6.3.1 化学能转化为电能（Word导学案）-【步步高】2023-2024学年高一化学必修第二册学习笔记（苏教版2019）

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 [核心素养发展目标]　1.设计实验认识构成原电池的条件。2.理解原电池的概念及工作原理，能正确判断原电池的正负极。3.认识化学能转化为电能的原理及其在生产、生活中的应用。 一、原电池工作原理 1．基础实验探究 实验装置 实验现象 实验结论 锌片：逐渐溶解，有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 锌片：逐渐溶解，有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 锌片：逐渐溶解 铜片：有气泡产生 锌失去电子形成锌离子进入溶液，氢离子在铜片上得到电子生成氢气 锌片：逐渐溶解 铜片：有气泡产生 电流计：指针发生偏转 锌失去电子形成锌离子进入溶液，电子经过导线流向铜片，产生电流，氢离子在铜片上得到电子生成氢气，反应过程中产生了电能 2.原电池的概念 原电池是把化学能转变为电能的装置；原电池反应的本质是氧化还原反应。 3．原电池的工作原理 (1)分析下图并填空 原电池总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。 (2)能量转化：化学能转变为电能。 (3)电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。 (4)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。 特别提醒　原电池中“电子不下水，离子不上岸”，即电子只能沿导线移动，离子只能在溶液中移动。 4．原电池的构成条件 1．下列装置中哪些能够组成原电池？不能构成原电池的试分别说明理由。 提示　③⑤；①中只有一个电极，②中两个电极的活泼性相同，④中为非电解质溶液，不能导电，⑥中电解质溶液(内电路)未形成闭合回路。 2．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： (1)若两电极分别为Zn和石墨，则X：Zn，Y：石墨。 (2)若两电极分别为Fe和石墨，电解质溶液为CuSO4溶液，则正极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，溶液中SO流向X(填“X”或“Y”)极。 (3)此装置X极发生的反应类型为氧化反应(填“还原反应”或“氧化反应”)，外电路电流的方向为Y→电流计→X。 (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，电流计指针发生偏转(　　) (3)在铜、锌和稀硫酸组成的原电池中，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)原电池中的两电极一定都是金属(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)× 1．某实验兴趣小组用如图所示装置做完实验后，在读书卡片上记下了如下6条记录，其中合理的是(　　) 实验后的记录： ①Zn为正极，Cu为负极 ②H＋向负极移动 ③电子流动方向为Zn→导线→Cu ④Cu极有H2产生 ⑤若有1 mol电子通过导线，则产生0.5 mol H2 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　在铜锌原电池中，锌为负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Cu为正极，得到电子，发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，所以H＋向正极移动，电子由锌流出，经过导线流向铜，每流过1 mol电子，生成0.5 mol H2，正确答案为③④⑤。 2.如图为某兴趣小组制作的番茄电池，下列说法正确的是(　　) A．电子由铜通过导线流向锌 B．该装置是将电能转化为化学能的装置 C．锌电极发生氧化反应 D．电流由锌通过导线流向铜 答案　C 解析　A项，铜作正极，锌作负极，因此电子由锌流向铜，故错误；B项，该装置将化学能转化为电能，故错误；C项，锌作负极失去电子，发生氧化反应，故正确；D项，电子与电流的方向相反，因此电流由铜流向锌，故错误。 3．根据原电池工作原理，结合装置图，按要求解答问题：(已知：2Al＋2H2O＋2NaOH===2NaAlO2＋3H2↑) (1)若X为Zn，Y为Cu，Z为硫酸铜溶液，则X为_____________(填电极名称)，判断依据：_______________________________________________________________________________；铜电极的名称是________，溶液中的Cu2＋移向________(填“X”或“Y”)电极。 (2)若X为Mg，Y为Al，Z为氢氧化钠溶液，则X为________(填电极名称)，Y电极可能观察到的现象是____________________________。 答案　(1)负极　锌的活泼性比铜强，锌失电子发生氧化反应　正极　Y (2)正极　铝电极逐渐溶解 原电池中正负极的判断 二、原电池原理的应用 1．加快氧化还原反应的进行 (1)实验室用Zn和稀H2SO4(或稀盐酸)反应制取H2，常用粗锌。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4(或稀盐酸)形成原电池，加快了锌的溶解，使产生H2的速率加快。 (2)生活中常用的取暖产品——暖贴 暖贴内的铁粉、活性炭、食盐一旦与空气中的氧气和水蒸气接触就会形成原电池，加快了铁被氧气氧化的速率，短时间内产生较多的热，供人们取暖。 2．比较金属的活动性 一般，若两种金属A、B与电解质溶液构成原电池，若金属A作负极，则金属活动性：A＞B。 3．设计原电池 利用Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu可设计原电池。 电极反应式 材料选择 装置 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 负极：Fe 正极：Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或能导电的石墨棒均可) 电解质溶液：CuSO4溶液 正极：Cu2＋＋2e－===Cu 4.解释生活中的现象——钢铁的电化学腐蚀 钢铁在潮湿的空气中容易生锈，分析如下： 形成条件 钢铁表面形成的电解质溶液中溶有O2，通常溶液呈中性或弱碱性 电极材料 负极是Fe，正极是C 电极反应 负极：2Fe－4e－===2Fe2＋ 正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－ 总反应式 2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2 溶液中的反应 4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，2Fe(OH)3===＋(3－x)H2O　 电化学腐蚀概念 不纯的金属与电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀叫作电化学腐蚀 1．钢铁的电化学腐蚀原理如图所示，下列有关说法错误的是(　　) A．钢铁里的铁和碳与电解质溶液形成无数微小的原电池 B．铁电极发生氧化反应 C．负极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－ D．放置一段时间后，铁片上有铁锈出现 答案　C 解析　钢铁里的铁和碳与电解质溶液形成无数微小的原电池，发生了电化学腐蚀，A正确；铁作负极，发生氧化反应：Fe－2e－===Fe2＋，碳作正极，发生反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，总反应为2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，氢氧化亚铁被氧化生成氢氧化铁，氢氧化铁在一定条件下发生脱水反应，生成红色的铁锈，因此放置一段时间后，铁片上有铁锈出现，B、D正确，C错误。 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 答案　C 解析　装置一是原电池，a极质量减小，b极质量增大，则a极为负极，b极为正极，金属的活动性：a>b；装置二没有形成原电池，b极有气体产生，c极无变化，则b比c活泼，且c在金属活动性顺序表中位于氢的后面；装置三中d极溶解，c极有气体产生，则d极为负极，c极为正极，金属的活动性：d>c；装置四中电流从a极流向d极，则a极为正极，d极为负极，d比a活泼，因此四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。 3．常温下用过量铁片与稀硫酸反应制取氢气，采取下列措施：①不用铁片，改用等质量的铁粉；②加入少量Na2SO4溶液；③加入少量CuSO4固体；④向H2SO4中通入HCl气体；⑤加入NaNO3固体；⑥将稀硫酸换为98%的硫酸。其中可加快H2生成速率的措施有(　　) A．①③④ B．①③⑥ C．②④⑤ D．①④⑥ 答案　A 解析　①将铁片换为等质量的铁粉，增加接触面积加快化学反应速率；②加入少量Na2SO4溶液，氢离子浓度降低，反应速率减慢；③加入少量CuSO4固体，铁置换出铜，形成原电池，可加快反应速率；④向H2SO4中通入HCl气体，氢离子浓度增大，化学反应速率增大；⑤加入NaNO3固体，因硝酸根离子在酸性条件下具有强氧化性，与铁反应不产生氢气；⑥将稀硫酸换成98%的硫酸，铁遇浓硫酸发生钝化；综上所述，能加快氢气生成速率的措施有①③④。 4．现有如下两个反应： A：H2SO4＋2KOH===K2SO4＋2H2O B：Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2 (1)根据上述两反应的本质，________(填字母)反应能设计成原电池，原因是_______________。 (2)将上述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2 mol，则负极质量减轻________g。 答案　(1)B　A为非氧化还原反应，没有电子转移；B为能自发进行的氧化还原反应，有电子转移 (2)①Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　Fe3＋＋e－===Fe2＋　还原反应 ② ③64 设计原电池 (1)原理：能自发进行的氧化还原反应。 (2)电极：化合价升高的金属材料作负极，石墨或活泼性比负极弱的金属材料作正极。 (3)电解质溶液：化合价降低的物质的水溶液作电解质溶液。 题组一　化学能转化为电能 1．小颖同学用如图所示装置研究原电池原理，下列说法错误的是(　　) A．若将图1装置的Zn、Cu直接接触，Cu片上能看到有气泡产生 B．图2装置中SO向Cu片移动 C．若将图2中的Zn片改为Mg片，Cu片上产生气泡的速率加快 D．图2与图3中正极生成物的质量之比为1∶32时，Zn片减轻的质量相等 答案　B 解析　若将图1装置的Zn、Cu直接接触，构成原电池，Cu为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，Cu片上能看到有气泡产生，A正确；图2装置构成原电池，SO移向负极Zn片，B错误；图2中的Zn片改为Mg片，Mg与Cu的活泼性差别更大，Cu片上产生H2的速率加快，C正确；图2中负极反应式为Zn－2e－===Zn、正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，图3中负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋、正极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，故正极生成的H2和Cu质量之比为1∶32即物质的量之比为1∶1时，负极上消耗的Zn一样多，D正确。 2．如图装置中，M棒变细，N棒变粗。由此判断下表所列M、N、R物质，其中合理的是(　　) 选项 M N R A 锌 铜 稀硫酸 B 铜 铁 稀盐酸 C 铁 铜 硝酸银 D 铜 铁 蔗糖溶液 答案　C 解析　由于蔗糖溶液不是电解质溶液，故D错误；M棒变细，N棒变粗，则M为负极，N为正极，M的金属活动性比N强，故B错误；N棒变粗则电解质溶液中有能得电子的金属阳离子，故A错误。 题组二　原电池工作原理的应用 3．下列装置中四块相同的Zn片，放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是(　　) A．①②③④ B．④②①③ C．③①②④ D．②①③④ 答案　B 解析　③中的锌作负极，腐蚀速率最快；④中的锌与外界不接触，腐蚀速率最慢；②中的锌作正极，腐蚀速率比①中的锌要慢；因此腐蚀速率由慢到快的顺序为④②①③。 4．X、Y、Z、M、N代表五种金属。有以下化学反应： ①水溶液中：X＋Y2＋===X2＋＋Y　②Z＋2H2O(冷)===Z(OH)2＋H2↑　③M、N为电极，与N的盐溶液组成原电池，发生的电极反应为M－2e－===M2＋　④Y可以溶于稀H2SO4中，M不被稀H2SO4氧化。则这五种金属的活动性由弱到强的顺序是(　　) A．M<N<Y<X<Z B．N<M<X<Y<Z C．N<M<Y<X<Z D．X<Z<N<M<Y 答案　C 解析　①水溶液中X＋Y2＋===X2＋＋Y，说明活动性：X>Y；②Z＋2H2O(冷水)===Z(OH)2＋H2↑，说明Z的金属活动性很强；③M、N为电极，与N的盐溶液组成原电池，M电极反应为M－2e－===M2＋，M失电子发生氧化反应，则M是负极、N是正极，活动性：M>N；④Y可以溶于稀硫酸中，M不被稀硫酸氧化，说明活动性：Y>M；通过以上分析知，金属活动性顺序为N<M<Y<X<Z。 5．向等质量的两份锌a、b中分别加入过量的稀H2SO4，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，下列选项表示生成H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是(　　) 答案　D 解析　a中少量Zn置换出少量Cu，形成Zn-Cu原电池，可加快反应速率，但由于a中Zn置换Cu2＋消耗了一部分，所以最后生成H2的体积小于b，故选D。 6．为将反应2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑的化学能转化为电能，下列装置能达到目的的是(铝条均已除去了氧化膜)(　　) 答案　B 解析　A项为原电池，铝为负极，但总反应为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑，不符合；C项为原电池，但硝酸是氧化性酸，与Al反应不产生H2，不符合；D项装置中有外接电源，不属于原电池，不符合。 题组三　钢铁的电化学腐蚀 7．(2022·江苏常州高一期中)糕点包装中常见的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、炭粉等，脱氧过程中发生了原电池反应。下列分析正确的是(　　) A．脱氧过程中，化学能全部转化为电能 B．脱氧过程中，炭粉发生氧化反应生成CO2 C．脱氧过程中，Cl－发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑ D．脱氧过程中，铁电极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋ 答案　D 解析　脱氧过程中，化学能除转化为电能外，还部分转化为热能，故A错误；炭粉为原电池的正极，没有参与反应，故B错误；NaCl是电解质，没有参与反应，故C错误；铁是原电池的负极，发生氧化反应，故D正确。 8．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脱水形成Fe2O3·xH2O　⑤杂质碳被氧化 A．①② B．②③④ C．①②③④ D．①②③④⑤ 答案　C 解析　钢铁在腐蚀过程中，负极发生反应：Fe－2e－===Fe2＋，正极O2或H＋得电子，Fe2＋与OH－结合生成Fe(OH)2，Fe(OH)2被氧化生成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱水形成铁锈。 9．将铁棒和锌棒用导线连接插入CuSO4溶液里，当电池中有0.2 mol电子通过时，负极质量的变化是(　　) A．增加5.6 g B．减小0.1 g C．减少6.5 g D．增加6.4 g 答案　C 解析　方法一　依据电极反应式计算， 负极：Zn　－　2e－　===　Zn2＋ 65 g　　2 mol m(Zn)　0.2 mol m(Zn)＝＝6.5 g。 方法二　依据原电池总反应式计算， m(Zn)＝＝6.5 g。 10．(2023·无锡高一质检)某兴趣小组模拟纸电池进行实验(如图)，有关说法正确的是(　　) A．Zn为正极 B．工作时Cu电极发生氧化反应 C．工作时电子经外电路由Cu流向Zn D．工作一段时间后Cu电极质量增加 答案　D 解析　由于Zn比Cu更活泼，故Zn为负极，A错误；工作时Cu电极作正极，发生还原反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，B错误；工作时电子经外电路由负极Zn流向正极Cu，C错误；电解质溶液为硫酸铜溶液，工作时Cu2＋在铜电极得电子生成Cu，工作一段时间后Cu电极质量增加，D正确。 11.如图所示，两电极一极为碳棒，一极为铁片，若电流计的指针发生偏转，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，是铁片，烧杯中的溶液为稀硫酸 B．b为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液 C．a为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为稀硫酸 D．b为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液 答案　C 解析　Fe、C形成的原电池中，负极铁失去电子，变成Fe2＋，由于a极上有大量气泡生成，所以正极(C棒)的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故a为正极，是碳棒；b为负极，是铁片；电解质溶液为稀硫酸。 12．我国在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法正确的是(已知质子交换膜只允许H＋通过)(　　) A．该制氢工艺中可以实现H2S的连续高效转化 B．该装置工作时，H＋由b极区流向a极区 C．a极上发生的电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋ D．a极区需不断补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液 答案　A 解析　该装置工作时，H＋由a极区流向b极区，B项错误；a极上有电子流出，发生氧化反应，所以a极上发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋，C项错误；由图可知，a极区Fe2＋和Fe3＋可相互转化，故不需补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液，D项错误。 13．锌-空气电池(原理如图)适宜用作城市电动车的动力电源，放电时Zn转化为ZnO。则该电池放电时下列说法正确的是(　　) A．将电能转化为化学能 B．氧气在石墨电极上发生还原反应 C．电流由Zn电极经导线流向石墨电极 D．该电池放电时OH－向石墨电极移动 答案　B 解析　该装置为将化学能转化为电能的原电池，故A错误；石墨电极为原电池的正极，水分子作用下氧气在正极上得到电子发生还原反应生成氢氧根离子，故B正确；锌电极为原电池的负极，则电流由正极石墨电极经导线流向负极锌电极，电池放电时阴离子OH－向Zn电极移动，故C、D错误。 14.将锌片和铜片用导线相连浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流计(装置如图)，若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段时间后，取出锌片和铜片洗净干燥后称重，总质量为47 g，则该过程中产生H2(标准状况下)的体积为(　　) A．2.24 L B．3.36 L C．4.48 L D．6.72 L 答案　C 解析　由题意可知，该原电池中，锌易失电子发生氧化反应而作负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，铜作正极，正极上氢离子得电子发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，则负极上锌生成锌离子进入溶液而导致质量减少，正极上氢离子得电子生成氢气，所以正极质量不变，两个电极减少的质量是参加反应的锌的质量，锌和稀硫酸反应的离子方程式为2H＋＋Zn===Zn2＋＋H2↑，根据反应的离子方程式得氢气的物质的量n(H2)＝n(Zn)＝＝0.2 mol，标准状况下H2的体积为V(H2)＝0.2 mol×22.4 L·mol－1＝4.48 L。 15．(2023·南京高一期中)A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸。 (1)A中反应的离子方程式为_____________________________________________________。 (2)B中锡极为_______极，电极反应式为___________________，锡极附近溶液的酸性_____(填“增强”“减弱”或“不变”)。B中Fe极为_______极，电极反应式为_________________。 (3)C中被腐蚀的金属是________，总反应的化学方程式为_____________________________。 (4)A、B、C中铁被腐蚀由快到慢的顺序是________。 答案　(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ (2)正　2H＋＋2e－===H2↑　减弱　负　Fe－2e－===Fe2＋ (3)Zn　Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑ (4)B>A>C 解析　A中不能形成原电池，铁与稀硫酸发生置换反应；B中能形成原电池，铁比锡活泼，锡为正极，铁为负极，铁被腐蚀的速率加快；C能形成原电池，锌比铁活泼，锌为负极，不断被腐蚀。 16．现有如下图Ⅰ原电池装置，插入电解质溶液前Cu和Fe电极的质量相等。 请回答下列问题： (1)当图Ⅰ中的电解质溶液为稀硫酸时，铁片作________极，铜片上的现象是______________；图中箭头的方向表示________(填“电子”或“电流”)的流向。 (2)若将图Ⅰ中的U形管虚线以下的电解质溶液换为四氯化碳(不导电)，如图Ⅱ所示，则该装置______(填“能”或“不能”)形成原电池，原因是__________________________________。 (3)当电解质溶液为某溶液时，两电极的质量变化曲线如图Ⅲ所示。 ①该电解质溶液可以是下列中的________(填字母)。 A．稀硫酸 B．CuSO4溶液 C．稀盐酸 D．FeSO4溶液 ②Cu电极的电极反应式为_____________________________________；6 min时Cu电极的质量为________g。 答案　(1)负　有气泡生成　电流　(2)不能　CCl4为非电解质，不能构成闭合回路　(3)①B　②Cu2＋＋2e－===Cu　9.2 解析　(1)铁比铜活泼，所以当电解质溶液为稀硫酸时铁作负极，铜作正极，铜电极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，所以铜片上的现象是有气泡生成；图中的箭头方向是由正极指向负极，故应是电流方向。(2)由于四氯化碳不导电，所以不能构成闭合回路，图Ⅱ所示装置不能形成原电池。(3)①由图Ⅲ可知两电极的质量均在变化，Fe电极的质量减小而Cu电极的质量增加，故电解质溶液为硫酸铜溶液。②Cu电极的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，Fe电极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，6 min时Fe电极减少的质量为6.0 g－3.2 g＝2.8 g，根据得失电子守恒求得Cu电极增加的质量为3.2 g，故m＝(6.0＋3.2) g＝9.2 g。 学科网（北京）股份有限公司 $$