第三节　生命的基础——蛋白质教学设计实例

第二节

化学能与电能

第1课时

化学能转化为电能

[学习目标定位]

1.熟悉能源的分类和化学能与电能的转化关系。2.知道原电池是利用氧化还原反应将化学能转化为电能的装置，通过实验会说明原电池的原理，会判断原电池的正极、负极，会正确书写电极反应式，熟知原电池的应用。

一

化学能与电能的转化

1．电能

使用电器时都需要电能。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。

2．火力发电

火电(火力发电)是通过化石燃料(如煤、石油、天然气)燃烧，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，然后带动发电机发电。

燃煤发电是从煤中的化学能开始的一系列能量转换过程，该过程可表示为

化学能――→热能――→机械能――→电能

其中，燃烧(氧化还原反应)是使化学能转换为电能的关键。

3．化学能与电能的直接转化

化学能可通过氧化还原反应直接转化成电能。

归纳总结

一次能源与二次能源对比

能源类别

一次能源

定义

直接从自然界中取得的能源

实例

太阳能、风能、地热能、潮汐能、煤、石油、天然气等

电能(水电、火电、核电)、蒸汽能、机械能等

燃烧蒸汽发电机二次能源

由一次能源经过加工、转化得到的能源

1．下列说法不正确的是(

) A．根据一次能源和二次能源的划分，氢气为二次能源

B．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

C．火力发电是化学能间接转化为电能的过程

D．水力发电是将化学能转化为电能的过程

答案

D 解析

水力发电是将水的机械能转化为电能的过程。

2．下列各项中，属于一次能源的是(

) ①煤

②石油

③天然气

④煤气

⑤电力

A．①②③

B．①②④

C．②③⑤

D．③④⑤

答案

A 解析

煤、石油、天然气等没有经过加工或转换而直接从自然界中取得，称为一次能源；煤气、电力、汽油、煤油、焦炭等，是在一次能源基础上经过加工转换而来的，称为二次能源。

二

原电池的工作原理

1．按要求完成下列实验，并填表：

实验步骤

锌片逐渐溶解，现象

表面有气泡；铜片表面无气泡

锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡，电流表指针发生偏转

锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流

两锌片逐渐溶解且表面都有气泡，电流表指针不偏转

锌与稀硫酸反应产生氢气，但导线中无电流

乙醇是非电解质，与Zn、Cu都不反应

无现象

锌与稀硫酸发生解释或说明

置换反应产生H2，而铜则不能

2.原电池

(1)原电池的概念是将化学能转化为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应。

(2)原电池的构成条件

理论上，自发的氧化还原反应均可构成原电池。

具体条件是：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溶液：两电极均插入电解质溶液中；

③导线：两极用导线相连，形成闭合回路。

(3)原电池的工作原理

①根据原电池反应原理，分析下图并填空

原电池总反应式：Zn＋2H===Zn2＋H2↑；

＋＋②能量转化过程：原电池在工作时，负极失去电子，电子通过导线流向正极，溶液中氧化性物质得到电子，发生还原反应，这样氧化反应和还原反应不断发生，负极不断地失电子，失去的电子不断地通过导线流向正极，被氧化性物质得到，闭合回路中不断有电子流产生，也就形成了电流，即化学能转变为电能。

(4)原电池工作原理的应用

①比较金属活动性

作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性弱；

②改变化学反应速率

如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率；

③设计原电池

如：把Fe＋2Fe3===3Fe2设计成原电池，可用Fe作负极，铜(或石墨)作正极，FeCl3溶液＋＋作电解质溶液；

④保护金属设备

如：船体是钢铁材料，在海水中易被腐蚀，在船体外壳焊接上比铁活泼的金属(如Zn)，则构成以Zn、Fe为电极的原电池，Zn被消耗掉而Fe得到保护。

归纳总结

3．如图装置中，明显有电流产生的是(

)

答案

C 解析

依据原电池的构成条件分析可知：A选项中酒精不是电解质溶液，不能构成原电池；B选项中的两电极材料与电解质溶液不能发生自发的氧化还原反应，因而也不能构成原电池；D选项中的装置没有构成闭合回路，不能构成原电池；只有C选项中的装置符合原电池的构成条件。

理解感悟

原电池的判定方法：一看反应原理(能否自发地进行氧化还原反应)；二看构成条件(两极一液成回路：两个活泼性不同的电极，插入电解质溶液中，装置形成闭合回路)。

4．由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。

装置

现象

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pH变化是________。

(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是_____________________________________________。

答案

(1)A－2e===A2

(2)Cu2＋2e===Cu －＋＋－

C的质量增加

A上有气体产生

二价金属A 不断溶解

(3)变大

(4)D>A>B>C 解析

据装置甲知活动性：A>B，A作负极，电极反应式为A－2e===A2；据装置乙知活－＋动性：B>C，正极反应式为Cu2＋2e===Cu；据装置丙知活动性：D>A，正极反应式为2H＋－＋＋2e===H2↑，故c(H)减小，pH增大。据甲、乙、丙知活动性强弱顺序：D>A>B>C。

－＋原电池是把化学能转化为电能的装置。其工作原理是

1．化学与能源开发、环境保护、资源利用等密切相关。下列说法正确的是(

) A．天然气、石油、流水、风力、氢气为一次能源

B．无论是风力发电还是火力发电，都是将化学能转化为电能

C．PM2.5含有的铅、镉、铬、钒、砷等对人体有害的元素均是金属元素

D．发展低碳经济、循环经济，推广可利用太阳能、风能的城市照明系统

答案

D 解析

A项，H2不是一次能源；B项，风力发电不是将化学能转化为电能；C项，砷不是金属元素。

2．现有M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2===N＋M2；②M、P 用导线连接放入＋＋硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋2e===E，N－2e===N2。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是(

) ＋－－＋A．P>M>N>E

C．P>N>M>E

答案

A B．E>N>M>P D．E>P>M>N 解析

由①知，金属还原性：M>N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属还原性：P>M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属还原性：N>E。

3．将纯锌片和纯铜片按图示方式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弱

D．产生气泡的速率甲比乙慢

答案

C 解析

因乙烧杯中锌片和铜片没有接触，没有构成闭合回路，故不能构成原电池，因此乙烧杯中铜片上没有气泡，只有锌片上有气泡。因甲烧杯中锌片和铜片用导线连接后构成原电池，加快了锌的溶解，铜片上产生气泡的速率比乙烧杯中锌片上产生气泡的速率快。又因两烧杯中的锌都能与稀硫酸反应产生氢气而消耗H，导致两烧杯中溶液的酸性均减弱。

＋

理解感悟

金属铜和锌插入稀硫酸中后，铜不反应，锌溶解并产生气泡。若用导线连接两金属或将两金属直接接触，就构成了原电池，现象也就发生了变化：铜表面产生大量气泡，比未构成原电池时锌表面的气泡产生速率要快。这一原理可用于实验室制氢气：在稀硫酸中滴加少量硫酸铜溶液，与锌粒混合后，锌置换出铜，覆盖在锌的表面，形成许多微小的铜锌原电池，使得产生氢气的速率大大加快。

4．在铜锌原电池中(如下图)，以硫酸铜为电解质溶液，锌为________极，电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应式为_____________________。

锌片上观察到的现象为_______________________________________________________；

铜为________极，电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应式是______________________________________________________；

铜片上观察到的现象是_________________________________________________________，

原电池总反应的离子方程式为__________________________________________。

答案

负

氧化

Zn－2e===Zn2

锌片溶解

正

还原

Cu2＋2e===Cu

铜极变粗

－＋＋－Zn＋Cu2===Zn2＋Cu ＋＋解析

CuSO4为电解质溶液时，铜锌原电池的负极为锌，电极反应式为Zn－2e===Zn2，－＋所以锌片不断溶解，正极为铜，电极反应式为Cu2＋2e===Cu，所以铜极不断变粗，电池＋－总反应式为Zn＋Cu2===Zn2＋Cu。

＋＋5．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，请写出电极反应式：

正极反应：_____________________________________________________；

负极反应：_______________________________________________________。

答案

(1)2Fe3＋Cu===2Fe2＋Cu2

＋＋＋(2)2Fe3＋2e===2Fe2

＋－＋Cu－2e===Cu2

－＋

40分钟课时作业

[经典基础题]

一、能源及其能量转换

1．下列关于能量转换的认识中不正确的是(

) A．白炽灯工作时，电能全部转化为光能

B．普通干电池工作时将化学能转变为电能

C．化学反应中的能量变化，通常主要表现为热量的变化

D．火电是通过化石燃料燃烧，使化学能经过一系列能量转化最终转变为电能

答案

A 解析

A项，白炽灯工作时，电能除转化为光能外，还转化为热能。

2．核聚变是人类未来获取能源的理想方式之一。人类从受控热核聚变反应中可得到无穷尽的清洁能源，相当于为自己制造了一个个小太阳。下列关于能量转换的认识中不正确的是(

) A．电解水生成氢气和氧气时，电能转化为化学能

B．绿色植物进行光合作用时，太阳能转化为化学能

C．煤燃烧时，化学能主要转化为热能

D．蜡烛燃烧时，化学能全部转化为光能

答案

D 二、原电池的形成与判定

3．一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2===Zn2＋Cu，该原电池的合理组成是＋＋(

)

A B C D 答案

C 解析

由总反应式知，Zn被氧化作原电池的负极，符合条件的有B、C两项，电解质溶液中Cu2＋2e===Cu，B选项中是2H＋2e===H2↑，故应选C。

＋－＋－正极

Zn Cu Cu Zn 负极

Cu Zn Zn Fe 电解质溶液

CuCl2

H2SO4

CuSO4

CuCl2

4．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是(

)

答案

D

5．如图是课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法错误的是(

)

A．铜片表面有气泡生成

B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换

C．如果将硫酸换成柠檬汁，导线中不会有电子流动

D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变

答案

C 解析

铜锌原电池中，Cu作正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，故Cu上有气泡生成，A正确；原电池中化学能转化为电能，LED灯发光时，电能转化为光能，B正确；柠檬汁显酸性也能作电解质溶液，将硫酸换成柠檬汁，仍然构成原电池，导线中会有电子流动，C错误；金属性Cu比Zn、Fe弱，Cu作正极，电路中的电流方向不变，仍然由Cu流向负极，D正确。

三、原电池正极和负极的判定

6.右图为铜锌原电池示意图，下列说法正确的是(

) A．锌片逐渐溶解

B．烧杯中溶液逐渐呈蓝色

C．电子由铜片通过导线流向锌片

D．Zn为正极，Cu为负极

答案

A 解析

在该原电池中，Zn作负极，Zn溶解并失e，在外电路中e由Zn→Cu，在Cu电极表面，H得e生成H2，故Cu并没有参加任何反应，故A选项正确，B、C选项错误；锌的活动性大于铜，锌为负极、Cu为正极，D选项错误。

7.如图所示，两电极一为碳棒，一为铁片，若电流表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则以下叙述正确的是(

) A．a为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸

B．b为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液

C．a为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸

D．b为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液

答案

C 解析

Fe、C形成的原电池中，负极铁失去电子，变成亚铁离子，由于a极上有大量气泡产生，所以反应为2H＋2e===H2↑，a为正极，是碳棒；b为负极，是铁片；电解质溶液为＋－＋－－－

硫酸。

8.如右图所示装置，电流表指针发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的(

) A．A是Zn，B是Cu，C为稀硫酸

B．A是Cu，B是Zn，C为稀硫酸

C．A是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3溶液

D．A是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3溶液

答案

D 解析

A极逐渐变粗，说明A极为原电池的正极，溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出；B极逐渐变细，说明B极为原电池的负极，失去电子后变成离子进入溶液中。A和B两项中的反应为Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，则A选项中A极变细，B选项中A极不变。C和D两项中的反应为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe(NO3)2，其中C选项中A极变细，D选项中A极变粗。

四、原电池的应用

9．在实验室制取氢气时，最好的方法是(

) A．纯锌与稀硫酸反应

B．纯锌与浓硫酸反应

C．纯锌与稀盐酸反应

D．粗锌(含铜、银)与稀硫酸反应

答案

D 解析

含有铜或银的锌与稀硫酸反应时，由于发生原电池反应，生成氢气的速率加快。

[能力提升题]

10.在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡(如右图所示)。小心地往烧杯中央滴入CuSO4溶液。

(1)片刻后可观察到的现象是(指悬吊的金属圈)____。

A．铁圈和银圈左右摇摆不定

B．保持平衡状态不变

C．铁圈向下倾斜

D．银圈向下倾斜

(2)产生上述现象的原因是___________________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)写出反应的化学方程式：_____________________________________________ ________________________________________________________________________。

答案

(1)D

(2)加入CuSO4溶液后，构成Fe－Ag原电池，铁溶解，质量减轻，Cu2在银圈＋

上得电子，生成Cu沉积在其上，质量增加

(3)Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu 解析

加入CuSO4溶液后，构成Fe－Ag原电池，Fe失电子作负极，质量减轻，Cu2在正＋极银圈上得电子，生成金属铜沉积在上面使其质量增加。

11．利用原电池原理可以探究金属的活动性。

(1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流计。锌片作________(填“正”或“负”)极，锌片上发生的电极反应式是_________________；

银片上发生的电极反应式是________________。

(2)若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47 g。此时产生标准状况下氢气的体积为________ L，通过导线的电子的物质的量为________ mol。

(3)为证明铁的金属活动性比铜强，某同学设计了如下一些方案。其中能证明铁的金属活动性比铜强的方案是________(填序号)。

方案

①将铁片置于CuSO4溶液中

②将铁丝和铜丝分别在氯气燃烧

③将铁片和铜片分别置于稀硫酸溶液中

④将铁片和铜片置于盛有稀硫酸的烧杯中，并用导线连接

答案

(1)负

Zn－2e===Zn2

2H＋2e===H2↑

－＋＋－现象或产物

铁片上有亮红色物质析出

产物分别为FeCl3和CuCl2

铁片上有气泡产生，铜片上无气泡产生

铁片溶解，铜片上有气泡产生

(2)4.48

0.4

(3)①③④

13 g解析

(2)溶解的n(Zn)＝－＝0.2 mol 65 g·mol1负极：

Zn

－

2e

===

Zn2

－＋

0.2 mol

0.4 mol 正极：

2H

＋

2e

===

H2↑

0.4 mol

0.4 mol 所以V(H2)＝4.48 L，

n(e)＝0.4 mol。

12．有A、B两位学生均想利用原电池反应验证金属的活动性顺序，并探究产物的有关性质，分别设计了如图所示的原电池，请完成下列问题：

－＋－

(1)①负极材料：

A池________，B池________；

②电极反应式：

A池：

正极：__________________，负极：__________________________________________，

B池：

正极：__________________，负极：_________________________________________。

(2)B池总反应的离子方程式为_______________________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)写出两池反应的化学方程式：_____________________________________________ ________________________________________________________________________。

答案

(1)①Mg

Al

②2H＋2e===H2↑

Mg－2e===Mg2

2H2O＋2e===2OH＋＋－－＋－－H2↑

Al＋4OH－3e===AlO2＋2H2O (2)2Al＋2OH＋2H2O===2AlO2＋3H2↑

(3)A池：Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑

B池：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑

13．某同学利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计了一个原电池。请填写下列空白：

(1)实验原理：Fe＋2H===Fe2＋H2↑

＋＋－－－－－(2)实验用品：电极(______、______)、稀硫酸、______、________、耳机(或者电流表)(填写所缺的实验用品)。

(3)实验装置如图。

(4)原电池设计及注意的问题：

①按如图所示装置连接好实验仪器，注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出，如果没有，可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意：接触的同时耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的)，这时可以听见耳机发生“嚓嚓嚓……”的声音。其原因

是在原电池中，由化学能转化为____________，在耳机中又由__________转化为声音这种能量；

②如果将装置中的耳机改为电流表，则铁钉应该接电流表的________极，电极反应式为________________________________________________________________________，

发生了__________反应；铜钉应该接电流表的________极，电极反应式为________________________________________________________________________，

发生了________________________________________________________________________ 反应。

答案

(2)铁钉或铁条

铜钉(其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确)

烧杯

导线

(4)①电能

电能

②负

Fe－2e===Fe2

氧化

正

－＋2H＋2e===H2↑

还原

解析

原电池是将化学能转变为电能的装置，活泼金属作负极，发生氧化反应，不活泼材料作正极，发生还原反应。电流表正极应接原电池正极，电流表负极应接原电池负极。

14．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，在常温下，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下。

编号

1 2 3 4 5

试根据上表中的实验现象回答下列问题：

(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)是否相同(填“是”或“否”)？____________。

(2)由实验3完成下列填空：

①铝为________极，电极反应式：_____________________________________________；

②石墨为________极，电极反应式：__________________________________；

③电池总反应式：_____________________________________________________。

(3)实验4中铝作负极还是正极________，理由是___________________________________ ________________________________________________________________________。

写出铝电极的电极反应式：_______________________________________________________。

(4)解释实验5中电流表指针偏向铝的原因：__________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

电极材料

Al、Mg Al、Cu Al、C(石墨) Al、Mg Al、Zn 电解质溶液

稀盐酸

稀盐酸

稀盐酸

氢氧化钠溶液

浓硝酸

电流表指针偏转方向

偏向Al 偏向Cu 偏向石墨

偏向Mg 偏向Al ＋－

(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素：______________。

答案

(1)否

(2)①负

2Al－6e===2Al3

②正

－＋6H＋6e===3H2↑

③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑

(3)负极

在NaOH溶液中，活动性Al＞Mg

Al－3e＋4OH===AlO2＋2H2O (4)Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中发生反应，被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Al是原电池的正极

(5)①另一个电极材料的活动性；②电解质溶液

解析

在这样的原电池中，相对较活泼的金属材料作负极。在稀盐酸中的活动性Mg＞Al、Al＞Cu。由实验1和2可知，原电池中电流表指针是偏向正极。在实验3中电流表指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极，化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋－－－＋－，盐酸中的H得到电子被还原为H2。在NaOH溶液中活动性Al＞Mg，则Al是负极，Mg＋是正极。Al在浓硝酸中发生钝化，Zn在浓硝酸中被氧化，即在浓硝酸中活动性Zn＞Al，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流表指针偏向铝。