第四章 化学反应与电能\n[情景切入]化学能与其他形式的能量可以相互转换，而且严格遵守能量守恒定律。化学能和电能通过一定的装置也可以相互转换，从能量转换角度看，电化学反应过程(包括装置)可分两类：一是化学能转换为电能，二是电能转换为化学能。通过化学能和电能之间的相互转换，能够使我们对氧化还原反应的认识及化学反应中能量变化的认识更加深刻。\n[知识导航]本章内容探究化学能与电能的相互转化、化学电源和金属的防护。本章知识在结构上分为三节：第一节主要学习原电池——原电池的工作原理和化学电源；第二节主要学习电解池——电解原理和电解原理的应用；第三节主要学习金属的腐蚀与防护。\n[学法指导]1．理解本质，重应用。通过探究常见化学电源的工作原理，体会原电池反应的本质，并能应用原电池原理解决实际问题。2．相互对照，巧关联。对照原电池的构造，分析电解池的构造，加强对原电池、电解池原理的理解。\n3．紧抓本质，析规律。根据电解原理的本质即氧化还原反应，结合常见阴、阳离子的还原性、氧化性的强弱，分析各种微粒的放电顺序，归纳总结各类盐溶液的电解规律，理清电解产物及电解质溶液的变化。4．联系生产，明责任。通过介绍日常生活、生产中常见腐蚀的实例如铁闸门、轮船船体、桥梁、铁制炊具等的腐蚀，探究其腐蚀的本质，探求改变腐蚀速率的方法，加深对电化学原理的理解，深刻认识绿色化学的重要性，培养社会责任感。\n第一节 原电池第1课时 原电池的工作原理\n学习目标核心素养1．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。2．了解原电池的工作原理。1．以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，培养宏观辨识与微观探析的能力。2．通过对锌铜原电池工作原理的分析，建立对电化学过程的系统分析思路，培养证据推理与模型认知的意识。\n课前素能奠基课堂素能探究课堂达标验收新课情景呈现名师博客呈现\n新课情景呈现\n某化学兴趣小组为了体验水果电池电流的存在进行了下列实验。用橘子一个，铝片和锌片各一片，电灯泡一个，按图连接好。在实验前，先用砂纸擦去金属表面的氧化膜，实验时保持两金属片插在橘子上，不能直接接触。\n你知道在上述水果电池中，电流的强弱与两极的距离有什么关系吗？影响电流的因素还可能有哪些呢？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，又称电力。例如，日常生活中使用的手提电脑、手机、相机、摄像机……这一切都依赖于电池的应用。那么，电池是怎样把化学能转变为电能的呢？我们这节课先一起复习一下有关原电池的相关内容。\n课前素能奠基\n一、原电池原理1．原电池的概念和实质：(1)概念。将__________转化为________的装置。(2)实质。利用能自发进行的____________反应把化学能转化为电能。化学能新知预习电能氧化还原\n2．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)：锌铜Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu\n反应类型________反应________反应电子流向由______片沿导线流向______片离子迁移方向阴离子向________迁移；阳离子向________迁移电池反应方程式______________________________两类装置的不同点还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故能量转化率高，电流稳定，持续时间长氧化还原锌铜负极正极Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu\n3．原电池形成的条件：(1)闭合回路。电解质溶液\n(2)两极有电势差——两个活性不同的电极，相对较活泼的金属作________。(3)__________溶液或________电解质。(4)自发的____________反应。负极电解质熔融氧化还原\n二、原电池的设计1．理论上，任何自发的____________反应都可以设计成原电池。2．外电路：________性较强的物质在负极上失去电子________性较强的物质在正极上得到电子。3．内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作________移动。氧化还原还原氧化定向\n预习自测1．如图所示电流表的指针发生偏转，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可能分别为Zn、Cu和稀盐酸C．C中阳离子向A极移动D．A极发生氧化反应C\n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。\n2．下列能量的转化过程中，由化学能转化为电能的是()A．车载铅蓄电池启动B．二滩电站水力发电C．西区竹林坡光伏(太阳能)发电D．米易县龙肘山风力发电解析：A项，车载铅蓄电池启动是化学能转化为电能，正确；B项，二滩电站水力发电是将重力势能转化为电能，错误；C项，西区竹林坡光伏(太阳能)发电是将太阳能转化为电能，错误；D项，米易县龙肘山风力发电是将风能转化为电能，错误。A\n3．下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是()A．均发生了化学能转化为电能的过程B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物C．工作过程中，电子均由Zn经导线流向CuD．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高B\n解析：A项，两个装置都为原电池装置，均发生化学能转化为电能的过程，正确；B项，根据原电池的工作原理，锌比铜活泼，锌作负极、铜作正极，铜本身不是反应物，错误；C项，锌作负极，电子从负极经外电路流向正极，正确；D项，图乙装置产生的电流在一段时间内变化不大，但图甲装置产生的电流在较短时间内就会衰减，正确。\n课堂素能探究\n知识点问题探究：1．在Cu－Zn－H2SO4原电池中，1molZn完全反应，流经电解质溶液的电子数是多少？2．某原电池工作时，a电极质量增加，则该电池的电解质溶液可以是盐酸吗？探究提示：1.0。电子只能沿着导线移动，不经过电解质溶液。2．不能，因为a电极质量增加，说明该电极上应有金属析出，应是溶液中的金属阳离子得电子而析出金属，故电解质不可能是盐酸。原电池的工作原理\n知识归纳总结：1．原电池的工作原理简图：\n特别提醒：电子及离子的移动(1)电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。(2)若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。(3)若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。\n2．原电池中盐桥的作用：(1)通过离子在盐桥中的定向移动，使两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。(2)使用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，有利于最大限度地将化学能转化为电能。\n3．原电池中正负极的判断方法：\n有关如图所示原电池(盐桥中吸附有KNO3饱和溶液)的叙述不正确的是()A．盐桥中的K＋向Cu片移动B．电子沿导线由Cu片流向Ag片C．正极的电极反应是Ag＋＋e－===AgD．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应典例1A\n解析：该原电池中，Cu为负极，Ag为正极，放电时溶液中阳离子向正极移动，即盐桥中K＋向Ag片移动，A项错误；该电池放电时电子由负极Cu片经导线流向Ag片，B项正确；正极电极反应式为：Ag＋＋e－===Ag，C项正确；Cu为负极，失电子发生氧化反应，Ag为正极，得电子发生还原反应，D项正确。\nC\n\n知识点原电池原理应用问题探究：1．实验室常用粗锌和稀硫酸反应制备H2，请讨论为何不用纯锌？2．根据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱？3．中和反应能够放出大量的热，有人设想将其设计成原电池，你认为他是否能成功？原因是什么？\n探究提示：1．粗锌中的锌、杂质和稀硫酸构成原电池，加快化学反应速率，而纯锌与稀硫酸反应比粗锌缓慢。2．将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中，发现铁片逐渐溶解，铜片表面有气泡产生，说明铁比铜活泼。3．不能；原因是中和反应不属于氧化还原反应。\n│\n2．加快氧化还原反应的速率：构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。例如：实验室制取氢气时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应速率快或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，产生氢气的速率加快。\n3．设计原电池：(1)分析氧化还原反应，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物，将其分成氧化反应和还原反应两个半反应。(2)设计成无盐桥电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极活泼性差的物质作正极，以与负极发生反应的溶液为电解质溶液，用导线将两个电极构成闭合回路即可。\n(3)设计成有盐桥的电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极活泼性差的物质作正极，以含负极氧化产物的溶液作为负极电解质溶液，以含氧化剂的溶液作为正极电解质溶液，然后用盐桥连接两个电池，用导线连接两个电极即可。\n\n铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：________________________________。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。正极反应：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋负极反应：Cu－2e－===Cu2＋2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋典例2\n解析：依据反应：2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。氧化反应为Cu－2e－===Cu2＋，还原反应为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，则设计思路明确：原电池组成为Cu是负极，正极材料选用比铜活泼性差的铂或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。\n〔变式训练2〕10mL浓度为1mol·L－1的盐酸与过量的锌粉反应，若加入适量的下列溶液，能减慢反应速率但又不影响氢气生成量的是()A．H2SO4B．CH3COONaC．CuSO4D．Na2CO3B\n解析：当加入其他物质能够减慢反应速率，且不影响氢气的总量，采取的方式为降低氢离子浓度，不减小氢离子的量。A项，加入硫酸，增大氢离子物质的量，影响了氢气的总量，错误；C项，加入硫酸铜，锌置换出铜，锌与铜构成原电池，反应速率加快，错误；D项，加入Na2CO3消耗了氢离子，氢气总量减少，错误。\n名师博客呈现\n原电池的电流是怎样产生的我们以铜锌原电池为例来分析原电池的电流是怎样产生的。锌片上和ZnSO4溶液中都存在Zn2＋。在锌片和溶液的接触面上，水分子与金属表面的Zn2＋相互吸引，发生水合作用，使部分Zn2＋离开锌片进入溶液：Zn—→Zn2＋＋2e－\n\n铜原子和锌原子失电子的能力不同，因此铜电极和锌电极的溶解——沉积平衡状态不一样，两个电极材料与其溶液间的电势差不相等。由于锌原子比铜原子容易失电子，在锌电极的锌片表面上积累的电子比铜电极的铜片表面上积累的电子多，因此将两极接通后，电子由锌片流向铜片。电子的移动破坏了两极的溶解——沉积平衡，锌极的平衡由于电子移走而向溶解方向移动，铜极的平衡由于电子移入而向沉积方向移动；结果使电子持续流动形成电流。\n课堂达标验收\n1．锌铜原电池装置如图所示，下列说法正确的是()A．铜片作负极B．锌电极的反应式：Zn－2e－===Zn2＋C．电流从锌片流向铜片D．盐桥的作用是传递电子B\n解析：A项，Zn易失电子发生氧化反应而作负极，错误；B项，Zn易失电子发生氧化反应，锌电极的反应式：Zn－2e－===Zn2＋，正确；C项，铜作正极，电流由铜片流向锌片，错误；D项，盐桥的作用是传递离子，电子不能通过溶液，错误。\n2．有A、B、C、D四种金属。将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀。将A、D分别投入等浓度盐酸中，D比A反应剧烈。将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化。如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是()A．D＞C＞A＞BB．D＞A＞B＞CC．D＞B＞A＞CD．B＞A＞D＞CB\n解析：将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，该装置构成了原电池，原电池中较活泼的金属作负极，负极上金属失电子生成金属阳离子进入溶液而被腐蚀，较不活泼的金属作正极而不易腐蚀，B不易腐蚀，所以金属活动性A＞B；金属和酸反应，较活泼的金属与酸反应较剧烈，将A、D分别投入等浓度盐酸中，D比A反应剧烈，所以金属活动性D＞A；金属之间的置换反应中，较活泼金属能置换出较不活泼的金属，将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，所以金属活动性：B＞Cu；如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出，说明金属活动性：Cu＞C。所以它们的活动性由强到弱的顺序是D＞A＞B＞C，故合理选项是B。\n3．由W、X、Y、Z四种金属按下列装置进行实验。\n下列说法不正确的是()A．装置甲中X作原电池正极B．装置乙中Y电极上的反应式为Cu2＋＋2e－===CuC．装置丙中溶液的c(H＋)不变D．四种金属的活动性强弱顺序为Z＞W＞X＞YC\n解析：装置甲中金属W不断溶解，负极失电子逐渐溶解，则W作原电池负极，X为正极，氢离子得到电子生成氢气，故A正确；Y上铜离子得电子生成Cu，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，故B正确；W上氢离子得电子生成氢气，溶液中氢离子浓度减小，故C错误；甲中W为负极，X为正极，则活动性：W＞X；乙中X为负极，Y为正极，则活动性：X＞Y；丙中Z为负极，W为正极，则活动性：Z＞W，所以四种金属的活动性强弱顺序为Z＞W＞X＞Y，故D正确。\n4．设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq)，铜片，铁片，锌片和导线。(1)完成原电池甲的装置示意图，并作相应标注。\n答案：(1)下列三幅图中，作出任意一幅即可要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。\n(2)铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极____________。(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是______，其原因是乙池的负极______________________________________________________________________________________________。逐渐溶解甲甲中Zn和Cu2＋不直接接触，避免两种物质直接反应，从而避免了化学能转化为热能，提高电池效率。\n解析：(1)根据图示装置中电子流向，左烧杯中电极为负极，右烧杯中电极为正极。由金属活泼性：Zn＞Fe＞Cu，以下三种组合：ZnSO4(aq)/Zn(负极)—CuSO4(aq)/Cu(正极)、FeSO4(aq)/Fe(负极)—CuSO4(aq)/Cu(正极)和ZnSO4(aq)/Zn(负极)—FeSO4(aq)/Fe(正极)，都能构成符合装置示意图所要求的原电池。\n(2)根据无盐桥原电池的工作原理，Zn(负极)—CuSO4(aq)—Cu(正极)、Fe(负极)—CuSO4(aq)－Cu(正极)，都能构成符合题目所要求的原电池。在这样的原电池中，Cu作正极，负极金属失去电子被氧化，反应现象是电极逐渐溶解。(3)在原电池甲中，负极不与CuSO4溶液直接接触，所发生的化学反应只有原电池反应，而在原电池乙中，负极与CuSO4溶液直接接触，所发生的化学反应除原电池反应以外，还有非原电池反应，因此，在原电池甲和乙中，甲可更有效地将化学能转化为电能。
