2023人教版高中化學必修第二冊 第六章 化學反應與能量 第一節(jié)化學反應與能量變化

第一節(jié)化學反應與能量變化

1|化學反應與熱能1.放熱反應與吸熱反應(1)放熱反應:釋放熱量的化學反應,如活潑金屬與酸的反應、燃燒反應、中和反

應等。(2)吸熱反應:吸收熱量的化學反應,如氫氧化鋇晶體與氯化銨的反應、碳酸鈣的

分解反應、灼熱的炭與二氧化碳的反應。2.實驗探究放熱反應與吸熱反應

Mg與鹽酸的反應Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應實驗操作

實驗現(xiàn)象有大量氣泡產(chǎn)生,試管壁發(fā)燙,溫

度升高有刺激性氣味氣體生成;滴有水

的木片和燒杯黏結(jié)在一起,混合

物呈糊狀,燒杯壁變涼原理分析Mg+2HCl

MgCl2+H2↑Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl

BaCl2+2NH3↑+10H2O能量變化反應中有熱量放出反應中需要吸收熱量1.從化學鍵角度理解化學反應中的能量變化舊化學鍵的斷裂(吸收能量)和新化學鍵的形成(釋放能量),是化學反應中能量變

化的主要原因。2

|化學反應中存在能量變化的原因反應物生成物能量變化舊化學鍵斷裂,吸收能量(E吸)新化學鍵形成,釋放能量(E放)當E吸>E放時,反應吸收能量;當E吸

<E放時,反應釋放能量2.從物質(zhì)儲存化學能角度理解化學反應中的能量變化宏觀解釋

放熱反應示意圖

吸熱反應示意圖

3.放熱反應與吸熱反應的比較、判斷(詳見定點1)4.兩條基本自然定律(1)質(zhì)量守恒定律:化學反應前后物質(zhì)的質(zhì)量總和不變。(2)能量守恒定律:化學反應前后物質(zhì)的總能量相等。1.人類對能源的利用人類利用化學反應中的熱能始于火的發(fā)現(xiàn),獲取熱能的主要途徑是通過物質(zhì)

的燃燒。人類早期以樹枝雜草為主要能源,現(xiàn)代以化石燃料煤、石油和天然氣為

主要能源。3|人類對能源的利用與能源現(xiàn)狀2.使用化石燃料的問題與解決方案(1)化石燃料大量使用造成的社會、環(huán)境問題a.短期內(nèi)不可再生,儲量有限,隨著能源消費需求的不斷增加,能源消費量與儲量

之間的矛盾日益突顯。b.煤和石油產(chǎn)品燃燒排放的粉塵、SO2、NOx、CO等是大氣污染物的主要來源。(2)有效利用能源的途徑a.燃料燃燒階段:改進鍋爐的爐型和燃料空氣比、清理積灰等提高燃燒效率。b.能量利用階段:使用節(jié)能燈、改進電動機的材料和結(jié)構(gòu)、余熱循環(huán)利用等。(3)新能源a.特點:資源豐富、可以再生、對環(huán)境無污染。b.常見新能源:太陽能、風能、地熱能、海洋能、氫能等。1.火力發(fā)電(1)火力發(fā)電原理:首先通過化石燃料燃燒,使化學能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱水使之汽化

為高溫蒸汽以推動蒸汽輪機,然后由蒸汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。(2)能量轉(zhuǎn)化過程:化學能

熱能

機械能

電能。其中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是燃料燃燒(氧化還原反應)。4|化學反應與電能2.原電池(1)概念:把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做原電池。原電池反應的本質(zhì)是氧化還

原反應。(2)原電池的工作原理(以銅鋅原電池為例)

原電池總反應:Zn+2H+

Zn2++H2↑。(3)能量轉(zhuǎn)化過程:原電池在工作時,負極失電子,電子通過導線流向正極,被氧化性

物質(zhì)得到,閉合回路中形成電流,化學能轉(zhuǎn)化為電能。3.原電池及其正、負極的判斷(詳見定點3)4.原電池原理的應用(詳見定點4)1.鋅錳干電池(1)結(jié)構(gòu):鋅錳干電池是以鋅筒為負極,石墨棒為正極,氯化銨糊作電解質(zhì)溶液。(2)原理:鋅錳干電池是一次電池,放電之后不能充電,內(nèi)部的氧化還原反應是不可

逆的。負極發(fā)生的電極反應為Zn-2e-

Zn2+,正極發(fā)生的電極反應至今仍存在爭議,一種觀點認為其電極反應為2MnO2+2N

+2e-

Mn2O3+2NH3↑+H2O。5|常見的化學電源2.充電電池(1)原理充電電池又稱二次電池。充電電池在放電時所進行的氧化還原反應,在充電

時又逆向進行,生成物重新轉(zhuǎn)化為反應物,使充電、放電可在一定時間內(nèi)循環(huán)進

行。充電電池中充、放電時能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系是:電能

化學能。(2)常見充電電池:鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。3.燃料電池(1)概念:燃料電池是通過燃料與氧化劑分別在兩個電極上發(fā)生氧化反應和還原

反應,將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。(2)優(yōu)點:燃料電池與火力發(fā)電相比,其燃料的利用率高、能量轉(zhuǎn)化率高。與干電

池或者蓄電池的主要差別在于反應物不是儲存在電池內(nèi)部,而是由外設裝備提供

燃料和氧化劑等。1.對于放熱反應2H2+O2

2H2O來說,斷裂1個

鍵和1個

鍵所吸收的總能量小于形成1個

鍵所放出的能量。這種說法正確嗎?提示:不正確。放熱反應中斷裂舊鍵吸收的總能量小于形成新鍵放出的總能量。

對該反應來說,斷裂2個

鍵和1個

鍵所吸收的總能量小于形成4個

鍵所放出的能量。知識辨析2.放熱反應中有熱量放出,即有熱量放出的過程一定是放熱反應。這種說法正確

嗎?提示:不正確。放熱反應中,反應物的總能量高于生成物的總能量,反應中一定放

出熱量;但有熱量放出的過程不一定是放熱反應,也可能是有熱量放出的物理變

化,如濃硫酸的稀釋、物質(zhì)的三態(tài)變化等。3.形成1molO2中的化學鍵時要放出493kJ的能量、形成1molN2中的化學鍵時

要放出946kJ的能量,因此在常溫下N2比O2穩(wěn)定。這種說法正確嗎?提示:正確?；瘜W鍵的鍵能越大,物質(zhì)具有的能量越低,越穩(wěn)定。4.鹽酸與NaOH溶液、Fe的反應均為放熱反應,均可設計成原電池。這種說法正

確嗎?提示:不正確。一般放熱的氧化還原反應可以設計成原電池,鹽酸與NaOH溶液的

反應雖然放出熱量,但不是氧化還原反應,不能設計成原電池。5.Mg、Al與NaOH溶液構(gòu)成的原電池中,由于金屬性:Mg>Al,因此負極為Mg,正極

為Al。這種說法正確嗎?提示:不正確。在判斷原電池正、負極時,既要考慮金屬活動性強弱,也要考慮電

解質(zhì)溶液的性質(zhì),雖然金屬性:Mg>Al,但Mg和NaOH溶液不反應,而Al能和NaOH

溶液反應,故該電池中Al為負極,Mg為正極。6.化學電池中的負極反應一定是電極材料失電子。這種說法正確嗎?提示:不正確?；瘜W電池中的負極反應不一定是電極材料失電子,如燃料電池中

負極反應是燃料失電子,電極材料不發(fā)生反應。

1放熱反應與吸熱反應的比較、判斷1.放熱反應與吸熱反應的比較

放熱反應吸熱反應

釋放熱量的化學反應吸收熱量的化學反應

反應物所具有的化學能轉(zhuǎn)化為

熱能釋放出來熱能轉(zhuǎn)化為化學能被生成物所

“儲存”

宏觀角度:反應物的總能量>生

成物的總能量微觀角度:生成物成鍵時釋放出

的總能量>反應物斷鍵時吸收

的總能量宏觀角度:反應物的總能量<生

成物的總能量微觀角度:生成物成鍵時釋放出

的總能量<反應物斷鍵時吸收

的總能量

①大多數(shù)化合反應;②酸堿中和反應;③可燃物的燃燒及緩慢氧化反

應;④活潑金屬與H2O或酸的反應;⑤少數(shù)分解反應,如H2O2分解①大多數(shù)分解反應;②少數(shù)化合反應,如C+CO2

2CO③Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應2.放熱反應與吸熱反應的判斷判斷角度判斷依據(jù)由化學鍵變化角度判斷如果舊化學鍵斷裂吸收的能量大于新化學鍵形

成釋放的能量,則該反應為吸熱反應;反之為放熱

反應根據(jù)反應的熱效應判斷如果反應后體系溫度降低,則該反應屬于吸熱反

應;反之則屬于放熱反應根據(jù)能量變化曲線判斷根據(jù)能量變化曲線起點、終點的位置高低進行

判斷,起點位置高于終點位置的為放熱反應,反之

為吸熱反應根據(jù)反應條件判斷一般情況下,需持續(xù)加熱才能進行的是吸熱反應,

反之為放熱反應。如C+CO2

2CO為吸熱反應根據(jù)反應類型判斷物質(zhì)的燃燒反應、酸堿中和反應、金屬與酸反

應等通常為放熱反應;鹽的分解等通常為吸熱反

應根據(jù)反應的方向性判斷如果某反應為放熱反應,則該反應的逆向反應為

吸熱反應,反之也成立

典例硅是太陽能電池的重要材料。工業(yè)制備純硅的原理如下:制粗硅:①SiO2+2C

Si+2CO↑。制純硅:②Si+3HCl

SiHCl3+H2;③SiHCl3+H2

Si+3HCl。相關(guān)反應的能量變化如圖所示,回答下列問題:

(1)①是

(填“吸熱”或“放熱”,下同)反應,②是

反應,③是

反應。(2)反應②破壞反應物中的化學鍵所吸收的能量

(填“大于”或“小

于”)形成生成物中化學鍵所放出的能量。思路點撥解答本題的關(guān)鍵是明確化學反應中能量變化的原因,并且能看懂圖

像,從圖像中提取出有用信息。解析

(1)根據(jù)圖中反應物與生成物的能量高低判斷反應是吸熱還是放熱。(2)因

為反應②是放熱反應,所以破壞反應物中的化學鍵所吸收的能量小于形成生成物

中化學鍵所放出的能量。答案

(1)吸熱放熱吸熱

(2)小于

化學反應中能量變化的計算公式2化學反應中能量變化的計算?(1)根據(jù)物質(zhì)具有的能量計算:反應的能量變化=生成物的能量之和-反應物的能量

之和。例如,化學反應

N2(g)+

H2(g)

NH3(g)的能量變化如圖所示:由上圖可知,該反應是放熱反應,反應過程中放出的熱量為(b-a)kJ。(2)根據(jù)斷裂和形成化學鍵時的能量變化計算:反應的能量變化=反應物的鍵能之

和-生成物的鍵能之和。例如,化學反應H2(g)+

O2(g)

H2O(g),已知斷裂1molH2(g)中的化學鍵需要吸收436kJ熱量,斷裂1molO2(g)中的化學鍵需要吸收498kJ熱量,斷裂1molH—O

鍵需要吸收465kJ熱量:

H2O(g)由上圖可知,該反應是放熱反應,反應過程中的能量變化=(436+249)kJ-930kJ=-245kJ,即該反應放出的熱量為245kJ。溫馨提醒應用公式計算化學反應能量變化時需要特別注意,是利用物質(zhì)具有的能量計算還是利用物質(zhì)化學鍵的鍵能進行計算。利用鍵能進行計算時,要注意物質(zhì)的組成情況,不僅要注意物質(zhì)中化學鍵的數(shù)目,還要注意參加反應的物質(zhì)的物質(zhì)的量。

典例科學家已獲得了極具理論研究意義的N4分子,其結(jié)構(gòu)為正四面體(如圖所示),與白磷分子相似。已知斷裂1molN—N鍵吸收193kJ熱量,斷裂1mol

鍵吸收941kJ熱量,則下列說法不正確的是

(

)

A.N4與N2互為同素異形體B.1molN4氣體轉(zhuǎn)化為N2時要放出724kJ能量C.N4變成N2是化學變化D.2molN2的能量比1molN4的能量高D思路點撥解答本題的關(guān)鍵是計算反應N4(g)

2N2(g)中斷開舊化學鍵吸收的總能量和形成新化學鍵釋放的總能量的差,據(jù)此判斷該反應是放熱反應還是吸熱

反應,從而比較反應物總能量和生成物總能量的相對大小。解析

N4與N2是氮元素形成的性質(zhì)不同的單質(zhì),互為同素異形體,A項正確;圖示

中每個N4分子含6個N—N鍵,根據(jù)N4(g)

2N2(g)可知,E吸收-E放出=6×193kJ-2×941kJ=-724kJ,即1molN4轉(zhuǎn)化為N2時放出724kJ能量,B項正確;N4與N2是不同的物質(zhì),

即N4變成N2的反應是化學變化,C項正確;由B項分析可知N4(g)

2N2(g)為放熱反應,即2molN2的能量比1molN4的能量低,D項錯誤。1.原電池的判斷(1)先分析有無外接電源,無外接電源的可能為原電池。(2)依據(jù)原電池的形成條件,主要為“四看”:一看本質(zhì):有無自發(fā)的氧化還原反應發(fā)生;二看電極:兩極為導體,且存在活潑性差異(燃料電池的電極一般為惰性電極);三看溶液:兩極插入電解質(zhì)溶液中;四看回路:形成閉合回路。3原電池及其正、負極的判斷?2.原電池正、負極的判斷(1)一般規(guī)律

(2)燃料電池正、負極的判斷燃料電池中電極一般為惰性材料(Pt、石墨),電極不參與反應,僅傳導電子。其中通入燃料的電極為負極,通入O2(或其他助燃性物質(zhì))的電極為正極。

典例某鎂—溴電池裝置如圖所示。下列說法不正確的是

(

)

放電過程BA.放電時,正極反應為:B

+2e-

3Br-B.放電時,Mg電極發(fā)生還原反應C.放電時,Mg電極電子經(jīng)導線流向石墨D.當0.1molMg2+通過離子選擇性膜時,導線中通過0.2mol電子思路點撥解答本題的關(guān)鍵是結(jié)合圖示電極材料(或放電時Mg2+移動方向),判斷

出電極名稱,根據(jù)電極上發(fā)生的反應正確書寫電極反應式,進而進行相關(guān)化學計

算。解析

由裝置圖可知該電池中Mg電極為負極,石墨電極為正極;正極是B

得電子生成Br-,其電極反應式為B

+2e-

3Br-,A項正確;Mg在負極失去電子發(fā)生氧化反應,而正極的B

發(fā)生還原反應,B項錯誤;放電時電子由負極流出,經(jīng)導線流向正極,即電子從Mg電極流出經(jīng)導線流向石墨電極,C項正確;放電時陽離子(Mg2+)

向正極移動,即當0.1molMg2+通過離子選擇性膜時,電池中應有0.1molMg溶解,

導線中通過0.2mol電子,D項正確。

(1)加快氧化還原反應的反應速率,如實驗室用Zn和稀硫酸反應制取氫氣時,可滴

入幾滴硫酸銅溶液,形成原電池,加快反應速率。(2)比較金屬活潑性強弱:一般原電池中,活潑金屬作負極,發(fā)生氧化反應,不活潑金

屬作正極,發(fā)生還原反應。(3)設計原電池①定:確定一個能夠自發(fā)進行的氧化還原反應。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(chǎn)物(負極電極反應);氧化劑+ne-

還原產(chǎn)物(正極電極反應)。③找:根據(jù)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(zhì)溶液,

正極一般選擇比負極穩(wěn)定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。4原電池原理的應用

宏觀辨識與微觀探析——特定情境下電極反應式的書寫

原電池是把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某化學興趣小組的同學為了探究鋁

電極在電池中的作用,在室溫下,設計并進行了以下一組實驗,實驗結(jié)果記錄如下:編號電極材料電解質(zhì)溶液電流計指針偏轉(zhuǎn)方向①Mg、Al稀硫酸偏向Al②Mg、AlNaOH溶液偏向Mg③Al、Cu濃HNO3偏向Al

問題1上述實驗中涉及的金屬電極的活動性順序是怎樣的?電流計指針是向正極還是向負極偏轉(zhuǎn)?提示

金屬活動性順序:Mg>Al>Cu;原電池工作時,電流計指針向正極偏轉(zhuǎn)。

問題2實驗①、②中負極材料分別是什么?并寫出其電極反應式。提示

實驗①中Mg較活潑,為負極,其電極反應式為Mg-2e-

Mg2+;實驗②中雖然Mg比Al活潑,但Mg不能和NaOH溶液反應,而Al能和NaOH溶液反應,即Al為負

極,其電極反應式為Al-3e-+4OH-

Al

+2H2O。

問題3實驗③中Al為什么不能作負極?請寫出正極和負極的反應式。提示

實驗③中,常溫下,Al遇濃HNO3鈍化,而Cu能和濃HNO3反應,故該實驗中Al

為正極、Cu為負極。正極反應式為N

+2H++e-

NO2↑+H2O,負極反應式為Cu-2e-

Cu2+。

問題4根據(jù)實驗①、②、③進行分析,在判斷原電池的正、負極和書寫電極反應式時,需注意哪些問題?提示

在判斷原電池正、負極時,既要考慮金屬活動性強弱,也要考慮電解質(zhì)溶

液的性質(zhì),如常溫下Al、Fe遇濃硝酸發(fā)生鈍化,Al與NaOH溶液發(fā)生反應等。

電極反應式的書寫(1)負極反應式的書寫①活潑金屬作負極時,本身被氧化:若生成的陽離子不與電解質(zhì)溶液反應,產(chǎn)物為金屬陽離子,如Zn-2e-

Zn2+、Cu-2e-

Cu2+。若生成的金屬陽離子與電解質(zhì)溶液反應,應寫成“金屬失電子的反應式”與

“陽離子與電解質(zhì)溶液反應的反應式”相疊加的形式。如Mg-Al(KOH溶液)原

電池,負極反應式為Al-3e-+4OH-

Al

+2H2O;鉛酸蓄電池負極反應式為Pb-2e-+S

PbSO4。②負極材料本身不反應時,常見書寫方法:H2-O2(H2SO4溶液)燃料電池,負極反應式為H2-2e-

2H+;H2-O2(KOH溶液)燃料電池,負極反應式為H2-2e-+2OH-

2H2O。(2)正極反應式的書寫首先,根據(jù)化合價變化或氧化性強弱判斷哪種微粒得電子。其次,確定該微

粒得電子后變成哪種形式。如:H2-O2(H2SO4溶液)燃料電池,正極反應式為O2+4e-+4H+

2H2O;H2-O2(KOH溶液)燃料電池,正極反應式為O2+4e-+2H2O

4OH-。

例題如圖為原電池裝置示意圖。

(1)將鋁片和銅片用導線相連,一組插入濃硝酸中,一組插入燒堿溶液中,分別形成

了原電池,在這兩個原電池中,作負極的分別是

(填字母)。A.鋁片、銅片B.銅片、鋁片C.鋁片、鋁片D.銅片、銅片寫出插入燒堿溶液中形成的原電池的負極反應式:

。(2)若A為Pb,B為PbO2,電解質(zhì)溶液為H2SO4溶液,工作時的總反應為Pb+PbO2+2H2SO4

2