立足宏觀辨識(shí)微觀探析 構(gòu)建能量變化解題模型(解析版)

立足宏觀辨識(shí)微觀探析構(gòu)建能量變化解題模型一、蓋斯定律的運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān)，這就是蓋斯定律。蓋斯定律的應(yīng)用價(jià)值在于可以根據(jù)已準(zhǔn)確測(cè)定的反應(yīng)熱來(lái)求知實(shí)驗(yàn)難測(cè)或根本無(wú)法測(cè)定的反應(yīng)熱，可以利用已知的反應(yīng)熱計(jì)算未知的反應(yīng)熱。解答該類(lèi)題目不僅要清楚書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式的要求和注意事項(xiàng)，理解蓋斯定律的含義，還要合理設(shè)計(jì)反應(yīng)途徑，正確加減熱化學(xué)方程式。例1(2024·山東卷，20節(jié)選)水煤氣是H2的主要來(lái)源，研究CaO對(duì)C-H2O體系制H2的影響，涉及主要反應(yīng)如下：C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)()ΔH1CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g)()ΔH2CaO(s)＋CO2(g)=CaCO3(s)()ΔH3C(s)＋CaO(s)＋2H2O(g)CaCO3(s)＋2H2(g)的焓變?chǔ)=_______(用代數(shù)式表示)?！敬鸢浮喀1+ΔH2+ΔH3【解析】已知三個(gè)反應(yīng)：Ⅰ.C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g)Ⅲ.CaO(s)＋CO2(g)=CaCO3(s)設(shè)目標(biāo)反應(yīng)C(s)＋CaO(s)＋2H2O(g)CaCO3(s)＋2H2(g)為Ⅳ，根據(jù)蓋斯定律，Ⅳ=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ，所以ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3?！窘忸}模型】【變式1】CO2的資源化利用能有效減少CO2排放緩解能源危機(jī)。用CO2、H2為原料合成甲醇(CH3OH)過(guò)程主要涉及以下反應(yīng)：a)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1b)CO2g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=+41.2kJ/molc)CO(g)+H2(g)CH3OH(g)△H3=-45.1kJ/mol根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)a的△H1=___________。【答案】-49.0kJ/mol【解析】已知：b)CO2g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=+41.2kJ/mol；c)CO(g)+H2(g)CH3OH(g)△H3=-45.1kJ/mol；根據(jù)蓋斯定律，由b)+c)2得反應(yīng)a)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=△H2+△H32=-49.0kJ/mol。二、能量變化歷程中能壘圖能壘指的是由于化學(xué)反應(yīng)的成功發(fā)生對(duì)于反應(yīng)物到達(dá)能量高的過(guò)渡態(tài)的過(guò)程的依賴(lài)性而產(chǎn)生的一個(gè)“阻礙”，只有一部分有足夠能量的分子才能跨越能壘進(jìn)行反應(yīng)，每一個(gè)小的分步反應(yīng)的從較低能量到過(guò)渡態(tài)所吸收的能量，可以理解成ΔH-t圖中“爬坡”的階段，這些階段的吸收的能量都是能壘?；罨茉礁撸軌驹礁?，反應(yīng)速率越慢，反之亦然。例2(2024·安徽卷，10)某溫度下，在密閉容器中充入一定量的X(g)，發(fā)生下列反應(yīng)：X(g)Y(g)(ΔH1)，Y(g)Z(g)(ΔH2)，測(cè)得各氣體濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系如圖所示。下列反應(yīng)進(jìn)程示意圖符合題意的是()A．B．C．D．【答案】B【解析】由圖可知，反應(yīng)初期隨著時(shí)間的推移X的濃度逐漸減小、Y和Z的濃度逐漸增大，后來(lái)隨著時(shí)間的推移X和Y的濃度逐漸減小、Z的濃度繼續(xù)逐漸增大，說(shuō)明X(g)Y(g)的反應(yīng)速率大于Y(g)Z(g)的反應(yīng)速率，則反應(yīng)X(g)Y(g)的活化能小于反應(yīng)Y(g)Z(g)的活化能。A項(xiàng)，X(g)Y(g)和Y(g)Z(g)的?H都小于0，而圖像顯示Y的能量高于X，即圖像顯示X(g)Y(g)為吸熱反應(yīng)，A項(xiàng)不符合題意；B項(xiàng)，圖像顯示X(g)Y(g)和Y(g)Z(g)的?H都小于0，且X(g)Y(g)的活化能小于Y(g)Z(g)的活化能，B項(xiàng)符合題意；C項(xiàng)，圖像顯示X(g)Y(g)和Y(g)Z(g)的?H都小于0，但圖像上X(g)Y(g)的活化能大于Y(g)Z(g)的活化能，C項(xiàng)不符合題意；D項(xiàng)，圖像顯示X(g)Y(g)和Y(g)Z(g)的?H都大于0，且X(g)Y(g)的活化能大于Y(g)Z(g)的活化能，D項(xiàng)不符合題意；故選B。【解題模型】【變式3】叔丁基溴在乙醇中反應(yīng)的能量變化如圖所示：反應(yīng)1：(CH3)3CBr→(CH3)2C=CH2+HBr反應(yīng)2：C2H5OH+(CH3)3CBr→(CH3)3COC2H5+HBr下列說(shuō)法不正確的是()A．過(guò)渡態(tài)能量：①＞②＞③B．(CH3)3COC2H5可以逆向轉(zhuǎn)化為(CH3)3CBr，但不會(huì)轉(zhuǎn)化為(CH3)2C=CH2C．若將上述反應(yīng)體系中的叔丁基溴改為叔丁基氯，則E4—E3的值增大D．向(CH3)3CBr的乙醇溶液中加入NaOH并適當(dāng)升溫，可以得到較多的(CH3)2C=CH2【答案】B【解析】A項(xiàng)，由圖可知，過(guò)渡態(tài)能量的大小順序?yàn)棰伲劲冢劲?，A正確；B項(xiàng)，(CH3)3COC2H5與HBr在一定條件下可以逆向轉(zhuǎn)化為(CH3)3CBr，即為(CH3)3CBr和C2H5OH轉(zhuǎn)化為(CH3)3COC2H5的逆過(guò)程，該過(guò)程需要先轉(zhuǎn)化為(CH3)3C+Br-和C2H5OH，(CH3)3C+Br-和C2H5OH再轉(zhuǎn)化為(CH3)3CBr和C2H5OH，但(CH3)3C+Br-和C2H5OH同時(shí)也能轉(zhuǎn)化為(CH3)2C=CH2，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，氯元素的電負(fù)性大于溴元素，則叔丁基氯的能量低于叔丁基溴，(CH3)3C+Cl-的能量高于(CH3)3C+Br-，所以若將上述反應(yīng)體系中的叔丁基溴改為叔丁基氯，則E4—E3的值增大，C正確；D項(xiàng)，由圖可知，(CH3)3CBr的乙醇溶液生成(CH3)2C=CH2過(guò)程放出能量相較于生成(CH3)3COC2H5低，加入氫氧化鈉能與HBr反應(yīng)使得平衡正向移動(dòng)，適當(dāng)升溫會(huì)使平衡逆向移動(dòng)，放熱越小的反應(yīng)逆向移動(dòng)程度更小，因此可以得到較多的(CH3)2C=CH2，D正確；故選B。三、新型二次電池裝置利用化學(xué)反應(yīng)的可逆性，可以組建成一個(gè)新電池，即當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后，還可以用電能使化學(xué)體系修復(fù)，然后再利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，所以叫二次電池，又稱(chēng)為充電電池或蓄電池，二次電池已成為人類(lèi)社會(huì)不可或缺的儲(chǔ)能和供能設(shè)備。例3(2024·安徽卷，11)我國(guó)學(xué)者研發(fā)出一種新型水系鋅電池，其示意圖如下。該電池分別以Zn-TCPP(局部結(jié)構(gòu)如標(biāo)注框內(nèi)所示)形成的穩(wěn)定超分子材料和Zn為電極，以ZnSO4和KI混合液為電解質(zhì)溶液。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)中存在共價(jià)鍵和配位鍵B．電池總反應(yīng)為：I3-+ZnZn2++3I-C．充電時(shí)，陰極被還原的Zn2+主要來(lái)自Zn-TCPPD放電時(shí)，消耗0.65gZn，理論上轉(zhuǎn)移0.02mol電子【答案】C【解析】由圖中信息可知，該新型水系鋅電池的負(fù)極是鋅、正極是超分子材料；負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e-=Zn2＋，則充電時(shí)，該電極為陰極，電極反應(yīng)式為Zn2++2e-=Zn；正極上發(fā)生3I3-+2e-=3I-，則充電時(shí)，該電極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為3I--2e-=I3-。A項(xiàng)，標(biāo)注框內(nèi)所示結(jié)構(gòu)屬于配合物，配位體中存在碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳氮單鍵、碳氮雙鍵和碳?xì)滏I等多種共價(jià)鍵，還有由N提供孤電子對(duì)、Zn2+提供空軌道形成的配位鍵，A正確；B項(xiàng)，該電池總反應(yīng)為I3-+ZnZn2++3I-，B正確；C項(xiàng)，充電時(shí)，陰極電極反應(yīng)式為Zn2++2e-=Zn，被還原的Zn2+主要來(lái)自電解質(zhì)溶液，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn-2e-=Zn2＋，因此消耗0.65gZn(物質(zhì)的量為0.01mol)，理論上轉(zhuǎn)移0.02mol電子，D正確；故選C。【解題模型】【變式3】我國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種以和MnO2為電極材料的新型電池，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中①區(qū)、②區(qū)、③區(qū)電解質(zhì)溶液的酸堿性不同。放電時(shí)，電極材料學(xué)轉(zhuǎn)化為下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．放電時(shí)，電子從b電極經(jīng)過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳導(dǎo)到a電極B．放電時(shí)，a電極的電極反應(yīng)式為MnO2+4H++2e?=Mn2++2H2OC．充電時(shí)，③區(qū)溶液堿性增強(qiáng)D．充電一段時(shí)間后，②區(qū)K2SO4濃度增大【答案】D【解析】放電時(shí)，電極材料轉(zhuǎn)化為，電極反應(yīng)-2ne-=+2nK+，是原電池的負(fù)極，陽(yáng)離子增多需要通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入②區(qū)；二氧化錳得到電子變成錳離子，是原電池的正極，電極反應(yīng)：MnO2+4H?+2e?=Mn2++2H2O，陽(yáng)離子減少，多余的陰離子需要通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入②區(qū)，故③為堿性溶液是電極，b為負(fù)極，①為酸性溶液是二氧化錳電極，a為正極。A項(xiàng)，放電時(shí)，電子從負(fù)極到正極，所以b電極經(jīng)過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳導(dǎo)到a電極，A正確；B項(xiàng)，放電時(shí)，a電極為正極，電極反應(yīng)式為MnO2+4H?+2e?=Mn2++2H2O，B正確；C項(xiàng)，充電時(shí)，b電極方程式為：+2nK++2ne-=，③區(qū)溶液堿性在增強(qiáng)，C正確；D項(xiàng)，充電時(shí)，②區(qū)溶液中SO42-向①區(qū)遷移，②區(qū)K2SO4濃度減小，D錯(cuò)誤；故選D。四、多池多室?guī)る娀瘜W(xué)裝置交換膜隔離兩種電解質(zhì)溶液，避免負(fù)極材料與能發(fā)生反應(yīng)的電解質(zhì)溶液直接接觸，能提高電流效率。在這種裝置中，交換膜起到鹽橋作用，且優(yōu)于鹽橋(鹽橋需要定時(shí)替換或再生)。這類(lèi)試題均以“文字?jǐn)⑹?離子交換膜+電化學(xué)裝置圖”的方式呈現(xiàn)，考查的并不是離子交換膜的具體結(jié)構(gòu)，而是以離子交換膜在化學(xué)電源、電解制備物質(zhì)或電滲析等方面的實(shí)際應(yīng)用為載體，考查電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及基本的化學(xué)思想與方法。例4(2024·遼寧卷，12)“綠色零碳”氫能前景廣闊。為解決傳統(tǒng)電解水制“綠氫”陽(yáng)極電勢(shì)高、反應(yīng)速率緩慢的問(wèn)題，科技工作者設(shè)計(jì)耦合HCHO高效制H2的方法，裝置如圖所示。部分反應(yīng)機(jī)理為：。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．相同電量下H2理論產(chǎn)量是傳統(tǒng)電解水的1.5倍B．陰極反應(yīng)：2H2O+2e-=H2↑+2OH-C．電解時(shí)OH-通過(guò)陰離子交換膜向b極方向移動(dòng)D．陽(yáng)極反應(yīng)：【答案】A【解析】據(jù)圖示可知，b電極上HCHO轉(zhuǎn)化為HCOO-，而HCHO轉(zhuǎn)化為HCOO-為氧化反應(yīng)，所以b電極為陽(yáng)極，a電極為陰極，HCHO為陽(yáng)極反應(yīng)物，由反應(yīng)機(jī)理可知：反應(yīng)后生成的轉(zhuǎn)化為HCOOH。由原子守恒和電荷守恒可知，在生成HCOOH的同時(shí)還生成了H-，生成的HCOOH再與氫氧化鉀酸堿中和：HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，而生成的H-在陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氫氣，即2H--2e-=H2↑，陰極水得電子生成氫氣：2H2O+2e-=H2↑+2OH-。A項(xiàng)，陽(yáng)極反應(yīng)：①HCHO+OH--e-→HCOOH+H2，②HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，陰極反應(yīng)2H2O-2e-=H2↑+2OH-，即轉(zhuǎn)移2mol電子時(shí)，陰、陽(yáng)兩極各生成1molH2，共2molH2，而傳統(tǒng)電解水：2H2O2H2↑+O2↑，轉(zhuǎn)移2mol電子，只有陰極生成1molH2，所以相同電量下H2理論產(chǎn)量是傳統(tǒng)電解水的2倍，A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，陰極水得電子生成氫氣，陰極反應(yīng)為2H2O+2e-=H2↑+2OH-，B正確；C項(xiàng)，由電極反應(yīng)式可知，電解過(guò)程中陰極生成OH-，負(fù)電荷增多，陽(yáng)極負(fù)電荷減少，要使電解質(zhì)溶液呈電中性，OH-通過(guò)陰離子交換膜向陽(yáng)極移動(dòng)，即向b極方向移動(dòng)，C正確；D項(xiàng)，陽(yáng)極反應(yīng)涉及到：①HCHO+OH--e-→HCOOH+H2，②HCOOH+OH-=HCOO-+H2O，由(①+②)×2得陽(yáng)極反應(yīng)為：2HCHO+4OH--2e-=2HCOO-+2H2O+H2↑，故D正確；故選A。【解題模型】第一步：分清隔膜類(lèi)型。即交換膜屬于陽(yáng)膜、陰膜或質(zhì)子膜中的哪一種，判斷允許哪種離子通過(guò)隔膜。第二步：寫(xiě)出電極反應(yīng)式，判斷交換膜兩側(cè)離子變化，推斷電荷變化，根據(jù)電荷平衡判斷離子遷移方向。第三步：分析隔膜作用。在產(chǎn)品制備中，隔膜作用主要是提高產(chǎn)品純度，避免產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)，或避免產(chǎn)物因發(fā)生反應(yīng)而造成危險(xiǎn)?！咀兪?】某興趣小組用鉛酸蓄電池為電源，電解NaB(OH)4溶液制備H3BO3，電解的工作原理如圖，下列敘述錯(cuò)誤的是()A．鉛酸蓄電池中的PbO2電極為電源的X電極B．該電解裝置實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)：4NaB(OH)4+2H2O=4H3BO3+O2↑+2H2↑+4NaOHC．該裝置工作一段時(shí)間之后，理論上Ｍ室的變小D．理論上每生成1molH3BO3，鉛酸蓄電池中Y極增加的質(zhì)量為96g【答案】D【解析】電解NaB(OH)4溶液制備H3BO3，根據(jù)圖示，原料室中[B(OH)4]-通過(guò)Ⅱ膜進(jìn)入產(chǎn)品室、M室中H+通過(guò)Ⅰ膜進(jìn)入產(chǎn)品室，H+和[B(OH)4]-反應(yīng)生成B(OH)3；則M是陽(yáng)極室，M極發(fā)生反應(yīng)2H2O-4e-=4H++O2↑，N室是陰極室，發(fā)生反應(yīng)2H2O+2e-=H2↑+2OH-；原料室中鈉離子通過(guò)Ⅲ膜進(jìn)入N室生成氫氧化鈉，則X是電源正極、Y是負(fù)極。A項(xiàng)，M是陽(yáng)極室，則X為正極，鉛酸蓄電池中的PbO2電極為電源的正極，故A正確；B項(xiàng)，則M是陽(yáng)極室，M極發(fā)生反應(yīng)2H2O-4e-=4H++O2↑，N室是陰極室，發(fā)生反應(yīng)2H2O+2e-=H2↑+2OH-；原料室中鈉離子通過(guò)Ⅲ膜進(jìn)入N室生成氫氧化鈉，原