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第2课时化学反应与电能一、化学能转化为电能1.化学能间接转化为电能(2)关键——燃烧(氧化还原反应)。【情境·思考】火力发电是我国主要的发电方式。简单的说就是利用燃料发热,加热水,形成高温高压过热蒸汽,然后蒸汽沿管道进入汽轮机中不断膨胀做功,冲击汽轮机转子高速旋转,带动发电机转子(电磁场)旋转,定子线圈切割磁感线,发出电能。(1)火力发电存在几种形式的能量转化?提示:化学能转化为热能、热能转化为机械能、机械能转化为电能3种形式。(2)试分析火力发电有哪些弊端?提示:①使用的化石燃料属于不可再生资源;②化石燃料的燃烧会产生大量的有害气体(如SO2、CO等)及粉尘,污染环境;③能量经过多次转化,能量利用率低。2.化学能直接转化为电能——原电池(1)实验探究:实验装置实验现象实验结论___________________________锌与稀硫酸_____,铜与稀硫酸_______锌片上有气泡,铜片上无气泡反应不反应实验装置实验现象实验结论___________________________产生H2(还原反应)的位置发生了改变___________________________________________该装置将_______转化为_____锌片上无气泡,铜片上有气泡锌片上无气泡,铜片上有气泡,电流表指针偏转化学能电能(2)原理分析:(3)原电池:①定义:把_________________的装置叫原电池。化学能转化为电能②工作原理:(以铜-锌-稀硫酸原电池为例)电极材料电极名称电子转移电极反应式反应类型锌负极_______________________________铜正极________________________________电池反应的离子方程式__________________失电子Zn-2e-====Zn2+氧化反应得电子2H++2e-====H2↑还原反应Zn+2H+====Zn2++H2↑【巧判断】(1)盐酸与氢氧化钠溶液混合放热,故可以设计原电池反应。()提示:×。盐酸与氢氧化钠的反应不是氧化还原反应。(2)铜-锌-稀硫酸原电池中,铜换成石墨棒也能产生电流。()提示:√。原电池中正极材料不参与反应,只起到导电的作用,石墨棒可以导电。二、化学电池——新能源和可再生能源的重要组成部分1.一次电池——锌锰干电池构造示意图工作原理负极_____锌被氧化,逐渐消耗电解质氯化铵糊正极________________被还原特点放电后_____充电便于携带,价格低锌筒石墨棒二氧化锰不能2.二次电池【微思考】生活中电动车、手机的电池属于一次电池还是二次电池?提示:电动车、手机的电池都可以反复充电使用,都属于二次电池。3.发展中的燃料电池知识点一原电池的构成条件及正负极的判断方法【重点释疑】1.原电池的构成条件——“两极一液一线一反应”2.原电池的工作原理(1)两反应:正极——还原反应;负极——氧化反应。(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.原电池正负极的判断方法【易错提醒】(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属,正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,既要考虑金属活泼性的强弱,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。【思考·讨论】(1)原电池内部阴、阳离子如何移动?移动的原因是什么?提示:阴离子要移向负极,阳离子要移向正极。这是因为负极失电子,生成大量阳离子积聚在负极附近,致使该极附近有大量正电荷,所以溶液中的阴离子要移向负极;正极得电子,该极附近的阳离子因得电子生成电中性的物质而使该极附近带负电荷,所以溶液中的阳离子要移向正极。(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接,共同通入电解质溶液中就能构成原电池吗?提示:不一定。构成原电池除具备①两种活泼性不同的金属②电解质溶液③形成闭合回路外,还必须有一个能自发进行的氧化还原反应,如图由于Cu、Ag都不能与稀硫酸反应,故不能构成原电池。【案例示范】【典例】(2019·淄博高一检测)如图所示电流表的指针发生偏转,同时A极的质量减小,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分别为Zn、Cu和稀盐酸C.C中阳离子向A极移动D.A极发生氧化反应【思维建模】解答有关原电池问题的思维流程如下:【解析】选C。原电池中,负极金属失去电子,发生氧化反应,溶解,质量减小,故A极为负极,B极为正极,A、D项正确;A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时,可以构成原电池,且现象符合题意,B项正确;电解质溶液中阳离子移向正极,C项错误。【母题追问】(1)若将“B极上有气泡产生”改为“B极上有金属析出”,答案选什么?提示:选BC。“B极上有金属析出”说明在正极上电解质溶液中的金属阳离子发生还原反应,B项也错误。(2)将上题B项改为“A、B、C分别为Fe、Cu和浓硝酸”,能否构成原电池?若能,正负极分别是什么?提示:能构成原电池。由于Fe被浓硝酸钝化,Fe作正极,Cu为负极。【迁移·应用】1.(2019·汕头高一检测)某小组为研究原电池原理,设计如图装置。下列叙述正确的是世纪金榜导学号()A.a和b不连接时,铁片上会有H2产生B.a和b用导线连接时,铁片上发生的反应为Cu2++2e-====CuC.a和b用导线连接时,电子由a流向bD.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液从蓝色逐渐变成浅绿色【解析】选D。A项,a和b不连接时,铁和Cu2+发生置换反应而析出铜,没有氢气生成,错误;B项,a和b用导线连接时构成原电池,铁是负极,铁片上发生氧化反应:Fe-2e-====Fe2+,错误;C项,Fe比铜活泼,形成原电池反应时Fe为负极,则电子由b流向a,错误;D项,无论a和b是否连接,铁片均会溶解,都生成亚铁离子,溶液由蓝色变为浅绿色,D正确。2.(2019·邯郸高一检测)将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中,经过一段时间后,下列各项叙述正确的是()A.负极有Cl2逸出,正极有H2逸出B.负极附近Cl-的浓度减小C.正极附近Cl-的浓度逐渐增大D.溶液中Cl-的浓度基本不变【解析】选D。铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中构成原电池,铁作负极,发生反应Fe-2e-====Fe2+,银作正极,发生反应2H++2e-====H2↑,故A错误;溶液中Cl-移向负极,负极附近Cl-的浓度增大,正极附近Cl-的浓度逐渐减小,而溶液中Cl-的浓度基本不变,B、C错误,D正确。【补偿训练】1.关于如图所示的装置的叙述中正确的是()A.铜是正极B.溶液中的Fe3+向铜棒移动C.电子从铜片经导线流向碳棒D.碳棒上有红色铜生成【解析】选C。首先书写此电池中发生的化学反应方程式(电池反应式)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+,在此反应中铜失电子,作原电池负极,电子从铜片经导线流向碳棒,在碳棒上电子与溶液中的Fe3+结合生成Fe2+,所以碳棒作正极,溶液中的阳离子向正极移动,即溶液中的Fe3+向正极碳棒移动。2.(2019·长沙高一检测)下列各组材料中,不能组成原电池的是()ABCD两极材料Zn片,石墨Cu片,Ag片Zn片,Cu片Fe片,Cu片插入溶液H2SO4AgNO3溶液蔗糖溶液稀盐酸【解析】选C。构成原电池的条件是活泼性不同的金属或金属和非金属,导线相连并插入电解质溶液中,则A、B、D均可以构成原电池,C中蔗糖是非电解质,故C不能构成原电池。【素养提升】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”。(1)该电池的电池反应是什么?提示:该电池利用了金属锌与酸的反应,离子方程式为Zn+2H+====Zn2++H2↑。(2)若用铁片代替锌片LED灯能不能亮?若用铁片代替铜片呢?提示:若用铁片代替锌片,由于铁能与酸反应,LED灯仍然能亮;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。(3)若用银片代替锌片LED灯能不能亮?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。(4)由上面分析可知构成原电池的条件有哪些?提示:①两个活泼性不同的金属电极或金属与石墨;②电解质溶液;③闭合回路;④自发进行的氧化还原反应。知识点二原电池原理的应用【重点释疑】1.加快化学反应速率一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池可以加快反应速率。2.比较金属活泼性强弱:两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。3.用于金属保护将被保护的金属与比其活泼的金属连接。4.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),氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。(2)步骤:以Fe+CuSO4====FeSO4+Cu为例。步骤实例将反应拆分为电极反应负极反应Fe-2e-====Fe2+正极反应Cu2++2e-====Cu步骤实例选择电极材料负极:较活泼金属,一般为发生氧化反应的金属Fe正极:活泼性弱于负极材料的金属或石墨Cu或C选择电解质一般为与负极反应的电解质CuSO4溶液步骤实例画出装置图【思考·讨论】(1)在原电池中,负极材料的金属性一定大于正极材料吗?提示:一般原电池中负极材料的金属性大于正极材料,在特殊情况下也有特例,如Al-Mg-NaOH原电池中,Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极。(2)如何利用Cu+2AgNO3====Cu(NO3)2+2Ag设计原电池?提示:该氧化还原反应可拆分为如下两个半反应:氧化反应(负极反应):Cu-2e-====Cu2+。还原反应(正极反应):2Ag++2e-====2Ag。故Cu作负极,活泼性比Cu差的材料作正极,如Ag、C等,AgNO3溶液作电解质溶液。如图:【案例示范】【典例1】(2019·岳阳高一检测)把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中,用导线两两相连可以组成各种原电池。若A、B相连时,A为负极;C、D相连时,D上有气泡逸出;A、C相连时,A极减轻;B、D相连时,B为正极。则四种金属的活泼性顺序由大到小排列为()A.ACDBB.ACBDC.BDCAD.ABCD【解题指南】解答本题要注意两点:(1)原电池中,负极金属的活泼性大于正极金属;(2)熟练掌握原电池正负极的判断依据。【解析】选A。A、B相连时,A为负极,则说明A与B相比较,A更加活泼;C、D相连,D上有气泡逸出,则C为电源的负极,C比D活泼;A、C相连时,A极减轻,A参与了电极反应,被消耗,应是活泼金属;B、D相连,B为正极,则D是活泼金属,作电源的负极。故有ACDB。【典例2】铁及铁的化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板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)中的反应设计成原电池,请在方框内画出原电池的装置图,标出正、负极,并写出电极反应式。正极反应式:________________________负极反应式:________________________【思维建模】解答“设计原电池”类试题思维流程如下:【解析】依据反应:2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+。氧化反应为Cu-2e-====Cu2+,还原反应为2Fe3++2e-====2Fe2+,则设计思路明确:原电池组成为Cu是负