金屬的冶煉、原電池的原理及其應用

1、【本講教育信息】教學內(nèi)容：金屬的冶煉、原電池的原理及其應用重點、難點：了解金屬冶煉的一般原理及步驟記住金屬冶煉的三種方法，即熱分解法、熱還原法和電解法常識性介紹金屬回收與環(huán)境資源保護的意義使學生理解原電池原理常識性介紹日常生活中常用的化學電源和新型化學電池使學生了解金屬的電化學腐蝕知識分析：（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

2、 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?shù)倪€原劑（焦炭、CO、h2、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(shù)金屬適用此 法。用C或CO作還原劑：Fe、Cu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

3、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：K S N色 Mg Al Zn F 己 Sn 如 Cu Hg 蝠 電,法建原劑法癡熱法（Cs co. h2 .、活潑金屬）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：

4、肱*+施T沮 （三）原電池原理概念：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：負極洌箜正極（如電流：正極導統(tǒng)負極洛液正極負極：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-宜=Zn2+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+ + &-=H2f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(zhì)溶液；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

5、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。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(chǎn)和科學技術等方面。實用電池的特點能產(chǎn)生穩(wěn)定而具有較高電壓的電流；安全、耐用且便于攜帶；能夠適用于特殊用途；便于回收處理，不污染環(huán)境或對環(huán)境產(chǎn)生影響較小。幾種常見的電池干電池普通干電池一般是鋅一一錳干電池。隨著用電器具朝著小型化、高性能化發(fā)展的要求 體積小、性能更好的堿性鋅一一

6、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1.51.6V。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。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

7、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。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。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 的化學能直接轉化為電能的“能量轉換器”。燃料電池的

8、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(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

9、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。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(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)生氧化一一還原反應，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

10、電化腐蝕更普遍B,鋼鐵的析氫和吸氧腐蝕表試管現(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(-)彪& = W(+) 2H+ +曷=% TB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(一)此一& =(+) 2H2O +=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負極反應位一曷二盼正極C正極反應2H+2= T斗。+ S +鈕二4。丑一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。流

11、入C極，H+趨 向于C極與C極上的e結合 成H析出溶液Fe失e成為Fe2+進入溶液，F(xiàn)e失去的。流入C極，O2在 C極獲得e成為OH電入 溶液最終腐蝕產(chǎn)物鐵銹（勺2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；

12、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：制成合金覆蓋保護層電化學防護【典型例題】例1下列敘述錯誤的是（）煉鐵時，還原劑CO將鐵從鐵礦中還原出來活潑金屬Na只能用電解法冶煉制出汞的冶煉只能用還原劑法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. 1344mLB. 672mLC.大于 1344mL D.小于 672mL答案：C解析：根據(jù)方程式Fe2O

13、3 + 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（）鋅片溶解了 1mol時，銅片上析出1mol氫氣兩極上溶解和析出的物質(zhì)質(zhì)量相等鋅片溶解了 1g，銅片上析出1g氫氣鋅片溶解了 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(shù)應相等。利用這一特點，我們從電極反應看：負極：Zn2e = Zn2

14、+ ；正極：2H+2e-=H2 f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+H2f，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

15、的反應式為（）A. Fe2e- = Fe2+B. 2H+ + 2e-= H2 fC. 2H2O + O2+4e- = 4OH- D. Fe3e-=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）X +產(chǎn)=必+7（2）危。也沖身嚇Z2+離子的氧化性比X2+弱由Y、W做電極組成的原電池反應為：Y

16、-2e- = Y2+由此可知，X、Y、Z、W的還原性由強到弱的順序是()A. XYZWB. YXWZC. ZXYWD. ZYXW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：ZXYW。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

17、(填“變小”“不變”“變大”)。答案：負極，CH4+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(jù)的化學原理是I I。氏+2。疽8巴+2玦Q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 (

18、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( )鋅為正極，空氣進入負極反應負極反應為Zn-2e = Zn2+正極發(fā)生氧化反應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）下列各種冶煉方法中，可制得相應金屬的是

19、（）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.審 B.審C.FXZjy D.陟4.5.構成原電池的正極和負極必須是兩種不同的金屬原電池是將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置在原電池中，電子流出的一極是負極，該電極被還原原電池放電時，電流的方向是從負極到正極根據(jù)下列事實可知X、Y、Z、W還原性由強到弱的順

20、序是（）工+產(chǎn)=中+Z + 2%。冷水硯+地T，W+比F氧化性弱，由Y、W電極組成的原電池電極反應：陟+爵一=陟、r-2- = y2+A.XC 麻 b.八附XC.Z 占）d.ZFXa 附鋼鐵在銹蝕過程中，下列五種變化可能發(fā)生的是（）F?由+2價轉化為+ 3價被還原 產(chǎn)生珞 失水生成 約G雜質(zhì)c被氧化除去A. B.C. D.電子計算器中所用鈕扣式電池為銀一鋅電池，其電極分別為妃和，電解質(zhì)溶液為茂丑溶液，電極反應為()為+ 20丑一 -&一 =Zn(0H)Ag2O + H20 + & 一 二 2j4g+ 20H -下列敘述正確的是()A.電流由鋅經(jīng)導線流向妃。阪是正極，發(fā)生氧化反應，嫗夕是負極，發(fā)生還原反應膈是負極，發(fā)生氧化反應，嫗夕是正極，發(fā)生還原反應工作時，負極區(qū)域溶液召冏減小、正極區(qū)域溶液盧冏增大