，故有Y>X>Z。‎ ‎4．已知金属锈蚀的原理是在潮湿空气中金属表面形成水膜，金属与杂质和水膜中溶解的电解质组成原电池，从而使金属锈蚀加快，下列制品的镀层损坏后，金属腐蚀速率最快的是(　　)‎ A．镀铝塑扣 B．食品罐头盒(镀锡铁盒)‎ C．白铁水桶(镀锌) D．镀银铜质奖章 答案　B 解析　在构成原电池反应中，被腐蚀的是较活泼的作负极的金属，根据金属活动顺序表， Zn、Al比Fe较活泼，Fe比Sn(锡)、Cu比Ag较活泼，而Fe比Cu活泼，故镀锡铁盒镀层破坏后腐蚀最快。‎ ‎5．现有如下两个反应：‎ ‎(A)NaOH＋HCl===NaCl＋H2O ‎(B)Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋‎ ‎(1)根据两反应本质，判断能否设计成原电池________________________________。‎ ‎(2)如果不能，说明其原因_____________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)如果可以，则写出正、负极材料、其电极反应式、反应类型(“氧化反应”或“还原反应”)：‎ 负极：________，________________，________。‎ 正极：________，________________，________。‎ 答案　(1)(A)不能，(B)可以　(2)(A)不是氧化还原反应，没有电子转移　(3)Cu　Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　碳棒、Ag、铂、金(任选一)　2Ag＋＋2e－===2Ag　还原反应 解析　(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，(B)是氧化还原反应且能自发进行。‎ ‎(3)根据电池反应式Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜不活泼的金属或能导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。‎ 基础过关]‎ 题组1　能源判断 ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎1．下列有关能源的说法错误的是(　　)‎ A．风能是人类通过风车等工具获取的能源，但属于一次能源 B．在即将到来的新能源时代，核能、太阳能、氢能将成为主要能源 C．月球土壤中含有丰富的质量数为3的氦，它可作为未来核能的重要原料 D．原电池把化学能直接转化为电能，所以由原电池提供的电能是一次能源 答案　D 解析　风能是直接从自然界中取得的能源，属于一次能源，原电池提供的电能是由化学能转化而得到的，不是直接获得的，属于二次能源，A正确，D错误；随着时代的发展，化石能源逐渐枯竭，所以新能源时代污染小的核能、太阳能、氢能将成为主要能源，B、C正确。‎ 题组2　原电池及正负极的判断 ‎2．下列装置可以构成原电池的是(　　)‎ 答案　C ‎3．按下图装置进行实验，若x轴表示流入正极的电子的物质的量，则y轴可以表示(　　)‎ ‎①c(Ag＋)　②c(NO)　③a棒的质量　④b棒的质量　⑤溶液的质量 A．①③ B．②④ C．①③⑤ D．②④⑥‎ 答案　A 解析　根据图中装置可判断，Fe、Ag、AgNO3构成的原电池中，活泼金属Fe为负极，Ag为正极，Fe和硝酸银之间发生氧化还原反应，所以银离子浓度减小，硝酸根浓度不变，①正确、②错误；在负极上金属铁本身失电子，即a棒质量减轻，③正确；正极b棒上析出金属银，即b棒质量增加，④错误；负极上金属铁本身失电子，正极Ag上析出金属银，所以溶液的质量是增加了Fe，但是析出了Ag，在转移电子数相等情况下，析出的金属质量多，所以溶液质量减轻，但不能为零，⑤错误。A正确。‎ ‎4.在如右图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的下列叙述不正确的是(　　)‎ A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大 B．a是正极，b是负极 C．导线中有电子流动，电子从a极到b极 D．a极上发生了氧化反应 答案　B 解析　显然，电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。因活泼性a>b(碳棒)，所以a为电池的负极，b为正极。电极反应式：‎ a(负)极：a－ne－===an＋(氧化反应)‎ b(正)极：nH＋＋ne－===H2↑(还原反应)‎ 由于正极放电消耗H＋，溶液中c(H＋)减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流表流向b极。‎ ‎5．某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。下列说法正确的是(　　)‎ A．正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－‎ B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成 C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变 D．当电路中转移0.01 mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子 答案　D 解析　根据电池总反应可以看出Cl2得电子，Ag失电子，所以在原电池中Cl2在正极上发生还原反应，Ag在负极上发生氧化反应。正极反应为Cl2＋2e－===2Cl－，A错误；因为电解质溶液为盐酸，所以负极上Ag失电子生成的Ag＋随即与附近的Cl－反应，B错误；用氯化钠代替盐酸后，电极反应不发生改变，C错误；当电路中转移0.01 mol e－时，负极生成0.01 mol Ag＋，由于Ag＋＋Cl－===AgCl↓，所以消耗掉0.01 mol Cl－，由于电荷守恒，同时有0.01 mol H＋通过阳离子变换膜转移至右侧溶液中，D正确。‎ 题组3　原电池工作原理及应用 ‎6.如右图所示装置，电流表指针发生偏转，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 答案　D 解析　A极逐渐变粗，说明A极为原电池的正极，溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出；B极逐渐变细，说明B极为原电池的负极，失去电子后变成离子进入溶液中。A和B中的反应为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，则A中A极变细，B中A极不变。C和D两项中的反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe(NO3)2，其中C中A极变细，D中A极变粗。‎ ‎7．一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(　　)‎ 正极 负极 电解质溶液 A Zn Cu CuCl2‎ B Cu Zn H2SO4‎ C Cu Zn CuSO4‎ D Zn Fe CuCl2‎ 答案　C 解析　由总反应式知，Zn被氧化作原电池的负极，符合条件的有B、C两项，电解质溶液中Cu2＋＋2e－===Cu，B选项中是2H＋＋2e－===H2↑，C正确。‎ ‎8．各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为(　　)‎ A．②①③④ B．④③①②‎ C．④②①③ D．③②④①‎ 答案　C 解析　②③④实质均为原电池装置。③中Fe为正极，被保护；②④中Fe为负极，均被腐蚀。但相对来说，Fe和Cu的金属活动性差别较Fe和Sn的差别大，故Fe－Cu原电池中的Fe被腐蚀得更快；①中不能构成原电池，仅发生化学腐蚀反应。‎ ‎9．利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池。‎ ‎(1)负极材料是________(写名称)，电极反应为________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)正极电极反应式为___________________________________________。‎ ‎(3)溶液中SO向________极移动。‎ 答案　(1)铜　Cu－2e－===Cu2＋　(2)O2＋4e－＋4H＋===2H2O　(3)负 解析　该氧化还原反应中还原剂为Cu，故负极是铜，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，氧化剂是O2，故正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，溶液中阴离子SO向负极移动。‎ 能力提升]‎ ‎10．根据下列事实：①A＋B2＋===A2＋＋B；②D＋2H2O===D(OH)2＋H2↑；③以B、E为电极与E的盐溶液组成原电池，电极反应为E2＋＋2e－===E，B－2e－===B2‎ ‎＋，由此可知A2＋、B2＋、D2＋、E2＋的氧化性强弱关系是_____________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　E2＋＞B2＋＞A2＋＞D2＋‎ 解析　由金属活动性的判断条件知，①中A＞B；②D是很活泼的金属；③中B＞E；所以金属性为D＞A＞B＞E，对应阳离子的氧化性恰好相反。‎ ‎11．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)。‎ 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：________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)D　(2)加入CuSO4溶液后，构成Fe－Ag原电池，铁溶解，质量减轻，Cu2＋在银圈上得电子，生成Cu沉积在其上，质量增加　(3)Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu 解析　加入CuSO4溶液后，构成Fe—Ag原电池，Fe失电子作负极，质量减轻，Cu2＋在正极银圈上得电子，生成金属铜沉积在上面使其质量增加。‎ 拓展探究]‎ ‎12．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下。‎ 编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针偏转方向 ‎1‎ Al、Mg 稀盐酸 偏向Al ‎2‎ Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu ‎3‎ Al、C(石墨)‎ 稀盐酸 偏向石墨 ‎4‎ Al、Mg 氢氧化钠溶液 偏向Mg ‎5‎ Al、Zn 浓硝酸 偏向Al 试根据上表中的实验现象回答下列问题：‎ ‎(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)是否相同____________(填“是”或“否”)。‎ ‎(2)对实验3完成下列填空：‎ ‎①铝为________极，电极反应式：______________________________________________。‎ ‎②石墨为________极，电极反应式：__________________________________________。‎ ‎③电池总反应式：____________________________________________。‎ ‎(3)实验4中铝作负极还是正极________，理由是__________________________。写出铝电极的电极反应式：‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)解释实验5中电流表指针偏向铝的原因：____________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素：________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)否　(2)①负　2Al－6e－===2Al3＋　②正　6H＋＋6e－===3H2↑　③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑‎ ‎(3)负极　在NaOH溶液中，活动性Al＞Mg　Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O ‎(4)Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中发生反应，被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Al是原电池的正极 ‎(5)①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液 解析　在这样的原电池中，相对较活泼的金属材料作负极。在稀盐酸中的活动性Mg＞Al、Al＞Cu。由实验1和2可知，原电池中电流表指针是偏向正极。在实验3‎ 中电流表指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极。化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋，盐酸中的H＋得到电子被还原为H2。在NaOH溶液中活动性Al＞Mg，则Al是负极，Mg是正极。Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流表指针偏向铝。 ‎