高中化学-化学能转化为电能-化学电源-苏教版必修2.doc

2.3.1 化学能转化为电能 化学电源
【典例导悟】

【规范解答】选D。乙中I- 失去电子放电，发生氧化反应，A正确；由总反应方程式知，Fe3+ 被还原成Fe2+，B正确；当电流计读数为零时，说明没有电子发生转移，反应达到平衡状态，C正确。加入Fe2+，导致平衡逆向移动，则Fe2+ 失去电子生成Fe3+，作为负极，D错误。
【变式训练】某原电池，将两金属X、Y用导线连接，同时插入相应的电解质溶液中，发现Y电极质量增加，则可能是下列情况中的（ ）
A．X是负极，电解质溶液为CuSO4溶液
B．X是负极，电解质溶液为稀H2SO4溶液
C．X是正极，电解质溶液为CuSO4溶液
D．X是正极，电解质溶液为稀H2SO4溶液
【解析】选A。原电池的负极会不断溶解或质量不断减少，而正极质量不断增加或有气泡产生。Y电极质量增加，说明它是原电池的正极，则该电极上的反应是溶液中的阳离子得电子而在Y极上析出金属，故只有A符合题意。
【典例2】100 mL　浓度为2 mol·L－１的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是
A.加入适量的6 mol·Ｌ－１的盐酸
B.加入数滴氯化铜溶液
C.加入适量蒸馏水
D.加入适量的氯化钠溶液
【思路点拨】解答本题需要注意以下两点：
（1）增大浓度、升高温度、加入催化剂可以加快反应速率。
（2）形成原电池可以加快反应速率。
【自主解答】选B。向溶液中再加入盐酸，H+ 的物质的量增加，生成H2的总量也增加，A错。加入氯化铜后，锌置换出的少量铜附在锌片上，形成了原电池反应，反应速率加快，又锌是过量的，生成H2的总量决定于盐酸的量，故B正确。向原溶液中加入水或氯化钠溶液都引起溶液中H+ 浓度的下降，反应速率变慢，故C、D都不正确。
【互动探究】若加入适量的硝酸钠溶液，能否达到相同的目的？
提示：加入的硝酸钠可以和盐酸在溶液中结合成硝酸，稀硝酸和锌反应能够生成NO气体，而不能生成氢气。
【典例3】一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是
A.CH3OH（g）+O2（g）-2e- ==== H2O（l）+CO2（g）+2H+（aq）
B.O2（g）+4H+（aq）+4e- ====2H2O（l）
C.CH3OH（g）+H2O（l）-6e- ====CO2（g）+6H+（aq）
D.O2（g）+2H2O（l）+4e- ====4OH-
【思路点拨】解答本题需要注意以下三点：
（1）写出甲醇与氧气反应的总反应方程式。
（2）正极反应O2在酸性条件下得电子生成水。
（3）总反应式减去正极反应式即为负极反应式。
【自主解答】选C。在燃料电池中，可燃物在负极发生失去电子的氧化反应，助燃物在正极上发生得电子的还原反应。甲醇和氧气反应的化学方程式为：2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O，化合价升高的元素为C，所以在负极上甲醇失去电子而放电，在该极上的电极反应式为：
CH3OH（g）+H2O（l）-6e- ====CO2（g）+6H+（aq）。【互动探究】若将电解质溶液改为KOH溶液，负极反应应如何书写？

【变式训练】科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池负极反应为（ ）
A.H2+2OH--2e- ====2H2O
B.O2+4H+ +4e- ====2H2O
C.H2-2e- ====2H+
D.O2+2H2O+4e- ====4OH-
【解析】选C。电池的负极发生氧化反应，元素的化合价升高，所以氢气作负极，又因为电解质溶液为磷酸，负极反应为：H2-2e- ====2H+。正极发生还原反应，元素的化合价降低，所以正极通入氧气，正极反应为：O2+2H2O+4e- ====4OH-,又因为电解液为酸性，生成的OH- 还会发生如下反应：4H+ +4OH- ====4H2O,所以正极上实际发生的反应为这两步反应的和：O2+4H+ +4e- ====2H2O。
【学业达标训练】
1.（2010·丹东高一检测）下列关于铜- 锌- 稀H2SO4构成的原电池的有关叙述中错误的是（ ）
A．锌为负极，发生氧化反应
B．铜为正极，铜不易失去电子而受到保护
C．负极发生还原反应，正极发生氧化反应
D．外电路电子流入的一极为正极，电子流出的一极为负极
【解析】选C。根据Cu-Zn原电池的工作原理，负极上：
Zn－2e－====Zn2+（发生氧化反应），正极上：
2H+ +2e－====H2↑（发生还原反应），电子由负极 正极，故C选项错误。
2．（2009·广东理基）钢铁生锈过程发生如下反应：
①2Fe+O2+2H2O====2Fe(OH)2
②4Fe(OH)2+O2+2H2O====4Fe(OH)3
③2Fe(OH)3====Fe2O3+3H2O
下列说法正确的是（ ）
A．反应①、②中电子转移数目相等
B．反应①中氧化剂是氧气和水
C．与铜制水龙头连接处的钢制水管不易发生腐蚀
D．钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
【解析】选A。①②反应中消耗O2的量相等，两个反应也仅有O2作为氧化剂，故转移电子数是相等的，A项正确。①中H2O中的H、O两元素的化合价没有变，故不作氧化剂，B项错；铜和钢构成原电池，腐蚀速度加快，C项错；钢铁是铁和碳的混合物，在潮湿的空气中易发生吸氧腐蚀，属于电化学腐蚀，故D项错。
3．（2010·惠州高一检测）下列反应不可用于设计原电池的是（ ）
A.NaOH+HCl====NaCl+H2O
B.2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O
C.Zn+2HCl====ZnCl2+H2↑
D.4Al+3O2+6H2O====4Al(OH)3
【解析】选A。原电池反应必须是自发的氧化还原反应。A选项中的反应不是氧化还原反应。
4．（2010·咸阳高一检测）下图是生活中常用的锌锰干电池的示意图，下列有关说法中不正确的是（ ）
A.电池内部含有电解质
B.锌是负极，碳棒是正极
C.电池用完后可埋入土壤
D.锌锰干电池属一次电池

【解析】选C。锌锰干电池是一种一次电池，负极材料是Zn，正极材料是碳棒，电解质溶液是NH4+Cl。因为废电池中含有多种重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃对生态环境和公众健康危害很大，所以应该对废电池进行集中处理，不能埋入土壤。
5．实验室用锌片、铜片和AgNO3溶液组成原电池，正极反应为（ ）
A.2H+ +2e- ====H2↑ B.Zn-2e- ====Zn2+
C.Ag+ +e- ====Ag D.Cu2+ +2e- ====Cu
【解析】选C。铜比锌不活泼，所以铜作正极，溶液中的阳离子移向正极得到电子被还原，所以正极反应为
Ag+ +e- ====Ag。
6．（2010·江阴高一检测）如图为蕃茄电池，下列说法正确的是（ ）
A．一段时间后，锌片质量会变小
B．铜电极附近会出现蓝色
C．电子由铜通过导线流向锌
D．锌电极是该电池的正极

【解析】选A。在蕃茄电池中，因为Zn的活泼性比Cu的强，所以锌是该电池的负极，电极反应式为：Zn－2e－====Zn2+，所以一段时间后，锌片质量会变小，A选项正确，D选项错误；铜做电池的正极，蕃茄中的有机酸电离出的H+ 在铜电极上放电产生氢气，铜电极不发生任何变化，只起导电作用，B选项错误；原电池中，电子流向是：负极→导线→正极，C选项错误。
7.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（ ）

A.a电极是负极
B.b电极的电极反应为：4OH--4e- ====2H2O+O2↑
C.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
【解析】选B。分析氢氧燃料电池原理示意图，可知a极为负极，其电极反应为：2H2-4e- ====4H+,b极为正极，其电极反应为：O2+2H2O+4e- ====4OH-,电池总反应式为:2H2+O2====2H2O。H2为还原剂，O2为氧化剂，H2、O2不需全部储藏在电池内。

【解析】根据实验现象,由原电池原理知,金属溶解的电极为原电池的负极,金属质量增加或产生H2的电极是正极.因为负极相对活泼,则有活泼性A>B,D>C,D>A,B>C，所以金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。
答案：2H+ +2e- ====H2↑ Cu2+ +2e- ====Cu
2H+ +2e- ====H2↑ D>A>B>C
10．根据氧化还原反应2FeCl3+Fe====3FeCl2，设计一个原电池：
（1）用______作负极，电极反应为______________（2）电解质溶液是___________________。
（3）用______作正极，电极反应为______________。
【解析】此题考查运用氧化还原反应设计原电池的知识，要求考生了解原电池的构造，负极是发生失电子的氧化反应，故负极应为Fe，反应为Fe－2e－====Fe2+；正极是发生得电子的还原反应。故Fe3+ +e－====Fe2+。
答案：（1）铁 Fe－2e－====Fe2+ （2）FeCl3溶液
（3）惰性电极 Fe3+ +e－====Fe2+

【素能综合检测】
1．（2010·镇江高一检测）下列各变化中属于原电池反应的是（ ）
A．在空气中金属铝表面迅速氧化形成保护层
B．镀锌铁表面有划损时，也能阻止铁被氧化
C．红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色保护层
D．浓硝酸比稀硝酸更能氧化金属铜
【解析】选B。构成原电池的条件必须同时满足：①要有活泼性不同的两个电极；②要有电解质溶液；③能形成闭合回路。可以用此条件进行判断。

2．用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂-KNO3的U型管）构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（ ）
①在外电路中，电流由铜电极流向银电极
②正极反应为：Ag+ +e- ====Ag
③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.①② B.②③ C.②④ D.③④
【解析】选C。该原电池中Cu作负极，Ag作正极，负极反应式为Cu-2e- ====Cu2+，正极反应式为Ag+ +e- ====Ag，因此②对；在外电路中，电子由Cu电极流向Ag电极，而电流方向与电子流向相反，所以①错；没有盐桥，原电池不能继续工作，所以③错。无论是否为原电池，反应实质相同，均为氧化还原反应，所以④对。
3．如图所示，将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中，再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液，冷却后形成琼胶（离子在琼胶内可以移动），下列叙述正确的是（ ）

A.a中铁钉附近呈现红色
B.b中铁钉上发生还原反应
C.a中铜丝上发生氧化反应
D.b中铝条附近有气泡产生
【解析】选B。a、b均能形成原电池，其中a中Fe作负极：Fe-2e- ====Fe2+，发生氧化反应，Cu作正极：2H+ +2e- ====H2↑，发生还原反应，溶液中产生OH-，所以铜丝附近呈现红色；b中Al作负极：Al-3e- ====Al3+，发生氧化反应，而Fe作正极：2H+ +2e- ====H2↑，发生还原反应。
4.如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是（实验过程中，不考虑铁丝反应及两球的浮力变化）（ ）
A.杠杆为导体和绝缘体时，均为A端高B端低 [
B.杠杆为导体和绝缘体时，均为A端低B端高
C.当杠杆为绝缘体时，A端低，B端高；为导体时，A端高，B端低D.当杠杆为绝缘体时，A端高，B端低；为导体时，A端低，B端高
【解析】选D。当杠杆为绝缘体时，体系中发生铁球与CuSO4的置换反应，Fe+Cu2+ ====Cu+Fe2+，使铁球质量增大，故A高、B低；当杠杆为导体时，杠杆、铁丝及两个小球构成原电池，虽发生Fe+Cu2+ ====Cu+Fe2+ 的反应，但此时铜球上发生Cu2+ +2e- ====Cu，故铜球有铜析出，故A低，B高。
5．（思维拓展题）对于锌、铜和稀H2SO4组成的原电池装置中，当导线中有1 mol 电子通过时，理论上的两极变化是：①锌片溶解了32.5 g ②锌片增重32.5 g ③铜片上析出1 g H2 ④铜片上析出1 mol H2（ ）
A．①和③ B．①和④ C．②和③ D．②和④
【解析】选A。锌- 铜原电池中，锌作负极，失去1 mol
e－时，理论上溶解锌32.5 g，同时，铜作正极，铜片上有0.5 mol H2放出。二、非选择题（本题包括2个小题，共30分）
6.（14分）（2009·海南高考）Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为：4Li+2SOCl2====
4LiCl+S+SO2。
请回答下列问题：
（1）电池的负极材料为______，发生的电极反应为________________；
（2）电池正极发生的电极反应为_________________；
（3）SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是_______________________________________，
反应的化学方程式为_____________________；
（4）组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是_______________________________________。
【解析】分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂，SOCl2为氧化剂。
（2）正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到：2SOCl2+4e- ====4Cl- +S+SO2。
（3）题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味气体生成。
（4）电池中的Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。
答案：（1）Li Li-e- ====Li+
（2）2SOCl2+4e- =====4Cl- +S+SO2
（3）出现白雾，有刺激性气味气体生成
SOCl2+H2O=====SO2↑+2HCl↑
（4）构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应
［实验·探究］
7．（16分）利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电学知识，自己动手设计一个原电池。请填写下列空白：
（1）实验原理：Fe+2H+ =====Fe2+ +H2↑。
（2）实验用品：电极（_____、 _____）、稀硫酸、 _____（填写所缺的实验用品）、耳机（或者电流计）
（3）实验装置：
（4）原电池设计及注意的问题：
①按如图所示连接好实验仪器，注意观察（耳朵听）耳机是否有声音发出，如果没有，可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极（注意：接触的同时耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的），这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是：在原电池中，由化学能转化为_____________。
②如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的___极，电极反应是__________；另一极应该接电流计的___极，电极发生了___________反应。
【解析】从实验原理：Fe+2H+ ====Fe2+ +H2↑可知，Fe做原电池的负极，其电极反应是：Fe-2e- ====Fe2+，酸做电解质溶液，则比铁不活泼的金属或石墨做原电池的正极，其电极反应是：2H+ +2e- ====H2↑，在其工作过程中将化学能转化为电能。
答案：（2）铁钉或铁条 铜钉（其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确） 烧杯、导线
（4）①电能 ②负 Fe-2e- ====Fe2+ 正 还原