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文档介绍
2020版高中化学 第2章第3节 化学反应的利用 第2课时 化学反应为人类提供能量学案 鲁科版必修2
第2课时 化学反应为人类提供能量 一、化学反应为人类提供能量 1.物质发生化学反应的实质与能量变化的原因 2.化学反应中能量转化的主要形式 (1)即热饭盒、铝热反应:化学能主要转化为热能; (2)电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气:电能主要转化为化学能。 17 (3)绿色植物进行光合作用时,光能转化为化学能。 (4)煤燃烧时,化学能主要转化为热能和光能。 例1 下列说法中正确的是( ) A.化学反应中的能量变化,其表现形式除热能外还可能是光能和电能等 B.化学反应中的能量变化不一定遵循能量守恒定律 C.在一个确定的化学反应关系中,反应物的总能量与生成物的总能量可能相同 D.在一个确定的化学反应关系中,反应物的总能量总是高于生成物的总能量 考点 化学能与热能的相互转化 题点 化学反应中能量变化的相关综合 答案 A 解析 化学反应中的能量变化一定遵循能量守恒定律;物质发生化学反应都伴随着能量的变化,所以反应物的总能量与生成物的总能量一定不同;在一个确定的化学反应中,反应物的总能量(E1)与生成物的总能量(E2)之间的关系:E1>E2,化学反应为放热反应,E1<E2,化学反应为吸热反应。 思维启迪 任何化学反应除遵循质量守恒定律外,同样也遵循能量守恒定律,不同形式的能量之间可以转化,但总能量保持不变。反应物与生成物的能量差若以热能形式表现出来,即为放热反应或吸热反应。 二、化学能转化为电能 1.实验探究 实验步骤 现象 结论 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,检流计指针发生偏转 导线中有电流,化学反应中化学能转化为电能 两锌片逐渐溶解且表面都有气泡,检流计指针不偏转 锌与稀硫酸反应,导线中无电流 17 无现象 乙醇是非电解质,导线中无电流 2.原电池的概念 原电池是将化学能转化为电能的装置; 原电池的反应本质是氧化还原反应。 3.原电池的构成条件 理论上,自发的氧化还原反应均可构成原电池。 具体条件是:(1)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)。 (2)溶液:两电极均插入电解质溶液中。 (3)导线:两电极用导线相连,形成闭合回路。 4.原电池的工作原理 (1)分析下图并填空 原电池总反应式:Zn+2H+===Zn2++H2↑; (2)能量转化:化学能转变为电能。 5.原电池工作原理的应用 (1)比较金属活动性 原电池中,做负极的金属活动性一般比做正极的金属活动性强。 (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做负极,铜(或石墨)做正极,FeCl3溶液做电解质溶液。 (4)制造多种化学电源 ①干电池(又称一次电池):如锌锰电池; ②蓄电池(又称二次电池):如铅蓄电池、镍氢电池、锂电池(手机用); 17 ③燃料电池:如氢氧燃料电池,其能量转化率高,对环境无污染。 (1)电子只能在导体中定向移动,不能通过溶液。 (2)电解质溶液中离子移动方向:阳离子移向正极、阴离子移向负极。 例2 如图所示装置能够组成原电池的是_________________________________________。 其他不能构成原电池的说明理由:__________________________________________________。 考点 能源与构成原电池的条件 题点 原电池的形成条件与判断方法 答案 EFG A装置的两个电极的活泼性相同,电子不会流动形成电流;B装置为非电解质溶液,不能发生氧化还原反应;C装置电解质溶液在两个分开的装置中,不成形成闭合回路;D装置无导线连接电极,不能形成闭合回路。它们均不能构成原电池 思维启迪——原电池的判断方法 一看反应原理(能否自发地进行氧化还原反应);二看构成条件(两极一液成回路:两个活泼性不同的电极,插入电解质溶液中,装置形成闭合回路)。 例3 如图所示检流计的指针发生偏转,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分别可以为Zn、Cu和稀盐酸 17 C.C中阳离子向A极移动 D.A极发生氧化反应 考点 原电池工作原理及正负极的判断 题点 原电池工作原理 答案 C 解析 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。 17 思维启迪——多个角度判断原电池的正极和负极 例4 ①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。据此判断这四种金属活泼性由大到小的顺序是( ) A.①③②④ B.①③④② C.③④②① D.③①②④ 答案 B 解析 ①②相连时,外电路电流从②流向①,则金属活泼性①大于②;①③相连时,③为正极,则金属活泼性①大于③;②④相连时,②上有气泡逸出,则金属活泼性④大于②;③④相连时,③的质量减少,则金属活泼性③大于④,故金属活泼性由大到小的顺序为①③④②。 思维启迪——形成原电池、比较金属活动性 根据原电池原理比较金属活动性,做负极的金属活动性较强,做正极的金属活动性较弱。 例5 某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池正确的组成是( ) 选项 正极 负极 电解质溶液 A Cu Zn HCl B Zn Cu CuSO4 C Cu Zn CuSO4 D Cu Zn ZnCl2 考点 原电池原理的应用 题点 设计原电池 答案 C 解析 将Zn+Cu2+===Zn2++Cu拆成两个半反应: 氧化反应(负极反应):Zn-2e-===Zn2+。 还原反应(正极反应):Cu2++2e-===Cu。 则电池的负极是Zn,正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属,电解质溶液中含Cu2+。 方法技巧——设计原电池的方法 17 (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(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。 (2)选择合适的材料 ①电极材料:电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料,或者在该氧化还原反应中,本身失去电子的材料。 ②电解质溶液:电解质溶液一般能与负极反应。 原电池是把化学能转化为电能的装置。其工作原理是 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”) (1)用导线连接铜片和锌片插入到稀H2SO4中,锌片上有大量气泡( ) (2)原电池中电子流出的一极是正极,发生氧化反应( ) (3)NaOH+HCl===NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池( ) (4)原电池中的阳离子由负极区向正极区移动( ) (5)在Zn|稀硫酸|Cu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( ) (6)把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴CuCl2溶液,气泡放出速率加快( ) 答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)√ 2.(2017·北京101中学期中)下列设备工作时,将化学能转化为电能的是( ) A B C D 锂离子电池 太阳能集热器 燃气灶 硅太阳能电池 考点 能源与构成原电池的条件 题点 能量的转化方式 17 答案 A 解析 A项,锂离子电池是把化学能转化为电能,故正确;B项,太阳能集热器是把太阳能转化为热能,故错误;C项,燃烧是放热反应,是把化学能转化为热能,故错误;D项,硅太阳能电池是把太阳能转化为电能,故错误。 3.(2017·合肥高一检测)某学生将检流计用导线与两个电极连接在一起,再将两个电极同时插入某种电解质溶液中,能观察到有电流产生的是( ) A.用铜片、铅笔芯做电极插入稀硫酸中 B.用两个铜片做电极插入硝酸银溶液中 C.用锌片、铜片做电极插入番茄中 D.用铜片、铁片做电极插入酒精中 答案 C 解析 要构成原电池,除要形成闭合回路外,还需要有两个活动性不同的电极材料,一般其中一个电极要能与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。A项,铜和石墨与稀硫酸均不反应;B项,电极材料相同;D项,酒精是非电解质;C项,一些水果中含有有机酸,可做电解质溶液。 4.(2017·湖南郴州适应性测试)如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是( ) A.电子由铜通过导线流向锌 B.该装置是将电能转化为化学能的装置 C.锌电极发生氧化反应 D.电流由锌通过导线流向铜 考点 原电池工原理和正负极的判断 题点 原电池工作原理 答案 C 解析 A项,铜做正极,锌做负极,因此电子由锌流向铜,故错误;B项,该装置将化学能转化为电能,故错误;C项,锌做负极失去电子,发生氧化反应,故正确;D项,电子与电流的方向相反,因此电流由铜极流向锌极,故错误。 5.如图所示装置,检流计指针发生偏转,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( ) 17 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两项中的反应为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,则在A选项中A极变细,B选项中A极不变。C和D两项中的反应为Fe+2AgNO3===2Ag+Fe(NO3)2,其中C选项中A极变细,D选项中A极变粗。 6.在铜锌原电池中(如下图),以硫酸铜为电解质溶液,锌为________极,电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为_______________________________。 锌片上观察到的现象为__________________________________________________________; 铜为________极,电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式________________________________________________________________________;铜片上观察到的现象为______________________________________________________________,原电池总反应的离子方程式为_______________________________________________________。 考点 原电池工作原理和正负极的判断 题点 常考多变的锌铜原电池 答案 负 氧化 Zn-2e-===Zn2+ 锌片溶解 正 还原 Cu2++2e-===Cu 铜极变粗 Zn+Cu2+===Zn2++Cu 解析 CuSO4溶液为电解质溶液时,铜锌原电池的负极为锌,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,所以锌片不断溶解,正极为铜,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,所以铜极不断变粗,原电池总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu。 [对点训练] 题组一 原电池的构成条件 17 1.下列各组的电极材料和电解液,不能组成原电池的是( ) A.铜片、石墨棒,乙醇 B.铜片、石墨棒,硝酸银溶液 C.锌片、铜片,稀盐酸 D.铜片、铂片,FeCl3溶液 答案 A 2.如图所示各装置中,不能构成原电池的是(烧杯中所盛液体都是稀硫酸)( ) 考点 能源与构成原电池的条件 题点 原电池的形成条件与判断 答案 D 解析 原电池的形成条件包括活动性不同的电极、电解质溶液、形成闭合回路、自发进行氧化还原反应。对图示各个装置进行观察,发现只有D不能形成闭合回路,因此不能形成原电池。 题组二 原电池工作原理 3.下列关于原电池的叙述,正确的是( ) A.构成原电池的正极和负极材料必须是两种活泼性不同的金属 B.原电池是将化学能转变为电能的装置 C.在原电池中,电子流出的一极是负极,该电极被还原 D.原电池放电时,电流的方向是从负极到正极 考点 原电池工作原理和正负极的判断 题点 原电池构成和原理的理解 答案 B 解析 构成原电池的正极和负极可以是两种活泼性不同的金属,也可以是导电的非金属(如石墨棒)和金属,A错误;原电池是将化学能转变为电能的装置,B正确;在原电池中,负极上发生失去电子的氧化反应,正极上发生得到电子的还原反应,所以电子从负极沿导线流向正极,C错误;原电池放电时,电子从负极沿导线流向正极,则电流的方向是从正极到负极,D错误。 17 4.如图所示,两电极一为碳棒,一为铁片,若检流计的指针发生偏转,且a极上有大量气泡生成,则以下叙述正确的是( ) A.a为负极,是铁片,烧杯中的溶液为硫酸 B.b为负极,是铁片,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液 C.a为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸 D.b为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液 答案 C 解析 Fe、C形成的原电池中,负极铁失去电子,变成+2价的亚铁离子,由于a极上有大量气泡产生,所以为正极(C):2H++2e-===H2↑,a为正极,是碳棒;b为负极,是铁片;电解质溶液为硫酸溶液。 5.某实验兴趣小组按如图装置实验后,所记录内容合理的是( ) 实验记录 ①Zn片为负极,质量减少,Cu为正极,质量不变; ②外电路电流方向是:由Cu→Zn; ③SO向Zn极移动,Cu2+向Cu极移动; ④Zn电极发生氧化反应; ⑤正极反应式:Cu2++2e-═Cu; ⑥电子流动方向:锌极→导线→铜极→电解质溶液→锌极 A.①②④ B.②③④ C.②③④⑤ D.③⑤⑥ 答案 C 解析 该装置为原电池,锌片为负极,发生氧化反应,电极反应为Zn-2e-===Zn2+,铜片为正极,铜片上发生还原反应,电极反应为Cu2++2e-===Cu,电子由锌片经导线流向铜片,电解质溶液中没有电子通过,SO向负极Zn极移动,Cu2+向正极Cu极移动,电流由铜片经导线流向锌片。 6.人造地球卫星用到的一种高能电池——银锌蓄电池,其电池的电极反应式:Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-。据此判断氧化银是( ) 17 A.负极,被氧化 B.正极,被还原 C.负极,被还原 D.正极,被氧化 考点 原电池工作原理和正负极的判断 题点 正、负极的判断 答案 B 解析 电池的电极反应式:Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-,从中可以看出锌的化合价升高,所以锌为负极,被氧化,而氧化银中的银化合价降低,被还原,故氧化银为正极,被还原,故B符合题意。 7.(2017·武汉高一检测)如图将锌片和铜片用导线连接后放入稀硫酸中,发生原电池反应,下列叙述错误的是( ) A.溶液的pH增大 B.溶液中的Zn2+浓度增大 C.溶液中的SO浓度增大 D.溶液的密度增大 考点 原电池的工作原理和正负极的判断 题点 常考多变的锌铜原电池 答案 C 解析 A项,氢离子浓度降低,溶液的pH增大,正确;B项,锌不断溶解,溶液中的Zn2+浓度增大,正确;C项,由于在反应过程中溶液中的SO没有参加反应,所以溶液中c(SO)不变,错误;D项,原电池放电时,溶液由硫酸溶液逐渐变成硫酸锌溶液,所以溶液的密度增大,正确。 8.(2018·哈六中期中)有关电化学知识的描述正确的是( ) A.CaO+H2O===Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能 B.某原电池反应为Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,装置中一定是银作正极 C.因为铁的活泼性强于铜,所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中,若能组成原电池,必是铁作负极、铜作正极 D.理论上说,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池 答案 D 17 解析 所给反应不是氧化还原反应,没有电子转移,虽然为放热反应,但不能将该反应设计成原电池,A项错误;根据所给反应,负极材料应该是Cu,但正极材料可以用Ag,也可以用碳棒等惰性电极,B项错误;当铁和铜作为电极放入浓硝酸中时,铁因钝化瞬间停止反应,而铜可持续被浓硝酸溶解,所以铜是负极,C项错误。 题组三 原电池工作原理的应用 9.X、Y、Z、W四种金属片浸在稀盐酸中,用导线连接,可以组成原电池,实验结果如图所示: 则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为( ) A.Z>Y>X>W B.Z>X>Y>W C.Z>Y>W>X D.Y>Z>X>W 考点 原电池工作原理的应用 题点 比较金属活泼性的强弱 答案 A 10.(2018·南宁六中5月考试)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( ) A.2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑ B.2H2+O22H2O C.Mg3N2+6H2O===3Mg(OH)2+2NH3↑ D.CH4+2O2CO2+2H2O 考点 原电池原理的应用 题点 能否设计原电池的化学反应分析 答案 C 解析 只有属于氧化还原反应,才能用于设计原电池;A、B、D属于氧化还原反应,均可以设计为原电池。C不属于氧化还原反应,不能设计成原电池,C正确。 11.(2018·北京四中4月月考)为将反应2Al+6H+===2Al3++3H2 17 ↑的化学能转化为电能,下列装置能达到目的的是(铝条均已除去氧化膜)( ) 考点 原电池原理的应用 题点 原电池的设计 答案 B 解析 A项为原电池,铝为负极,但总反应为2Al+2OH-+6H2O===2[Al(OH)4]-+3H2↑,不符合;C项为原电池,但硝酸是氧化性酸,则总反应为Al+4H++NO===Al3++NO↑+2H2O,不符合;D项装置中有外接电源,不属于原电池,不符合。 12.小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装置的Zn、Cu直接接触,Cu片上能看到气泡产生 B.图2装置中SO向Cu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中正极生成物的质量比为1∶32时,Zn片减轻的质量相等 考点 原电池原理的应用 题点 原电池工作原理的探究 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,Cu片上可看到有气泡产生,A项正确;SO带负电荷,应该向负极Zn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;假设图2中正极产生2 g H2,则转移2 mol电子,消耗负极65 g Zn,而图3中正极析出64 g Cu,也转移2 mol电子,消耗负极65 g Zn,故Zn片减轻的质量相等,D项正确。 17 [综合强化] 13.(2017·南宁高一检测)某同学为了探究原电池产生电流的过程,设计了如图实验。 (1)打开K,观察到的现象为 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)关闭K,观察到的现象是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 此电池的负极的电极反应式为 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)关闭K,溶液中阳离子向________(填“Zn”或“C”)极移动,外电路中,电子流动方向是________________________________________________________________________。 考点 原电池原理的应用 题点 原电池的综合探究实验 答案 (1)锌棒上附着有红色固体 (2)碳棒上附着有红色固体 Zn-2e-===Zn2+ (3)C Zn→C(或负极→正极) 解析 (1)打开K,锌与硫酸铜接触,置换出铜,所以可以看到锌棒上附着有红色固体。(2)关闭K,形成原电池,锌做负极,碳做正极,溶液中的铜离子在碳棒上得到电子生成铜,看到碳棒上附着有红色固体;负极反应为Zn-2e-===Zn2+。(3)关闭K,溶液中的阳离子向正极移动,即向碳棒移动,电子从锌出来经过导线流向碳。 14.(2017·咸宁高一检测)理论上讲,任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请利用反应“Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+”设计一个化学电池(正极材料用碳棒),回答下列问题: (1)该电池的负极材料是________,发生________(填“氧化”或“还原”)反应,电解质溶液是____________。 (2)正极上出现的现象是________________________________________________________。 (3)若导线上转移电子1 mol,则生成银______ g。 考点 原电池原理的应用 题点 原电池的设计 17 答案 (1)Cu 氧化 AgNO3溶液 (2)碳棒上出现银白色物质 (3)108 解析 (1)根据电池的总反应,可知负极一般是失电子的物质,所以负极材料应该是铜,发生氧化反应,电解质溶液是一种可溶性的银盐溶液,所以是AgNO3溶液。(2)正极上是溶液中的银离子得到电子变成银单质,所以正极上的现象是碳棒上出现银白色物质。(3)当导线上转移1 mol电子的时候,正极上会析出1 mol银单质,所以正极上生成的银的质量是108 g。 15.某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用,在常温下,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 检流计指针偏转方向 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所做的电极(正极或负极)是否相同?____________(填“是”或“否”)。 (2)由实验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中铝做负极还是正极?________,理由是______________________________。 写出铝电极的电极反应式:________________________________________________。 (4)解释实验5中检流计指针偏向铝的原因: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中做正极或负极的因素: ________________________________________________________________________。 考点 原电池工作原理和正负极的判断 17 题点 多角度判断正、负极 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+4OH--3e-===[Al(OH)4]- (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 在稀盐酸中的活动性:Mg>Al>Cu。由实验1和2可知,原电池中检流计指针是偏向正极。在实验3中检流计指针偏向石墨,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中检流计指针偏向铝。 17查看更多