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第一節 化學反應與能量變化
化學能與電能 原電池原理的應用（第三課時）
1．加快氧化還原反應的速率
(1)原理：原電池中，氧化反應和還原反應分別在兩極進行，使溶液中離子運動時相互的干擾減小，使反應速率增大。
(2)實例：如實驗室用Zn和稀H2SO4(或稀HCl)反應制H2，用粗Zn產生H2的速率快。原因是粗鋅中的雜質和鋅、稀H2SO4溶液形成原電池，加快了鋅的腐蝕，產生H2的速率加快。如果用純Zn，可以在稀H2SO4溶液中加入少量CuSO4溶液，也同樣會加快產生H2的速率，原因是Cu2＋＋Zn===Cu＋Zn2＋，Zn和生成的Cu在稀H2SO4的溶液中形成原電池，加快了鋅的腐蝕，產生H2速率加快。
三、原電池原理的應用
1.將等質量的兩份鋅粉a、b分別放入兩支相同的試管中，然后加入等體積等物質的量濃度且均過量的稀硫酸，同時向a中加入少量CuSO4溶液，則產生氫氣的體積(V)與時間(t)的關系用圖像表示如下，其中正確的是(　　)
D
解析　等質量的兩份鋅粉中，加入等體積等物質的量濃度且均過量的稀硫酸，同時向a中加入少量CuSO4溶液，則a中發生的反應有Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，b中只發生反應Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。由于a中置換出來的Cu與Zn在稀硫酸中構成原電池，所以a中的反應速率比b中的反應速率大，即反應完成所需的時間短，但Cu2＋消耗了少量的Zn，a中產生的H2比b中產生的H2少。綜上分析，D項正確。
2.100 mL 2 mol·L－1的鹽酸與過量的鋅反應，為加快速率，又不影響產生氫氣的總量，可采用的方法是(　　)
A．加入適量的6 mol·L－1的鹽酸 B．加入數滴氯化銅溶液
C．加入適量的蒸餾水 D．加入適量的氯化鈉
解析　A項能加快反應速率，但生成氫氣的總量會增加；C、D兩項不影響H2的量，但稀釋了鹽酸，降低了反應速率；B項發生反應Cu2＋＋Zn===Zn2＋＋Cu，形成Cu—Zn原電池，加快了反應速率且生成氫氣的總量不變。
B
A．兩圈仍保持平衡 B．有氣泡產生，兩圈搖擺不定
C．鐵圈向下傾斜 D．銀圈向下傾斜
3．如圖所示，燒杯中盛的是水，鐵圈和銀圈直接相連，在接頭處用一根絕緣細絲吊住，并使之平衡。小心地從燒杯中央滴入CuSO4溶液，反應一段時間后，觀察到的現象是(　　)
D
解析　首先鐵圈可以與CuSO4發生氧化還原反應：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu，其次是鐵圈和銀圈直接相連，電子可順利傳遞，故該裝置構成了原電池。負極反應式為Fe－2e－===Fe2＋，正極反應式為Cu2＋＋2e－===Cu。由于鐵溶解，鐵圈質量減輕，生成的銅附著在銀圈上，銀圈質量增加。
2．判斷金屬的活動性強弱
(1)原理：一般原電池中，活潑金屬作負極，發生氧化反應，不活潑金屬作正極，發生還原反應。
(2)實例：有兩種金屬a和b，用導線連接后插入到稀H2SO4中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產生，根據電極現象判斷出a是負極，b是正極，由原電池原理可知，金屬活動性a>b，即原電池中，活動性強的金屬為負極，活動性弱的金屬為正極。
C
因為X置換出Z,所以金屬性Ｘ＞Ｚ
負極的金屬較活潑,所以Ｙ＞Ｘ
2、把a、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時，a為負極；c、d相連時，電流由d到c；a、c相連時，c極上產生大量氣泡，b、d相連時，b上有大量氣泡產生，則四種金屬的活動性順序由強到弱的為：
( )
A．a > b > c > d B．a > c > d > b
C．c > a > b .> d D．b > d > c > a
B
3.已知四種金屬A、B、C、D，根據下列事實：①A＋B2＋===A2＋＋B；②D＋2H2O===D(OH)2＋H2↑；③以B、C為電極與C的鹽溶液組成原電池，電極反應為C2＋＋2e－===C，B－2e－===B2＋，由此可知A2＋、B2＋、D2＋、C2＋的氧化性強弱關系是(　　)
A．D2＋>A2＋>B2＋>C2＋ B．A2＋>B2＋>D2＋>C2＋
C．D2＋>C2＋>A2＋>B2＋ D．C2＋>B2＋>A2＋>D2＋
解析　由①知，A比B活潑；由②知，D的活潑性較強，能置換出H2O中的氫，故D的活潑性大于A；由③知，B作負極，活潑性大于C，則金屬的活動性順序是D>A>B>C，而金屬單質的還原性越弱，其陽離子的氧化性越強，故D正確。
D
3、保護金屬設備
(1)原理：使被保護的金屬作原電池的正極而得到保護。
(2)實例：船體是鋼鐵材料，在海水中易被腐蝕，所以經常在船體外殼焊接比鐵活潑的鋅。
4、設計原電池
已知一個氧化還原反應，分析找出氧化劑、還原劑，一般還原劑為負極材料(或在負極上被氧化)，氧化劑(電解質溶液中的陽離子)在正極上被還原。
以Fe+CuSO4====FeSO4+Cu為例
步驟 實例
將反應拆分
為電極反應 負極反應 Fe-2e-====Fe2+
正極反應 Cu2++2e-====Cu
步驟 實例
選擇電極
材料 負極:較活潑金屬,一般為發生氧化反應的金屬 Fe
正極:活潑性弱于負極材料的金屬或石墨 Cu或C
選擇電解質 一般為與負極反應的電解質 CuSO4溶液
步驟 實例
畫出裝置圖
特別提示：在設計原電池時，若給出的是離子反應方程式，如：Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋，此時電解質不確定為具體的物質，只要是可溶性銅鹽即可，如CuCl2、CuSO4等。同時畫出原電池裝置圖時，必須符合原電池組成的三大要素。
原電池的設計方法
(1)找：找一個能夠自發進行的氧化還原反應，只有自發進行的氧化還原反應才能被設計成原電池。
(2)拆：將氧化還原反應拆分為氧化反應和還原反應兩個半反應，分別作為負極和正極的電極反應，還原劑－ne－===氧化產物(負極電極反應)；氧化劑＋ne－===還原產物(正極電極反應)。
(3)定：根據氧化還原反應中的還原劑和氧化劑確定原電池的負極和電解質溶液，正極一般選擇比負極活潑性差的金屬或能導電的非金屬。
(4)畫：連接電路形成閉合回路，畫出原電池示意圖。
規律方法
“設計原電池”思維流程如下:
【誤區警示】設計原電池裝置的兩個易錯點
(1)能設計成原電池的反應一般是自發的放熱的氧化還原反應,吸熱反應不可能將化學能轉化為電能。
(2)設計原電池時,負極材料確定之后,正極材料的選擇范圍較廣,只要合理都可以。
2.下列四個化學反應中，理論上不可設計成原電池的是(　　)
A．2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
B．2H2＋O2點燃=====2H2O
C．Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4
D．Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑
D
解析　A、B、C三項都是氧化還原反應，都可以設計成原電池，D項不是氧化還原反應，不能設計成原電池。
1.某原電池的電池反應為Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，與此電池反應不符合的原電池是(　　)
①銅片、鐵片、FeCl3溶液組成的原電池
②石墨、鐵片、Fe(NO3)3溶液組成的原電池
③鐵片、鋅片、Fe2(SO4)3溶液組成的原電池
④銀片、鐵片、Fe(NO3)2溶液組成的原電池
A．①② B．②③ C．③④ D．②④
解析　根據電池反應Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋可知，Fe為負極，比Fe不活潑的金屬或導電非金屬作正極，含Fe3＋的溶液為電解質溶液。③④不符合。
C
2.某小組為研究電化學原理，設計如圖裝置。下列敘述不正確的是(　　)
A．a和b不連接時，鐵片上會有金屬銅析出
B．a和b用導線連接時，銅片上發生的反應為Cu2＋＋2e－===Cu
C．無論a和b是否連接，鐵片均會溶解
D．a和b用導線連接后，Fe片上發生還原反應，溶液中的Cu2＋向銅電極移動
D
解析　鐵的活潑性強于銅，故鐵能置換出銅且附著在鐵棒上，A正確；a和b用導線連接后，構成原電池，其中Fe作負極，發生氧化反應，銅作正極，電極反應式為Cu2＋＋2e－===Cu，B正確、D錯誤；無論a和b是否連接，鐵都被氧化生成Fe2＋，C正確。
(1)該電池的負極材料是　　　　　,正極材料是　　　　　　,電解質溶液是　　　　　。
(2)在外電路中,電流方向是從　　　極到　　　　極。
(3)正極反應的產物為　　　　,正極上出現的現象是　　　　　　　　;
負極反應的產物為　　　　,負極上出現的現象是　　　　　　　。
解析:反應Cu+2Ag+ 2Ag+Cu2+中Cu被氧化,Ag+被還原,所以需用Cu棒作負極,正極材料可選用活潑性比Cu弱的金屬,如Ag等,正極也可選用石墨電極;電解質溶液為AgNO3溶液。電流從正極流向負極,正極發生還原反應,產物為Ag,電極變粗;負極發生氧化反應,產物為Cu2+,負極Cu棒溶解。
答案:(1)Cu　石墨(或Ag)　AgNO3溶液
(2)正　負　(3)Ag　電極變粗　Cu2+　Cu棒溶解
7月1日是中國共產黨的生日,從2019年起,每年的7月1日還多了一重含義:國際航標協會第13屆全會確定,自2019年起將每年的7月1日設立為“世界航標日”,讓更多人了解航標在保障船舶安全航行中起到的重要作用。
2019年世界航標日的主題是海上航標——成功的航行,可持續發展的地球。青島慶祝首個“世界航標日”,首次面向全國啟動燈塔開放季。我國首創的海洋電池以鋁板、鉑網作電極,海水為電解質溶液,電池總反應為4Al+3O2+6H2O====4Al(OH)3。可用作燈塔所需的電池。
(1)鋁板在該電池中作什么極 發生什么變化
提示:負極逐漸被消耗。根據電池反應可知,鋁被氧化,發生氧化反應,是負極,電池工作時鋁板逐漸被消耗,轉化成氫氧化鋁。
(2)鉑電極作什么極 在該電極上發生反應的物質是什么
提示:根據電池反應可知,正極發生還原反應的物質是氧氣,鉑電極作正極,本身不參與反應。
(3)在燈塔的使用過程中存在什么能量的轉化
提示:化學能轉化為電能,電能轉化為光能。

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