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1、2022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(nèi)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(zhì)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(zhì)比較

2、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(jié)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?shù)倪€原劑（焦炭、CO、H2、活

3、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(shù)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：

4、2. 金屬冶煉的實質(zhì) 金屬冶煉就是把化合態(tài)的金屬元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賳钨|(zhì)。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(zhì)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(zhuǎn)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－＝Zn2+ 　　正極：電子流入的極，通常是活潑性較弱的金屬或非金

5、屬導體，電極上發(fā)生還原反應 　　　　　　2H+ ＋＝H2↑ 3. 構(gòu)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(zhì)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(xiàn)代生活、生產(chǎn)和科學技術(shù)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、

6、生產(chǎn)和科學技術(shù)等方面。 1. 實用電池的特點 ① 能產(chǎn)生穩(wěn)定而具有較高電壓的電流； 　② 安全、耐用且便于攜帶； ?、?能夠適用于特殊用途； ④ 便于回收處理，不污染環(huán)境或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)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

7、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(zhuǎn)化為化學能，放電時化學能又轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhì)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

8、高能電池。鋰電池的特點：質(zhì)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(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是在工作時，不斷從外界輸入，同時將電極反應產(chǎn)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(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)換器”。燃料電池的能量轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)濟發(fā)展和群眾生活帶

9、來方便的同時，也產(chǎn)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(zhì)，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(jīng)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

10、）實質(zhì)：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(zhì)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(zhì)直接接觸（不與電 解質(zhì)溶液接觸） 不純金屬或合金跟電解質(zhì)溶液接觸 現(xiàn)象 無電流產(chǎn)生（不發(fā)生原電池反應） 有電流產(chǎn)生（發(fā)生原電池反應） 本質(zhì) 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(guān)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(xiàn)象 解釋 反應式 A 鐵釘生銹，長導管液面上升 發(fā)生析

11、氫腐蝕，產(chǎn)生H2試管內(nèi)氣 體增多，壓強增大，導致導管 內(nèi)液面上升 B 鐵釘生銹，長導管內(nèi)液面下降 發(fā)生吸氧腐蝕，消耗O2試管內(nèi)氣體減小，壓強減小，導致導管內(nèi)液面下降 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(zhì)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，F(xiàn)e失去的e流入C極，H+ 趨向于C極與C極上的e結(jié)合 成H2析出溶液 Fe失e成為Fe2+進入溶液，F(xiàn)e失去的e流入C極，O2在C極獲得

12、e成為OH－進入 溶液 最終腐蝕產(chǎn)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(jīng)濟帶來的損失是驚人的，據(jù)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(chǎn)量的1／3，至于因設備腐蝕損壞而引起的停工減產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)生的經(jīng)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

13、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(shù)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 　

14、 D. 小于672mL 答案：C 解析：根據(jù)方程式Fe2O3＋3CO====2Fe＋3CO2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(jié)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(zhì)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(zhì)質(zhì)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

15、及原電池的有關(guān)計算中，關(guān)鍵是要把握住一點即兩極得、失電子數(shù)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(zhì)溶液 B. 鋅為原電池正極 C. 鐵極質(zhì)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

16、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(zhì)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(zhì)，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(zhì)問題。也就是以Fe為負極，C為正極的原電池反應．在中性條

17、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(jù)下列實驗事實： （1） 　　（2） 　?。?）Z2+ 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(wǎng)　　　　B. Y＞X＞W(wǎng)＞Z C. Z＞X＞Y＞W(wǎng)　　　　D. Z＞Y＞X＞W(wǎng) 答案：C 解析：依據(jù)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

18、反應，因而還原性最強。Z2+ 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(wǎng)。 [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，CH4+10OH－－ 8e－= CO32－+7H2O；　　 CH4+2O2+2KOH===K2C

19、O3+3H2O；變小。 解析：因為該電池為燃料電池，依據(jù)的化學原理是 在此反應中，CH4失去電子，因此通入CH4的鉑絲為負極．CH4在負極失電子轉(zhuǎn)變成CO2，但因在堿性條件下CO2將轉(zhuǎn)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(jù)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

20、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(chǎn)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

21、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(zhì)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(chǎn)生電流的

22、是（ ） 5. 下列關(guān)于原電池的敘述正確的是（ ） A. 構(gòu)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(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)化為價 ② 被還原 ③ 產(chǎn)

23、生 ④ 失水生成 ⑤ 雜質(zhì)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(zhì)溶液為溶液，電極反應為（ ） 下列敘述正確的是（ ） A. 電流由鋅經(jīng)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(zhì)是質(zhì)量分數(shù)為75%的溶液。請用方程式填

24、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(zhì)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(zhì)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(jù)金屬在金屬活動性順序中的位置及性質(zhì)，推測制取下列金屬最適宜的方法。

25、 （1） （2） （3） （4） 這些方法的實質(zhì)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： 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?！驹囶}答案】 1. C 2. A 3. C 4. BD 5. B 6. C 7. C 8. CD 9.（1） （2） 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