内容正文:
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化学反应与能量变化
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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
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产生
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反应生成氢气
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失去
锌离子
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指针发生偏转
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√
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[素养发展目标] 1.从电子转移的角度理解化学能向电能转化的本质及原电池的构成条件。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.实验探究
实验装置
实验现象
实验结论
锌片:__________________
______铜片:________
锌与稀硫酸____________,铜与稀硫酸______
实验装置
实验现象
实验结论
锌片:___________________
____铜片:________
锌与稀硫酸______________,铜与稀硫酸________
锌片:___________铜片:___________
锌_____电子,形成________进入溶液,氢离子在铜片上_____电子生成_____
实验装置
实验现象
实验结论
锌片:____________
铜片:_____________
灵敏电流计:_____________
锌_____电子,形成_______,电子经过导线流向_____,产生电流,________在铜片上_____电子生成_____,反应过程中产生了_____
2.原电池及其工作原理
(1)概念:将________能转变为________能的装置。
(2)工作原理(以锌铜稀H2SO4原电池为例):
(3)构成条件
①有____________的两个电极;
②电极插入____________中;
③电极间构成________;
④能自发地发生氧化还原反应。
(4)原电池的电极反应
负极→________电子→发生________反应,
正极→________电子→发生________反应。
提示: (1)化学 电 (2)还原 2H++2e-===H2↑ (3)活泼性不同 电解质溶液 闭合回路 (4)流出 氧化 流入 还原
【即学即练】
1.判断正误:正确的打“√”,错误的打“×”
(1)原电池是一种电能转化为化学能的装置( )
(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)负极失去电子发生氧化反应( )
(4)在锌/稀硫酸/铜原电池中,电子由锌通过导线流向铜,再由铜通过电解质溶液到达锌( )
(5)用导线连接的铜片和锌片插入稀H2SO4中,铜片上有大量气泡产生( )
二、原电池原理的应用
1.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。
2.解释生活中的现象:钢铁的电化学腐蚀
(1)电化学腐蚀
不纯的金属跟____________接触,发生原电池反应,较活泼的金属失去电子被氧化的腐蚀。
(2)钢铁的电化学腐蚀
电解质溶液
钢铁表面水膜中含有____________,还溶有O2等气体
电极
负极
材料:______________,电极反应:2Fe-4e-===2Fe2+
正极
材料:________________,电极反应:O2+2H2O+4e-===4OH-
总反应
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2,进一步被氧化,4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,Fe(OH)3易脱水生成铁锈(Fe2O3·nH2O)
3.金属活动性强弱的判断
由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
(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)四种金属活动性由强到弱的顺序是________________。
提示: 2.(1) 电解质溶液 (2) H+和OH- Fe C
3.(1) A-2e-===A2+ (2) Cu2++2e-===Cu
(3) D>A>B>C
【即学即练】
2.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.钢铁里的铁和碳与食盐水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
C [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+,B正确、C错误;铁作负极,发生氧化反应:Fe-2e-===Fe2+,碳作正极,正极反应为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,氢氧化铁失水生成氧化铁,因此放置一段时间后,铁片上有铁锈出现,D正确。]
一、原电池原理探究
近年来野外生存的真人秀节目在各大卫视频繁播放。某节目中野外生存达人用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池用于野外生火。某同学感到好奇自己制作了一个这样的“超级柠檬电池”。
3.若用银片代替锌片,LED灯能不能亮,原因是什么?
提示: 不能。银片代替锌片,银和铜都不能与酸反应,无电流产生,LED灯不亮。
1.若用铁片代替锌片,LED灯能不能亮,原因是什么?
提示: 能。若用铁片代替锌片,由于铁能与酸反应,LED灯仍然能亮。
2.若用铁片代替铜片,LED灯能不能亮,原因是什么?
提示: 能。若用铁片代替铜片,由于锌比铁活泼,仍然发生反应Zn+2H+===Zn2++H2↑,LED灯仍然能亮。
4.在原电池中活泼性强的金属一定是负极吗?
提示: 不一定。例如MgAl用导线连接后,插入NaOH溶液中,Mg是正极,Al是负极。
5.原电池工作时,电子和离子分别怎样移动?
提示: 电子是从负极经过导线移向正极;在原电池电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
1.原电池的判断
2.原电池正负极的判断
3.原电池的原理
1.下列各装置中,不能构成原电池的是(电解质溶液都为稀硫酸)( )
D [构成原电池的条件之一为形成闭合回路,选D。]
2.(2022·泰州中学下学期期末)用如图所示装置探究原电池的工作原理,下列说法正确的是( )
A.甲图中正极上发生的反应为:2H++2e-===H2↑
B.乙图中锌片变细,铜棒变粗
C.丙图中Zn片上发生还原反应,溶液中的Cu2+向铜电极移动
D.若乙图与丙图中锌片减轻的质量相等,则两装置中还原产物的质量比为1∶32
D [A.甲图没有形成完整的回路,不能形成原电池,A项错误;B.乙图中活泼金属锌作负极,发生氧化反应,电极反应为:Zn-2e-===Zn2+,铜为正极,电极反应为:2H++2e-===H2↑,所以锌片变细,铜棒不变,B项错误;C.丙图中构成原电池,活泼金属锌作负极,发生氧化反应,铜为正极,溶液中的Cu2+向正极移动,C项错误;D.乙图与丙图中负极反应相同,都为Zn-2e-===Zn2+,乙图与丙图中正极上的反应分别为:2H++2e-===H2↑、Cu2++2e-===Cu,若乙图与丙图锌片减轻的质量相等,即失去电子的物质的量相等,依据电子守恒计算乙图与丙图中还原产物的质量比2∶64=1∶32,D项正确;答案选D。]
3.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( )
卡片NO:28 Date:2020.2.12
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 电子流过导线,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
B [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。]
二、原电池原理的应用
1.NaOH+HCl===NaCl+H2O,这个反应能设计成原电池吗,为什么?CO2+C eq \o(=====,\s\up17(高温),\s\do16( )) 2CO能设计成吗?
提示: 不能,因为它不是氧化还原反应。CO2+C eq \o(=====,\s\up17(高温),\s\do16( )) 2CO也不能,虽然它是氧化还原反应,但不是释放能量的氧化还原反应。
2.Zn与H2SO4反应制H2时向溶液中加少量CuSO4后为什么反应速率加快?
提示: 锌置换出铜构成原电池。
3.在一块表面无锈的铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水放置一段时间,液滴周围逐渐呈现红色,并慢慢形成红色的锈斑,说明钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀。
(1)上述过程中形成了无数微小的原电池,其原因是什么?
提示: 在潮湿空气中,钢铁表面形成的水膜含有少量H+、OH-和O2等,形成电解质溶液,与钢铁里的铁和少量碳形成了无数微小原电池。
(2)什么叫电化学腐蚀?
提示: 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.原电池原理在加快反应速率中的应用
(1)原理:在原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,使溶液中的粒子运动时相互间干扰减小,使反应速率增大。
(2)应用:实验室用Zn和稀H2SO4(或稀盐酸)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。
2.金属材料的防护
(1)分析:将被保护金属设计成原电池的正极。
(2)实例:轮船在海里航行时,为了保护轮船不被腐蚀,可以在轮船上焊上一些活泼性比铁更强的金属,如Zn,这样构成的原电池Zn为负极,而Fe为正极,从而防止了铁的腐蚀。
1.用A、B、C、D四块金属片进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,A极为负极;
②C、D用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,电流由D→导线→C;
③A、C相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,C极产生大量气泡;
④B、D相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,D极发生氧化反应。
据此,判断四种金属的活动性顺序是( )
A.A>B>C>D
B.C>A>B>D
C.A>C>D>B
D.B>D>C>A
C [①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中, A极为负极,所以活泼性:A>B;②在原电池中,电子从负极流经外电路流向正极,C、D用导线相连后同时浸入稀H2SO4中,电流由D→导线→C,则电子由C→导线→D ,则活泼性:C>D;③A、C相连后,同时浸入稀疏酸溶液中,C极产生大量气泡,说明C极是正极,所以金属活泼性:A>C;④B、D相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,D极发生氧化反应,说明D极是负极,所以金属活泼性:D>B。综上所述可知四种金属活泼性由强到弱顺序是:A>C>D>B,故合理选项是C。]
2.(2022·连云港市下学期期末调研)为防止海水中钢铁的腐蚀,可将金属Zn连接在钢铁设施表面,减缓水体中钢铁设施的腐蚀,如图所示。下列有关说法正确的是( )
A.金属Zn作正极,钢铁作负极
B.过程中电能转化为化学能
C.Zn极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
D.将金属Zn换成金属Cu也能起到保护作用
C [A.Zn较活泼作负极,钢铁作正极,A错误;B.该装置为原电池,是化学能转化为电能,B错误;C.Zn极作负极,Zn失电子发生氧化反应生成Zn2+,电极反应式为:Zn-2e-===Zn2+,C正确;D.换成Cu,由于Cu的活泼性比Fe的弱,则Fe作负极,消耗钢铁,不能起到保护作用,D错误;故选C。]
3.某原电池总反应的离子方程式为:2Fe3++Fe===3Fe2+,能实现该反应的原电池是( )
A.正极为Cu,负极为Fe,电解质溶液为FeCl3溶液
B.正极为C,负极为Fe,电解质溶液为FeSO4溶液
C.正极为Fe,负极为Zn,电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液
D.正极为Ag,负极为Cu,电解质溶液为CuSO4溶液
A [根据2Fe3++Fe===3Fe2+知,Fe易失电子而作负极,比Fe的活泼性弱的金属或导电的非金属作正极,Fe3+得电子发生还原反应,所以电解质溶液为可溶性的铁盐,A项正确;铁作负极,碳作正极,电解质溶液为FeSO4溶液,不能发生氧化还原反应,B项错误;Zn作负极,Fe作正极,电解质为可溶性的硫酸铁,总反应为:3Zn+2Fe3+===3Zn2++2Fe,C项错误;Cu和Ag与CuSO4溶液都不能自发地发生氧化还原反应,D项错误。]
eq \a\vs4\al(思维升华)
依据原电池模型设计原电池
(1)首先将已知氧化还原反应拆分为两极反应式。
氧化反应:还原剂-ne-===氧化产物(负极反应式);
还原反应:氧化剂+ne-===还原产物(正极反应式);
正极反应式+负极反应式=电池的总反应式。
(2)根据原电池的电池反应特点,结合两极反应式找出正、负极材料及电解质溶液。
1.(2022·江苏省下学期百校联考)自煮火锅发热原理来自包装盒内部的发热包。这个发热包用途广泛,其由主要成分碳酸钠、焙烧硅藻土、铁粉、铝粉、焦炭粉、活性炭、盐、生石灰组成一袋,注入冷水,就可以加热到150 ℃以上,而蒸汽的温度即可达到200 ℃,用来蒸煮食物。下列说法正确的是( )
A.发热包不需要密封保存
B.“焙烧硅藻土”作用只是吸收水分
C.发热包产生的热量只来自生石灰与水反应放热
D.铁粉、焦炭粉、盐及水等构成原电池,加快铁被氧化的速率
D [A.发热包是基于原电池反应原理快速产生热量,如暴露在空气中铁粉、铝粉会与空气中的氧气反应而使发热包失效,应密封保存,故A错误;B.“焙烧硅藻土”具有蓬松结构有利于水以及其他反应物的吸附,使反应物充分接触,利于反应充分进行,故B错误;C.发热包中的铁粉和铝粉与炭粉在溶液中可形成原电池,金属与氧气反应也会放出大量的热,故C错误;D.铁粉、焦炭粉、盐及水等构成原电池,原电池原理可加快反应速率,故D正确;故选D。]
2.(2021·盐城中学下学期期中)下列关于原电池的叙述中错误的是( )
A.构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属
B.原电池是将化学能转变为电能的装置
C.原电池放电时,电流的方向是从正极到负极
D.在原电池中,电子流出的一极是负极,发生氧化反应
A [A.正极和负极可以是两种不同的金属,也可以是导电的非金属(碳棒)与金属,故A错误;B.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,故B正确;C.放电时,电子从负极,通过导线,流向正极,则电流的方向是从正极,经过导线,到负极,故C正确;D.原电池中,负极失去电子发生氧化反应,负极电子流出,故D正确;故选A。]
3.如图所示,两电极一为碳棒,一为铁片。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,是铁片,烧杯中的溶液为硫酸
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,烧杯中的溶液为硫酸
D.b为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
C [A.a极上有大量气泡生成,说明a极为正极,为碳棒,b极为负极,为铁片,烧杯中的溶液可以是硫酸,A错误;B.a极上有大量气泡生成,说明a极为正极,为碳棒,b极为负极,为铁片,若烧杯中的溶液为硫酸铜溶液,a极应析出金属铜,与产生气泡现象不符,B错误;C.a极上有大量气泡生成,说明a极为正极,为碳棒,b极为负极,为铁片,若烧杯中的溶液为硫酸,a极上会产生氢气,C正确;D.a极上有大量气泡生成,说明a极为正极,为碳棒,b极为负极,为铁片,若烧杯中的溶液为硫酸铜溶液,a极会析出金属铜,D错误;答案选C。]
C [A.锂电极为负极,发生氧化反应,故A错误;B.OH-向负极锂移动,故B错误;C.负极的电极反应式为Li-e-===Li+,故C正确;D.电流从正极流向负极,应从高硅铸铁→导线→锂电极,故D错误;故选C。]
5.(2022·东莞市东华中学下学期期中)把化学能转化为电能的装置叫作原电池。
(1)装置①、②、③中,能组成原电池的是装置______。
(2)装置④中,正极材料是________;负极的电极反应式为_____________________;
电池工作时,总反应的离子方程式为____________________________;烧杯中NO eq \o\al(\s\up1(-),\s\do1(3)) 向________电极移动(填“Cu”或“Ag”);导线中电子的流动方向为________(填“Cu到Ag”或“Ag到Cu”)。
解析: (1)装置①中酒精是非电解质,不能构成原电池;装置②有两个电极,稀硫酸是电解质溶液,形成闭合回路,Fe和稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气是自发的氧化还原反应,能构成原电池;装置③没有形成闭合回路,不能构成原电池;选②。
(2)装置④中,Cu比Ag活泼,Cu失电子作负极,正极材料是Ag;负极的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+;电池工作时,总反应的离子方程式为Cu+2Ag+===Cu2++2Ag;原电池中阴离子向负极移动,故烧杯中NO eq \o\al(\s\up1(-),\s\do1(3)) 向Cu电极移动;原电池中,电子移动方向为负极→导线→正极,因此导线中电子的流动方向为Cu到Ag。
答案: (1)②
(2)Ag Cu-2e-===Cu2+ Cu+2Ag+===Cu2++2Ag Cu Cu到Ag
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