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2019-2020 年高中化學 金屬的冶煉原電池的原理及其應用知識精講 人教 版第二冊 【本講教育信息】 一. 教學內容： 金屬的冶煉、原電池的原理及其應用 二. 重點、難點： 1. 了解金屬冶煉的一般原理及步驟 2. 記住金屬冶煉的三種方法，即熱分解法、熱還原法和電解法 3. 常識性介紹金屬回收與環(huán)境資源保護的意義 4. 使學生理解原電池原理 5. 常識性介紹日常生活中常用的化學電源和新型化學電池 6. 使學生了解金屬的電化學腐蝕 三. 知識分析： （一）金屬元素在自然界中的存在形式 化學性質不活潑的金屬，在自然界中能以游離態(tài)的形式存在，如金、鉑； 化學性質比較活潑的金屬，在自然界以化合態(tài)的形式存在，如鋁在自然界以鋁土礦的 形式存在。 自然界中化合態(tài)的金屬元素多、游離態(tài)的金屬元素少。 自然界中的金屬元素種類約占全部元素種類的 80%，礦物中、動植物體中、水中都含 有金屬元素。在地殼中含量較多的前兩位金屬元素為鋁、鐵。 （二）金屬的冶煉 1. 金屬冶煉的手段 回憶總結冶煉金屬時的還原手段有哪些？各舉一例說明。 （1）加熱法 適用于一些很不活潑的金屬。它們位于金屬活動順序表中氫元素以后。 練習：寫出氧化汞、氧化銀受熱分解的化學方程式。 （2）還原劑法 大部分金屬的冶煉都是在高溫時使用還原法，采用適當的還原劑（焦炭、CO、H 2、活 潑金屬等）將金屬元素從化合物中還原出來。金屬活動性順序表的中間的多數金屬適用此 法。 ① 用 C 或 CO 作還原劑：Fe 、Cu ② 用 H2 作還原劑：工業(yè)上制取不含碳的金屬或某些稀有金屬。W ③ 用活潑金屬做還原劑：稀有貴金屬的化合物有些非常穩(wěn)定，可采用活潑金屬做還原 劑的方法使其還原，得到高熔點的金屬。Cr、V 、 （3）電解法 對活潑金屬如 K、Na 、Ca、 Mg、Al 使用最強有力的還原手段。 電解法包括電解熔融鹽或氧化物及金屬鹽的水溶液。前者適用于冶煉極活潑的金屬， 它們位于金屬活動順序表中鋁以前的金屬（包括鋁） 。對于較不活潑的金屬，可用電解其鹽 溶液的方法來獲得金屬。 以上方法歸納為： 2. 金屬冶煉的實質 金屬冶煉就是把化合態(tài)的金屬元素轉變?yōu)榻饘賳钨|。而化合態(tài)金屬大多呈陽離子狀態(tài)， 所以冶煉金屬的實質就是：使金屬陽離子獲得電子，還原為金屬原子的過程。 示意為： （三）原電池原理 1. 概念：原電池是把化學能轉變?yōu)殡娔艿囊环N裝置。 Cu－Zn 原電池 2. Cu－Zn 原電池原理： 鋅活潑失去電子被氧化，銅板上帶電子而顯負電，溶液中離子在銅板上獲得電子被還 原成氫氣。 電子流：負極正極 電流：正極負極正極 負極：電子流出的極，通常是活潑性較強的金屬，電極本身被氧化。 Zn－＝Zn 2+ 正極：電子流入的極，通常是活潑性較弱的金屬或非金屬導體，電極上發(fā)生還原反應 2H + ＋＝H 2↑ 3. 構成原電池的條件： （1）有兩種活潑性不同的金屬（或其中一種為非金屬導體）作電極； （2）電極均需插入電解質溶液； （3）兩極相互接觸或用導線連接。 銅、鋅、硫酸電池是在 1789 年由意大利物理學家伏特所發(fā)明，為了紀念這一功勛，稱 這種電池為伏打電池。至今人們已利用伏打電池原理制出多種新型電池。 （四）化學電源 人們應用原電池原理，制作了多種電池，如干電池、蓄電池、充電電池、高能電池等。 在現代生活、生產和科學技術的發(fā)展中，電池發(fā)揮著越來越重要的作用。當今的電池工業(yè) 已能制造出各種各樣的實用電池，廣泛應用于日常生活、生產和科學技術等方面。 1. 實用電池的特點 ① 能產生穩(wěn)定而具有較高電壓的電流； ② 安全、耐用且便于攜帶； ③ 能夠適用于特殊用途； ④ 便于回收處理，不污染環(huán)境或對環(huán)境產生影響較小。 2. 幾種常見的電池 ① 干電池 普通干電池一般是鋅——錳干電池。隨著用電器具朝著小型化、高性能化發(fā)展的要求 體積小、性能更好的堿性鋅——錳電池應運而生。這類電池的重要特征是電解液由原來的 中性變?yōu)殡x子導電性更好的堿性，負極也由鋅片改為鋅粉，反應面積成倍增長，使放電電 流大幅度提高。這類電池的容量和放電時間比普通鋅——錳電池增加幾倍。干電池的電壓 是 1.5～1.6V。它在使用時電阻逐漸增大，電壓迅速降低，所以不宜長時間連續(xù)使用。使用 后的廢干電池無法恢復到起始狀態(tài)，所以它是一次性電池，簡稱一次電池。 ② 鉛蓄電池 目前汽車上使用的電池，有很多都是鉛蓄電池。鉛蓄電池能反應充電、放電的電池， 叫做二次電池。它的電壓是 2V。它在充電時，電能轉化為化學能，放電時化學能又轉化為 電能。由于鉛蓄電池的電壓穩(wěn)定，使用方便、安全、可靠，又可循環(huán)使用，因此是廣泛用 于國防、科研、交通、生產和生活的化學電源。 除了鉛蓄電池外，還有多種蓄電池，如鎳——鎘可充電電池、銀——鋅蓄電池等。 ③ 鋰電池 鋰是密度最小的金屬，用鋰作用為電池的負極，跟用相同質量的其他金屬作負極相比 較，使用壽命大大延長。鋰電池是一種高能電池。鋰電池的特點：質量輕、電壓高、工作 效率高、貯存壽命長。鋰電池的用途：可用于電腦、照相機、手表、心臟起搏器上，以及 作為火箭、導彈等的動力電源。 ④ 新型燃料電源 燃料電池不是把還原劑、氧化劑物質全部貯藏在電池內，而是在工作時，不斷從外界 輸入，同時將電極反應產物不斷排出電池。燃料電池是名符其實地把能源中燃料燃燒反應 的化學能直接轉化為電能的“能量轉換器”。燃料電池的能量轉化率很高，可達 70%以上。 燃料電池的優(yōu)點：體積小、能量大、使用方便、不污染環(huán)境、耗能少。 （三）廢舊電池的回收 隨著科技、經濟的發(fā)展，工業(yè)、交通和人民生活中使用的電池越來越多，大量的電池 在給經濟發(fā)展和群眾生活帶來方便的同時，也產生了負面的影響。廢舊電池中含有多種重 金屬和酸、堿等有害物質，隨意丟棄，對生態(tài)環(huán)境和公眾健康有很大的危害：廢電池滲出 的重金屬離子等將造成地下水和土壤的污染，威脅人類的健康。而且廢電池中的有色金屬 是寶貴的自然資源，如果能將廢電池回收再利用，不僅可以減少對我們生存環(huán)境的破壞， 而且也是對資源的節(jié)約。用完的電池，不能亂扔，應交到廢舊電池回收點。 （四）金屬的腐蝕和防護 我們已經掌握了原電池的化學原理，本節(jié)課就是要應用原電池的化學原理，研究金屬 腐蝕的原因和金屬的防護問題。 1. 金屬的腐蝕： （1）概念：金屬或合金與周圍接觸到的氣體或液體進行化學反應而腐蝕損耗的過程。 （2）實質：金屬原子失去電子被氧化為離子的過程。也就是說，金屬腐蝕的本質是金 屬發(fā)生了氧化反應。 （3）類型： A. 化學腐蝕和電化腐蝕 化學腐蝕 電化腐蝕 條件 金屬與非電解質直接接觸（不與電解質溶液接觸） 不純金屬或合金跟電解質溶液接觸 現象 無電流產生（不發(fā)生原電池反應） 有電流產生（發(fā)生原電池反應） 本質 發(fā)生氧化——還原反應，金屬被腐蝕 氧化反應和還原反應分兩極進行，較 活潑的金屬被腐蝕 相互關系 兩種腐蝕往往同時發(fā)生，但電化腐蝕更普遍 B. 鋼鐵的析氫和吸氧腐蝕 表一 試管 現象 解釋 反應式 A 鐵釘生銹，長導 管液面上升 發(fā)生析氫腐蝕， 產生 H2 試管內 氣 體增多，壓強增 大，導致導管 內液面上升 B 鐵釘生銹，長導 管內液面下降 發(fā)生吸氧腐蝕， 消耗 O2 試管內 氣體減小，壓強 減小，導致導管 內液面下降 ????OHeH42)(2 表二 形成條件 析氫腐蝕水膜酸性較強 吸氧腐蝕水膜酸性很弱或呈中性 電解質溶液 溶有 CO2 的水溶液 溶有 O2 的水溶液 負極 Fe 負極反應 正極 C 正極反應 電子如何流動形成電通路 Fe 失 e 成為 Fe2+ 進入溶液， Fe 失去的 e 流入 C 極，H + 趨向于 C 極與 C 極上的 e 結 合 成 H2 析出溶液 Fe 失 e 成為 Fe2+進入溶液， Fe 失去的 e 流入 C 極，O 2 在 C 極獲得 e 成為 OH－ 進入 溶液 最終腐蝕產物 鐵銹（的復雜水合物） 普遍性 吸氧腐蝕比析氫腐蝕更普遍 2. 金屬防護 金屬的腐蝕對國民經濟帶來的損失是驚人的，據 70 年代美國的一份統(tǒng)計報告，全世界 每年由于腐蝕而報廢的金屬設備和材料，約相當于金屬年產量的 1／3，至于因設備腐蝕損 壞而引起的停工減產、產品質量下降、污染環(huán)境、危害人體健康甚至造成嚴重事故的損失， 就更無法估計了。當前，世界各國都有許多優(yōu)秀的科學家，從事金屬腐蝕理論及防護方法 的研究工作。有志者可選擇這方面的課題研究，一定會大有作為；一旦有新的突破，產生 的經濟效益和社會影響，必將是巨大的。 金屬防護的一般方法： ① 制成合金 ② 覆蓋保護層 ③ 電化學防護 【典型例題】 [例 1] 下列敘述錯誤的是（ ） A. 煉鐵時，還原劑 CO 將鐵從鐵礦中還原出來 B. 活潑金屬 Na 只能用電解法冶煉制出 C. 汞的冶煉只能用還原劑法 D. 鋁的冶煉用還原劑法 答案：CD 解析：活潑金屬 K、Na 、Ca 、Al 用電解法冶煉，故 D 錯；多數金屬的冶煉用熱還原 法如 Fe、W、 Cr 等；有些不活潑金屬用熱分解法就可制得如 Hg、Ag 等，故 C 錯。 [例 2] 把 3.2g 氧化鐵完全還原，事先應準備的 CO 在標準狀況下的體積為（ ） A. 1344mL B. 672mL C. 大于 1344mL D. 小于 672mL 答案：C 解析：根據方程式 Fe2O3＋3CO====2Fe＋3CO 2 計算出所需 CO 體積的理論值為 1344mL，而實驗開始時，需先通入 CO 排盡玻璃管中空氣，實驗結束時，停止加熱還需繼 續(xù)通入 CO 至試管冷卻，以防還原出來的鐵被氧化。 [例 3] 以鋅片和銅片為兩極，以稀硫酸為電解質溶液組成原電池，當導線中通過 2mol 電子 時，下列說法正確的是（ ） A. 鋅片溶解了 1mol 時，銅片上析出 1mol 氫氣 B. 兩極上溶解和析出的物質質量相等 C. 鋅片溶解了 1g，銅片上析出 1g 氫氣 D. 鋅片溶解了 1mol，硫酸消耗了 1mol 答案：A、D 解析：在涉及原電池的有關計算中，關鍵是要把握住一點即兩極得、失電子數應相等。 利用這一特點，我們從電極反應看：負極：Zn－2e = Zn2+；正極：2H ++2e－ =H2↑當溶解 1mol 鋅失去 2mol 電子；銅片上析出 1mol 氫氣也得到 2mol 電子，得失電子守恒，這樣既 可推出 A、D 為選項。 [例 4] 某原電池反應的離子方程式為：Fe+2H + =Fe2+ +H2↑，則下列說法正確的是（ ） A. HNO3 為電解質溶液 B. 鋅為原電池正極 C. 鐵極質量不變 D. 銅為原電池正極 答案：D 解析：由電池反應的離子方程式知，電池的負極為鐵，則正極應是比鐵不活潑的金屬 （B 被否定） 。在反應中負極不斷被消耗（C 被否定） 。由于反應中放出了氫氣并生成了 Fe2+ 故知電解質溶液不能是 HNO3。由上分析可知正確選項為 D。 [例 5] 鋼鐵在很弱的酸性或中性條件下發(fā)生電化學腐蝕時，正極的反應式為（ ） A. Fe－2e － === Fe2+ B. 2H+ + 2e－ === H2↑ C. 2H2O + O2+4e－ === 4OH－ D. Fe－3e － ===Fe3+ 答案：C 解析：鋼鐵中含有多種雜質，在考慮鋼鐵的電化學腐蝕時，為了簡化問題，主要討論 碳雜質問題。也就是以 Fe 為負極，C 為正極的原電池反應．在中性條件或弱酸性條件下發(fā) 生的是吸氧腐蝕。原電池的正極為 C，發(fā)生的是還原反應，即得電子反應，故 A、D 選項 應排除。在 B、C 選項中，B 項是析氫腐蝕的電極反應式。所以 C 項是符合題意的。 [例 6] 根據下列實驗事實： （1） （2） （3）Z 2+ 離子的氧化性比 X2+ 弱 （4）由 Y、W 做電極組成的原電池反應為：Y －2e － = Y2+ 由此可知，X、Y、Z、W 的還原性由強到弱的順序是（ ） A. X＞Y＞Z ＞ W B. Y＞X＞W ＞Z C. Z＞X＞Y＞W D. Z＞Y＞X＞W 答案：C 解析：依據氧化還原反應的規(guī)律，由（1）可知 X 的還原性大于 Y，Z 可與冷水反應， 因而還原性最強。Z 2+ 的氧化性比 X2+ 弱，其對應的金屬 Z 的還原性大于 X。 （4）中 Y，W 做電極組成的原電池 Y 做負極，可知 Y 的還原性大于 W。由此可知， X、Y、Z 、W 的還原性由強到弱的順序是：Z＞X＞Y＞W。 [例 7] 有人將鉑絲插入 KOH 溶液中做電極，又在兩極片上分別通入甲烷和氧氣，設計一 種燃料電池，則通入甲烷的鉑絲為 極，發(fā)生的電極反應為______。該電池放電反應的 化學方程式為______。電池工作時，溶液的 pH（填“變小” “不變” “變大” ） 。 答案：負極，CH 4+10OH－ － 8e－ = CO32－ +7H2O； CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O；變小。 解析：因為該電池為燃料電池，依據的化學原理是 在此反應中，CH 4 失去電子，因此通入 CH4 的鉑絲為負極．CH 4 在負極失電子轉變成 CO2，但因在堿性條件下 CO2 將轉化成 CO32－ ，所以 負極反應為： CH4+10OH－ － 8e－ = CO32－ +7H2O 正極反應為： 2O2+8e－ +4H2O == 8OH－ 該電池放電反應的化學方程式為： CH4+2O2+2KOH === K2CO3+3H2O 由此可知反應過程中 c（OH － ）不斷減少，c （H +）則不斷增大，pH 即變小。 [例 8] 據報道，美國正在研究的鋅電池可能取代目前廣泛使用的鉛蓄電池，它具有容量大 等優(yōu)點，其電池反應為 2Zn + O2=2ZnO，其原料為鋅、電解液和空氣，則下列敘述正確的 是（ ） A. 鋅為正極，空氣進入負極反應 B. 負極反應為 Zn－2e === Zn2+ C. 正極發(fā)生氧化反應 D. 電解液肯定不是強酸 分析：由電池反應知：負極發(fā)生氧化反應為：Zn－2e = Zn2+由此可知 A、C 不對，B 正確．由于負極是較活潑的金屬鋅且產物為 ZnO，故電解液肯定不是強酸，否則無論電池 工作與否，鋅極很快就會被腐蝕完，故 D 也正確。 答案：B、D 【模擬試題】 （答題時間：40 分鐘） 1. 下列各種冶煉方法中，可制得相應金屬的是（ ） A. 加熱氧化鋁 B. 加熱碳酸鈣 C. 電解熔融氯化鈉 D. 氯化鈉與鋁粉高溫共熱 2. 用氫氣作還原劑和用金屬作還原劑相比，所得金屬的純度的說法正確的是（ ） A. 用氫氣的純度高 B. 用金屬的純度高 C. 二者相同 D. 無法比較 3. 有 X、Y、Z、W 四種金屬，已知用 X 制的容器不能盛放 Z 的鹽溶液，X 跟 Y 的鹽溶 液不反應；只有 W 在自然界中能以單質形式存在。則這四種金屬活動性順序為（ ） A. B. C. D. 4. 下列裝置能組成原電池產生電流的是（ ）ACuH2SO4ZnCuA汽油 FeCl3BD 5. 下列關于原電池的敘述正確的是（ ） A. 構成原電池的正極和負極必須是兩種不同的金屬 B. 原電池是將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置 C. 在原電池中，電子流出的一極是負極，該電極被還原 D. 原電池放電時，電流的方向是從負極到正極 6. 根據下列事實可知 X、Y、Z、W 還原性由強到弱的順序是（ ） ① ，② ，③ 比氧化性弱，④ 由 Y、W 電極組成的原電池電極反應：、 。 A. B. C. D. 7. 鋼鐵在銹蝕過程中，下列五種變化可能發(fā)生的是（ ） ① 由價轉化為價 ② 被還原 ③ 產生 ④ 失水生成 ⑤ 雜質 C 被氧化除 去 A. ①② B. ③④ C. ①②③④ D. ①②③④⑤ 8. 電子計算器中所用鈕扣式電池為銀—鋅電池，其電極分別為和，電解質溶液為溶液， 電極反應為（ ） 2)(2OHZneZn??? ??AgOAg2 下列敘述正確的是（ ） A. 電流由鋅經導線流向 B. 是正極，發(fā)生氧化反應，是負極，發(fā)生還原反應 C. 是負極，發(fā)生氧化反應，是正極，發(fā)生還原反應 D. 工作時，負極區(qū)域溶液減小、正極區(qū)域溶液增大 9. 阿波羅宇宙飛船上使用的氫、氧燃料電池，其電池反應為，電解質是質量分數為 75% 的溶液。請用方程式填空： （1）電池的正極反應 。 （2）電池的負極反應 。 10. 稱取三份鋅粉，分別盛在三支試管中，加入下列物質后，塞上帶導管的塞子定時測 定生成氫氣的體積。甲加入的鹽酸，乙加入的醋酸；丙加入的醋酸及少量膽礬粉末，反應 終了生成的一樣多且無剩余，請用、 、填空： （1）開始時反應速率 。 （2）三支試管中參加反應的質量 。 （3）反應終了所需時間 。 （4）簡要說明反應過程中乙、丙速率不相同的原因 。 11. 根據金屬在金屬活動性順序中的位置及性質，推測制取下列金屬最適宜的方法。 （1） （2） （3） （4） 這些方法的實質都是 。 12. 電子工業(yè)中常用三氯化鐵溶液腐蝕印刷線路板，化學方程式為： 2232CulFelueCl??? 試設計合理的操作步驟，從腐蝕后的溶液中吸收銅及三氯化鐵溶液。 【試題答案】 1. C 2. A 3. C 4. BD 5. B 6. C 7. C 8. CD 9.（1） ????OHeO42 （2） H2 10.（1） （2） 提示：丙中有部分與反應。 （3） 提示：丙利用了電化腐蝕，速率快。 （4）與反應，生成，附著表面形成原電池，使反應速率加快。 11.（1）電解法 （2）熱還原法 （3）加熱分解法 （4）熱還原法 用還原方法，使金屬化合物中的金屬離子得到電子變成金屬原子。 12. 略