第二章 化学反应与能量
第二讲 化学能与电能
复习重点：初步认识原电池概念、原理、组成及应用。
复习难点：通过对原电池实验的探究，引导学生从电子转移角度理解化学能向电能转化
的本质以及这种转化的综合利用价值。
知识梳理
一、化学能与电能的相互转化
1、原电池：(1)概念：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 (2)工作原理：
负极：＿＿电子（化合价＿＿＿），发生＿＿反应
正极：＿＿电子（化合价＿＿），发生＿＿反应
(3) 原电池的构成条件 ：关键是能自发进行的氧化还原反应能形成原电池，a. 有＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿作电极； b. 电极均插入＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；c. 两电极＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿形成闭合回路。(4)原电池正、负极的判断：负极：＿＿＿＿＿＿＿的电极（较＿＿＿的金属），金属化合价＿＿；正极：电子＿＿的电极（较＿＿＿的金属、石墨等）：元素化合价＿＿ 。
2、金属活泼性的判断：
(1)金属活动性顺序表;(2)原电池的负极（电子流出的电极，质量减少的电极）的金属更活泼 ； (3)原电池的正极（电子流入的电极，质量不变或增加的电极，冒气泡的电极）为较不活泼金属
3 原电池的电极反应：
(1) 负极反应：X－ne＝Xn－ (2) 正极反应：溶液中的阳离子得电子的还原反应
二、原电池的设计：
根据电池反应设计原电池：（三部分＋导线）
(1)负极为＿＿＿的金属（即化合价＿＿的物质）；
(2)正极为＿＿＿＿＿＿＿的金属或＿＿＿；
(3) 电解质溶液含有＿＿＿＿＿＿＿＿离子（即化合价＿＿＿＿的物质）。
三、金属的电化学腐蚀
(1)不纯的金属（或合金）在电解质溶液中的腐蚀，关键形成了＿＿＿＿，加速了金属腐蚀。
(2) 金属腐蚀的防护： ①改变金属内部组成结构，可以增强金属耐腐蚀的能力。如：不锈钢。②在金属表面覆盖一层保护层，以断绝金属与外界物质接触，达到耐腐蚀的效果。（油脂、油漆、搪瓷、塑料、电镀金属、氧化成致密的氧化膜）。③ 电化学保护法：牺牲活泼金属保护法，外加电流保护法。
四、发展中的化学电源
1、干电池（锌锰电池）
负极：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
正极(石墨)：2NH4＋ +2e-====2NH3+H2O
H2+2MnO2====Mn2O3+H2O 4NH3+Zn2＋==== [Zn(NH3)4]2＋
总反应式：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
2. 充电电池
(1)铅蓄电池： 铅蓄电池充电和放电的总化学方程式
放电时电极反应：
负极：Pb + SO42-－2e-＝PbSO4
正极：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
(2)氢氧燃料电池：它是一种高效、不污染环境的发电装置。它的电极材料一般为活性电极，具有很强的催化活性，如铂电极，活性炭电极等。
总反应：2H2 + O2＝2H2O
电极反应为（电解质溶液为KOH溶液）
负极：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
正极：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；
疑难点拨
一、原电池的正、负极的判断方法：
1、由组成原电池的两极的电极材料判断。一般是活泼的金属是负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属是正极。
注意：如Mg、Al与NaOH溶液形成原电池；Fe、Cu与浓硝酸形成原电池。都是相对不活泼金属作负极。
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、根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。在原电池的电解质溶液内，阳离子移向的极是正极，阴离子流向的极为负极。
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。
二、原电池电极反应的书写方法
原电池反应所依托的化学反应原理是氧化还原反应，书写电极反应的方法归纳如下：
1、写出总化学反应方程式（即氧化还原反应方程式）；
2、根据总反应方程式从电子得失（或元素化合价升降）的角度，将总反应分成氧化反应和还原反应；
3、氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，注意介质可能参与反应；
4、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。
典例剖析
【例1】把a、b、c、d四块金属浸入稀硫酸中，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为
A．a>b>c>d B.a>c>d>b C.c>a>b>d D.b>d>c>a
解析：根据原电池原理：作为负极的金属活动性比正极的金属活动性强，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，因此依次作出判断：活泼性a>b;c>d;a>c;d>b。答案为B。
【例2】在用Zn片、Cu片和稀硫酸组成的原电池装置中，经过一段时间工作后，下列说法正确的是
A．锌片是正极，铜片上有气泡产生 B．电流方向是从锌片流向铜片
C．溶液中硫酸的物质的量浓度减小 D．电解质溶液的pH保持不变
解析：活泼金属锌为负极，电流方向由正极到负极，与电子流动方向相反，随着H+消耗，pH逐渐增大。答案为C
【例3】美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源，其构造如图所示：a、b两个电极均由多孔碳制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电。
(1)a是__极，b是__极．电极反应式分别是_____________、______________。
(2)飞船上宇航员的生活用水由燃料电池提供．已知这种电池发1度电能生成350g水，试计算能量的转化率。（已知： 2H2（g）＋O2（g）＝2H2O（1）；
＝－572kJ/mol）
（3）这种电池的输出电压为1.2V，用它使标有“1.2V 1.5W”的小灯泡发光1h，需要消耗标准状态下的 H2多少升？
解析：(1)a中的 H2失去电子被氧化，是负极；b中的 O2得到电子被还原，是正极．两电极的反应分别是：
(2)由方程式： 2H2（g）＋O2（g）＝2H2O（1）；＝－572kJ/mol可知，发生350g液态水放出的热量为：
kJ．
这过程中产生的电能是1度，即 
kJ，因此能量转化率为： 
．
(3)1.5W灯泡连续发光1h，消耗的电能： 
，
产生这些电能需要消耗化学能： 
．
这过程中消耗标准状态下的氢气的体积： 
L．
【例4】1991年我国首创以铝－空气－海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其总反应方程式为：4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3,则该电源的负极材料为 ，正极材料为 ，负极反应
正极反应 。
解析：Al 、O2（空气）之间的氧化还原反应为：4Al + 3O2 = Al2O3.将该反应与原电池原理、铝的导电性等知识进行综合分析可知，铝既是负极产物，又是反应材料，O2是正极反应物，正极材料应该选择还原性比铝弱的导电性强的材料，如石墨等
铝、O2的氧化反应、还原反应分别为：Al – 3e- = Al3+,O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
答案：铝 石墨 负极反应：Al – 3e- = Al3+，O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
【例5】（2005年江苏高考化学题）高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn+2K2FeO4+8H2O
3Zn(OH)2
+ 2Fe(OH)3
+ 4KOH,下列叙述不正确的是
A．放电时负极反应为：Zn-2e—+2OH—=Zn(OH)2
B．充电时阳极反应为：Fe(OH)3 -3e—+ 5OH—=FeO42－+ 4H2O
C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
解析：高铁电池放电(原电池)时的负极反应为3Zn+6OH—-6e—=3Zn(OH)2，正极反应为2FeO42－+8H2O+6e－==2Fe(OH)3+10OH—；充电(电解池)时的阴极反应为3Zn(OH)2+6e－==3Zn+6OH—，阳极反应为2Fe(OH)3+10OH—-6e－==2FeO42－+8H2O。从而不难分析出答案为C。
知能训练
一、选择题
1．随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是
A．利用电池外壳的金属材料
B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染
C．不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品 D．回收其中石墨电极
2．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是
A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气 B．碳棒取下洗净用作电极
C．把铜帽取下洗净回收利用
D．电池内部填有氯化铵等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥用
3、下列变化中属于原电池的是
A.在空气中金属铝表面迅速氧化形成保护层
B.白铁(镀锌)表面有划损时,也能阻止铁被氧化
C.红热的铁丝与水接触表面形成蓝黑色保护层
D.铁与稀硫酸反应时,加入少量硫酸铜溶液时,可使反应加速
4、实验室中欲制氢气,最好的方法是
A.纯锌与稀硫酸反应 B.纯锌与浓硫酸反应
C.纯锌与稀盐酸反应 D.粗锌(含铅、铜杂质)与稀硫酸反应
5、铁制品上的铆钉应该选用下列哪些材料制成
A.铝铆钉 B.铜铆钉 C.锌铆钉 D.锡铆钉
6、由铜、锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的pH怎样变化
A．不变 B.先变小后变大 C.逐渐变大 D.逐渐变小
7、对铜-锌-稀硫酸构成的原电池中,当导线中有1mol电子通过时,理论上的两极变化是
①锌片溶解了32.5g②锌片增重了32.5g③铜片上析出1g H2④铜片上析出1molH2
A. ①③ B. ①④ C. ②③ D. ②④
8、 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与Y组成的原电池时，Y为电池的负极，则X、Y、Z三种金属的活动顺序为
A.X > Y > Z B. X > Z > Y C. Y > X > Z D. Y > Z > X
9、将铜棒和铝棒用导线连接后插入浓硝酸溶液中，下列叙述正确的是
A.该装置能形成原电池，其中铝是负极 B．该装置能形成原电池，其中铜是负极
C．该装置不能形成原电池 D.以上说法均不正确
10、碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛使用，锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应为：Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)﹦Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)
下列说法错误的是
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)+H2O(l)+2e-﹦Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g
11、微型锂电池可作植入某些心脏病人体内的心脏起博器所用的电源，这种电池中的电解质是固体电解质LiI，其中的导电离子是I-.下列有关说法正确的是
A．正极反应：2Li - 2e- = 2Li＋ B．负极反应：I2 + 2e- = 2I-
C．总反应是：2Li + I2 = 2LiI D．金属锂作正极
12、某原电池总反应离子方程式为2Fe3＋ + Fe = 3Fe2＋能实现该反应的原电池是
A.正极为铜，负极为铁，电解质溶液为FeCl3溶液
B.正极为铜，负极为铁，电解质溶液为Fe(NO3)2溶液
C.正极为铁，负极为锌，电解质溶液为Fe2(SO4)3
D.正极为银，负极为铁，电解质溶液为CuSO4
13、锌锰干电池在放电时，电池总反应方程式可以表示为：
Zn + 2MnO2 + 2NH4＋ = Zn2＋ + Mn2O3 + 2NH3 + H2O
在此电池放电时，正极（碳棒）上发生反应的物质是
A. Zn B. 碳棒 C. MnO2 和NH4＋ D. Zn2＋ 和NH4＋
14、氢氧燃料电池用于航天飞船，电极反应产生的水，经过冷凝后可用作航天员的饮用水，其电极反应如下：负极：2H2 + 4OH- - 4e- = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH—，当得到1.8L饮用水时，电池内转移的电子数约为
A.1.8mol B.3.6mol C.100mol D.200mol
二、填空题
15、将锌片和铜片插入某种电解质溶液,锌片和铜片用导线相连,形成原电池装置。
(1)若电解质溶液是稀硫酸,则发生氧化反应的是 极(“锌”、“铜”),铜极发生的反应是 ,该电池的总反应方程式是 。(2)若电解质溶液是硫酸铜溶液,在导线中电子是由 极流向 极,铜极上反应的电极反应方程式是 ,该电池总反应方程式是 。
16、某同学想测定A、B、C三种金属活动顺序,他把这三种金属放到相同物质的量浓度的盐酸中,反应速率都较慢,不易分辨出三者差异,现只有盐酸一种化学试剂,应该用什么方法迅速测出三种金属的活动性顺序?
17、市场上出售的“热敷袋”其中主要成分是铁屑、碳粉和少量的NaCl、水等.热敷袋在启用前用塑料袋使之与空气隔绝,启用时,打开塑料袋轻轻揉搓,就会放出热量,使用完后,会发现袋内有许多铁锈生成,回答:
(1)热敷袋放出的热量来源于 放出的热量.
(1)碳粉的作用是 .
(3)加入NaCl的作用是 .
(4)写出有关的电极反应式和化学方程式 .
18、请设计一个原电池,其总反应为:Zn + 2FeCl3 ＝ ZnCl2 + 2FeCl2。
19．有A、B两种金属分别与盐酸反应，产生氢气的速率相近。怎样设计一个实验证明A、B两种金属的活动性？（画出实验装置图）
三、计算题
20．在由铜片、锌片和200 mL稀硫酸组成的原电池中，若锌片只发生电化学腐蚀，当在铜片上放出3.36 L（标准状况）的H2时，硫酸恰好用完，则：
(1)产生这些气体消耗的锌的质量是多少？
(2) 通过导线的电子的物质的量是多少？
(3)原稀硫酸的物质的量浓度是多少？
参考答案：
1.B 2.D 3.BD 4.D 5.AC 6.C 7.A 8.C 9.B 10.C 11.C 12.A 13.C 14.D
15.(1) 锌 2H＋ ＋ 2e- = H2↑ Zn ＋ 2H＋ = Zn2＋ ＋ H2 ↑
(2)锌 铜 Cu2＋ ＋ 2e- = Cu Zn ＋ Cu2＋ = Zn2＋ ＋ Cu
16.将A、B、C三种金属两两连接起来，放入盐酸溶液中，观察哪种金属上产生气泡，则其活动性较差。
17.（1）铁屑被氧化 （2）碳粉与铁及NaCl溶液组成原电池，作为原电池的正极。
（3）NaCl与水作用形成电解质溶液。（4）负极Fe － 2e- = Fe2＋
正极 2H2O ＋ O2 ＋4e- = 4OH-
18.该总反应中，Zn为还原剂，Zn可直接作负极材料，FeCl3是氧化剂易溶于水可作电解质溶液，用不活泼的金属或能导电的非金属（如石墨等）作正极，用导线连接正、负极即可。
19．将A、B金属用导线连接插入盐酸中组成原电池，有气泡冒出的是较不活泼金属，另一极为活泼金属。（图略）
20、（1） 9.75 g；（2） 0.3 mol；（3） 0.75 mol/L