2022年高中化學人教版必修2（練習）2.2.1 化學能轉化為電能含解析

第1課時化學能轉化為電能目標導航]1.熟悉能源的分類和化學能與電能的轉化關系。2.知道原電池是利用氧化還原反應將化學能轉化為電能的裝置，通過實驗會說明原電池的原理，以及判斷原電池的正、負極。3.會正確書寫電極反應式，熟知原電池的應用。一、一次能源和二次能源1．能源按其來源可分為一次能源和二次能源。能源類別定義實例一次能源直接從自然界中取得的能源太陽能、風能、地熱能、潮汐能、原煤、石油、天然氣等二次能源由一次能源經(jīng)過加工、轉換得到的能源電能(水電、火電、核電)、蒸汽能、機械能等2.二次能源——火力發(fā)電(1)火力發(fā)電原理：首先通過化石燃料燃燒，使化學能轉變?yōu)闊崮?，加熱水使之汽化為蒸汽以推動蒸汽輪機，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。(2)能量轉換過程：化學能eq\o(→,\s\up7(燃燒))熱能eq\o(→,\s\up7(蒸汽))機械能eq\o(→,\s\up7(發(fā)電機))電能。其中能量轉換的關鍵環(huán)節(jié)是燃燒。(3)火力發(fā)電弊端：①煤屬于不可再生資源，用一點少一點，用煤發(fā)電會造成資源的浪費。②能量經(jīng)過多次轉化，利用率低，能量損失大。③煤燃燒會產(chǎn)生有害物質(zhì)(如SO2、CO、NO2、粉塵等)，污染環(huán)境。議一議判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”(1)根據(jù)一次能源和二次能源的劃分，氫氣為二次能源()(2)電能是現(xiàn)代社會中應用最廣泛、使用最方便、污染最小的一種二次能源()(3)火力發(fā)電是化學能間接轉化為電能的過程()(4)水力發(fā)電是將化學能轉化為電能的過程()答案(1)√(2)√(3)√(4)×二、化學能直接轉化為電能1．按要求完成下列實驗，并填表實驗步驟現(xiàn)象解釋或說明鋅片逐漸溶解，表面有氣泡；銅片表面無氣泡鋅與稀硫酸發(fā)生置換反應產(chǎn)生H2，而銅則不能鋅片逐漸溶解，銅片表面有氣泡，電流表指針發(fā)生偏轉鋅與稀硫酸反應，但氫氣在銅片上產(chǎn)生，導線中有電流兩鋅片逐漸溶解且表面都有氣泡，電流表指針不偏轉鋅與稀硫酸反應，但導線中無電流無現(xiàn)象乙醇是非電解質(zhì)，與Zn、Cu都不反應2.原電池(1)概念：是將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置；原電池的反應本質(zhì)是氧化還原反應。(2)構成條件①原電池反應必須是自發(fā)的氧化還原反應；②具有活動性不同的兩個電極(金屬與金屬或金屬與能導電的非金屬)；③兩電極均插入電解質(zhì)溶液中；④電解質(zhì)溶液、電極、導線形成閉合回路。(3)原電池的工作原理原電池總反應式：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。(4)能量轉化過程：原電池在工作時，負極失電子，電子通過導線流向正極，被氧化性物質(zhì)得到，閉合回路中形成電流，化學能轉變?yōu)殡娔堋Ｗh一議1．判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”(1)HCl＋NaOH=NaCl＋H2O是放熱反應，可以設計成原電池()(2)將銅片和鋅片用導線連接插入酒精中，電流表指針發(fā)生偏轉()(3)在銅—鋅—稀硫酸原電池中，電子由鋅通過導線流向銅，再由銅通過電解質(zhì)溶液到達鋅()(4)原電池中陽離子向正極移動()(5)原電池中的負極反應一定是電極材料失電子()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×2．原電池中作負極的一定是活潑金屬，作正極的一定是不活潑金屬嗎？答案不一定。在原電池中的兩極可以都是活潑金屬(如Zn－Fe－稀硫酸，Zn作負極)，也可以都是不活潑金屬(如Cu－Ag－AgNO3，Cu作負極)也可以是一種金屬和一種能導電的非金屬(如Cu－C－AgNO3，Cu作負極)。一、原電池的工作原理例1如圖所示，電流表指針發(fā)生偏轉，同時A極質(zhì)量減少，B極上有氣泡產(chǎn)生，C為電解質(zhì)溶液，下列說法錯誤的是()A．B極為原電池的正極B．A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸C．C中陽離子向A極移動D．A極發(fā)生氧化反應解析原電池中，負極金屬失去電子，溶解，質(zhì)量減小，故A極是負極，B極是正極，根據(jù)構成情況可判斷A、B、C可能分別為Zn、Cu、稀鹽酸，A、B正確；離子移動方向：陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，C錯誤；負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，D正確。答案C歸納總結1．原電池的工作原理(1)反應類型：負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應。(2)電子的移動方向：負極流出，經(jīng)導線流向正極。(3)離子的移動方向：陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。2．原電池正、負極的判斷變式訓練1如圖是Zn和Cu形成的原電池，某實驗興趣小組做完實驗后，在讀書卡片上記錄如下，在卡片上描述合理的是()實驗后的記錄：①Zn為正極，Cu為負極②H＋向負極移動③電子流動方向：從Zn經(jīng)外電路流向Cu④Cu極上有H2產(chǎn)生⑤若有1mol電子流過導線，則產(chǎn)生H2為0.5mol⑥正極的電極反應式為Zn－2e－=Zn2＋A．①②③ B．③④⑤C．④⑤⑥ D．②③④答案B解析在該原電池中，Zn比Cu活潑，故Zn作負極，Cu作正極，電子由Zn流出經(jīng)導線流向Cu片，負極反應為Zn－2e－=Zn2＋，正極反應為2H＋＋2e－=H2↑，故轉移1mol電子時，產(chǎn)生H20.5mol，在溶液中H＋向正極移動，SOeq\o\al(2－,4)向負極移動，故①②⑥錯誤，③④⑤正確，選B項。二、原電池原理的應用例2有a、b、c、d四個金屬電極，有關的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下：實驗裝置部分實驗現(xiàn)象a極質(zhì)量減小，b極質(zhì)量增大b極有氣體產(chǎn)生，c極無變化d極溶解，c極有氣體產(chǎn)生電流從a極流向d極由此可判斷這四種金屬的活動性順序是()A．a(chǎn)＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞aC．d＞a＞b＞c D．a(chǎn)＞b＞d＞c解析裝置一是原電池，a極質(zhì)量減小，說明a極金屬易失去電子形成離子，故a極金屬比b極金屬活潑；裝置二沒有形成原電池，可知b比c活潑，且c位于金屬活動性順序表中氫的后面；裝置三和四均形成原電池，易知d比c活潑，d比a活潑。因此四種金屬的活動性順序為d＞a＞b＞c，故選C。答案C歸納總結原電池原理的應用(1)比較金屬活動性作負極的金屬活動性強，作正極的金屬活動性弱。(2)改變化學反應速率如：在Zn和稀硫酸反應時，滴加少量CuSO4溶液，則Zn置換出的銅和鋅能構成原電池的正、負極，從而加快Zn與稀硫酸反應的速率。(3)設計原電池如：把Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋設計成原電池，可用Fe作負極，銅(或石墨)作正極，F(xiàn)eCl3溶液作電解質(zhì)溶液。(4)保護金屬設備如：船體是鋼鐵材料，在海水中易被腐蝕，在船體外殼焊接上比鐵活潑的金屬(如Zn)，則構成以Zn、Fe為電極的原電池，Zn被消耗掉而Fe得到保護。變式訓練2100mL2mol·L－1的鹽酸與過量的鋅反應，為加快速率，又不影響產(chǎn)生氫氣的總量，可采用的方法是()A．加入適量的6mol·L－1的鹽酸B．加入數(shù)滴氯化銅溶液C．加入適量的蒸餾水D．加入適量的氯化鈉溶液答案B解析能加快反應速率，但增加了產(chǎn)生氫氣的總量，A錯誤；不影響H2的量，但稀釋了鹽酸，降低了反應速率，C、D錯誤；發(fā)生反應Cu2＋＋Zn=Zn2＋＋Cu，形成Cu－Zn原電池，加快了反應速率，B正確。1．下列敘述正確的是()①原電池是把化學能轉化成電能的一種裝置②原電池的正極發(fā)生氧化反應，負極發(fā)生還原反應③不能自發(fā)進行的氧化還原反應，通過原電池的裝置均可實現(xiàn)④碳棒不能用來作原電池的正極⑤反應Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋，能以原電池的形式來實現(xiàn)A．①⑤B．①④⑤C．②③④D．②⑤答案A解析①原電池是把化學能轉化為電能的一種裝置，①正確；②在發(fā)生反應時，原電池的正極要得到電子而發(fā)生還原反應，負極要失去電子而發(fā)生氧化反應，②錯誤；③銅與稀硫酸不能發(fā)生反應，若用銅作負極，碳棒作正極，稀硫酸作電解質(zhì)溶液，組成原電池，此反應仍然不能發(fā)生，③錯誤；④因為碳棒可以用來作原電池的正極，④錯誤；⑤可以用銅作負極，碳棒作正極，AgNO3溶液作電解質(zhì)溶液，組成原電池，此時即可發(fā)生反應Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋，⑤正確。A正確。2．將純鋅片和純銅片按下圖所示方式插入同濃度的稀硫酸中一段時間，以下敘述正確的是()A．兩個裝置都構成了原電池B．甲裝置構成了原電池，乙裝置沒有構成原電池C．兩燒杯中的鋅片上都有大量氣泡產(chǎn)生D．產(chǎn)生氣泡的速率甲比乙慢答案B解析甲中構成了銅鋅原電池，鋅作負極，失電子；銅作正極，氫離子在銅極上得電子，生成氫氣；總反應式為Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑。乙裝置沒有構成原電池，因為沒有形成閉合電路。構成原電池后生成氫氣的速率加快。3．X、Y、Z都是金屬，把X浸入Z的硝酸鹽溶液中，X的表面有Z析出，X和Y組成原電池時，Y為電池的負極。X、Y、Z三種金屬的活動性順序為()A．X>Y>Z B．X>Z>YC．Y>X>Z D．Y>Z>X答案C解析根據(jù)原電池原理，負極的金屬比正極活潑，可知Y>X，根據(jù)金屬活動性順序和置換反應原理，可知X>Z，故有Y>X>Z。4．已知金屬銹蝕的原理是在潮濕空氣中金屬表面形成水膜，金屬與雜質(zhì)和水膜中溶解的電解質(zhì)組成原電池，從而使金屬銹蝕加快，下列制品的鍍層損壞后，金屬腐蝕速率最快的是()A．鍍鋁塑扣 B．食品罐頭盒(鍍錫鐵盒)C．白鐵水桶(鍍鋅) D．鍍銀銅質(zhì)獎章答案B解析在構成原電池反應中，被腐蝕的是較活潑的作負極的金屬，根據(jù)金屬活動順序表，Zn、Al比Fe較活潑，F(xiàn)e比Sn(錫)、Cu比Ag較活潑，而Fe比Cu活潑，故鍍錫鐵盒鍍層破壞后腐蝕最快。5．現(xiàn)有如下兩個反應：(A)NaOH＋HCl=NaCl＋H2O(B)Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋(1)根據(jù)兩反應本質(zhì)，判斷能否設計成原電池________________________________。(2)如果不能，說明其原因_____________________________________________________________________________________________________________________。(3)如果可以，則寫出正、負極材料、其電極反應式、反應類型(“氧化反應”或“還原反應”)：負極：________，________________，________。正極：________，________________，________。答案(1)(A)不能，(B)可以(2)(A)不是氧化還原反應，沒有電子轉移(3)CuCu－2e－=Cu2＋氧化反應碳棒、Ag、鉑、金(任選一)2Ag＋＋2e－=2Ag還原反應解析(1)只有自發(fā)的氧化還原反應才能設計成原電池，(B)是氧化還原反應且能自發(fā)進行。(3)根據(jù)電池反應式Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋可知，Cu失電子作負極，負極材料是Cu，正極材料應是比銅不活潑的金屬或能導電的非金屬；Ag＋得電子，所以此電解質(zhì)溶液只能為AgNO3溶液?；A過關]題組1能源判斷1．下列有關能源的說法錯誤的是()A．風能是人類通過風車等工具獲取的能源，但屬于一次能源B．在即將到來的新能源時代，核能、太陽能、氫能將成為主要能源C．月球土壤中含有豐富的質(zhì)量數(shù)為3的氦，它可作為未來核能的重要原料D．原電池把化學能直接轉化為電能，所以由原電池提供的電能是一次能源答案D解析風能是直接從自然界中取得的能源，屬于一次能源，原電池提供的電能是由化學能轉化而得到的，不是直接獲得的，屬于二次能源，A正確，D錯誤；隨著時代的發(fā)展，化石能源逐漸枯竭，所以新能源時代污染小的核能、太陽能、氫能將成為主要能源，B、C正確。題組2原電池及正負極的判斷2．下列裝置可以構成原電池的是()答案C3．按下圖裝置進行實驗，若x軸表示流入正極的電子的物質(zhì)的量，則y軸可以表示()①c(Ag＋)②c(NOeq\o\al(－,3))③a棒的質(zhì)量④b棒的質(zhì)量⑤溶液的質(zhì)量A．①③B．②④C．①③⑤D．②④⑥答案A解析根據(jù)圖中裝置可判斷，F(xiàn)e、Ag、AgNO3構成的原電池中，活潑金屬Fe為負極，Ag為正極，F(xiàn)e和硝酸銀之間發(fā)生氧化還原反應，所以銀離子濃度減小，硝酸根濃度不變，①正確、②錯誤；在負極上金屬鐵本身失電子，即a棒質(zhì)量減輕，③正確；正極b棒上析出金屬銀，即b棒質(zhì)量增加，④錯誤；負極上金屬鐵本身失電子，正極Ag上析出金屬銀，所以溶液的質(zhì)量是增加了Fe，但是析出了Ag，在轉移電子數(shù)相等情況下，析出的金屬質(zhì)量多，所以溶液質(zhì)量減輕，但不能為零，⑤錯誤。A正確。4.在如右圖所示的裝置中，a的金屬活潑性比氫要強，b為碳棒，關于此裝置的下列敘述不正確的是()A．碳棒上有氣體放出，溶液pH變大B．a(chǎn)是正極，b是負極C．導線中有電子流動，電子從a極到b極D．a(chǎn)極上發(fā)生了氧化反應答案B解析顯然，電極a、b與電解質(zhì)溶液稀H2SO4組成原電池。因活潑性a>b(碳棒)，所以a為電池的負極，b為正極。電極反應式：a(負)極：a－ne－=an＋(氧化反應)b(正)極：nH＋＋ne－=eq\f(n,2)H2↑(還原反應)由于正極放電消耗H＋，溶液中c(H＋)減小，pH增大，在外電路中，電子由a極流出經(jīng)電流表流向b極。5．某原電池裝置如圖所示，電池總反應為2Ag＋Cl2=2AgCl。下列說法正確的是()A．正極反應為AgCl＋e－=Ag＋Cl－B．放電時，交換膜右側溶液中有大量白色沉淀生成C．若用NaCl溶液代替鹽酸，則電池總反應隨之改變D．當電路中轉移0.01mole－時，交換膜左側溶液中約減少0.02mol離子答案D解析根據(jù)電池總反應可以看出Cl2得電子，Ag失電子，所以在原電池中Cl2在正極上發(fā)生還原反應，Ag在負極上發(fā)生氧化反應。正極反應為Cl2＋2e－=2Cl－，A錯誤；因為電解質(zhì)溶液為鹽酸，所以負極上Ag失電子生成的Ag＋隨即與附近的Cl－反應，B錯誤；用氯化鈉代替鹽酸后，電極反應不發(fā)生改變，C錯誤；當電路中轉移0.01mole－時，負極生成0.01molAg＋，由于Ag＋＋Cl－=AgCl↓，所以消耗掉0.01molCl－，由于電荷守恒，同時有0.01molH＋通過陽離子變換膜轉移至右側溶液中，D正確。題組3原電池工作原理及應用6.如右圖所示裝置，電流表指針發(fā)生偏轉，同時A極逐漸變粗，B極逐漸變細，C為電解質(zhì)溶液，則A、B、C應是下列各組中的()A．A是Zn，B是Cu，C為稀硫酸B．A是Cu，B是Zn，C為稀硫酸C．A是Fe，B是Ag，C為稀AgNO3溶液D．A是Ag，B是Fe，C為稀AgNO3溶液答案D解析A極逐漸變粗，說明A極為原電池的正極，溶液中的金屬陽離子得到電子后在A極上析出；B極逐漸變細，說明B極為原電池的負極，失去電子后變成離子進入溶液中。A和B中的反應為Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑，則A中A極變細，B中A極不變。C和D兩項中的反應為Fe＋2AgNO3=2Ag＋Fe(NO3)2，其中C中A極變細，D中A極變粗。7．一個原電池的總反應的離子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，該原電池的合理組成是()正極負極電解質(zhì)溶液AZnCuCuCl2BCuZnH2SO4CCuZnCuSO4DZnFeCuCl2答案C解析由總反應式知，Zn被氧化作原電池的負極，符合條件的有B、C兩項，電解質(zhì)溶液中Cu2＋＋2e－=Cu，B選項中是2H＋＋2e－=H2↑，C正確。8．各燒杯中盛有海水，鐵在其中被腐蝕由快到慢的順序為()A．②①③④ B．④③①②C．④②①③ D．③②④①答案C解析②③④實質(zhì)均為原電池裝置。③中Fe為正極，被保護；②④中Fe為負極，均被腐蝕。但相對來說，F(xiàn)e和Cu的金屬活動性差別較Fe和Sn的差別大，故Fe－Cu原電池中的Fe被腐蝕得更快；①中不能構成原電池，僅發(fā)生化學腐蝕反應。9．利用反應2Cu＋O2＋2H2SO4=2CuSO4＋2H2O可制備CuSO4，若將該反應設計為原電池。(1)負極材料是________(寫名稱)，電極反應為________________________________________________________________________________________________________。(2)正極電極反應式為___________________________________________。(3)溶液中SOeq\o\al(2－,4)向________極移動。答案(1)銅Cu－2e－=Cu2＋(2)O2＋4e－＋4H＋=2H2O(3)負解析該氧化還原反應中還原劑為Cu，故負極是銅，電極反應為Cu－2e－=Cu2＋，氧化劑是O2，故正極反應為O2＋4e－＋4H＋=2H2O，溶液中陰離子SOeq\o\al(2－,4)向負極移動。能力提升]10．根據(jù)下列事實：①A＋B2＋=A2＋＋B；②D＋2H2O=D(OH)2＋H2↑；③以B、E為電極與E的鹽溶液組成原電池，電極反應為E2＋＋2e－=E，B－2e－=B2＋，由此可知A2＋、B2＋、D2＋、E2＋的氧化性強弱關系是_____________________________________________________________________________________________________________。答案E2＋＞B2＋＞A2＋＞D2＋解析由金屬活動性的判斷條件知，①中A＞B；②D是很活潑的金屬；③中B＞E；所以金屬性為D＞A＞B＞E，對應陽離子的氧化性恰好相反。11．如圖所示的裝置，在盛有水的燒杯中，鐵圈和銀圈的連接處吊著一根絕緣的細絲，使之平衡。小心地往燒杯中央滴入CuSO4溶液。(1)片刻后可觀察到的現(xiàn)象是(指懸吊的金屬圈)________________________(填字母)。A．鐵圈和銀圈左右搖擺不定B．保持平衡狀態(tài)不變C．鐵圈向下傾斜D．銀圈向下傾斜(2)產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是______________________________________________________________________________________________________________________。(3)寫出反應的化學方程式：________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)D(2)加入CuSO4溶液后，構成Fe－Ag原電池，鐵溶解，質(zhì)量減輕，Cu2＋在銀圈上得電子，生成Cu沉積在其上，質(zhì)量增加(3)Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu解析加入CuSO4溶液后，構成Fe—Ag原電池，F(xiàn)e失電子作負極，質(zhì)量減輕，Cu2＋在正極銀圈上得電子，生成金屬銅沉積在上面使其質(zhì)量增加。拓展探究]12．某化學興趣小組為了探究鋁電極在原電池中的作用，設計并進行了以下一系列實驗，實驗結果記錄如下。編號電極材料電解質(zhì)溶液電流表指針偏轉方向1Al、Mg稀鹽酸偏向Al2Al、Cu稀鹽酸偏向Cu3Al、C(石墨)稀鹽酸偏向石墨4Al、Mg氫氧化鈉溶液偏向Mg5Al、Zn濃硝酸偏向Al試根據(jù)上表中的實驗現(xiàn)象回答下列問題：(1)實驗1、2中Al所作的電極(正極或負極)是否相同____________(填“是”或“否”)。(2)對實驗3完成下列填空：①鋁為________極，電極反應式：______________________________________________。②石墨為________極，電極反應式：__________________________________________。③電池總反應式：______________