2020-2021学年第五章 化工生产中的重要非金属元素第一节 硫及其化合物第2课时学案

第2课时　化学反应与电能

一、化学能转化为电能

1．火力发电

(1)火力发电原理：通过化石燃料燃烧时发生的氧化还原反应，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。间接实现了化学能转化为电能。

(2)能量转换过程：化学能热能机械能电能。其中能量转换的关键环节是燃烧(氧化还原反应)。

2．化学能直接转化为电能——原电池

(1)实验探究

⇒

⇒

(2)原电池

①定义：把化学能转化为电能的装置叫原电池。

②原理：负极：发生氧化反应，电子流出。

正极：发生还原反应，电子流入。

　在Zn—H2SO4—Cu形成的原电池中，H＋、SO如何移动？

提示：H＋向正极移动，SO向负极移动。

3．原电池的生活示例——水果电池

(1)水果电池中，水果的作用是提供电解质溶液。

(2)水果电池中，选择电极材料时应注意两电极不能相同，其中有一电极为活泼金属如Al、Fe等，另一电极可以是Cu片或石墨棒等。

二、常见的化学电源

1．锌锰干电池

(1)结构：锌锰干电池是以锌筒作负极，石墨棒作正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质溶液。

(2)原理：锌锰干电池属于一次性电池，放电之后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)。负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。

2．充电电池

(1)充电电池属于二次电池。有些充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是化学能电能。

(2)常见充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。

3．发展中的燃料电池

　生活中电动车、手机的电池属于一次电池还是二次电池？

提示：电动车、手机的电池都可以反复充电使用，都属于二次电池。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)火力发电是将化学能间接转化为电能的过程。 (　　)

(2)HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，可以设计成原电池。 (　　)

(3)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。 (　　)

(4)原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应。 (　　)

[答案]　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√

2．下列装置中，能构成原电池的是(　　)

甲　　　乙　　　丙　　　丁

 A．只有甲　　　　　　　 B．只有乙

C．只有丙     D．除乙均可以

[答案]　C

3．在“Fe—H2SO4—Cu”构成的原电池中，

负极材料是________，电极反应式为_______________________________

_______________________________________________________________；

正极材料是________，电极反应式为_______________________________

_______________________________________________________________；

该原电池的总离子方程式为______________________________________。

[答案]　Fe　Fe－2e－===Fe2＋　Cu　2H＋＋2e－===H2↑　Fe＋2H＋===H2↑＋Fe2＋

原电池的工作原理及电极反应式书写

1．用导线将电流表分别与锌片、铜片相连接，使锌片与铜片接触，观察电流表指针是否发生偏转？用石墨棒取代铜片进行上述实验呢？

提示：电流表指针均不发生偏转。

2．用导线将电流表分别与锌片、铜片相连接，然后将锌片、铜片插入稀硫酸溶液中，预测你可能观察到的现象是什么？用石墨棒取代铜片进行上述实验呢？

提示：锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡生成，电流表指针发生偏转。用石墨棒取代铜片进行上述实验，现象是锌片逐渐溶解，石墨棒表面有气泡生成，电流表指针发生偏转。

3．将第2题装置中的稀硫酸用乙醇溶液替换，电流表指针还会发生偏转吗？

提示：乙醇是非电解质，不导电，因此电流表指针不发生偏转。

4．第2题中锌片发生什么反应？是什么极？写出电极反应方程式。

提示：氧化反应，负极，Zn－2e－===Zn2＋

5．根据第1、2、3题可知，构成原电池的条件有哪些？

提示：(1)具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)；

(2)两电极均插入电解质溶液中；

(3)电解质溶液、电极、导线形成闭合回路。

(4)有一个能自发进行的氧化还原反应。

1．原电池的工作原理

(1)两反应：正极——还原反应；负极——氧化反应。

(2)三方向：

①电流方向：正极→负极；

②电子流动方向(导线中)：负极→正极；

③阴、阳离子移动方向(电解质溶液中)；

阳离子：负极→正极；

阴离子：正极→负极。

2．确定原电池正、负极应注意的问题

(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属，两极材料可以为导电的非金属，例如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。

(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。

(3)在判断原电池正、负极时，既要考虑金属的活泼性强弱也要考虑电解质溶液性质。如Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。对于Cu—Fe(或Al)—浓硝酸构成的原电池中，负极为Cu。

【典例】　有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病患者的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中有一定浓度的O2和H2O进行工作。请讨论解答：

(1)负极材料是________，电极反应为_______________________。

(2)正极材料是________，电极反应为_______________________。

[解析]　以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病患者的心脏起搏器的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血液中的O2得到电子被还原。正极的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；负极的反应为2Zn－4e－===2Zn2＋。

[答案]　(1)锌　2Zn－4e－===2Zn2＋　(2)铂　O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电极反应式书写的一般步骤

类似氧化还原反应方程式的书写

1．某小组为研究原电池原理，设计如图装置。下列叙述正确的是(　　)

A．a和b不连接时，铁片上会有H2产生

B．a和b用导线连接时，铁片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

C．a和b用导线连接时，电子由a流向b

D．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色

D　[A项，a和b不连接时，铁和Cu2＋发生置换反应而析出铜，没有氢气生成，错误；B项，a和b用导线连接时构成原电池，铁是负极，铁片上发生氧化反应：Fe－2e－===Fe2＋，错误；C项，Fe比铜活泼，形成原电池时Fe为负极，则电子由b流向a，错误；D项，无论a和b是否连接，铁片均会溶解，都生成亚铁离子，溶液由蓝色变为浅绿色，D正确。]

2．银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．Zn电极是负极，K＋向Ag2O电极迁移

B．Ag2O电极发生还原反应

C．Zn电极的电极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2

D．放电前后电解质溶液的pH保持不变

D　[根据电池总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag可知，Zn电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，K＋向正极迁移，A、C项正确；Ag2O电极为正极，发生还原反应，B项正确；由于放电过程中不断消耗水，故放电后电解质溶液的pH增大，D项错误。]

3．汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如图所示，放电时的电池反应如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

根据此反应判断下列叙述中正确的是(　　)

A．PbO2是电池的负极

B．Pb是负极，反应式为Pb－2e－＋SO===PbSO4

C．PbO2得电子，被氧化

D．电池放电时，溶液酸性增强

B　[根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，故B项正确；PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D项错误。]

原电池原理的应用

1．锌与H2SO4反应制H2时向溶液中加少量CuSO4后为什么反应速率加快？

提示：锌置换出铜构成原电池。

2．“A—稀硫酸—B”形成的原电池中，B为正极，则金属A、B的活泼性谁较强？

提示：A较强。

3．根据反应：Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4，设计简单原电池装置图(注明电极材料和电解质溶液)

提示：

原电池原理三个应用

1．加快反应速率：如实验室制H2用粗锌与酸反应。

2．比较金属的活泼性：原电池中一般负极金属比正极金属活泼。

3．设计原电池

(1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。

(2)选择合适的材料

①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料。

②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应。

4．过量铁与少量稀硫酸反应，为了加快反应速率，但是又不影响生成氢气的总量，可以采取的措施是(　　)

A．加入适量NaCl溶液

B．加入适量的水

C．加入几滴硫酸铜溶液

D．再加入少量同浓度的稀硫酸

C　[若加入NaCl溶液或水，会将稀硫酸稀释，c(H＋)减小，反应速率减慢；若加入几滴CuSO4溶液，则发生反应Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋，析出的Cu与Fe、稀硫酸形成原电池，反应速率加快且不影响生成H2的总量；若再加入少量同浓度的稀硫酸，因Fe过量，则生成H2的总量增大，且反应速率不会改变。]

5．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)

A．a>b>c>d　 B．b>c>d>a

C．d>a>b>c     D．a>b>d>c

C　[装置一是原电池，a极质量减小，说明a极金属易失电子形成离子，故a极金属比b极金属活泼；装置二没有形成原电池，由b极有气泡产生可知金属活动性顺序中b极金属位于氢的前面，c极金属位于氢的后面。装置三和四均形成原电池，根据电极质量变化及电流方向易知d极金属比c极金属活泼，d极金属比a极金属活泼。因此四种金属的活动性顺序为d＞a＞b＞c，C正确。]

6．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。

正极反应式：_________________________________________。

负极反应式：_________________________________________。

[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，正极材料选用比铜不活泼的铂或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。

[答案]　(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋

(2)装置图

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

Cu－2e－===Cu2＋

[素材一]　某同学用如图所示装置进行水果电池的实验，测得数据如表所示：

[素材二]　锂—空气电池的工作原理如图所示，总反应式为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。

1．根据素材一，回答下列问题：

(1)实验1、4的负极分别是什么？写出各自电极反应式。

(2)由实验得出2、5中电流方向相反，其原因是什么？

(3)分析数据可知，影响水果电池电压的因素有什么？

提示：(1)Zn、Al，Zn－2e－===Zn2＋、Al－3e－===Al3＋。

(2)实验2中Zn为负极，实验5中铝为负极。

(3)水果品种，电极材料。

2．根据素材二，回答下列问题：

(1)A、B分别为原电池的什么极？发生什么反应？写出电极反应式。

(2)电解液a可以是水溶液吗？为什么？

(3)电解液中的Li＋向什么极迁移？

(4)电解液b的pH如何变化？

提示：(1)A极为负极，发生氧化反应，4Li－4e－===4Li＋。

B极为正极，发生还原反应，O2＋4e－＋2H2O===4OH－

(2)不可以，因为Li与H2O反应。

(3)Li＋向B极迁移。

(4)pH增大。

通过素材一，让学生知道水果电池的原理，通过素材二，让学生认识新型电池的工作原理，进而培养学生“科学探究与模型认知”的核心素养。

1．某原电池的总反应离子方程式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，则该原电池的正确组成可以是下列的(　　)

C　[该原电池的负极必为锌，正极是比锌稳定的金属或导电的非金属，电解质溶液中含有Cu2＋，故选C。]

2．下列关于原电池的叙述中正确的是(　　)

A．正极和负极必须是两种不同的金属

B．电子流入的一极为正极

C．原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应

D．锌、铜和盐酸构成的原电池工作时，锌片上有6.5 g锌溶解，正极上就有0.1 g氢气生成

B　[原电池中电子从负极流出，从正极流入。它的正、负极可以是两种活泼性不同的金属，也可以是金属与非金属；原电池工作时负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应；当锌片上有6.5 g锌溶解时，正极上析出0.2 g氢气。]

3．将纯锌片和纯铜片按图示插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是(　　)

A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C．两烧杯中溶液的酸性均减小

D．产生气泡的速率甲比乙慢

C　[A项，甲是原电池，正极铜片上发生还原反应2H＋＋2e－===H2↑，乙装置中在锌片上发生反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，铜片上无气体产生，故A错误；B项，甲装置是原电池，铜片作正极，乙装置不是原电池，故B错误；C项，两烧杯中的氢离子发生反应，浓度减小，故C正确；D项，原电池加快反应速率，产生气泡的速率甲比乙快，故D错误。]

4．把A、B、C、D四块金属泡在稀硫酸中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若A、B相连时，A为负极；C、D相连时，D上有气泡逸出；A、C相连时，A极减轻；B、D相连时，B为正极。则四种金属的活泼性顺序由大到小排列为(　　)

A．A＞C＞D＞B B．A＞C＞B＞D

C．B＞D＞C＞A     D．A＞B＞C＞D

A　[A、B相连时，A为负极，则说明A与B相比较，A更加活泼；C、D相连时，D上有气泡逸出，则C为电源的负极，C比D活泼；A、C相连时，A极减轻，A参与了电极反应，被消耗，应是活泼金属；B、D相连时，B为正极，则D是活泼金属，作电源的负极。故金属的活泼性顺序有A＞C＞D＞B。]

5．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：

(1)放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应，则负极反应式为_____________________________________________，

正极反应式为_________________________________________。

(2)放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。

[解析]　根据高铁电池放电时的总反应式可知，Zn为负极，负极反应为3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2，由电池的总反应－负极反应＝正极反应可知，正极反应为2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，正极区生成OH－且消耗水，OH－浓度增大，故正极附近溶液的碱性增强。

[答案]　(1)还原　3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2

2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－

(2)正