第二节　化学能与电能
1.了解化学能与电能的转化关系。
2.初步了解化学电池的工作原理及应用。
3.了解研制新型电池的重要性。
4.会书写简单的电极反应式。
一、一次能源和二次能源
1.定义:一次能源是_____从自然界中取得的能源,一次能源经
加工、转换得到的能源是二次能源。
2.实例:
①风力,②原煤,③天然气,④石油,⑤电力,⑥流水,⑦蒸汽。其
中(填序号):
一次能源:___________________;二次能源:_______。
直接
①、②、③、④、⑥
⑤、⑦
二、化学能转化为电能
1.燃煤发电的能量转化：化学能 ___能 _____
能 电能
其中燃烧(氧化还原反应)是转化过程的关键。
燃烧
热
蒸汽
机械
发电机
2.原电池:
(1)实验探究:
无气泡
不反应
有气泡
反应
无气泡
有气
泡
偏转
化学能
电能
(2)原电池:
①定义:将_______转变为_____的装置。
②工作原理(以铜-锌-稀硫酸原电池为例):
化学能
电能
失电子
Zn-2e-====Zn2+
氧化反应
得电子
2H++2e-====H2↑
还原反应
Zn+2H+====Zn2++H2↑
③构成条件:
a.理论依据:能自发①进行的氧化还原反应都可设计成原电池;
b.材料组成
活泼性
三、发展中的化学电源
1.干电池——一次电池②:
(1)特点:属于_______电池,放电后不能再充电。
(2)实例——锌锰电池:
负极:___,正极:_______,电解质:_______。
一次性
锌
石墨棒
氯化铵
2.充电电池——二次电池:
(1)特点:在放电时进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。
(2)实例:
Pb
PbO2
H2SO4
Cd
KOH
Li
3.燃料电池:
(1)特点:_________和_____分别在两个电极上反应将化学能转
化为电能。
(2)实例——氢氧燃料电池:
负极:_____失电子,正极:_____得电子,电解质是氢氧化钾或硫
酸。
燃料气体
氧气
氢气
氧气
【思考辨析】
1.判断正误:
(1)HCl+NaOH====NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池。
( )
分析:该反应虽然是放热反应,但不是氧化还原反应,不能设计
成原电池。
(2)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中,电流表指针发生偏
转。( )
分析:酒精不是电解质,不能构成闭合回路。
×
×
(3)在铜-锌-稀硫酸原电池中,电子由锌通过导线流向铜,再由
铜通过电解质溶液到达锌。( )
分析:电子只能在两极和外电路中流动,不能进入溶液,在溶液
中是阴阳离子的定向移动。
(4)原电池中阳离子向正极移动。( )
分析:原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
(5)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子。( )
分析:有些电池中的电极材料不发生反应,只起导电作用,如燃
料电池,一般都是用惰性电极。
×
√
×
2.问题思考:
(1)原电池中作负极的一定是活泼金属,作正极的一定是不活泼金属吗?
分析:不一定。在原电池中的两极可以都是活泼金属(如Zn-Fe-稀硫酸,Zn作负极),也可以都是不活泼金属(如Cu-Ag-AgNO3,Cu作负极),也可以是一种金属和一种能导电的非金属(如Cu-C-AgNO3,Cu作负极)。
(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接,插入电解质溶液中
就能构成原电池吗?
分析:不一定。构成原电池除具备①两种活泼性不同的金属
②电解质溶液③形成闭合回路外,还必须有一个能自发进行的
氧化还原反应,如图由于Cu、Ag都不能与稀硫酸反应,故不能构
成原电池。
【知识链接】
①自发反应
在给定的条件下,无需外界帮助,一经引发即能自动进行的化学反应,称为自发反应。
②一次电池
一次电池即原电池(俗称干电池),是放电后不能再充电使其复原的电池,通常电池由正极、负极、电解液以及容器和隔膜等组成。例如锌锰电池、碱性锌锰电池等。
一、原电池的工作原理和正负极的判断
1.原电池的工作原理:
(1)反应类型:负极发生氧化反应,正极发生还原反应。
(2)电子的移动方向:负极流出,经导线流向正极。
(3)离子的移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
2.原电池正负极的判断:
【知识备选】电极反应式的书写
(1)一般电极反应式的书写:
(2)氢氧燃料电池:
①以氢氧化钾为电解质:
负极:2H2-4e-+4OH-====4H2O(氧化反应);
正极:O2+4e-+2H2O====4OH-(还原反应);
总反应式:2H2+O2====2H2O。
②以硫酸为电解质:
负极:2H2-4e-====4H+(氧化反应);
正极:O2+4H++4e-====2H2O(还原反应);
总反应式:2H2+O2====2H2O。
【学而后思】
(1)原电池内部阴、阳离子是如何移动的?原因是什么?
提示:阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。这是因为负极失电子,生成大量阳离子积聚在负极附近,致使该极附近有大量正电荷,所以溶液中的阴离子要移向负极;正极得电子,该极附近的阳离子因得电子生成电中性的物质而使该极附近阴离子数目相对增多,带负电荷,所以溶液中的阳离子要移向正极。
(2)在原电池中相对活泼的金属一定作负极,相对不活泼的金属一定作正极吗?
提示:不一定。判断电极时,不能简单地依据金属的活动性顺序来判断,要看反应的具体情况。例如:①Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,所以Mg、Al在NaOH溶液中形成原电池后,Al作负极,Mg作正极;
②Fe或Al在浓硝酸中钝化后,比Cu等金属更难失电子,所以Cu和Fe或Cu和Al在浓硝酸中形成原电池后,Cu作负极,Fe或Al作正极。
二、原电池原理的应用
1.加快氧化还原反应的速率:
(1)原理:原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,使溶液中离子运动时相互的干扰减小,使反应速率增大。
(2)实例:实验室用Zn和稀硫酸反应制取氢气时,可滴入几滴硫酸铜溶液,形成原电池,加快反应速率。
2.比较金属活泼性强弱:
(1)原理:一般原电池中,活泼金属作负极,发生氧化反应,不活泼金属作正极,发生还原反应。
(2)实例:有两种金属A和B,用导线连接后插入到稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生。由原电池原理可知,金属活动性A>B。
3.用于金属保护:
(1)原理:使被保护的金属作原电池的正极而得到保护。
(2)实例:要保护一个铁制的输水管道,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
4.设计原电池:
(1)首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应。
氧化反应:还原剂-ne- ====氧化产物;
还原反应:氧化剂+ne- ====还原产物;
正极反应式+负极反应式=电池的总反应式。
(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正负极材料及电解质溶液。
①电解质溶液的选择:电解质溶液一般要能够与负极发生反应或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。
②电极材料的选择:在原电池中,一般选择活泼性较强的金属作为负极,活泼性较弱的金属或能导电的惰性材料作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化,氧化性物质在正极上得到电子被还原。
(3)实例:
【学而后思】
(1)在大海中航行的轮船,钢制船壳上常镶嵌一定量的锌块,目的是什么?
提示:钢的成分是铁碳合金,轮船在大海中航行,钢铁与海水接触,形成铁碳原电池,能加速铁的腐蚀。由于锌比铁活泼,在船壳上镶嵌锌块后,形成铁—锌原电池,锌作负极被腐蚀,从而保护了轮船不被腐蚀。
(2)如何利用Fe+2FeCl3====3FeCl2设计原电池?
提示:该氧化还原反应可拆分为如下两个半反应:
氧化反应(负极反应):Fe-2e-====Fe2+。
还原反应(正极反应):2Fe3++2e-====2Fe2+。
故Fe作负极,活泼性比Fe差的材料作正极,如Cu、C等,FeCl3溶液作电解质溶液。如图:
类型 一 原电池原理 
【典例】如图所示,电流计指针发生偏转,同时A极质量减少,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、稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应
【解题指南】解答本题要注意以下3点:
(1)负极金属失去电子,溶解,质量减小;
(2)离子移动方向:阳正阴负;
(3)反应类型:负极氧化,正极还原。
【解析】选C。原电池中,负极金属失去电子,溶解,质量减小,故A极是负极,B极是正极,根据构成情况可判断A、B、C可能分别为Zn、Cu、稀盐酸,A、B两项正确;离子移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C项错误;负极发生氧化反应,正极发生还原反应,D项正确。
【变式训练】关于如图所示装置的叙述中正确的是(　　)
A.铜是正极
B.溶液中的Fe3+向铜棒移动
C.电子从铜片经导线流向碳棒
D.碳棒上有红色铜生成
【解析】选C。首先书写此电池中发生的化学反应方程式(电池反应式)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+,在此反应中铜失电子,作原电池负极,电子从铜片经导线流向碳棒,在碳棒上电子与溶液中的Fe3+结合生成Fe2+,所以碳棒作正极,溶液中的阳离子向正极移动,即溶液中的Fe3+向正极碳棒移动。
【变式备选】将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中,经过一段时间后,下列各项叙述正确的是(　　)
A.负极有Cl2逸出,正极有H2逸出
B.负极附近Cl-的浓度减小
C.正极附近Cl-的浓度逐渐增大
D.溶液中Cl-的浓度基本不变
【解析】选D。原电池的电极反应及电解质溶液的变化如下:
类型 二 原电池原理的应用 
【典例】(2012·大纲版全国卷)①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是(　　)
A.①③②④ B.①③④②
C.③④②① D.③①②④
【解题指南】解答本题要注意以下3点:
(1)作为原电池负极的金属的活泼性大于正极。
(2)电流的方向与电子的流向相反。
(3)负极质量减少,正极产生气泡。
【解析】选B。
故四种金属活动性大小顺序为①>③>④>②。
【互动探究】(1)四种金属离子的氧化性强弱顺序如何?
提示:金属单质的还原性越强,对应离子的氧化性越弱。四种金属单质的还原性①>③>④>②,阳离子的氧化性②>④>③>①。
(2)保证让金属③作负极,则作为正极的金属除④外,还可以为哪种金属?
提示:作为正极的金属活泼性比负极的活泼性弱,由题意可知,活泼性①>③>④>②,作为正极的金属除④外,还可以为金属②。
【变式训练】某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+====Zn2++Cu,该原电池正确的组成是(　　)
【解析】选C。将Zn+Cu2+====Zn2++Cu拆成两个半反应:
氧化反应(负极反应):Zn-2e-====Zn2+。
还原反应(正极反应):Cu2++2e-====Cu。
则电池的负极是Zn,正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属,电解质溶液中应含Cu2+,只有C选项符合。
【变式备选】部分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:__________________________________________
___________________________________________________;
负极反应:__________________________________________
___________________________________________________。
【解析】(1)该反应是FeCl3氧化金属铜,离子方程式为
2Fe3++Cu ====2Fe2++Cu2+。(2)将(1)中反应设计成原电池必须是Cu作负极,选择比铜不活泼的金属或碳棒作正极,FeCl3溶液作电解质溶液。正极反应:2Fe3++2e-====2Fe2+;负极反应:
Cu-2e- ====Cu2+。
答案:(1)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+

(2) Fe3++e-====Fe2+(或2Fe3++2e-====2Fe2+)

Cu-2e-====Cu2+
类型 三 化学电源 
【典例】据报道,锌电池可能取代目前广泛应用的铅蓄电池,因
为锌电池容量更大,而且没有铅污染。其电池反应为2Zn+O2
====2ZnO,原料为锌粒、电解质和空气,则下列叙述正确的是
(　　)
A.锌为正极,空气进入负极反应
B.负极反应为Zn-2e-====Zn2+
C.正极发生氧化反应
D.电解质溶液肯定是强酸
【解题指南】解答本题要注意以下两点：
(1)电源的负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
(2)Zn和ZnO都与酸反应。
【解析】选B。Zn与O2的反应中,Zn失去电子发生氧化反应
Zn-2e-====Zn2+,所以Zn作负极,O2在正极,发生还原反应。若电解质溶液是强酸,电池反应就不是2Zn+O2====2ZnO而是
Zn+2H+====Zn2++H2↑,故选项B正确。
【名师点评】讲解本题时应强调注意以下3点:
(1)从原电池原理出发分析正、负极反应。
(2)给学生强调书写电极反应式时,应该注意电解质的类型。
(3)讲述利用总方程式和一极的电极反应式得出另一极电极反应式的方法。
【方法规律】燃料电池的正极反应式的书写要求
燃料电池正极上的反应物质一般是O2。
(1)电解质溶液为中性或碱性,则H2O必须写入正极反应式中,且O2生成OH-,电极反应式为O2+2H2O+4e-====4OH-。
(2)电解质溶液为酸性,则H+必须写入正极反应式中,且O2生成H2O,电极反应式为O2+4H++4e-====2H2O。
【变式训练】一种燃料电池中发生的化学反应为在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是
(　　)
A.CH3OH+O2-2e-====H2O+CO2+2H+
B.O2+4H++4e-====2H2O
C.CH3OH+H2O-6e-====CO2+6H+
D.O2+2H2O+4e-====4OH-
【解析】选C。该燃料电池的总反应为①2CH3OH+3O2====
4H2O+2CO2,由于在酸性溶液中,正极反应应为②O2+4H++4e-====2H2O,①式-②式得负极反应为CH3OH+H2O-6e-====CO2+6H+。
【变式备选】人造地球卫星用到的一种高能电池——银锌蓄电池,其电池的电极反应式为Zn+2OH--2e-====ZnO+H2O,Ag2O+H2O+
2e-====2Ag+2OH-。据此判断氧化银是(　　)
A.负极,并被氧化 B.正极,并被还原
C.负极,并被还原 D.正极,并被氧化
【解析】选B。根据电极反应,活泼金属Zn作负极失电子被氧化,Ag2O作正极得电子被还原。
1.(2013·惠州高一检测)下列关于铜-锌-稀硫酸构成的原电池的有关叙述,错误的是(　　)
A.锌为负极,锌发生氧化反应
B.铜为正极,铜不易失去电子而受到保护
C.负极发生还原反应,正极发生氧化反应
D.外电路电子流入的一极为正极,电子流出的一极为负极
【解析】选C。在铜-锌-稀硫酸构成的原电池中,锌是负极,铜是正极,所以锌极发生氧化反应;铜电极上是溶液中的阳离子H+得电子,发生还原反应;外电路电子的流向应该是由负极流向正极。
2.(2013·温州高一检测)“储存”在物质内部的化学能可通过原电池转化为电能,如图所示是某同学设计的几种装置,其中能构成原电池的是(　　)

A.③⑤⑦ B.③④⑤ C.④⑤⑦ D.②⑤⑥
【解析】选A。本题考查原电池的构成条件及工作原理。具体情况分析如下:
3.(双选)下列叙述是某同学做完铜锌原电池的实验后得出的结论和认识,你认为正确的是(　　)
A.构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属
B.由铜、锌作为电极与硫酸铜溶液组成的原电池中,锌是负极
C.电子沿外导线由锌流向铜,通过硫酸溶液被氢离子得到而放出氢气
D.铜锌原电池工作时,若有13 g锌被溶解,电路中就有0.4 mol电子通过
【解析】选B、D。构成原电池电极的材料不一定都是金属,例如锌和石墨电极也能跟电解质溶液组成原电池,A错误;在原电池中,活泼金属中的电子流向不活泼的金属,因此活泼金属是负极,B正确;电子不能通过电解质溶液,应该是氢离子在铜极上得到由锌沿外导线转移过来的电子,C错误;铜锌原电池工作时,锌为负极失电子,电极反应为Zn-2e-====Zn2+,1 mol锌失去2 mol电子,0.2 mol锌(质量为13 g)被溶解,电路中有0.4 mol电子通过,D正确。
4.(2013·聊城高一检测)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和Y组成原电池时,Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为(　　)
A.X>Y>Z B.X>Z>Y
C.Y>X>Z D.Y>Z>X
【解析】选C。根据原电池原理,负极的金属比正极活泼,可知Y>X,根据金属活动性顺序和置换反应原理,可知X>Z,故有Y>X>Z。
5.由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应式是______________________
　 。
(2)装置乙中正极的电极反应式是______________________
　 。
(3)装置丙中溶液的酸性　 　　(填“增强”“减弱”或“不变”)。
(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是__________________。
【解析】甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活泼性A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活泼性B>C;丙中A上有气体即H2产生,则A为正极,活泼性D>A,随着H+的消耗,酸性减弱。
答案:(1)A-2e-====A2+
(2)Cu2++2e-====Cu
(3)减弱
(4)D>A>B>C
利用原电池原理比较金属活动性强弱
某化学兴趣小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性,提出了以下两种方案。
可供选择的用品:铁片、铜片、铝片、稀硫酸、氢氧化钠溶液、浓硝酸。
方案甲:将大小相等的铁片和铜片,分别同时放入稀硫酸中,观察产生气泡的快慢,据此确定它们的活动性。
方案乙:以Fe、Cu为电极,稀硫酸为电解质溶液组成原电池,确定它们的活动性。
(1)请用必要的文字和离子方程式表示方案甲的原理。
提示:铁可以和稀硫酸反应生成H2,而Cu在金属活动性顺序表中位于H后,不能置换出酸中的氢。铁与硫酸反应的离子方程式是Fe+2H+====Fe2++H2↑。
(2)请画出原电池装置图,标出原电池的电极材料和电解质溶液,
并写出电极反应式。
提示:方案乙利用了反应Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑设计,负极反
应:Fe-2e-====Fe2+,正极反应:2H++2e-====H2↑,装置如图
(3)在方案乙中,能否用浓硝酸代替稀硫酸?
提示:不能。Fe在常温下遇到浓硝酸发生钝化,而Cu能与浓硝酸反应,故Cu作负极,Fe作正极,无法正确验证Cu和Fe的活动性强弱。
(4)结合所学的知识,自行选择用品,再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案用离子方程式表示其反应原理。
提示:把一个洁净的铁片插入到CuSO4溶液中,观察铁片上有红色物质析出,发生的离子反应是Fe+Cu2+====Fe2++Cu。