高中化学 第2章 化学反应与能量 第二节 第1课时 化学能转化为电能学案 新人教版必修2-新人教版高

第1课时 化学能转化为电能
1．能举例说明化学能转化成电能的实例并了解其应用。

2．理解原电池工作原理。

3．会写简单的电极反应式。

一、一次能源和二次能源
其中电能是应用最广泛、使用最方便、污染最小的二次能源。

二、化学能转化为电能
1．化学能转化为电能的两种方式 (1)火电(火力发电)：
化学能――→燃烧热能――→蒸汽机械能――→发电机
电能；缺点：污染环境、低效。

(2)原电池：将化学能直接转化为电能；优点：清洁、高效。

2．原电池 (1)实验：
锌片：溶解
负极
⎩⎪
⎨
⎪⎧
电极材料：Zn
电极反应：Zn失去电子，发生氧化反应
电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋
正极
⎩⎪
⎨
⎪⎧
电极材料：铜
电极反应：得到电子，发生还原反应
电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑
电池反应：2H＋＋Zn===Zn2＋＋H2↑
(3)电子的流向：电子由负极经导线流向正极。

(4)反应本质：原电池反应的本质是氧化还原反应。

1．(2018·宁夏育才中学期中)在下列能源中，属于二次能源的是( )
A．风力B．原煤
C．石油D．电力
解析：风力是直接取自自然界没有经过加工转换的资源，是一次能源，A错误；煤是直接从地下挖来的，是一次能源， B错误；天然气、原煤和石油是三大化石燃料，是一次能
源，C错误；我们生活中所使用的电力都是通过其他形式的能源转化而来的，是二次能源，D正确。

答案：D
2．(2018·宁夏育才中学期中)下列各装置中，能构成原电池的是( )
解析：原电池的构成条件：活泼性不同的两个电极、电解质溶液、闭合回路、自发的氧化还原反应，四个条件缺一不可。

A两个电极相同，不能构成原电池，A错误；B符合原电池构成要素，B正确；酒精为非电解质，不能构成原电池，C错误；不能形成闭合回路，D 错误。

答案：B
3．关于如图所示装置的叙述，错误的是( )
A．锌是负极，其质量逐渐减小
B．氢离子在铜表面被还原
C．电流从锌片经导线流向铜片
D．电子从锌片经导线流向铜片
解析：由图可知Zn为负极，其与H2SO4反应而溶解，Cu为正极，H＋在正极被还原为H2，电子从锌片经导线流向Cu，电流方向与电子流动方向相反，从Cu→Zn，故A、B、D三项正确，C项错误。

答案：C
原电池原理
1．原电池的概念
将氧化还原反应释放的能量直接转变为电能的装置叫原电池。

2．原电池的工作原理，电极名称及电极反应
原电池原理示意图：
3．原电池正负极的判断方法
4．原电池构成的条件
(1)有能够自发进行的氧化还原反应
没有氧化还原反应，就不可能有原电池，换句话说，任何氧化还原反应，理论上都可以
设计成原电池。

(2)有电解质溶液参与
电解质的作用主要有两个：一是导电，二是参与电极反应。

(3)有适当的电极材料，组成闭合回路
通常是用金属材料或石墨作电极(能与水剧烈反应的金属不能作电极，如钠等)。

电极的重要作用是提供电子转移的场所，使电极反应得以顺利进行。

金属可以参与电极反应(如铜锌原电池中的锌)，也可以不参与电极反应(如氢氧燃料电池中的铂电极)。

中学中常见的原电池大多是由活泼性不同的两种金属作电极，其中较活泼的金属作负极，它既作电极，又同时作还原剂。

(2018·辽宁六校协作体期中)某学习小组为研究电化
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．无论a和b是否用导线连接，铁片均溶解，溶液从蓝色逐渐
变成浅绿色
D．a和b用导线连接时，铁片上发生还原反应，溶液中SO2－4向铜电极移动
【解析】a和b不连接时，由于金属活动性Fe＞Cu，所以在铁片上会发生反应：Fe ＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，在铁片上有金属铜析出，A正确；a和b用导线连接时，形成了原电池，Cu作原电池的正极，在铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B正确；无论a和b是否连接，Fe都会失去电子，变为Fe2＋，而Cu2＋会得到电子变为Cu，所以铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色，C正确；a和b用导线连接后，铁作负极，铜作正极，铁片上发生氧化反应，溶液中硫酸根离子向铁电极移动，D错误。

【答案】 D
如图所示，两电极a为碳棒，b为铁片，若电流
表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则以下叙述正确的是( ) A．a为负极，烧杯中的溶液为稀硫酸
B．b为负极，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
C．a为正极，烧杯中的溶液为稀硫酸
D．b为正极，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
解析：由题意可知a为正极，b为负极，a极有气体产生，故电解质应为稀硫酸，故选C项。

答案：C
原电池原理的应用
1．比较金属的活动性强弱
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，即活动性：负极(金属)>正极(金属)。

2．加快氧化还原反应速率
实验室用Zn和稀H2SO4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形成原电池、加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。

也可以往溶液中滴入CuSO4溶液，Zn与CuSO4反应置换出Cu附着在锌片上形成原电池加快反应速率。

3．设计原电池
(1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。

(2)实例：以Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4为例
铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂，印刷电路腐蚀剂和外伤止血剂等。

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

(2)若将(1)中反应设计成原电池，请画出电池的装置图，分别标出正负极，并写出电极反应式。

负极反应____________________，正极反应________________________________。

【解析】FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的反应即是Fe3＋与Cu之间的氧化还原反应，故离子反应方程式为2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。

据此反应可知，氧化反应为Cu－2e－===Cu2＋，Cu失去电子作还原剂，Cu为负极；还原反应为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，Fe3＋在正极上得到电子被还原，故必须选择活泼性比铜弱的金属或惰性电极(如石墨)作正极。

因为电解质溶液中的阳离子得到电子，故电解质溶液必须是含Fe3＋的溶液，如FeCl3溶液。

【答案】(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(2)装置见下图Cu－2e－===Cu2＋2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(2018·南阳市第一中学月考)下列有关原电池的说法中，正确的是( )
A．铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，镁片较活泼，作负极
B．铝片和铜片用导线连接后插入浓硝酸中，铜作负极
C．镀锌铁和镀锡铁的镀层破损后，前者较易被腐蚀
D．将反应2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋设计为原电池，则可用锌片作负极，铁片作正极，FeCl3溶液作电解质
解析：铝片和镁片用导线连接后插入NaOH溶液中，铝可以与NaOH溶液反应，而镁片与NaOH溶液不反应，所以铝作负极，A错误；铝片和铜片用导线连接后插入浓硝酸中，铝发生钝化，铜能与浓硝酸反应，所以铜作负极，B正确；镀锌铁和镀锡铁的镀层破损后，前者锌铁形成原电池，锌作负极被腐蚀从而保护铁，而锡铁原电池，铁的活泼性强于锡，铁作负极易被腐蚀，所以后者较易被腐蚀，C错误；锌片作负极，铁片作正极，FeCl3溶液作电解质形成的原电池中，锌参与反应生成锌离子，与2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋的设计目标不符，D错误。

答案：B
1.下列关于能源的叙述正确的是( )
A．火力发电得到的电能是一级能源
B．石油是二级能源
C．天然气是一级能源
D．电解水产生的H2属于一级能源
解析：只有直接从自然界中取得的能源才属于一级能源，石油和天然气应是一级能源；火力发电得到的电能是由其他能源(如煤、石油等)产生的，属于二级能源；电解水产生的H2属于二级能源。

答案：C
2．(2018·西安市铁一中期中)在理论上可设计成原电池的化学反应是( )
A．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH>0
B．Ba(OH)2·8H2O(s)＋2NH4Cl(s)===BaCl2(aq)＋2NH3(g)＋10H2O(l) ΔH>0
C．CaC2(s)＋2H2O(l)===Ca(OH)2(s)＋C2H2(g) ΔH<0
D．CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH<0
解析：设计成原电池需要有自发进行的氧化还原反应，且为放热反应，故D正确。

答案：D
3．已知空气—锌电池的电极反应为
锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
碳棒：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

据此判断，锌片是( )
A．正极，被还原B．正极，被氧化
C．负极，被还原D．负极，被氧化
解析：由题给电极反应，锌片失电子化合价升高，故锌片为负极，发生氧化反应，选D。

答案：D
4.如图为番茄电池，下列说法正确的是( )
A．工作一段时间后，锌片质量会减轻
B．电池工作时，铜电极附近会出现蓝色
C．锌片失去的电子通过番茄汁流向铜电极
D．铜电极发生氧化反应
解析：由原电池形成的条件可知，此原电池中Zn为负极，Cu为正极，负极溶解，正极产生H2，Zn失去的电子通过导线流向Cu，Cu电极发生还原反应，故A项正确。

答案：A
5．(1)把一块纯净的锌片插入装有稀硫酸的烧杯里，可观察到锌片上有气泡，再平行插入一块铜片，可观察到铜片上________(填“有”或“无”)气泡产生，再用导线将锌片和铜
片连接起来，组成一个原电池，这时可观察到的现象是_________________________，正极的电极反应式为____________________________。

(2)某烧杯中最初装入的是500 mL 2 mol/L的稀H2SO4，构成铜锌原电池(假设产生的气体没有损失)，在标准状况下收集到5.6 L氢气，则此时烧杯内溶液中溶质的物质的量浓度应为________________
_________________________(溶液体积变化忽略不计)。

解析：铜片插入稀硫酸中时，二者不反应，没有气泡产生，但当把铜片和锌用导线相连插入稀硫酸中时，会构成原电池，铜作原电池的正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，锌作负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，故可观察到锌片逐渐溶解，铜片上产生气泡，电池总反应为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

当收集到5.6 L H2(标准状况)，即0.25 mol H2时，消耗的H2SO4
为0.25 mol，生成ZnSO4为0.25 mol, c(ZnSO4)＝0.25 mol
0.5 L
＝0.5 mol/L，c(H2SO4)＝
0.5 L×2 mol/L－0.25 mol
0.5 L
＝1.5 mol/L。

答案：(1)无锌片逐渐溶解，铜片上产生气泡2H＋＋2e－===H2↑(2)c(H2SO4)＝1.5 mol/L，c(ZnSO4)＝0.5 mol/L
1．(2018·长春外国语学校月考)下列关于原电池的叙述中，不正确的是( )
A．原电池的负极发生的反应是氧化反应
B．原电池的电极只能由两种不同的金属构成
C．原电池能将化学能转变为电能
D．原电池中电子流入的一极是正极
解析：原电池的负极失电子被氧化，发生氧化反应，A正确；构成原电池正负极的材料不一定是两种不同的金属，可能是非金属和金属，B错误；根据原电池的工作原理，原电池是将化学能转变为电能的装置，C正确；原电池放电时，电子转移的方向是从负极沿导线流
向正极，所以正极为电子流入的电极，D正确。

答案：B
2．下列对能量转化的认识中，不正确的是( )
A．电解水生成氢气和氧气时，电能主要转化为化学能
B．风力发电时，风能主要转化为电能
C．白炽灯工作时，电能全部转化为光能
D．煤燃烧时，化学能主要转化为热能
解析：电解水生成氢气和氧气的电解装置是将电能转化为化学能的装置，A正确；风力发电时，风能主要转化为电能，B项正确；白炽灯工作时电能转化为光能和热能，C项错误；物质的燃烧将化学能转化为热能和光能，主要是热能，D项正确。

答案：C
3．下列各组的电极材料和电解液，能组成原电池的是( )
A．锌片、石墨棒，稀硫酸B．铜片、银片，稀盐酸
C．锌片、铜片，CCl4D．铁片、铁片，稀硫酸
解析：A组可组成原电池；B组物质都不与HCl反应，不能组成原电池；C组物质都不与CCl4反应，不能发生氧化还原反应，无法组成原电池；D组物质两个电极活泼性相同，无法组成原电池。

答案：A
4．(2018·北京师大附中期中)一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，利用该反应设计成的原电池的正确组成是( )
B Zn Cu ZnCl2
C Cu Zn CuSO4
D Cu Zn ZnSO4
解析：根据反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu知，锌失电子，发生氧化反应，作原电池的负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，铜离子得电子发生还原反应，在原电池的正极发生反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，电解质溶液中含有铜离子，C正确。

答案：C
5．如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电
子流向如图所示，关于该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Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为Fe
C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y
解析：根据图片知该装置是原电池，外电路中电子从X电极流向Y电极，电流的流向与此相反，即Y→外电路→X，A项错误；原电池中较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，若两电极分别为Fe和碳棒，则Y为碳棒，X为Fe，B项错误；X是负极，负极上发生氧化反应；Y是正极，正极上发生还原反应，C项错误；原电池中较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，该原电池中X是负极，Y是正极，所以若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y，D项正确。

答案：D
6．(2018·西安市铁一中期中)X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中组成原电池，X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，W、Y相连时，W极发生氧化反应。

据此判断四种金属的活动顺序是( ) A．X>Z>W>Y B．Z>X>Y>W
C．X>Y>Z>W D．Y>W>Z>X
解析：在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子发生还原反应。

电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反。

X、Y相连时，X为负极，则活泼性X>Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z>W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X>Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则W>Y。

故金属的活泼性顺序是X>Z>W>Y。

答案：A
7．如图所示，A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀H2SO4。

(1)A中反应的离子方程式为___________________________。

(2)B中Sn极的电极反应式为___________________________；Sn极附近溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(3)C中先被溶解的金属是________，总反应式为________________________________。

比较A、B、C中铁被溶解的速率由快到慢的是____________。

解析：A中Fe直接与稀H2SO4接触，发生氧化还原反应，置换出H2；B中用Sn和Fe及稀H2SO4构成原电池，Fe作负极，Sn作正极，溶液中H＋在Sn表面上得到电子，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故Sn极附近溶液中的H＋的物质的量浓度减小，pH增大；C中由Zn和Fe，稀H2SO4构成原电池，Zn作负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，而使Zn逐渐溶解，Fe作正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，总反应式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

构成原电池可加快反应速率，故A、B、C中铁被溶解的速率由快到慢的是B>A>C。

答案：(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)2H＋＋2e－===H2↑增大
(3)Zn Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑B>A>C
8．由铜片、锌片和100 mL硫酸铜溶液组成的原电池工作一段时间后，铜片质量增加了
12.8 g ，且溶液恰好变为无色。

假设锌片上没有铜析出，试计算：
(1)锌片质量减轻了多少克？
(2)共有多少个电子流过外电路？
(3)原硫酸铜溶液的物质的量浓度是多少？
解析：溶液恰好变为无色，说明Cu 2＋已完全反应。

析出12.8 g Cu 为12.8 g 64 g/mol
＝0.2 mol ，据Cu 2＋＋2e －===Cu 知Cu 2＋得到电子数为0.2 mol×2＝0.4 mol ，其个数为0.4 mol×6.02×1023
mol －1＝2.408×1023。

Zn －2e －===Zn 2＋，由失电子0.4 mol 可计算参加反应的Zn 的物质的量
为0.2 mol ，其质量为0.2 mol×65 g/mol＝13 g 。

原CuSO 4溶液的物质的量浓度为0.2 mol 0.1 L
＝2 mol/L 。

答案：(1)13 g (2)2.408×1023 (3)2 mol/L
1．下列说法中正确的是( )
A ．任何化学反应都能设计成原电池
B ．原电池两极均发生还原反应
C ．原电池中的阳离子向负极移动
D ．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快
解析：氧化还原反应能设计成原电池，复分解反应中不存在电子转移，复分解反应不能设计成原电池，A 项错误；原电池负极上失电子而被氧化，正极上得电子发生还原反应，B 项错误；原电池放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动，C 项错误；把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，Zn 置换出Cu ，形成铜锌原电池，加快反应速率，所以气泡放出速率加快，D 项正确。

答案：D
2．如图所示，杠杆AB 两端分别挂有体积相同、质量相等的空心
铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验中不考虑两球的浮力变化)( ) A．杠杆为导体或绝缘体时，均为B端高A端低
B．杠杆为导体或绝缘体时，均为B端低A端高
C．当杠杆为导体时，B端低A端高；杠杆为绝缘体时，B端高A端低
D．当杠杆为导体时，B端高A端低；杠杆为绝缘体时，B端低A端高
解析：当杠杆为导体时，构成原电池。

由于金属活动性Fe>Cu，所以铁球是负极，失去电子，发生氧化反应，铁球质量减少。

铜球是正极，溶液中的铜离子在铜球一端得到电子析出，铜球质量增加，杠杆B端低A端高；当杠杆为绝缘体时，铁与硫酸铜溶液发生置换反应生成铜和硫酸亚铁，铁球的质量增加，铜球的质量不变，因此当杠杆为绝缘体时，B端高A 端低，故选C项。

答案：C
3．一位患者镶了两颗假牙，其中一颗是黄金的，另一颗是不锈钢的。

自镶上假牙后，他时感头疼，心情烦躁，多次治疗未见好转。

如果你是医生，下列方法不能治疗其疾病的是( )
A．将金假牙改为铝质假牙
B．将两颗假牙都做成不锈钢的
C．将两颗假牙都做成黄金的
D．将两颗假牙都做成特殊树脂的
解析：患者的情况说明是由于两颗假牙与口腔中电解质形成了原电池，两个假牙作电极，若将金假牙改为铝质，仍能形成原电池，不能治疗其疾病，而B、C、D项调换后不再形成原电池，可治疗其疾病，故选A。

答案：A
4．(2018·玉溪第一中学月考)下图装置中，a为活动性比氢强的金属，b为碳棒，关于
此装置的叙述不正确的是( )
A．碳棒上有气体放出，溶液的pH增大
B．a是正极，b是负极
C．导线中有电子流动，电子从a极流到b极
D．a极上发生了氧化反应
解析：该装置为原电池，活动性比氢强的金属a为原电池的负极，负极失去电子，发生氧化反应，正极得到电子，电子从a极流到b极，碳棒上的H＋得到电子产生氢气，即碳棒上有气体放出，H＋不断消耗，溶液的pH增大，故A、C、D正确，B错误。

答案：B
5．某化学兴趣小组为了探究铝电极在电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下表：
(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)________(填“相同”或“不相同”)。

(2)对实验3完成下列填空：①铝为________极，电极反应式为________________________________；②石墨为________极，电极反应式为________________________________；③电池总反应式为________________________________。

(3)实验4中铝作________极，理由是________________________________________________________________________，写出铝电极的电极反应式________________________________。

(4)解释实验5中电流计指针偏向铝的原因_______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _________________________________________________________。

(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_______________________________________________________________________________ _________________________________________________________________。

解析：在稀盐酸中Mg比Al活泼，Mg作原电池的负极，Al作正极，电流计指针偏向Al；在稀盐酸中Al比Cu活泼，Al作负极，Cu作正极，电流计指针偏向Cu。

由此可知，在这里的原电池中电流计指针是偏向于正极。

实验3中电流计指针偏向石墨，由上述规律可知，在该原电池中铝作负极、石墨作正极。

化学反应是2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。

在氢氧化钠溶液中Al能与NaOH发生氧化还原反应而Mg不能与NaOH反应，所以Al作负极，Mg作正极。

铝在浓HNO3中被钝化，锌在浓HNO3中被氧化，Zn作负极，Al作正极，所以在实验5中电流计指针偏向铝。

答案：(1)不相同
(2)①负2Al－6e－===2Al3＋②正6H＋＋6e－===3H2↑③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
(3)负铝可以与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应，而Mg与氢氧化钠溶液不发生反应Al－3e－＋4OH－===AlO－2＋2H2O
(4)铝在浓硝酸中钝化，锌在浓硝酸中被氧化，Zn作原电池的负极，Al作原电池的正极，
所以电流计指针偏向铝
(5)①另一个电极材料的活泼性；②铝电极与电解质溶液能否发生自发的氧化还原反应。