第二节化学能与电讲义.doc

第二节化学能与电能重难点一 原电池1原电池原理示意图2原电池正、负极的判断方法(1)根据组成原电池的两极材料判断一般是活动性较强的金属为负极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。(2)根据电流方向或电子流动方向判断电流是由正极流向负极；电子流动方向是由负极流向正极。(3)根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动方向判断在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向负极。(4)根据原电池两极发生的变化来判断原电池的负极总是失电子发生氧化反应，正极总是得电子发生还原反应。(5)根据现象判断溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。3原电池原理的应用(1)加快氧化还原反应速率如实验室用Zn和稀H2SO4(或稀HCl)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)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。例如有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活动性AB。(3)设计原电池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。例如，利用Cu2AgNO3=Cu(NO3)22Ag的氧化还原反应可设计成如图所示的原电池，该原电池的电极反应式为：负极(Cu)：Cu2e=Cu2(氧化反应)正极(C)：2Ag2e=2Ag(还原反应)典型例题分析题型1 原电池工作原理例1在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是()A正极附近的SO浓度逐渐增大B电子通过导线由铜片流向锌片C正极有O2逸出D铜片上有H2逸出解析由锌片、铜片、稀H2SO4构成原电池，锌片为负极，Zn2e=Zn2；铜片为正极：2H2e=H2，SO、OH等阴离子向负极移动，外电路上，电子通过导线由锌片流向铜片。答案D题型2 原电池原理的应用例2电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是()A锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细B氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能C氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化D太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅解析锌锰干电池工作原理：碳棒为正极，碱性电池时正极反应为2MnO2H2O2e=Mn2O32OH，酸性时为2NH2e=2NH3H2，因此碳棒不参与反应，A错误；氢氧燃料电池是利用化学能转化为电能的装置，B错误；C正确，负极：2H24OH4e=4H2O；太阳能电池的主要材料是高纯度的硅，D不正确。答案C例3(09广东理基，34)下列有关电池的说法不正确的是()A手机上用的锂离子电池属于二次电池B铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极C甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D锌锰干电池中，锌电极是负极解析锂离子电池可以充电后，再次使用，属于二次电池，A项正确；铜锌原电池中铜为正极，故电流为铜流向锌，而电子是由锌流向铜，B项错；电池的实质即是化学能转化成电能，C项正确；Zn失去电子生成Zn2，故作为负极，D项正确。答案B原电池正、负极的判定方案：(1)依据原电池两极的材料：较活泼的金属作负极，不活泼的金属或可导电的非金属(石墨)作正极。(2)根据外电路电流方向或电子流向：电流由正极流向负极；电子则由负极流向原电池的正极。(3)根据内电路离子的移动方向：阳离子移向原电池的正极，阴离子移向原电池的负极。(4)根据原电池中的反应类型：正极：电子流入的一极，发生还原反应，现象是金属的析出或H2的放出等。负极：电子流出的一极，发生氧化反应，现象则是电极本身的消耗，质量减小。重难点二 电极反应式和原电池反应式的书写1电极反应式的书写(1)根据原电池的装置书写负极：若负极材料本身被氧化，其电极反应式有两种情况；一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液的成分反应，此时的电极反应可表示为Mne=Mn。另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液的成分反应，此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液反应叠加在一起，如铅蓄电池的负极反应为PbSO2e=PbSO4。若负极材料本身不反应，如燃料电池，在书写负极反应式时，要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液中的反应叠加在一起书写，如H2O2(KOH溶液)电池的负极反应为H22OH2e=2H2O。正极：首先判断在正极发生反应的物质。当负极材料与电解质溶液能发生自发的化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；当负极材料与电解质溶液不能发生自发的化学反应时，在正极上发生反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。然后再根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若反应也要书写叠加式。(2)根据原电池反应书写电极反应式找出发生氧化反应和还原反应的物质，确定正负极产物。利用电荷守恒分别写出电极反应式。验证：两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书写正确。2原电池反应式的书写两电极反应式，得失电子数相等时，将两电极反应式相加即得原电池反应式。特别提醒在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，无论该离子是强电解质提供的，还是弱电解质提供的，一律写离子符号；而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示。3常见化学电源的电极反应式(1)普通锌锰电池负极：Zn2e=Zn2正极：2NH2e=2NH3H2总反应：Zn2NH=Zn22NH3H2(2)铅蓄电池负极：PbSO2e=PbSO4(氧化反应)；正极：PbO24HSO2e=PbSO42H2O(还原反应)；总反应式：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。(3)氢氧燃料电池(KOH为电解质)负极：2H24e4OH=4H2O(氧化反应)；正极：O24e2H2O=4OH(还原反应)；总反应式：2H2O2=2H2O。1据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染，其电池总反应为2ZnO2=2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气，则下列叙述正确的是()A锌为正极，空气进入负极反应B负极反应为Zn2OH2e=ZnOH2OC正极发生氧化反应D电解液肯定不是强酸答案BD解析2ZnO2=2ZnO，Zn失电子，O2得电子，即Zn为原电池负极，O2在正极上反应，故B正确；若电解液为强酸，ZnO则不能存在，故D也正确。2将两个铂电极插入氢氧化钾溶液中，向两极分别通入甲烷和氧气，即构成甲烷燃料电池，已知通入甲烷的一极，其电极反应为CH410OH8e=CO7H2O；通入氧气的另一极，其电极反应式是2O24H2O8e=8OH，下列叙述正确的是()A通入甲烷的电极为负极B氧气在正极发生氧化反应C该电池使用一段时间后应补充氢氧化钾D燃料电池工作时，溶液中的阴离子向正极移动答案AC解析根据原电池原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，确定A正确；由于CH4被氧化成CO2要消耗KOH，故应不断补充KOH。3某原电池的电池总反应为Fe2Fe3=3Fe2，与此电池反应不符的原电池是()A铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池B石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池C铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池D银片、铁片、Fe(NO3)2溶液组成的原电池答案CD解析由电池反应知：Fe失电子应作原电池负极，而正极反应为Fe3e=Fe2，要求电解液必为含Fe3的盐溶液，且电极材料相对Fe较不活泼，从而得到答案。此题考查了学生的逆向思维。4.如图所示装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的相接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液。(1)片刻后可观察到的现象是(指悬吊的金属圈)_。A铁圈和银圈左右摇摆不定 B保持平衡状态不变 C铁圈向下倾斜 D银圈向下倾斜(2)产生上述现象的原因是_。(3)写出反应的化学方程式：_。答案(1)D(2)滴入CuSO4溶液后，形成原电池，铁圈上铁失电子而溶解，质量减轻；铜在正极银圈上析出，质量增加(3)FeCuSO4=FeSO4Cu解析由题意知，滴入CuSO4溶液后，可形成Fe|CuSO4|Ag 原电池，Cu在银圈上析出，质量增大，失去平衡。5.利用铜、锌、稀硫酸、烧杯、导线等设计如下实验：(1)常见的原电池装置如图所示，铜与锌直接浸在同一电解质溶液中，当切断外线路时，反应的离子方程式为_。(2)某同学利用如图装置测定电子电量、气体体积、锌的摩尔质量等数据，实验发现，流过外电路的电子为0.2 mol时，金属减少了7.15 g，生成的气体在标准状况下的体积为2.464 L。利用产生气体的体积，计算锌的摩尔质量为_；利用通过外电路的电子，计算锌的摩尔质量为_，并说明出现这种结果的原因：_。答案(1)Zn2H=Zn2H2(2)65 g/mol71.5 g/mol部分锌直接与稀硫酸反应，电子没有通过导线，部分氢气直接在负极放出解析依题意生成氢气的物质的量为2.464 L22.4 L/mol0.11 mol，转移电子的物质的量为0.22 mol；消耗锌0.11 mol，其摩尔质量为7.15 g0.11 mol65 g/mol。实际上，通过外电路的电子为0.2 mol，若按通过外电路的电子计算，锌的摩尔质量为71.5 g/mol，因为锌与稀硫酸接触发生反应，电子没有完全通过导线。第1课时化学能与电能的相互转化1装置能够组成原电池的是()答案B 解析A项中电极材料相同；C项中乙醇为非电解质；D项中未形成闭合回路，故A、C、D均不能形成原电池。2把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为()Aabcd Bacdb Ccabd Dbdca答案B解析根据原电池原理，作为负极的金属活动性比正极金属的活动性强。电子流动方向是由负极流向正极，电流方向与电子流动方向相反，因此可依次作出如下判断：活动性：ab；cd；ac；db，综合得结论：金属活动性acdb，故答案应选B。3.如图所示装置，电流表G发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的哪一组()AA是Zn、B是Cu、C为稀H2SO4BA是Cu、B是Zn、C为稀H2SO4CA是Fe、B是Ag、C为AgNO3溶液DA是Ag、B是Fe、C为AgNO3溶液答案D解析A、B项为Zn|H2SO4|Cu构成原电池，Zn为负极：Zn2e=Zn2，Zn极溶解；Cu为正极：2H2e=H2，有气泡冒出，但两极均不会变粗；C、D项构成Fe|AgNO3|Ag原电池，Fe为负极：Fe2e=Fe2，因溶解而变细；Ag为正极：Age=Ag，沉积在Ag上而使Ag极变粗，即A为Ag电极。第2课时发展中的化学电源1日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应式可简化为：Zn2e=Zn2，2NH2e=2NH3H2(NH3与Zn2能生成一种稳定的物质)。根据上述判断，下列结论正确的是()AZn为正极，碳为负极BZn为负极，碳为正极C工作时，电子由碳极经过外电路流向Zn极D长时间连续使用时，内装糊状物可能流出腐蚀用电器答案BD解析由负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应或根据原电池形成的条件，相对活泼(指金属性)的一极为负极，相对不活泼的一极为正极，故选项B正确；在外电路，电子从负极流向正极，故选项A、C不正确；长时间连续使用该原电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，且MnO2不断吸收H2而生成H2O，糊状物也越来越稀，故其很可能流出腐蚀用电器，故选项D是正确的。2汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如下图所示，放电时的电池反应如下：PbO2Pb2H2SO4=2PbSO42H2O根据此反应判断下列叙述中正确的是()APbO2是电池的负极 BPb是负极CPbO2得电子，被氧化 D电池放电时，溶液酸性增强答案B解析根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，故B项正确；PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D项错误。3燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是()Aa极是负极，该电极上发生氧化反应Bb极反应是O24OH4e=2H2O C总反应方程式为2H2O2=2H2OD氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源答案B解析A项a极通H2为负极，电极反应为2H24OH4e=4H2O，发生氧化反应；B项，b极通O2为正极，电极反应为O22H2O4e=4OH，B项不正确；C项，正负极电极反应式相加得总反应为2H2O2=2H2O；D项，氢、氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源。课时作业1下面是四个化学反应，你认为理论上不可用于设计原电池的化学反应是()A2Al2NaOH2H2O=2NaAlO23H2B2H2O22H2OCMg3N26H2O=3Mg(OH)22NH3DCH42O2CO22H2O答案C解析能设计成原电池的反应是自发进行的氧化还原反应， C项的反应为非氧化还原反应。2关于化学电源的叙述，错误的是()A最早使用的化学电池是锌锰电池B在干电池中，碳棒只起导电作用，并不参加化学反应C镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉的资源有限，价格昂贵D燃料电池是一种高效、环保的新型化学电源答案C解析由于镍、镉元素会造成环境污染。3可用于电动汽车的铝空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是()A以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液时，正极反应都为：O22H2O4e=4OHB以NaOH溶液为电解质溶液时，负极反应为：Al3OH3e=Al(OH)3C以NaOH溶液为电解质溶液时，电池在工作过程中电解质溶液的pH保持不变D电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极答案A解析电池工作时，正极上O2得到电子被还原，电极反应为：O22H2O4e=4OH，A正确；电解液为NaOH溶液时，在负极上产生的是NaAlO2而不是Al(OH)3，B错误；电池的总反应为：4Al3O24NaOH=4NaAlO22H2O，消耗NaOH，pH减小；电池工作时，电子通过外电路由负极流向正极。4将镁片、铝片平行插入到一定浓度的NaOH溶液中，用导线连接成闭合回路，如图所示，该装置在工作时，下列叙述正确的是()A镁比铝活泼，镁失去电子被氧化成Mg2B铝是电池负极，开始工作时溶液中会立即有白色沉淀生成C该装置的内、外电路中，均是电子的定向移动形成电流D该装置开始工作时，铝片表面的氧化膜不必处理答案D解析镁、铝在NaOH溶液中构成原电池，铝为负极，反应生成AlO，而不会生成沉淀；镁作正极，H2在正极析出；外电路中电子由铅极导出流向镁极；内电路中阴离子移向铝极，阳离子移向镁电极；铝片上的氧化铝膜溶于NaOH溶液，不影响反应，不必处理。5实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取Cl2，已知铅蓄电池放电时发生如下反应：负极：PbSO2e=PbSO4正极：PbO24HSO2e=PbSO42H2O今欲制得Cl2 0.050 mol，这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是()A0.025 mol B0.050 mol C0.10 mol D0.20 mol 答案C解析要求得硫酸的量，需首先找出铅蓄电池的总反应。将上述两个电极反应合并可得：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。而在制取Cl2时，每生成1molCl2，电子转移2 mol，现需要转移电子0.050mol20.10mol。由铅蓄电池总反应可知，每转移0.10mol电子，将消耗0.10 mol 硫酸。6下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是()Aa电极是负极Bb电极的电极反应为：4OH4e=2H2OO2C氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置答案B解析本题主要考查原电池的电极判断、电极反应式的书写及电极产物的确定。a电极上发生反应：2H24e=4H，是负极；b电极上发生反应：O22H2O4e=4OH，是正极。氢氧燃料电池的能量效率较高，而且产物H2O是一种无污染物质，是一种具有应用前景的绿色电源。氢氧燃料电池通入H2、O2就能工作，无需将H2、O2储藏在电池内部。7锂碳电池是心脏起搏器中安装寿命最长、可靠性最高的电池，这种电池容量大，电压稳定，能在56.771.1范围内正常工作，现已在火箭、移动电话、笔记本电脑中广泛使用。它采用锂和石墨作电极，四氯化铝锂(LiA