高中化学人教版必修2(练习)2_2_1 化学能转化为电能含解析

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高中化学人教版必修2(练习)2_2_1 化学能转化为电能含解析

第1课时 化学能转化为电能 目标导航] 1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置,通过实验会说明原电池的原理,以及判断原电池的正、负极。3.会正确书写电极反应式,熟知原电池的应用。‎ 一、一次能源和二次能源 ‎1.能源按其来源可分为一次能源和二次能源。‎ 能源类别 定义 实例 一次能源 直接从自然界中取得的能源 太阳能、风能、地热能、潮汐能、原煤、石油、天然气等 二次能源 由一次能源经过加工、转换得到的能源 电能(水电、火电、核电)、蒸汽能、机械能等 ‎2.二次能源——火力发电 ‎(1)火力发电原理:首先通过化石燃料燃烧,使化学能转变为热能,加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机,然后带动发电机发电。‎ ‎(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。‎ ‎(3)火力发电弊端:①煤属于不可再生资源,用一点少一点,用煤发电会造成资源的浪费。‎ ‎②能量经过多次转化,利用率低,能量损失大。‎ ‎③煤燃烧会产生有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等),污染环境。‎ 议一议 判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”‎ ‎(1)根据一次能源和二次能源的划分,氢气为二次能源(  )‎ ‎(2)电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源(  )‎ ‎(3)火力发电是化学能间接转化为电能的过程(  )‎ ‎(4)水力发电是将化学能转化为电能的过程(  )‎ 答案 (1)√ (2)√ (3)√ (4)×‎ 二、化学能直接转化为电能 ‎1.按要求完成下列实验,并填表 实验步骤 现象 解释或说明 锌片逐渐溶解,表面有气泡;铜片表面无气泡 锌与稀硫酸发生置换反应产生H2,而铜则不能 锌片逐渐溶解,铜片表面有气泡,电流表指针发生偏转 锌与稀硫酸反应,但氢气在铜片上产生,导线中有电流 两锌片逐渐溶解且表面都有气泡,电流表指针不偏转 锌与稀硫酸反应,但导线中无电流 无现象 乙醇是非电解质,与Zn、Cu都不反应 ‎2.原电池 ‎(1)概念:是将化学能转变为电能的装置;原电池的反应本质是氧化还原反应。‎ ‎(2)构成条件 ‎①原电池反应必须是自发的氧化还原反应;‎ ‎②具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属);‎ ‎③两电极均插入电解质溶液中;‎ ‎④电解质溶液、电极、导线形成闭合回路。‎ ‎(3)原电池的工作原理 原电池总反应式:Zn+2H+===Zn2++H2↑。‎ ‎(4)能量转化过程:原电池在工作时,负极失电子,电子通过导线流向正极,被氧化性物质得到,闭合回路中形成电流,化学能转变为电能。‎ 议一议 ‎1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”‎ ‎(1)HCl+NaOH===NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池(  )‎ ‎(2)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中,电流表指针发生偏转(  )‎ ‎(3)在铜—锌—稀硫酸原电池中,电子由锌通过导线流向铜,再由铜通过电解质溶液到达锌(  )‎ ‎(4)原电池中阳离子向正极移动(  )‎ ‎(5)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子(  )‎ 答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)×‎ ‎2.原电池中作负极的一定是活泼金属,作正极的一定是不活泼金属吗?‎ 答案 不一定。在原电池中的两极可以都是活泼金属(如Zn-Fe-稀硫酸,Zn作负极),也可以都是不活泼金属(如Cu-Ag-AgNO3,Cu作负极)也可以是一种金属和一种能导电的非金属(如Cu-C-AgNO3,Cu作负极)。‎ 一、原电池的工作原理 例1 如图所示,电流表指针发生偏转,同时A极质量减少,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可能分别为Zn、Cu、稀盐酸 C.C中阳离子向A极移动 D.A极发生氧化反应 解析 原电池中,负极金属失去电子,溶解,质量减小,故A极是负极,B极是正极,根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸,A、B正确;离子移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C错误;负极发生氧化反应,正极发生还原反应,D正确。‎ 答案 C 归纳总结 ‎1.原电池的工作原理 ‎(1)反应类型:负极发生氧化反应,正极发生还原反应。‎ ‎(2)电子的移动方向:负极流出,经导线流向正极。‎ ‎(3)离子的移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。‎ ‎2.原电池正、负极的判断 变式训练1 如图是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记录如下,在卡片上描述合理的是(  )‎ 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:从Zn经外电路流向Cu ‎④Cu极上有H2产生 ‎⑤若有1 mol电子流过导线,则产生H2为0.5 mol ‎⑥正极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+‎ A.①②③ B.③④⑤‎ C.④⑤⑥ D.②③④‎ 答案 B 解析 在该原电池中,Zn比Cu活泼,故Zn作负极,Cu作正极,电子由Zn流出经导线流向Cu片,负极反应为Zn-2e-===Zn2+,正极反应为2H++2e-===H2↑,故转移1 mol电子时,产生H2 0.5 mol,在溶液中H+向正极移动,SO向负极移动,故①②⑥错误,③④⑤正确,选B项。‎ 二、原电池原理的应用 例2 有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:‎ 实验 装置 部分实 验现象 a极质量减小,b极质量增大 b极有气体产生,c极无变化 d极溶解,c极有气体产生 电流从a极流向d极 由此可判断这四种金属的活动性顺序是(  )‎ A.a>b>c>d B.b>c>d>a C.d>a>b>c D.a>b>d>c 解析 装置一是原电池,a极质量减小,说明a极金属易失去电子形成离子,故a极金属比b极金属活泼;装置二没有形成原电池,可知b比c活泼,且c位于金属活动性顺序表中氢的后面;装置三和四均形成原电池,易知d比c活泼,d比a活泼。因此四种金属的活动性顺序为d>a>b>c,故选C。‎ 答案 C 归纳总结 原电池原理的应用 ‎(1)比较金属活动性 作负极的金属活动性强,作正极的金属活动性弱。‎ ‎(2)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。‎ ‎(3)设计原电池 如:把Fe+2Fe3+===3Fe2+设计成原电池,可用Fe作负极,铜(或石墨)作正极,FeCl3溶液作电解质溶液。‎ ‎(4)保护金属设备 如:船体是钢铁材料,在海水中易被腐蚀,在船体外壳焊接上比铁活泼的金属(如Zn),则构成以Zn、Fe为电极的原电池,Zn被消耗掉而Fe得到保护。‎ 变式训练2 100 mL 2 mol·L-1的盐酸与过量的锌反应,为加快速率,又不影响产生氢气的总量,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.加入适量的蒸馏水 D.加入适量的氯化钠溶液 答案 B 解析 能加快反应速率,但增加了产生氢气的总量,A错误;不影响H2的量,但稀释了盐酸,降低了反应速率,C、D错误;发生反应Cu2++Zn===Zn2++Cu,形成Cu-Zn原电池,加快了反应速率,B正确。‎ ‎1.下列叙述正确的是(  )‎ ‎①原电池是把化学能转化成电能的一种装置 ‎②原电池的正极发生氧化反应,负极发生还原反应 ‎③不能自发进行的氧化还原反应,通过原电池的装置均可实现 ‎④碳棒不能用来作原电池的正极 ‎⑤反应Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,能以原电池的形式来实现 A.①⑤ B.①④⑤ C.②③④ D.②⑤‎ 答案 A 解析 ①原电池是把化学能转化为电能的一种装置,①正确;②在发生反应时,原电池的正极要得到电子而发生还原反应,负极要失去电子而发生氧化反应,②错误;③铜与稀硫酸不能发生反应,若用铜作负极,碳棒作正极,稀硫酸作电解质溶液,组成原电池,此反应仍然不能发生,③错误;④因为碳棒可以用来作原电池的正极,④错误;⑤可以用铜作负极,碳棒作正极,AgNO3溶液作电解质溶液,组成原电池,此时即可发生反应Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,⑤正确。A正确。‎ ‎2.将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是(  )‎ A.两个装置都构成了原电池 B.甲装置构成了原电池,乙装置没有构成原电池 C.两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生 D.产生气泡的速率甲比乙慢 答案 B 解析 甲中构成了铜锌原电池,锌作负极,失电子;铜作正极,氢离子在铜极上得电子,生成氢气;总反应式为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。乙装置没有构成原电池,因为没有形成闭合电路。构成原电池后生成氢气的速率加快。‎ ‎3.X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X和Y组成原电池时,Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为(  )‎ A.X>Y>Z B.X>Z>Y C.Y>X>Z D.Y>Z>X 答案 C 解析 根据原电池原理,负极的金属比正极活泼,可知Y>X,根据金属活动性顺序和置换反应原理,可知X>Z,故有Y>X>Z。‎ ‎4.已知金属锈蚀的原理是在潮湿空气中金属表面形成水膜,金属与杂质和水膜中溶解的电解质组成原电池,从而使金属锈蚀加快,下列制品的镀层损坏后,金属腐蚀速率最快的是(  )‎ A.镀铝塑扣 B.食品罐头盒(镀锡铁盒)‎ C.白铁水桶(镀锌) D.镀银铜质奖章 答案 B 解析 在构成原电池反应中,被腐蚀的是较活泼的作负极的金属,根据金属活动顺序表, Zn、Al比Fe较活泼,Fe比Sn(锡)、Cu比Ag较活泼,而Fe比Cu活泼,故镀锡铁盒镀层破坏后腐蚀最快。‎ ‎5.现有如下两个反应:‎ ‎(A)NaOH+HCl===NaCl+H2O ‎(B)Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+‎ ‎(1)根据两反应本质,判断能否设计成原电池________________________________。‎ ‎(2)如果不能,说明其原因_____________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)如果可以,则写出正、负极材料、其电极反应式、反应类型(“氧化反应”或“还原反应”):‎ 负极:________,________________,________。‎ 正极:________,________________,________。‎ 答案 (1)(A)不能,(B)可以 (2)(A)不是氧化还原反应,没有电子转移 (3)Cu Cu-2e-===Cu2+ 氧化反应 碳棒、Ag、铂、金(任选一) 2Ag++2e-===2Ag 还原反应 解析 (1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池,(B)是氧化还原反应且能自发进行。‎ ‎(3)根据电池反应式Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+可知,Cu失电子作负极,负极材料是Cu,正极材料应是比铜不活泼的金属或能导电的非金属;Ag+得电子,所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。‎ 基础过关]‎ 题组1 能源判断 ‎                   ‎ ‎1.下列有关能源的说法错误的是(  )‎ A.风能是人类通过风车等工具获取的能源,但属于一次能源 B.在即将到来的新能源时代,核能、太阳能、氢能将成为主要能源 C.月球土壤中含有丰富的质量数为3的氦,它可作为未来核能的重要原料 D.原电池把化学能直接转化为电能,所以由原电池提供的电能是一次能源 答案 D 解析 风能是直接从自然界中取得的能源,属于一次能源,原电池提供的电能是由化学能转化而得到的,不是直接获得的,属于二次能源,A正确,D错误;随着时代的发展,化石能源逐渐枯竭,所以新能源时代污染小的核能、太阳能、氢能将成为主要能源,B、C正确。‎ 题组2 原电池及正负极的判断 ‎2.下列装置可以构成原电池的是(  )‎ 答案 C ‎3.按下图装置进行实验,若x轴表示流入正极的电子的物质的量,则y轴可以表示(  )‎ ‎①c(Ag+) ②c(NO) ③a棒的质量 ④b棒的质量 ⑤溶液的质量 A.①③ B.②④ C.①③⑤ D.②④⑥‎ 答案 A 解析 根据图中装置可判断,Fe、Ag、AgNO3构成的原电池中,活泼金属Fe为负极,Ag为正极,Fe和硝酸银之间发生氧化还原反应,所以银离子浓度减小,硝酸根浓度不变,①正确、②错误;在负极上金属铁本身失电子,即a棒质量减轻,③正确;正极b棒上析出金属银,即b棒质量增加,④错误;负极上金属铁本身失电子,正极Ag上析出金属银,所以溶液的质量是增加了Fe,但是析出了Ag,在转移电子数相等情况下,析出的金属质量多,所以溶液质量减轻,但不能为零,⑤错误。A正确。‎ ‎4.在如右图所示的装置中,a的金属活泼性比氢要强,b为碳棒,关于此装置的下列叙述不正确的是(  )‎ A.碳棒上有气体放出,溶液pH变大 B.a是正极,b是负极 C.导线中有电子流动,电子从a极到b极 D.a极上发生了氧化反应 答案 B 解析 显然,电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。因活泼性a>b(碳棒),所以a为电池的负极,b为正极。电极反应式:‎ a(负)极:a-ne-===an+(氧化反应)‎ b(正)极:nH++ne-===H2↑(还原反应)‎ 由于正极放电消耗H+,溶液中c(H+)减小,pH增大,在外电路中,电子由a极流出经电流表流向b极。‎ ‎5.某原电池装置如图所示,电池总反应为2Ag+Cl2===2AgCl。下列说法正确的是(  )‎ A.正极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-‎ B.放电时,交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成 C.若用NaCl溶液代替盐酸,则电池总反应随之改变 D.当电路中转移0.01 mol e-时,交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子 答案 D 解析 根据电池总反应可以看出Cl2得电子,Ag失电子,所以在原电池中Cl2在正极上发生还原反应,Ag在负极上发生氧化反应。正极反应为Cl2+2e-===2Cl-,A错误;因为电解质溶液为盐酸,所以负极上Ag失电子生成的Ag+随即与附近的Cl-反应,B错误;用氯化钠代替盐酸后,电极反应不发生改变,C错误;当电路中转移0.01 mol e-时,负极生成0.01 mol Ag+,由于Ag++Cl-===AgCl↓,所以消耗掉0.01 mol Cl-,由于电荷守恒,同时有0.01 mol H+通过阳离子变换膜转移至右侧溶液中,D正确。‎ 题组3 原电池工作原理及应用 ‎6.如右图所示装置,电流表指针发生偏转,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(  )‎ A.A是Zn,B是Cu,C为稀硫酸 B.A是Cu,B是Zn,C为稀硫酸 C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液 D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液 答案 D 解析 A极逐渐变粗,说明A极为原电池的正极,溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出;B极逐渐变细,说明B极为原电池的负极,失去电子后变成离子进入溶液中。A和B中的反应为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,则A中A极变细,B中A极不变。C和D两项中的反应为Fe+2AgNO3===2Ag+Fe(NO3)2,其中C中A极变细,D中A极变粗。‎ ‎7.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池的合理组成是(  )‎ 正极 负极 电解质溶液 A Zn Cu CuCl2‎ B Cu Zn H2SO4‎ C Cu Zn CuSO4‎ D Zn Fe CuCl2‎ 答案 C 解析 由总反应式知,Zn被氧化作原电池的负极,符合条件的有B、C两项,电解质溶液中Cu2++2e-===Cu,B选项中是2H++2e-===H2↑,C正确。‎ ‎8.各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为(  )‎ A.②①③④ B.④③①②‎ C.④②①③ D.③②④①‎ 答案 C 解析 ②③④实质均为原电池装置。③中Fe为正极,被保护;②④中Fe为负极,均被腐蚀。但相对来说,Fe和Cu的金属活动性差别较Fe和Sn的差别大,故Fe-Cu原电池中的Fe被腐蚀得更快;①中不能构成原电池,仅发生化学腐蚀反应。‎ ‎9.利用反应2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O可制备CuSO4,若将该反应设计为原电池。‎ ‎(1)负极材料是________(写名称),电极反应为________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)正极电极反应式为___________________________________________。‎ ‎(3)溶液中SO向________极移动。‎ 答案 (1)铜 Cu-2e-===Cu2+ (2)O2+4e-+4H+===2H2O (3)负 解析 该氧化还原反应中还原剂为Cu,故负极是铜,电极反应为Cu-2e-===Cu2+,氧化剂是O2,故正极反应为O2+4e-+4H+===2H2O,溶液中阴离子SO向负极移动。‎ 能力提升]‎ ‎10.根据下列事实:①A+B2+===A2++B;②D+2H2O===D(OH)2+H2↑;③以B、E为电极与E的盐溶液组成原电池,电极反应为E2++2e-===E,B-2e-===B2‎ ‎+,由此可知A2+、B2+、D2+、E2+的氧化性强弱关系是_____________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案 E2+>B2+>A2+>D2+‎ 解析 由金属活动性的判断条件知,①中A>B;②D是很活泼的金属;③中B>E;所以金属性为D>A>B>E,对应阳离子的氧化性恰好相反。‎ ‎11.如图所示的装置,在盛有水的烧杯中,铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝,使之平衡。小心地往烧杯中央滴入CuSO4溶液。‎ ‎(1)片刻后可观察到的现象是(指悬吊的金属圈)________________________(填字母)。‎ 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)加入CuSO4溶液后,构成Fe-Ag原电池,铁溶解,质量减轻,Cu2+在银圈上得电子,生成Cu沉积在其上,质量增加 (3)Fe+CuSO4===FeSO4+Cu 解析 加入CuSO4溶液后,构成Fe—Ag原电池,Fe失电子作负极,质量减轻,Cu2+在正极银圈上得电子,生成金属铜沉积在上面使其质量增加。‎ 拓展探究]‎ ‎12.某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用,设计并进行了以下一系列实验,实验结果记录如下。‎ 编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针偏转方向 ‎1‎ Al、Mg 稀盐酸 偏向Al ‎2‎ Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu ‎3‎ Al、C(石墨)‎ 稀盐酸 偏向石墨 ‎4‎ Al、Mg 氢氧化钠溶液 偏向Mg ‎5‎ Al、Zn 浓硝酸 偏向Al 试根据上表中的实验现象回答下列问题:‎ ‎(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)是否相同____________(填“是”或“否”)。‎ ‎(2)对实验3完成下列填空:‎ ‎①铝为________极,电极反应式:______________________________________________。‎ ‎②石墨为________极,电极反应式:__________________________________________。‎ ‎③电池总反应式:____________________________________________。‎ ‎(3)实验4中铝作负极还是正极________,理由是__________________________。写出铝电极的电极反应式:‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)解释实验5中电流表指针偏向铝的原因:____________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素:________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案 (1)否 (2)①负 2Al-6e-===2Al3+ ②正 6H++6e-===3H2↑ ③2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑‎ ‎(3)负极 在NaOH溶液中,活动性Al>Mg Al-3e-+4OH-===AlO+2H2O ‎(4)Al在浓硝酸中发生钝化,Zn在浓硝酸中发生反应,被氧化,即在浓硝酸中活动性Zn>Al,Al是原电池的正极 ‎(5)①另一个电极材料的活动性;②电解质溶液 解析 在这样的原电池中,相对较活泼的金属材料作负极。在稀盐酸中的活动性Mg>Al、Al>Cu。由实验1和2可知,原电池中电流表指针是偏向正极。在实验3‎ 中电流表指针偏向石墨,由上述规律可知,Al是负极,石墨是正极。化学反应是Al失去电子被氧化为Al3+,盐酸中的H+得到电子被还原为H2。在NaOH溶液中活动性Al>Mg,则Al是负极,Mg是正极。Al在浓硝酸中发生钝化,Zn在浓硝酸中被氧化,即在浓硝酸中活动性Zn>Al,Zn是负极,Al是正极,所以在实验5中电流表指针偏向铝。 ‎
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