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1、2022年高中化學(xué) 金屬的冶煉原電池的原理及其應(yīng)用知識精講 人教版第二冊 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容： 金屬的冶煉、原電池的原理及其應(yīng)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(hù)的意義 4. 使學(xué)生理解原電池原理 5. 常識性介紹日常生活中常用的化學(xué)電源和新型化學(xué)電池 6. 使學(xué)生了解金屬的電化學(xué)腐蝕 三. 知識分析： （一）金屬元素在自然界中的存在形式 化學(xué)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(xué)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(xí)：寫出氧化汞、氧化銀受熱分解的化學(xué)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(dāng)?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(qiáng)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(xué)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(fù)電，溶液中離子在銅板上獲得電子被還原成氫氣。 電子流：負(fù)極正極 電流：正極負(fù)極正極 負(fù)極：電子流出的極，通常是活潑性較強(qiáng)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(dǎo)體，電極上發(fā)生還原反應(yīng) 　　　　　　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(dǎo)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(dǎo)線連接。 銅、鋅、硫酸電池是在1789年由意大利物理學(xué)家伏特所發(fā)明，為了紀(jì)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(xué)電源 人們應(yīng)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(xué)技術(shù)的發(fā)展中，電池發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)今的電池工業(yè)已能制造出各種各樣的實用電池，廣泛應(yīng)用于日常生活、

6、生產(chǎn)和科學(xué)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； ?、?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?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(yīng)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(dǎo)電性更好的堿性，負(fù)極也由鋅片改為鋅粉，反應(yīng)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?zé)o法恢復(fù)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(yīng)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(xué)能，放電時化學(xué)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(xué)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(fù)極，跟用相同質(zhì)量的其他金屬作負(fù)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(jī)、手表、心臟起搏器上，以及作為火箭、導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的化學(xué)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(dá)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(jì)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(jì)發(fā)展和群眾生活帶

9、來方便的同時，也產(chǎn)生了負(fù)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(yīng)交到廢舊電池回收點。 （四）金屬的腐蝕和防護(hù) 我們已經(jīng)掌握了原電池的化學(xué)原理，本節(jié)課就是要應(yīng)用原電池的化學(xué)原理，研究金屬腐蝕的原因和金屬的防護(hù)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)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(yīng)。 （3）類型： A. 化學(xué)腐蝕和電化腐蝕 化學(xué)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(yīng)） 有電流產(chǎn)生（發(fā)生原電池反應(yīng)） 本質(zhì) 發(fā)生氧化——還原反應(yīng)，金屬被腐 蝕 氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分兩極進(jìn)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(yīng)式 A 鐵釘生銹，長導(dǎo)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(qiáng)增大，導(dǎo)致導(dǎo)管 內(nèi)液面上升 B 鐵釘生銹，長導(dǎo)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(qiáng)減小，導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)液面下降 表二 形成條件 析氫腐蝕 水膜酸性較強(qiáng) 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(fù)極 Fe 負(fù)極反應(yīng) 正極 C 正極反應(yīng) 電子如何流動形成電通路 Fe失e成為Fe2+ 進(jìn)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(jìn)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(jìn)入 溶液 最終腐蝕產(chǎn)物 鐵銹（的復(fù)雜水合物） 普遍性 吸氧腐蝕比析氫腐蝕更普遍 2. 金屬防護(hù) 金屬的腐蝕對國民經(jīng)濟(jì)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(shè)備和材料，約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的1／3，至于因設(shè)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(yán)重事故的損失，就更無法估計了。當(dāng)前，世界各國都有許多優(yōu)秀的科學(xué)家，從事金屬腐蝕理論及防護(hù)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(jì)效益和社會影響，必將是巨大的。 金屬防護(hù)的一般方法： ① 制成合金 ②

13、覆蓋保護(hù)層 ③ 電化學(xué)防護(hù) 【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(yīng)準(zhǔn)備的CO在標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)導(dǎo)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(yīng)相等。利用這一特點，我們從電極反應(yīng)看：負(fù)極：Zn－2e = Zn2+；正極：2H++2e－=H2↑當(dāng)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(yīng)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(yīng)的離子方程式知，電池的負(fù)極為鐵，則正極應(yīng)是比

16、鐵不活潑的金屬（B被否定）。在反應(yīng)中負(fù)極不斷被消耗（C被否定）。由于反應(yīng)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(xué)腐蝕時，正極的反應(yīng)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(xué)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(fù)極，C為正極的原電池反應(yīng)．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(yīng)，即得電子反應(yīng)，故A、D選項應(yīng)排除。在B、C選項中，B項是析氫腐蝕的電極反應(yīng)式。所以C項是符合題意的。 [例6] 根據(jù)下列實驗事實： （1） 　?。?） 　　（3）Z2+ 離子的氧化性比X2+ 弱 　?。?）由Y、W做電極組成的原電池反應(yīng)為：Y－2e－ = Y2+ 由此可知，X、Y、Z、W的還原性由強(qiáng)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(yīng)的規(guī)律，由（1）可知X的還原性大于Y，Z可與冷水

18、反應(yīng)，因而還原性最強(qiáng)。Z2+ 的氧化性比X2+ 弱，其對應(yīng)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(fù)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(qiáng)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(shè)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(yīng)為______。該電池放電反應(yīng)的化學(xué)方程式為______。電池工作時，溶液的pH（填“變小”“不變”“變大”） 。 答案：負(fù)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(xué)原理是 在此反應(yīng)中，CH4失去電子，因此通入CH4的鉑絲為負(fù)極．CH4在負(fù)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(fù)極反應(yīng)為： CH4+10OH－－ 8e－= CO32－+7H2O 　　正極反應(yīng)為： 2O2+8e－+4H2O == 8OH－ 該電池放電反應(yīng)的化學(xué)方程式為： CH4+2O2+2KOH === K2CO3+3H2O 由此可知反應(yīng)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(yīng)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(jìn)入負(fù)極反應(yīng) B. 負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e === Zn2+ C. 正極發(fā)生氧化反應(yīng) D. 電解液肯定不是強(qiáng)酸 分析：由電池反應(yīng)知：負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)為：Zn－2e = Zn2+由此可知A、C不對，B正確．由于負(fù)極是較活潑的金屬鋅且產(chǎn)物為ZnO，故電解液肯定不是強(qiáng)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(yīng)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(yīng)；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(fù)極必須是兩種不同的金屬 B. 原電池是將化學(xué)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(fù)極，該電極被還原 D. 原電池放電時，電流的方向是從負(fù)極到正極 6. 根據(jù)下列事實可知X、Y、Z、W還原性由強(qiáng)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(yīng)：、。 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(yīng)為（ ） 下列敘述正確的是（ ） A. 電流由鋅經(jīng)導(dǎo)線流向 B. 是正極，發(fā)生氧化反應(yīng)，是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng) C. 是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，是正極，發(fā)生還原反應(yīng) D. 工作時，負(fù)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(yīng)為，電解質(zhì)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的溶液。請用方程式填

24、空： （1）電池的正極反應(yīng) 。 （2）電池的負(fù)極反應(yīng) 。 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(dǎo)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(yīng)終了生成的一樣多且無剩余，請用、、填空： （1）開始時反應(yīng)速率 。 （2）三支試管中參加反應(yīng)的質(zhì)量 。 （3）反應(yīng)終了所需時間 。 （4）簡要說明反應(yīng)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(xué)方程式為： 試設(shè)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） （2） 10.（1） （2） 提示：丙中有部分與反應(yīng)。 （3） 提示：丙利用了電化腐蝕，速率快。 （4）與反應(yīng)，生成，附著表面形成原電池，使反應(yīng)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