6.1 化学反应与能量变化(第2课时 化学反应与电能)(解析版)

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名称 6.1 化学反应与能量变化(第2课时 化学反应与电能)(解析版)
格式 docx
文件大小 1.1MB
资源类型 试卷
版本资源 人教版(2019)
科目 化学
更新时间 2023-07-24 16:33:39

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第六章 第一节 化学反应与能量变化
第2课时 化学反应与电能
【学习目标】
1.认识化学能转化为电能的实际意义及其重要应用。
2.能分析、解释原电池的工作原理,正确判断原电池的两极,能书写电极反应式和总反应方程式。能设计简单原电池。
3.了解常见化学电源的种类及其工作原理;了解燃料电池的应用。
【素养目标】
1.通过原电池工作原理模型理解原电池工作原理,培养学生“证据推理和模型认知”的学科素养。
2.通过认识电能在生活中的重要作用,培养学生“科学精神和社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一:化学能转化为电能
1.火力发电
(1)火力发电原理:通过化石燃料燃烧时发生的氧化还原反应,使化学能转化为热能,加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机,带动发电机发电。间接实现了化学能转化为电能。
(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(氧化还原反应)。
化学能直接转化为电能——原电池
知识点二:原电池的工作原理及应用
1.原电池的概念及构成条件
(1)定义:将化学能转化为电能的装置。
(2)原电池的形成条件
①能自发进行的氧化还原反应。
②两个活泼性不同的电极(燃料电池的两个电极可以相同)。
③形成闭合回路,需满足三个条件:a.存在电解质;b.两电极直接或间接接触;c.两电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
2.工作原理(以锌铜原电池为例)
(1)装置变迁
2.原电池的工作原理
【注意】 ①若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
②若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过交换膜移向正极。
(1)电极反应
负极:Zn-2e-===Zn2+,氧化反应。正极:Cu2++2e-===Cu,还原反应。
总反应:Zn+Cu2+===Cu+Zn2+。
(2)三方向:
①电流方向:正极→负极;
②电子流动方向(导线中):负极→正极;
③阴、阳离子移动方向(电解质溶液中);阳离子:负极→正极;阴离子:正极→负极。
(3)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶。
②盐桥的作用:a.连接内电路,形成闭合回路;b.平衡电荷,使原电池不断产生电流。
③盐桥中离子移向:阴离子移向负极,阳离子移向正极。
【思维建模】判断电极的方法
(1)通过反应类型判断
①失去电子的电极为负极,发生氧化反应;②得到电子的电极为正极,发生还原反应。
(2)通过电子定向移动方向和电流方向判断
①电子流出的电极为负极,电子经外电路流入正极;
②电流流出的电极为正极,电流经外电路流入负极。
(3)根据离子移动方向判断
阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。
(4)根据电极现象判断
一般不断溶解、质量减轻的电极为负极;有固体析出、质量增加或不变或有气体产生的电极为正极。
【点拨】确定原电池正、负极应注意的问题
(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属,两极材料可以为导电的非金属,例如石墨。两极材料可能参与反应,也可能不参与反应。
(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接,共同插入电解质溶液中不一定构成原电池,必须有一个能自发进行的氧化还原反应。
(3)在判断原电池正、负极时,既要考虑金属的活泼性强弱也要考虑电解质溶液性质。如Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中,负极为Mg;但是Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。对于Cu—Fe(或Al)—浓硝酸构成的原电池中,负极为Cu。
【思维建模】电极反应式书写的一般步骤
类似氧化还原反应方程式的书写
方法一:直接书写
方法二:间接书写
第一步,写出电池总反应式。
第二步,写出电极的正极反应式。
第三步,负极反应式=总反应式-正极反应式。
3.原电池的应用
(1)设计制作化学电源
(2)比较金属的活动性强弱:原电池中,负极一般是活动性较强的金属,正极一般是活动性较弱的金属(或能导电的非金属)。
(3)加快化学反应速率:氧化还原反应形成原电池时,反应速率加快。
(4)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。
4.原电池的生活示例——水果电池
(1)水果电池中,水果的作用是提供电解质溶液。
(2)水果电池中,选择电极材料时应注意两电极不能相同,其中有一电极为活泼金属如Al、Fe等,另一电极可以是Cu片或石墨棒等。
典例1.M、N、P、E四种金属,已知:①M+N2+===N+M2+;②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中,M表面有大量气泡逸出;③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中,电极反应为E2++2e-===E,N-2e-===N2+。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是(  )
A.P>M>N>E      B.E>N>M>P
C.P>N>M>E D.E>P>M>N
【答案】A
【解析】由①知M>N,由②知P>M,由③知N>E,故还原性:P>M>N>E。
典例2.实验探究是提高学习效果的有力手段。陈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中的Zn、Cu下端接触,Zn片逐渐溶解,Cu片上能看到气泡产生
B.图2中H+向Zn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,Zn片减轻的质量相等时,正极产物的质量比为1∶32
【答案】B
【解析】Zn、Cu直接接触就能构成闭合回路而形成原电池,Zn片逐渐溶解,Cu片上可看到有气泡产生,A项正确;H+带正电荷,应该向正极Cu片移动,B项错误;由于Mg的失电子能力强于Zn,所以将Zn片改为Mg片后,电子转移速率加快,生成H2的速率也加快,C项正确;图2中假设消耗负极65 g Zn,则转移2 mol电子,正极产生2 g H2,而图3中消耗负极65 g Zn,也转移2 mol电子,则正极析出64 g Cu,正极产物的质量比为1∶32,D项正确。
典例3.雌黄(As2S3)在我国古代常用作书写涂改修正胶。浓硝酸氧化雌黄可制得硫黄,并生成砷酸和一种红棕色气体,利用此反应原理设计成原电池,下列有关叙述正确的是(  )
A.砷酸生成的电极为正极
B.红棕色气体在该原电池的负极区生成并逸出
C.该反应的氧化剂和还原剂物质的量之比为12∶1
D.该原电池的正极反应式为NO+e-+2H+===NO2↑+H2O
【答案】D
【解析】A项,砷酸生成的电极为负极,错误;B项,NO2是还原产物,在正极区生成,错误;C项,根据电子守恒:n(氧)×1=n(还)×10,故n(氧)∶n(还)=10∶1,错误。
知识点三:常见的化学电源
1.分类
2.电池优劣的标准
一是看电池单位质量或体积输出的电能多少(比能量)或输出功率多少(比功率),二是电池储存的时间长短。
3.一次电池——干电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn,正极是MnO2,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;
正极:2MnO2+2e-+2H2O===2MnOOH+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn,正极是Ag2O,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;
正极:Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-;
总反应:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
4.二次电池——充电电池或蓄电池
充电电池属于二次电池。有些充电电池在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,生成物重新转化为反应物,使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是化学能电能。
即正极接正极,负极接负极。
(1)可充电电池原理示意图
二次电池充电时的电极连接
①充电时,原电池负极与外接电源负极相连,原电池正极与外接电源正极相连,记作:“正接正,负接负”。
②可充电电池有充电和放电两个过程,放电时是原电池反应,充电时是电解池反应。充电、放电不是可逆反应。
③放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反,放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。
例:Fe+Ni2O3+3H2OFe(OH)2+2Ni(OH)2,放电时负极的电极反应式为Fe-2e-+2OH-===Fe(OH)2。则充电时阴极的电极反应式为Fe(OH)2+2e-===Fe+2OH-。
(2)常见充电电池:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
①铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是Pb,正极材料是PbO2。
总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
②锂离子电池
一种锂离子电池,其负极材料为嵌锂石墨(LixCy),正极材料为LiCoO2(钴酸锂),电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水),其总反应为LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy,其放电时电极反应式为
负极:LixCy-xe-===xLi++Cy;
正极:Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2。
5.发展中的燃料电池
(1)特点:连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。常见燃料有H2、烃、肼、烃的衍生物、NH3、煤气等。电能转化率超过80%。
(2)氢氧燃料电池
酸性 碱性
负极反应式 2H2-4e-===4H+ 2H2+4OH--4e-===4H2O
正极反应式 O2+4H++4e-===2H2O O2+2H2O+4e-===4OH-
电池总反应式 2H2+O2===2H2O
【点拨】 ①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境结合H2O,生成OH-;③若已知总反应式时,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即得到较难写出的另一极的电极反应式。
典例4.银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图。下列说法不正确的是(  )
A.Zn电极发生氧化反应
B.Ag2O电极是电源的正极
C.电池工作时,电子从Zn电极经导线流向Ag2O电极,再由Ag2O电极经电解质溶液流向Zn电极
D.Zn电极上发生的反应:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
【答案】C
【解析】电池工作时,负极Zn失去电子,电子经导线流向正极,Ag2O得到电子转化为Ag,电子不会进入电解质溶液,C项错误。
典例5.镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。研究的燃料电池可分为镁—空气燃料电池,镁—海水燃料电池,镁—过氧化氢燃料电池,镁—次氯酸盐燃料电池。如图为镁—次氯酸盐燃料电池的工作原理图,下列有关说法不正确的是(  )
A.放电过程中OH 移向正极
B.电池的总反应式为Mg+ClO +H2O===Mg(OH)2↓+Cl
C.镁电池中镁均为负极,发生氧化反应
D.镁—过氧化氢燃料电池,酸性电解质中正极反应式为H2O2+2H++2e ===2H2O
【答案】A
【解析】根据图像判断反应过程,判断正、负极,正确书写电极反应式。镁燃料电池,镁作负极失电子,产物由电解质溶液决定,若为酸性溶液生成Mg2+,若为碱性溶液生成Mg(OH)2。ClO 在正极反应,由图可知有Cl 和OH 生成,OH 向负极移动,生成Mg(OH)2。
典例6.锂离子电池是新型高能电池,它以质量轻、能量高而受到了普遍重视,目前已研制成功多种锂离子电池, 某种锂离子电池的总反应为Li+MnO2===LiMnO2,下列说法中正确的是(  )
A.Li是正极,电极反应式为Li e ===Li+
B.Li是负极,电极反应式为Li e ===Li+
C.MnO2是负极,电极反应式为MnO2+e ===MnO2
D.Li是负极,电极反应式为Li 2e ===Li2+
【答案】B
【解析】根据总反应可判断Li被氧化,应为负极材料,其失电子成为Li+,正极放电的为MnO2。
核心价值与学科素养
典例7.鱼雷是一种水中兵器。它可从舰艇、飞机上发射,它发射后可自己控制航行方向和深度,遇到舰船,只要一接触就可以爆炸。用于攻击敌方水面舰船和潜艇,也可以用于封锁港口和狭窄水道。鱼雷采用Al-Ag2O动力电池,以溶有氢氧化钾的流动海水为电解液,电池反应为2Al+3Ag2O+2KOH===6Ag+2KAlO2+H2O,下列说法错误的是(  )
A.Ag2O为电池的正极
B.Al在电池反应中被氧化
C.电子由Ag2O极经外电路流向Al极
D.溶液中的OH-向Al极迁移
【答案】C
【解析】A项,根据原电池工作原理,化合价升高,失电子的作负极,即铝单质作负极,则Ag2O作电池的正极,正确;B项,根据电池总反应,铝的化合价升高,被氧化,正确;C项,根据原电池工作原理,外电路电子从负极流向正极,由铝流向氧化银,错误;D项同,根据原电池工作原理,阳离子移向正极,阴离子移向负极,即OH-移向Al极,正确。
典例8.十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。下列说法正确的是(  )
A.该电池放电时质子从Pt2电极经过内电路流到Pt1电极
B.Pt1电极附近发生的反应为SO2+2H2O-2e-===H2SO4+2H+
C.Pt2电极附近发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
D.相同条件下,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
【答案】D
【解析】放电时为原电池,质子向正极移动,Pt1电极为负极,则该电池放电时质子从Pt1电极移向Pt2电极,A错误;Pt1电极为负极,发生氧化反应,SO2被氧化为硫酸,电极反应式为SO2+2H2O-2e-===SO+4H+,硫酸应当拆写成离子形式,B错误;酸性条件下,氧气得电子生成水, C错误;相同条件下,放电过程中:负极发生氧化反应:2SO2+4H2O-4e-===2SO+8H+,正极发生还原反应:O2+4e-+4H+===2H2O,根据转移电子数相等可知,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1,D正确。 
【跟踪练习】 基础过关
如图是用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法错误的是(  )
A.铜片表面有气泡生成
B.装置中存在“化学能→电能→光能”的转换
C.如果将稀硫酸换成柠檬汁,导线中不会有电子流动
D.如果将锌片换成铁片,电路中的电流方向不变
【答案】C
【解析】铜锌原电池中,Cu作正极,溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气,所以Cu上有气泡生成,故A正确;原电池中化学能转化为电能,LED灯发光时,电能转化为光能,故B正确;柠檬汁显酸性也能作电解质溶液,所以将稀硫酸换成柠檬汁,仍然构成原电池,所以导线中有电子流动,故C错误;金属性Cu比Zn、Fe弱,Cu作正极,所以电路中的电流方向不变,仍然由Cu流向负极,故D正确。
2. X、Y两根金属棒插入Z溶液中构成如图所示的装置,实验中电流计指针发生偏转,同时X棒变粗,Y 棒变细,则X、Y和Z溶液可能是下列中的(  )
编号 X Y Z溶液
A Zn Cu 稀硫酸
B Cu Zn 稀硫酸
C Cu Ag 硫酸铜溶液
D Ag Zn 硝酸银溶液
【答案】D
【解析】原电池中负极的活泼性大于正极的活泼性,负极上金属失电子变成离子进入溶液,质量减少,正极上得电子发生还原反应,正极上析出物质,若析出的物质是金属,则正极质量增加,据此分析。该原电池中,X极逐渐变粗,Y极逐渐变细,所以Y作负极,X作正极,Y的活泼性大于X的活泼性,所以排除AC选项;X极逐渐变粗,说明有金属析出,B选项析出氢气不是金属,D选项析出金属,所以D符合题意。答案选D。故选D。
3. 某些电子手表安装的纽扣电池由锌和氧化银、KOH溶液构成。放电时,电极反应分别为Zn+2OH--2e===Zn(OH)2;Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-。下列说法中正确的是(  )
A.锌为正极,电极上发生了氧化反应
B.放电过程中,电解质溶液的酸碱性基本保持不变
C.溶液中的OH-向正极移动,K+和H+向负极移动
D.常温下,该电池总反应为非自发的氧化还原反应
【答案】B
【解析】由电极反应式可知,Zn失电子化合价升高,发生氧化反应,Zn作负极,故A错误;由正、负极的电极反应式可得原电池总反应为Ag2O+H2O+Zn===Zn(OH)2+2Ag,则电解质溶液的酸碱性基本保持不变,故B正确;原电池工作时,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,所以溶液中OH-向负极移动,K+、H+向正极移动,故C错误;原电池反应为自发的氧化还原反应,则常温下,该电池总反应为自发的氧化还原反应,故D错误。
4. 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(SO42-)
【答案】C
【解析】该装置构成原电池,Zn是负极,Cu是正极。在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气,Cu棒的质量不变,A项错误;由于Zn是负极同,不断发生反应Zn-2e-===Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)逐渐增大,B项错误;由于反应不断消耗H+,所以溶液中c(H+)逐渐减小,C项正确; SO42-不参加反应,其浓度不变,D项错误。
5.某小组为研究原电池原理,设计如图装置,下列叙述正确的是(  )
A.若X为Fe,Y为Cu,则铁为正极
B.若X为Fe,Y为Cu,则电子由铜片流向铁片
C.若X为Fe,Y为C,则碳棒上有红色固体析出
【答案】C
【解析】Fe比Cu活泼,Fe作负极,电子由铁片流向铜片,故A、B错误;若X为Fe,Y为C,电解质为硫酸铜,则正极碳棒上析出Cu,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn作负极,发生氧化反应,故D错误。
能力达成
6.分别按下图A、B、C所示装置进行实验,图中三个烧杯里的溶液为同浓度的稀硫酸。请回答下列问题:
(1)以下叙述中,正确的是__________。
A.B中铁片是负极,C中铁片是正极
B.三个烧杯中铁片表面均无气泡产生
C.产生气泡的速率A中比B中慢
D.B溶液中向铁片电极移动
(2)装置B变化过程中能量转化的形式主要是 。
(3)装置B中正极反应式为 ,负极反应式为 。
(4)有同学想把Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应设计成原电池,你认为是否可行 __________(填“是”或“否”),理由是 。
【答案】 (1)ACD (2)化学能转化为电能 (3)2H++2e ===H2↑ Fe 2e ===Fe2+
(4)否 不是氧化还原反应
【解析】(1)活动性:Zn>Fe>Sn,活沷性强的金属易失电子作负极,故A正确;B、A烧杯中铁直接反应表面有气泡,C中铁作正极,烧杯中铁表面有气泡,故B错误;C、B形成原电池,比A中反应速率快,产生气泡的速率A中比B中慢,故C正确;D、原电池中阴离子移向负极,B中Fe是负极,B溶液中向铁片电极移动,故D正确;故选ACD。(2)装置B形成原电池,变化过程中能量转化的形式主要是化学能转化为电能。(3)Sn作正极,正极上氢离子得电子生成氢气装置B中正极反应式为 2H++2e ===H2↑,活泼金属锌作负极,电极反应为Fe,负极反应式为Fe 2e ===Fe2+。
(4)常温下自发进行的氧化还原反应,可设计成原电池,而Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应为非氧化还原反应,则不能设计成原电池。
7. (1)对于锌—银—稀硫酸组成的原电池装置,当导线中有2 mol电子通过时,锌片溶解了________g,银片上析出_____L H2(标准状况下)。电池总反应的化学方程式为 。
(2)美国阿波罗宇宙飞船上使用了一种新型装置,其构造如下图所示:
A、B两个电极均由多孔的碳块组成。该电池的正极反应式为 。若该电池工作时增加了1 mol H2O,电路中转移电子的物质的量为__________。
(3)如果将上述装置中通入的H2改成CH4气体,也可以组成一个原电池装置,则该电池的负极反应式为 。
【答案】(1)65 22.4 Zn + H2SO4===ZnSO4 + H2 ↑
(2)O2+2H2O+4e ===4OH 2 mol
(3)CH4+10OH 8e ===+7H2O
【解析】(1)对于锌—银—稀硫酸组成的原电池装置,当导线中有2 mol电子通过时,锌呈+2价,锌片溶解了65 g,银片上析出1 mol即22.4 L H2(标准状况下)。电池总反应的化学方程式为Zn+ H2SO4===ZnSO4 + H2 ↑。(2)该电池的正极通入氧气,正极反应式为O2+2H2O+4e ===4OH 。若该电池工作时增加了1 mol H2O,H2O~2e ,电路中转移电子的物质的量为2 mol。(3)如果将上述装置中通入的H2改成CH4气体,则该电池的负极反应式为:CH4+10OH 8e ===+7H2O。
8.依据原电池原理,回答下列问题:
如图是使用固体电解质的燃料电池,装置中以稀土金属材料作惰性电极,在两极上分别通入CH4和空气,其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体,它在高温下能传导正极生成的O2-(O2+4e-===2O2-)。
(1)c电极为________(填“正”或“负”)极。
(2)d电极上的电极反应为______________________________________________________。
(3)如果消耗160 g甲烷,假设化学能完全转化为电能,则转移电子的数目为________(用NA表示),需要消耗标准状况下氧气的体积为________ L。
【答案】 (1)正 (2)CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O (3)80NA 448
【解析】 (1)根据图中电流方向可知,c电极是正极。(3)160 g CH4的物质的量为10 mol,根据电极反应式可知,反应中转移80 mol电子,则正极消耗O2应为20 mol,在标准状况下的体积为20 mol×22.4 L·mol-1=448 L。
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