化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（原卷版）

學(xué)而優(yōu)·教有方第05講化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過(guò)本單元內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要求同學(xué)們努力達(dá)到：1.能理解化學(xué)能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化；2.掌握原電池的原理?！菊n前引入】我們已經(jīng)知道，化學(xué)反應(yīng)伴有吸熱或放熱現(xiàn)象，這是化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)。除熱能以外，化學(xué)能還可以轉(zhuǎn)化為光能、機(jī)械能、電能等其他形式的能量。各種各樣的電池就是化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的最好體現(xiàn)。觀察下面的圖片，你能說(shuō)出他們的用處嗎？在現(xiàn)代生活中，化學(xué)電源發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。大到人造衛(wèi)星、飛機(jī)、新能源汽車，小到電腦、手機(jī)、電子手表,都離不開(kāi)化學(xué)電源。尤其是電子產(chǎn)品的日趨豐富,化學(xué)電源與人類生活的關(guān)系越來(lái)越密切。那么，化學(xué)電源是如何對(duì)外提供電能的呢？【基礎(chǔ)知識(shí)】一、【化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能】【實(shí)驗(yàn)】完成下列實(shí)驗(yàn)，將觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論填入下表。1.把一塊鋅片和一塊銅片分別插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2.把一塊鋅片和一塊銅片同時(shí)插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3.用導(dǎo)線把步驟2中的鋅片和銅片連起來(lái)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)論步驟1步驟2步驟3步驟4總結(jié)：總結(jié)：通過(guò)步驟4的實(shí)驗(yàn)可以看出，鋅片逐漸溶解，銅片表面有氣泡產(chǎn)生，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明這個(gè)裝置可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。反應(yīng)過(guò)程中的電流的形成過(guò)程：1.在鋅片(負(fù)極)上，鋅失去電子形成鋅離子（）進(jìn)入溶液：電子經(jīng)鋅電極流向?qū)Ь€。2.從鋅電極流出的電子經(jīng)導(dǎo)線通過(guò)電流計(jì)流入銅電極。3.在銅片(正極)上，流入銅電極的電子使溶液中的氫離子還原成氫氣：。4.銅電極附近溶液中的氫離子減少，電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子向銅電極附近發(fā)生定向遷移，使電極和溶液形成電流回路。上述化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的反應(yīng)可表示為：總結(jié)：總結(jié)：我們把將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池。在原電池中，兩個(gè)電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。還原劑在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子；電子通過(guò)導(dǎo)線由原電池的負(fù)極流向正極，氧化劑在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。原電池就是這樣通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的。二、【鋼鐵的電化學(xué)腐蝕原理及其應(yīng)用】鋼鐵在潮濕的空氣中很容易被腐蝕，因?yàn)樵诔睗竦目諝饫铮撹F表面吸附了一層薄薄的水膜，水膜里含有少量H、OH和氧氣等，從而形成一層電解質(zhì)溶液，它與鋼鐵里的鐵和少量碳形成了無(wú)數(shù)微小的原電池。在這些微小的原電池中，主要發(fā)生了下列反應(yīng)：負(fù)極（鐵）：正極（碳）：鐵失去電子被氧化，與結(jié)合成,進(jìn)一步被氧氣氧化為。在一定條件下發(fā)生脫水反應(yīng)，生成紅色的鐵銹（主要成分為）。不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸，發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子被氧化，這種腐蝕叫作電化學(xué)腐蝕。鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理在生活中應(yīng)用廣泛。舉個(gè)例子：生活中常用的取暖產(chǎn)品——暖貼，就是以此原理制成的。暖貼的內(nèi)部含有鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石、木粉的混合物。鐵粉、活性炭、食鹽一旦與空氣中的氧氣和水蒸氣接觸就會(huì)形成原電池，木粉能夠吸水并保持水分，蛭石能夠保溫。原電池的形成加快了鐵被氧氣氧化的速率，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多的熱，供人們?nèi)∨?。【知識(shí)拓展】原電池的結(jié)構(gòu)原電池的結(jié)構(gòu)1.活潑性不同的兩個(gè)電極:2.電解質(zhì)溶液，一般能與較活潑金屬自發(fā)的進(jìn)行氧化還原反應(yīng);3.形成閉合回路。原電池電子流向判斷及應(yīng)用原電池電子流向判斷及應(yīng)用原電池放電時(shí)，負(fù)極上的電子經(jīng)過(guò)導(dǎo)線流向正極，由電子移動(dòng)方向可判斷原電池的正負(fù)極以及相關(guān)電極反應(yīng)式。原電池電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)原電池電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)主要分為3步:1.找出原電池的正負(fù)極及相關(guān)反應(yīng)物；2.根據(jù)反應(yīng)物和生成物的相關(guān)元素化合價(jià)變化書(shū)寫(xiě)得失電子數(shù)；3.根據(jù)電荷守恒配平；注意:有些物質(zhì)反應(yīng)后，還存在后續(xù)反應(yīng)，要將后續(xù)反應(yīng)一并寫(xiě)入相關(guān)電極反應(yīng)式。原電池正負(fù)極判斷原電池正負(fù)極判斷1.根據(jù)電極反應(yīng)的類型:發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極為正極;2根據(jù)電子流向:失去電子的電極為負(fù)極，得到電子的電極為正極;3根據(jù)電極材料的活潑性判斷:一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)活潑的金屬電極為負(fù)極，相對(duì)不活潑的金屬電極為正極4.根據(jù)電極材料的質(zhì)量變化:質(zhì)量減少的電極為負(fù)極;5根據(jù)電解質(zhì)溶液的pH變化:電解質(zhì)溶液pH增大的為正極，電解質(zhì)溶液pH減小的為負(fù)極;6根據(jù)電解質(zhì)溶液或鹽橋中電荷移動(dòng)方向:陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng):7根據(jù)外電路電流流向:電流由正極流向負(fù)極:8根據(jù)反應(yīng)物或生成物判斷:一般來(lái)說(shuō)，通入氧氣作反應(yīng)物的一極為正極，有還原性氣體(通常為H)生成的一極為正極。原電池有關(guān)計(jì)算原電池有關(guān)計(jì)算原電池常見(jiàn)的計(jì)算:兩極產(chǎn)物的定量計(jì)算、溶液pH的計(jì)算、根據(jù)電量求產(chǎn)物的量與根據(jù)產(chǎn)物的量求電量等，無(wú)論哪類計(jì)算，均可概括為下列三種:(1)根據(jù)電子守恒法計(jì)算:用于正負(fù)兩極產(chǎn)物，相同電量等類型的計(jì)算，其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等；(2)根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算:先寫(xiě)出電極反應(yīng)式，再寫(xiě)出總反應(yīng)式，最后根據(jù)總反應(yīng)式列比例式計(jì)算；(3)根據(jù)關(guān)系式計(jì)算:根據(jù)得失電子守恒建立已知量與未知量之間的橋梁，列出計(jì)算所需的關(guān)系式?！究键c(diǎn)剖析】考點(diǎn)一：燃燒發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程例1．我國(guó)空間站天宮號(hào)所采用的光伏系統(tǒng)，光電效率達(dá)到30%。利用再生生保技術(shù)，能將空間站內(nèi)的水蒸氣收集、處理成可飲用水，并轉(zhuǎn)化為再生氧，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)使用?？臻g站以水為介質(zhì)將不同形式的能量相互轉(zhuǎn)換，原理如圖所示。裝置X為電解水裝置，裝置Y為燃料電池電池。下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是A．X工作時(shí)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能 B．太陽(yáng)能電池工作時(shí)，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔蹸．馬達(dá)工作時(shí)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 D．Y工作時(shí)，氫氣通入該裝置的正極考點(diǎn)二：原電池原理例2．、兩根金屬棒插入溶液中構(gòu)成如圖所示裝置，實(shí)驗(yàn)中電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)棒變粗，棒變細(xì)，則、、溶液可能是下列中的編號(hào)溶液A稀硫酸B硝酸銀溶液C硫酸銅溶液D稀硫酸【課堂小練】1．下列說(shuō)法正確的是A．任何反應(yīng)中的能量變化都表現(xiàn)為熱量變化B．有能量變化的都是化學(xué)變化C．二次電池又叫蓄電池，它放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生D．燃料電池的活性物質(zhì)大量?jī)?chǔ)存在電池內(nèi)部2．“鹽水動(dòng)力”玩具車的電池以鎂片、活性炭為電極，向極板上滴加食鹽水后電池便可工作，電池反應(yīng)為2Mg+O2+2H2O=2Mg(OH)2。下列關(guān)于該電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．鎂片作為正極B．食鹽水作為電解質(zhì)溶液C．電池工作時(shí)鎂片逐漸被消耗D．電池工作時(shí)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化3．已知：電流效率等于電路中通過(guò)的電子數(shù)與消耗負(fù)極材料失去的電子總數(shù)之比?，F(xiàn)有兩個(gè)電池Ⅰ、Ⅱ，裝置如圖所示。(陰離子交換膜只允許陰離子可以“通過(guò)”)下列說(shuō)法正確的是A．Ⅰ和Ⅱ的電池反應(yīng)不相同B．能量轉(zhuǎn)化形式不同C．Ⅰ的電流效率低于Ⅱ的電流效率D．5min后，Ⅰ、Ⅱ中都只含1種溶質(zhì)4．鋅一銅西紅柿電池裝置示意圖如圖所示，下列說(shuō)法不正確的是A．銅片為正極，發(fā)生還原反應(yīng) B．鋅片上發(fā)生氧化反應(yīng)：Zn-2e-=Zn2+C．可將西紅柿替換成盛裝酒精的裝置 D．電子由鋅片沿導(dǎo)線流向銅極5．微型紐扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用。一種銀鋅紐扣電池的電極分別為Ag2O和Zn，電解質(zhì)溶液為KOH，電極反應(yīng)為Zn+2OH—2e-=ZnO+H2O和Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．在使用過(guò)程中，電池負(fù)極區(qū)溶液的堿性減弱B．使用過(guò)程中，電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極C．電池總反應(yīng)為Ag2O+Zn=2Ag+ZnOD．Zn是負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，Ag2O是正極發(fā)生氧化反應(yīng)6．下列各組材料中，不能組成原電池的是A．Zn片、石墨、H2SO4溶液 B．Cu片、Ag片、AgNO3溶液C．Fe片、Cu片、稀鹽酸 D．Zn片、Cu片、蔗糖溶液7．將足量且等量的形狀相同的鋅塊分別加入到等濃度等體積的兩份稀硫酸X、Y中，同時(shí)向X中加入少量飽和CuSO4溶液，發(fā)生反應(yīng)生成氫氣的體積(V)與時(shí)間(t)的關(guān)系如圖所示，反應(yīng)速率變快的原因是A．CuSO4作催化劑B．加入硫酸銅溶液增大了c(SO)C．加入硫酸銅溶液增大了溶液體積D．Zn首先與Cu2+反應(yīng)，生成的Cu與Zn、稀硫酸構(gòu)成原電池8．下列關(guān)于原電池的敘述中，不正確的是A．原電池的負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是氧化反應(yīng)B．原電池的正極上發(fā)生的反應(yīng)是還原反應(yīng)C．原電池電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子移向負(fù)極，陰離子移向正極D．原電池中電子流入的極是正極9．下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述不正確的是A．把銅片和鐵片緊靠在一起浸入稀硫酸中，銅片表面出現(xiàn)氣泡B．把銅片插入三氯化鐵溶液中，在銅片表面出現(xiàn)一層鐵C．馬口鐵(鍍錫鐵)破損時(shí)與電解質(zhì)溶液接觸，鐵先被腐蝕D．把鋅粒放入盛有鹽酸的試管中，加入幾滴氯化銅溶液，氣泡放出速率加快10．已知某鋰電池的總反應(yīng)為4Li+2SOCl2=4LiCl+S+SO2↑，下列說(shuō)法中正確的是A．Li電極作電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)B．Li電極作電池的負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)C．工作時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向正極D．電池工作時(shí)每生成22.4LSO2，轉(zhuǎn)移4mol電子【過(guò)關(guān)檢測(cè)】1．將純鋅片和純銅片按圖示方式插入同濃度的稀硫酸中一段時(shí)間，以下敘述正確的是A．兩燒杯中銅片表面均無(wú)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c(H＋)均減小 D．產(chǎn)生氣泡的速率甲比乙慢2．鋰—空氣電池放電時(shí)的工作原理如圖所示。下列敘述正確的是A．放電時(shí)，由B極向A極移動(dòng)B．電池放電時(shí)反應(yīng)方程式為C．B電極反應(yīng)中每轉(zhuǎn)移2mol電子，消耗11.2L的O2D．電解液a可以是飽和食鹽水3．由U形管、質(zhì)量為的鐵棒、質(zhì)量為的碳棒和溶液組成的裝置如圖所示，下列說(shuō)法正確的是A．閉合K，電子通過(guò)電解質(zhì)溶液移到碳棒上B．閉合K，鐵棒上有紫紅色固體析出C．閉合K，當(dāng)電路中有個(gè)電子通過(guò)時(shí)，理論上碳棒與鐵棒的質(zhì)量差為D．閉合K，鐵棒表面發(fā)生的電極反應(yīng)為4．奧特曼是男孩子們心目中的偶像和大英雄，據(jù)悉大多數(shù)奧特曼玩具都裝有堿性電池。堿性電池具有容量大，放電電流大的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為：Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)=Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)。下列說(shuō)法正確的是A．電池工作時(shí)，負(fù)極區(qū)PH增大B．電池正極的電極反應(yīng)式為：2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e-=Mn2O3(s)＋2OH-(aq)C．電池工作時(shí)，電子由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極D．外電路中每通過(guò)0.1mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減小6.5g5．利用微生物燃料電池原理，可以處理宇航員排出的糞便，同時(shí)得到電能。設(shè)計(jì)的方案是：用微生物中的芽孢桿菌來(lái)處理糞便產(chǎn)生氨氣，氨氣與氧氣分別通入燃料電池兩極，如圖。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．a(chǎn)電極是負(fù)極，b電極是正極B．負(fù)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)是2NH3-6e-=N2+6H+C．正極區(qū)，每消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24LO2，a向b電極轉(zhuǎn)移0.4mol電子D．負(fù)極區(qū)，每消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下2.24LNH3，a向b電極轉(zhuǎn)移0.6mol電子6．“碳呼吸”電池原理如圖所示，電解質(zhì)溶液為含的鹽溶液，電池總反應(yīng)為，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是A．Al作正極 B．內(nèi)電路中向負(fù)極遷移C．該裝置將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能 D．每生成，需要消耗的7．電化學(xué)在生產(chǎn)生活中都具有重要的作用和意義。（1）研究人員最近發(fā)明了一種“水”電池，這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量的差別進(jìn)行發(fā)電，在海水中電池反應(yīng)可表示為：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl①該電池的負(fù)極反應(yīng)式為_(kāi)__________；②在電池中，Na+不斷移動(dòng)到“水”電池的___________極(填“正”或“負(fù)”)；③外電路每通過(guò)4mol電子時(shí)，生成Na2Mn5O10的物質(zhì)的量是___________；（2）中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所在二甲醚(CH3OCH3)燃料電池技術(shù)方面獲得新突破。二甲醚燃料電池的工作原理如圖所示。①該電池工作時(shí)，b口通入的物質(zhì)為_(kāi)__________；②該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)__________；③工作一段時(shí)間后，當(dāng)9.2g二甲醚完全反應(yīng)生成CO2時(shí)，有___________個(gè)電子轉(zhuǎn)移。8．反應(yīng)Sn+H2SO4=SnSO4+H2↑的能量變化趨勢(shì)，如圖所示：（1）該反應(yīng)為_(kāi)_反應(yīng)(填“吸熱”或“放熱”)。（2）若要使該反應(yīng)的反應(yīng)速率加快，下列措施可行的是__(填字母)。A．改錫片為錫粉 B．加入少量醋酸鈉固體C．滴加少量CuSO4 D．將稀硫酸改為98%的濃硫酸（3）若將上述反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池，石墨棒為原電池某一極材料，則石墨棒為_(kāi)_極(填