一、 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能1.化學(xué)能間接轉(zhuǎn)化為電能
(2)關(guān)鍵——燃燒(氧化還原反應(yīng))。
【情境·思考】 火力發(fā)電是我國主要的發(fā)電方式。簡單的說就是利用燃料發(fā)熱,加熱水,形成高溫高壓過熱蒸汽,然后蒸汽沿管道進(jìn)入汽輪機(jī)中不斷膨脹做功,沖擊汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(電磁場)旋轉(zhuǎn),定子線圈切割磁感線,發(fā)出電能。
(1)火力發(fā)電存在幾種形式的能量轉(zhuǎn)化?提示:化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能3種形式。(2)試分析火力發(fā)電有哪些弊端?提示:①使用的化石燃料屬于不可再生資源;②化石燃料的燃燒會產(chǎn)生大量的有害氣體(如SO2、CO等)及粉塵,污染環(huán)境;③能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化,能量利用率低。
2.化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能——原電池(1)實驗探究:
(3)原電池:①定義:把_________________的裝置叫原電池。
②工作原理:(以銅-鋅-稀硫酸原電池為例)
Zn-2e-====Zn2+
2H++2e-====H2↑
Zn+2H+====Zn2++H2↑
【巧判斷】(1)鹽酸與氫氧化鈉溶液混合放熱,故可以設(shè)計原電池反應(yīng)。(　　)提示:×。鹽酸與氫氧化鈉的反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)。
(2)銅-鋅-稀硫酸原電池中,銅換成石墨棒也能產(chǎn)生電流。(　　)提示:√。原電池中正極材料不參與反應(yīng),只起到導(dǎo)電的作用,石墨棒可以導(dǎo)電。
二、化學(xué)電池——新能源和可再生能源的重要組成部分1.一次電池——鋅錳干電池
【微思考】生活中電動車、手機(jī)的電池屬于一次電池還是二次電池?提示:電動車、手機(jī)的電池都可以反復(fù)充電使用,都屬于二次電池。
知識點一　原電池的構(gòu)成條件及正負(fù)極的判斷方法【重點釋疑】1.原電池的構(gòu)成條件——“兩極一液一線一反應(yīng)”
(1)兩反應(yīng):正極——還原反應(yīng);負(fù)極——氧化反應(yīng)。(2)三方向:①電流方向:正極→負(fù)極;②電子流動方向(導(dǎo)線中):負(fù)極→正極;③陰陽離子移動方向(電解質(zhì)溶液中):陽離子:負(fù)極→正極;陰離子:正極→負(fù)極。
3.原電池正負(fù)極的判斷方法
【易錯提醒】(1)構(gòu)成原電池的兩電極材料不一定都是金屬,正極材料可以為導(dǎo)電的非金屬,例如石墨。兩極材料可能參與反應(yīng),也可能不參與反應(yīng)。(2)兩個活潑性不同的金屬電極用導(dǎo)線連接,共同插入電解質(zhì)溶液中不一定構(gòu)成原電池,必須有一個能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。
(3)在判斷原電池正負(fù)極時,既要考慮金屬活潑性的強(qiáng)弱,也要考慮電解質(zhì)溶液性質(zhì)。如Mg-Al-HCl溶液構(gòu)成的原電池中,負(fù)極為Mg;但是Mg-Al-NaOH溶液構(gòu)成的原電池中,負(fù)極為Al,正極為Mg。
【思考·討論】(1)原電池內(nèi)部陰、陽離子如何移動?移動的原因是什么?
提示:陰離子要移向負(fù)極,陽離子要移向正極。這是因為負(fù)極失電子,生成大量陽離子積聚在負(fù)極附近,致使該極附近有大量正電荷,所以溶液中的陰離子要移向負(fù)極;正極得電子,該極附近的陽離子因得電子生成電中性的物質(zhì)而使該極附近帶負(fù)電荷,所以溶液中的陽離子要移向正極。
(2)兩個活潑性不同的金屬電極用導(dǎo)線連接,共同通入電解質(zhì)溶液中就能構(gòu)成原電池嗎?提示:不一定。構(gòu)成原電池除具備①兩種活潑性不同的金屬②電解質(zhì)溶液③形成閉合回路外,還必須有一個能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),如圖由于Cu、Ag都不能與稀硫酸反應(yīng),故不能構(gòu)成原電池。
【案例示范】【典例】(2019·淄博高一檢測)如圖所示電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),同時A極的質(zhì)量減小,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分別為Zn、Cu和稀鹽酸C.C中陽離子向A極移動D.A極發(fā)生氧化反應(yīng)
【思維建?！拷獯鹩嘘P(guān)原電池問題的思維流程如下:
【解析】選C。原電池中,負(fù)極金屬失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng),溶解,質(zhì)量減小,故A極為負(fù)極,B極為正極,A、D項正確;A、B、C分別為Zn、Cu和稀鹽酸時,可以構(gòu)成原電池,且現(xiàn)象符合題意,B項正確;電解質(zhì)溶液中陽離子移向正極,C項錯誤。
【母題追問】(1)若將“B極上有氣泡產(chǎn)生”改為“B極上有金屬析出”,答案選什么?提示:選BC?！癇極上有金屬析出”說明在正極上電解質(zhì)溶液中的金屬陽離子發(fā)生還原反應(yīng),B項也錯誤。
(2)將上題B項改為“A、B、C分別為Fe、Cu和濃硝酸”,能否構(gòu)成原電池?若能,正負(fù)極分別是什么?提示:能構(gòu)成原電池。由于Fe被濃硝酸鈍化,Fe作正極,Cu為負(fù)極。
【遷移·應(yīng)用】1.(2019·汕頭高一檢測)某小組為研究原電池原理,設(shè)計如圖裝置。下列敘述正確的是世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號(　　)
A.a和b不連接時,鐵片上會有H2產(chǎn)生B.a和b用導(dǎo)線連接時,鐵片上發(fā)生的反應(yīng)為Cu2++2e-====CuC.a和b用導(dǎo)線連接時,電子由a流向bD.無論a和b是否連接,鐵片均會溶解,溶液從藍(lán)色逐漸變成淺綠色
【解析】選D。A項,a和b不連接時,鐵和Cu2+發(fā)生置換反應(yīng)而析出銅,沒有氫氣生成,錯誤;B項,a和b用導(dǎo)線連接時構(gòu)成原電池,鐵是負(fù)極,鐵片上發(fā)生氧化反應(yīng):Fe-2e-====Fe2+,錯誤;C項,Fe比銅活潑,形成原電池反應(yīng)時Fe為負(fù)極,則電子由b流向a,錯誤;D項,無論a和b是否連接,鐵片均會溶解,都生成亞鐵離子,溶液由藍(lán)色變?yōu)闇\綠色,D正確。
2.(2019·邯鄲高一檢測)將鐵片和銀片用導(dǎo)線連接置于同一稀鹽酸溶液中,經(jīng)過一段時間后,下列各項敘述正確的是(　　)A.負(fù)極有Cl2逸出,正極有H2逸出B.負(fù)極附近Cl-的濃度減小C.正極附近Cl-的濃度逐漸增大D.溶液中Cl-的濃度基本不變
【解析】選D。鐵片和銀片用導(dǎo)線連接置于同一稀鹽酸溶液中構(gòu)成原電池,鐵作負(fù)極,發(fā)生反應(yīng)Fe-2e-====Fe2+,銀作正極,發(fā)生反應(yīng)2H++2e-====H2↑,故A錯誤;溶液中Cl-移向負(fù)極,負(fù)極附近Cl-的濃度增大,正極附近Cl-的濃度逐漸減小,而溶液中Cl-的濃度基本不變,B、C錯誤,D正確。
【補償訓(xùn)練】1. 關(guān)于如圖所示的裝置的敘述中正確的是 (　　)A.銅是正極B.溶液中的Fe3+向銅棒移動C.電子從銅片經(jīng)導(dǎo)線流向碳棒D.碳棒上有紅色銅生成
【解析】選C。首先書寫此電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式(電池反應(yīng)式)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+,在此反應(yīng)中銅失電子,作原電池負(fù)極,電子從銅片經(jīng)導(dǎo)線流向碳棒,在碳棒上電子與溶液中的Fe3+結(jié)合生成Fe2+,所以碳棒作正極,溶液中的陽離子向正極移動,即溶液中的Fe3+向正極碳棒移動。
2.(2019·長沙高一檢測)下列各組材料中,不能組成原電池的是(　　)
【解析】選C。構(gòu)成原電池的條件是活潑性不同的金屬或金屬和非金屬,導(dǎo)線相連并插入電解質(zhì)溶液中,則A、B、D均可以構(gòu)成原電池,C中蔗糖是非電解質(zhì),故C不能構(gòu)成原電池。
【素養(yǎng)提升】近年來野外生存的真人秀節(jié)目在各大衛(wèi)視頻繁播放。某節(jié)目中野外生存達(dá)人用一個檸檬、一排銅釘和一排鋅釘制作的水果電池用于野外生火。某同學(xué)感到好奇自己制作了一個這樣的“超級檸檬電池”。
(1)該電池的電池反應(yīng)是什么?提示:該電池利用了金屬鋅與酸的反應(yīng),離子方程式為Zn+2H+====Zn2++ H2↑。
(2)若用鐵片代替鋅片LED燈能不能亮? 若用鐵片代替銅片呢?提示:若用鐵片代替鋅片,由于鐵能與酸反應(yīng),LED燈仍然能亮;若用鐵片代替銅片,由于鋅比鐵活潑,仍然發(fā)生反應(yīng)Zn+2H+====Zn2++ H2↑,LED燈仍然能亮。
(3)若用銀片代替鋅片LED燈能不能亮?提示:不能。銀片代替鋅片,銀和銅都不能與酸反應(yīng),無電流產(chǎn)生,LED燈不亮。
(4)由上面分析可知構(gòu)成原電池的條件有哪些?提示:①兩個活潑性不同的金屬電極或金屬與石墨;②電解質(zhì)溶液;③閉合回路;④自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。
知識點二　原電池原理的應(yīng)用【重點釋疑】1.加快化學(xué)反應(yīng)速率一個自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),設(shè)計成原電池可以加快反應(yīng)速率。
2.比較金屬活潑性強(qiáng)弱: 兩種金屬分別作原電池的兩極時,一般作負(fù)極的金屬比作正極的金屬活潑。
3.用于金屬保護(hù)將被保護(hù)的金屬與比其活潑的金屬連接。
4.設(shè)計原電池(1)依據(jù):已知一個氧化還原反應(yīng),首先分析找出氧化劑、還原劑,一般還原劑為負(fù)極材料(或在負(fù)極上被氧化),氧化劑為電解質(zhì)溶液中的陽離子(或在正極上被還原)。
(2)步驟:以Fe+CuSO4====FeSO4+Cu為例。
【思考·討論】(1)在原電池中,負(fù)極材料的金屬性一定大于正極材料嗎?提示:一般原電池中負(fù)極材料的金屬性大于正極材料,在特殊情況下也有特例,如Al-Mg-NaOH原電池中,Al在強(qiáng)堿性溶液中比Mg更易失電子,Al作負(fù)極,Mg作正極。
(2)如何利用Cu+2AgNO3====Cu(NO3)2+2Ag設(shè)計原電池?提示:該氧化還原反應(yīng)可拆分為如下兩個半反應(yīng):氧化反應(yīng)(負(fù)極反應(yīng)):Cu-2e-====Cu2+。還原反應(yīng)(正極反應(yīng)):2Ag++2e-====2Ag。
故Cu作負(fù)極,活潑性比Cu差的材料作正極,如Ag、C等,AgNO3溶液作電解質(zhì)溶液。如圖:
【案例示范】【典例1】(2019·岳陽高一檢測) 把A、B、C、D四塊金屬泡在稀H2SO4中,用導(dǎo)線兩兩相連可以組成各種原電池。若A、B相連時,A為負(fù)極;C、D相連時,D上有氣泡逸出;A、C相連時,A極減輕;B、D相連時,B為正極。則四種金屬的活潑性順序由大到小排列為(　　)
A.A>C>D>B　　　B.A>C>B>DC.B>D>C>AD.A>B>C>D
【解題指南】解答本題要注意兩點:(1)原電池中,負(fù)極金屬的活潑性大于正極金屬;(2)熟練掌握原電池正負(fù)極的判斷依據(jù)。
【解析】選A。A、B相連時,A為負(fù)極,則說明A與B相比較,A更加活潑;C、D相連,D上有氣泡逸出,則C為電源的負(fù)極,C比D活潑;A、C相連時,A極減輕,A參與了電極反應(yīng),被消耗,應(yīng)是活潑金屬;B、D相連,B為正極,則D是活潑金屬,作電源的負(fù)極。故有A>C>D>B。
【典例2】鐵及鐵的化合物應(yīng)用廣泛,如FeCl3可用作催化劑、印刷電路銅板腐蝕劑和外傷止血劑等。(1)寫出FeCl3溶液腐蝕印刷電路銅板的離子方程式:__________________________。?
(2)若將(1)中的反應(yīng)設(shè)計成原電池,請在方框內(nèi)畫出原電池的裝置圖,標(biāo)出正、負(fù)極,并寫出電極反應(yīng)式。正極反應(yīng)式:________________________負(fù)極反應(yīng)式:________________________
【思維建?！拷獯稹霸O(shè)計原電池”類試題思維流程如下:
【解析】依據(jù)反應(yīng):2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+。氧化反應(yīng)為Cu-2e-====Cu2+,還原反應(yīng)為2Fe3++2e-====2Fe2+,則設(shè)計思路明確:
原電池組成為Cu是負(fù)極,正極材料選用比銅不活潑的鉑或?qū)щ姷姆墙饘偃缡?電解質(zhì)溶液選用FeCl3溶液。
答案:(1)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+(2)裝置圖 2Fe3++2e-====2Fe2+　Cu-2e-====Cu2+
【誤區(qū)警示】設(shè)計原電池裝置的兩個易錯點(1)能設(shè)計成原電池的反應(yīng)一般是自發(fā)的放熱的氧化還原反應(yīng),吸熱反應(yīng)不可能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(2)設(shè)計原電池時,負(fù)極材料確定之后,正極材料的選擇范圍較廣,只要合理都可以。
【遷移·應(yīng)用】1.(2019·菏澤高一檢測)過量鐵與少量稀硫酸反應(yīng),為了加快反應(yīng)速率,但是又不影響生成氫氣的總量,可以采取的措施是(　　)A.加入適量NaCl溶液B.加入適量的水C.加入幾滴硫酸銅溶液D.再加入少量稀硫酸
【解析】選C。若加入NaCl溶液或水,會將稀硫酸稀釋,c(H+)減小,反應(yīng)速率減慢;若加入幾滴CuSO4溶液,則發(fā)生反應(yīng)Fe+Cu2+====Cu+Fe2+,析出的Cu與Fe、稀硫酸形成原電池,反應(yīng)速率加快且不影響生成H2的總量;若再加入少量稀硫酸,因Fe過量,則生成H2的總量增大,且反應(yīng)速率不會改變。
2.某原電池的總反應(yīng)離子方程式為Zn+Cu2+====Zn2++Cu,則該原電池的正確組成可以是下列的(　　)
【解析】選C。該原電池的負(fù)極必為鋅,正極是比鋅穩(wěn)定的金屬或?qū)щ姷姆墙饘?電解質(zhì)溶液中含有Cu2+,故選C。
【補償訓(xùn)練】1.將純鋅片和純銅片按圖示插入同濃度的稀硫酸中一段時間,以下敘述正確的是(　　)
A.兩燒杯中銅片表面均無氣泡產(chǎn)生B.甲中銅片是正極,乙中銅片是負(fù)極C.兩燒杯中溶液的酸性均減小D.產(chǎn)生氣泡的速率甲比乙慢
【解析】選C。A項,甲是原電池,正極銅片上發(fā)生還原反應(yīng)2H++2e-====H2↑,乙裝置中在鋅片上發(fā)生反應(yīng)Zn+2H+====Zn2++H2↑,銅片上無氣體產(chǎn)生,故A錯誤;B項,甲裝置是原電池,銅片作正極,乙裝置不是原電池,故B錯誤;C項,兩燒杯中的氫離子發(fā)生反應(yīng),濃度減少,故C正確;D項,原電池反應(yīng)加快反應(yīng)速率,產(chǎn)生氣泡的速率甲比乙快,故D錯誤。
2.(2019·宿州高一檢測)現(xiàn)有如下兩個反應(yīng):(A)NaOH+HCl====NaCl+H2O(B)Fe+2Fe3+====3Fe2+(1)根據(jù)兩反應(yīng)本質(zhì),判斷能否設(shè)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(fù)極材料、電極反應(yīng)式、反應(yīng)類型(“氧化反應(yīng)”或“還原反應(yīng)”):
【解析】(1)只有自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計成原電池,(B)是氧化還原反應(yīng)且能自發(fā)進(jìn)行。(2)(A)反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng),沒有電子轉(zhuǎn)移。(3)根據(jù)電池反應(yīng)式Fe+2Fe3+====3Fe2+可知,Fe失電子作負(fù)極,負(fù)極材料是Fe,正極材料應(yīng)是比Fe活動性弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬;Fe3+得電子,所以電解質(zhì)溶液只能為鐵鹽溶液。
答案:(1)(A)不能,(B)可以　(2)(A)不是氧化還原反應(yīng),沒有電子轉(zhuǎn)移(3)
【素養(yǎng)提升】 7月1日是中國共產(chǎn)黨的生日,從2019年起,每年的7月1日還多了一重含義:國際航標(biāo)協(xié)會第13屆全會確定,自2019年起將每年的7月1日設(shè)立為“世界航標(biāo)日”,讓更多人了解航標(biāo)在保障船舶安全航行中起到的重要作用。
2019年世界航標(biāo)日的主題是海上航標(biāo)——成功的航行,可持續(xù)發(fā)展的地球。青島慶祝首個“世界航標(biāo)日”,首次面向全國啟動燈塔開放季。我國首創(chuàng)的海洋電池以鋁板、鉑網(wǎng)作電極,海水為電解質(zhì)溶液,電池總反應(yīng)為4Al+3O2+6H2O====4Al(OH)3?？捎米鳠羲璧碾姵?。
(1)鋁板在該電池中作什么極?發(fā)生什么變化?提示:負(fù)極逐漸被消耗。根據(jù)電池反應(yīng)可知,鋁被氧化,發(fā)生氧化反應(yīng),是負(fù)極,電池工作時鋁板逐漸被消耗,轉(zhuǎn)化成氫氧化鋁。
(2)鉑電極作什么極?在該電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是什么?提示:根據(jù)電池反應(yīng)可知,正極發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)是氧氣,鉑電極作正極,本身不參與反應(yīng)。(3)在燈塔的使用過程中存在什么能量的轉(zhuǎn)化?提示:化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,電能轉(zhuǎn)化為光能。

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第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)與能量變化

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