第二章 化学反应与能量
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第二章 化学反应与能量

第二章 化学反应与能量

本章概述--整体感知,所向无敌

本章主要学习化学能与热能的相互转化及与化学键的关系,化学能与电能的相互转化及其应用,化学反应速率的表示方法、化学反应的限度及其在实际生产的应用。这部分知识属于化学基本原理,与实际生活联系密切,在学习过程中要注重联系实际,联系化学键、氧化还原反应等知识,很好地理解并归纳总结其中的规律和方法。

          章末总结与测评

知识网络--靠本抓纲,洞悉全章

一、化学反应与能量

二、化学反应的速率和限度

专题整合--方法技巧,制胜法宝

  一、原电池的设计

  1. 首先将已知氧化还原反应拆成两个半反应;

  2. 根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应确定正负极材料及电解液;

  (1)电解质溶液的选择

电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应,或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如在铜一锌一硫酸铜构成的原电池中,负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中,而正极铜浸泡在含有Cu2+的溶液中。

  (2)电极材料的选择

  在原电池中,选择还原性较强的物质作为负极,氧化性较强的物质作为正极。并且,原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料(也可以是还原性较强的非金属材料如H2、CH4等)

  3. 按要求画出原电池装置图。

例1、根据反应:Zn+CuSO4=== ZnSO4+Cu,选择适宜的材料和试剂设计一个原电池。

(1)负极材料 ,电解质溶液是 。

(2)写出电极反应式:正极: ;负极: 。

(3)画出装置图,并标明各部分材料名称

解析:根据反应:Zn+CuSO4=== ZnSO4+Cu,Zn被氧化,应该用锌作负极,活泼性比锌弱的金属(如铜、银、铂等)或碳作正极,以CuSO4溶液作电解质溶液,来组成原电池。

答案:(1)锌片 CuSO4溶液 (2)Cu2++2e- === Cu Zn-2e- === Zn2+

(3)装置图如下图:

变式训练1.某原电池总反应式为:2Fe3++Fe ===3Fe2+,不能实现该反应的原电池是( )

  A. 正极为Cu、负极为Fe,电解质溶液为FeCl3溶液

  B. 正极为C、负极为Fe,电解质溶液为Fe(NO3)3溶液

  C. 正极为Ag、负极为Fe,电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液

  D. 正极为Ag、负极为Fe,电解质溶液为CuSO4溶液

  二、可逆反应与化学平衡

  1. 可逆反应

  在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的反应,叫做可逆反应。绝大部分的反应都存在可逆性。

  在定义可逆反应时,有一个必要的前提,那就是反应物和产物必须同时存在于同一反应体系中,而且在相同条件下,正、逆反应都能够自动进行。不能满足这个前提的化学反应体系,就不能认为是可逆性的。

2. 可逆反应的特点

  (1)反应不能进行到底。可逆反应无论进行多长时间,反应物都不可能100%地全部转化为生成物.

(2)可逆反应一定是同一条件下能互相转换的反应,如二氧化硫、氧气在催化剂、加热的条件下,生成三氧化硫;而三氧化硫在同样的条件下可分解为二氧化硫和氧气。   

(3)在理想的可逆过程中,无摩擦、电阻、磁滞等阻力存在,因此不会有功的损失。

3. 化学平衡状态

  在一定条件下,当正、逆两个方向的反应速率相等时,反应体系中所有参加反应的物质的质量 (溶液中表现为浓度)可以保持恒定。这时的状态也就是在给定条件下,反应达到了"限度"。对于可逆反应体系来说,我们称之为"化学平衡状态"。这时正、逆变化过程虽然仍在继续,如果不采用特殊的方法或技术,实际观察到的是一种"反应停止了"的虚假表面现象。由此我们可以总结出以下的认识:

  (1)构成化学平衡体系的基本要求是反应物和所有产物均处于同一反应体系中,反应条件(温度、压强等)保持不变。

  (2)达到化学平衡状态时,体系中所有反应物和生成物的质量(或浓度)保持不变。但是这个体系中的反应并没有停止,只是正、逆反应的速率相等。

4. 可逆反应达平衡的判断

  (1)速率 V正=V逆(不为0)

  (2)①各物质的量百分含量保持不变;

  ②各物质的浓度不随时间改变;

  ③各物质的物质的量不随时间改变;

  (3)如果是有气体的反应,混合气体的总压强或总物质的量不随时间变化。(当反应两端气体计量系数之和不等时)

  (4)如果是气体的反应,混合气体的平均相对分子质量不变(气体总质量和总物质的量同时不变的除外)。

例2、在一恒容密闭容器中注入NO2,在25℃时建立下列平衡:2NO2(g) N2O4(g) △H<0,若把容器置于100℃的沸水中,下列情况:①颜色、②气体平均相对分子质量、③质量、④压强、⑤密度中不变的是( )

  A. ③⑤      B. ③④    

  C. ②④       D. ①③

解析:该体系中NO2为红棕色,NO2的浓度变化,气体的颜色就会变化;气体平均相对分子质量=,把容器置于100℃的沸水中,平衡逆移,气体总质量m不变,但气体的总物质的量n变大,气体平均相对分子质量变小,体系的压强变大;密度=,气体总质量m不变,恒容密闭容器的体积V也不变,密度也不变。答案为A项。

答案:A

变式训练2. (2009天津学业水平测试)已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)(正反应放热)。若在500℃和催化剂的作用下,该反应在容积固定的密闭容器中进行,下列有关说法正确的是( )

A.若降低温度,可以加快反应速率

B.使用催化剂是为了加快反应速率

C.在上述条件下,SO2能完全转化为SO3

D.达到平衡时,SO2和SO3的浓度一定相等

单元测评--学以致用,战无不胜

一、选择题(共15小题,每小题3分,共45分,每小题只有一个选项符合题意)

1. (2009山东学业水平考试)下列过程中需要吸收热量的是( )

  A. H2→2H B. 2H2+O2 ===2H2O

  C. CaO+H2O ===Ca(OH)2 D. 2Cl→C12

2. 下列关于化学反应与能量的说法正确的是( )

  A.化合反应一定是放热反应

B.化学键的断裂和形成与反应放热和吸热无关

C.反应物的总能量与生成物的总能量一定相等

  D.化学反应中既有物质变化又有能量变化

3. (2009湖南学业水平测试)化学反应伴随着能量的变化。下列过程中的能量变化不是由化学反应引起的是( )

A. 天然气燃烧

B. 中和反应

C. 冰的熔化

D. Ba(OH)2?8H2O晶体与氯化铵晶体反应

4. (2010江苏学业水平测试)对于反应中的能量变化,表述正确的是( )

A.放热反应中,反应物的总能量大于生成物的总能量

B.断开化学键的过程会放出能量

C.加热才能发生的反应一定是吸热反应

D.氧化反应均为吸热反应

5. 已知反应X+Y===M+N为放热反应,下列有关说法正确的是( )

  A. X的能量一定高于M

  B. Y的能量一定高于N

  C. X和Y的总能量一定高于M和N的总能量

  D. 因该反应为放热反应,所以一定不必加热就可以发生

6. 下列有关能量转换的说法不正确的是( )

  A. 煤燃烧是化学能转化为热能的过程

  B. 化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能

  C. 动物体内葡萄糖被氧化成CO2是热能转变成化学能的过程

  成化学能的过程

  D. 植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变

7. 某原电池的总反应离子方程式为:

Zn+Cu2+===Zn2++Cu

则该原电池的正确组成可以是下列的( )

8. 电子计算机所用钮扣电池的两极材料为锌和氧化银,电解质溶液为KOH溶液,其电极反应是: Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-,下列判断不正确的是( )

  A. 锌为正极,Ag2O为负极

  B. 锌为负极,Ag2O为正极

  C. 原电池工作时,负极区溶液pH减小

  D. 原电池工作时,正极区溶液pH增大

9. (2010江苏学业水平测试)氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上,其反应原理示意图如下图。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是( )

  A.该电池工作时电能转化为化学能

  B.该电池中电极a是正极

  C.外电路中电子由电极b通过导线流向电极a

  D.该电池的总反应:2H2+O2===2H2O

10. (2009山东学业水平考试)下列关于反应速率的说法错误的是( )

  A. 反应速率用于衡量化学反应进行的快慢

  B. 可逆反应达到化学平衡状态时,正、逆反应速率都为0

  C. 决定反应速率的主要因素是反应物的性质

  D. 增大反应物浓度,提高反应温度都能增大反应速率

11. 在一定条件下,N2和H2在密闭容器内反应合成NH3。下列说法不正确的是( )

A. 反应开始时,正反应速率最大,逆反应速率为零

B. 随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后为零

C. 随着反应的进行,逆反应速率逐渐增大,最后不变

D. 随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,最后不变

12. 化学反应限度的调控在工业生产和环保技术等方面得到了广泛的应用,如果设法提高化学反应的限度,下面的说法错误的是(  )

  A.能够节约原料和能源

  B.能够提高产品的产量

  C.能够提高经济效益

  D.能够提高化学反应速率

13. 在铜―锌―硫酸构成的原电池中,当导线中有1mol电子通过时,理论上的两极变化是( )

  ①锌片溶解32.5g ②锌片增重32.5g ③铜片上析出1gH2 ④铜片上析出1mol H2

  A. ①③ B. ①④ C. ②③ D. ②④

14. 已知某反应aA(g)+ bB(g)2C(g)的各物质浓度数据如下:

A

B

C

起始浓度(mol/L)

3.0

1.0

0

2s末浓度(mol/L)

1.8

0.6

0.8

据此可推算出上述方程式中各物质的化学计量数之比是(  )

A. 9:3:4 B. 3:1:2

C. 2:1:3 D. 3:2:1

15. (2009山东理综)2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)是制备硫酸的重要反应。下列叙述正确的是( )

  A. 催化剂V2O5不改变该反应的逆反应速率

  B. 增大反应体系的压强,反应速度一定增大

  C. 该反应是放热反应,降低温度将缩短反应达到平衡的时间

  D. 在t1、t2时刻,SO3(g)的浓度分别是c1,c2,则时间间隔t1~t2内,SO3(g)生成的平均速率为ν=

二、填空题(本题包括6个小题,共55分)

16. (12分)氢能源是21世纪极具发展前景的新能源之一,它既是绿色能源,又可循环使用。

 (1)请在下图的两个空格中填上循环过程中反应物和生成物的分子式,以完成理想的氢能源循环体系图(循环中接受太阳能的物质在自然界中广泛存在)。

(2)从能量转换的角度看,过程Ⅱ应是_________能转化为_________能。

(3)该燃料电池中以KOH溶液作电解质溶液,请写出该电池的电极反应式:

负极____________________________________;

正极____________________________________。

17. (6分)一个完整的氧化还原反应方程式可以拆分,写成两个"半反应式"一个是"氧化反应"式,一个是"还原反应"式。如2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+ ,可以写成氧化反应:Cu-2e-===Cu2+,还原反应:2Fe3++2e-===2Fe2 +。

(1)根据以上信息将反应3Cu+8H++2NO3-===3Cu2++2NO↑+4H2O 拆分为两个"半反应式"。

氧化反应:_________________________;

还原反应:__________________________。

(2)已知甲烷燃料电池的半反应式分别为CH4+10OH--8e-===CO32-+7H2O; O2+2H2O+4e- ===4OH-,则总反应为______________________________。

18. (12分)在下列事实中,什么因素影响了化学反应的速率?

 (1)集气瓶中有H2和Cl2的混合气体,在瓶外点燃镁条时发生爆炸______________;

 (2)夏天的食品易变霉,冬天不易发生该现象_____________________;

 (3)KI晶体和HgCl2晶体混合后无明显现象,若一起投入水中,很快生成红色HgI2_______________;

 (4)熔化的KClO3放出气泡很慢,撒入少量MnO2很快产生气体________________;

 (5)同浓度同体积的盐酸中放入同样大小的锌粒和镁块,产生气体有快有慢________________;

 (6)同样大小的石灰石分别在0.1mol·L-1的盐酸和1mol·L-1的盐酸中反应速率不同________________;

19. (9分)依据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s) ===Cu2+(aq) +2Ag(s)设计的原电池如图所示。

请回答下列问题:

(1)电极X的材料是____________;电解质溶液Y是____________;

(2)银电极为电池的_________极,发生的电极反应为________________________;X电极上发生的电极反应为___________________________;

(3)外电路中的电子是从_________电极流向_________电极。

20. (8分)一定温度下在某定容容器中发生反应:2A(g) +3B(g) ===2C(g),开始时,A的浓度为2 mol·L -1,B的浓度是4 mol·L-1 ,2 min后,A的浓度减少0.8 mol·L-1 ,则

 (1)v(B) =___________,v(C) =____________。

 (2)在2min末,C的浓度是____________,B的浓度是____________。

21. (8分)在1×105Pa和298K时,将1mol气态AB分子分离成气态A原子和B原子所需要的能量成为键能(kJ·mol-1)。下面是一些共价键的键能:(已知氨分子中有三个等价的氮氢共价键)

共价键

H2分子

N2分子

NH3分子

键能(kJ·mol-1)

436

945

391

(1)根据上表中的数据判断工业合成氨的反应是___________(填"吸热"或"放热")反应;

(2)在298K时,取1mol N2和3mol H2放入一密闭容器中,在催化剂存在下进行反应。理论上放出或吸收的热量为Q1,则Q1为______________;

  (3)实际生产中,放出或吸收的热量为Q2,Q1与Q2比较,正确的是___________。

A. Q1>Q2 B. Q1

如此选择的理由________________________________________________。

专题整合

变式训练

1. D解析:若正极为Ag、负极为Fe,电解质溶液为CuSO4溶液,则其电池总反应式为:Fe+Cu2+===Fe2++ Cu,与原总反应式不符,D项不正确。

2. 解析:若降低温度,反应速率减小,A项不正确;该反应为可逆反应,SO2不可能完全转化为SO3,C项不正确;达到平衡时,SO2和SO3的浓度不一定相等,D项不正确。

答案:B

单元检测题

1. A 解析:H2→2H,需打开H2中的化学键,因此需要吸收热量,答案为A项。

2. D解析:化合反应不一定是放热反应;化学键的断裂和形成是化学反应中的热量变化的主要原因;反应物的总能量与生成物的总能量不相等,才使反应表现为吸热或放热。

3. C解析:冰的熔化是物理变化,答案为C项。

4. A解析:断开化学键需要吸收能量,B项不正确;有些放热反应也需要加热才能进行,C项不正确;大多数自发进行的氧化还原反应是放热反应,D项不正确。

5. C解析:反应X+Y===M+N为放热反应,说明X和Y的总能量高于M和N的总能量,C项正确;X的能量不一定高于M,Y的能量也不一定高于N;放热反应有时也需要加热才能发生。

6. C解析:煤燃烧是化学能转化为热能的过程,A项正确;化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能,B项正确;动物体内葡萄糖被氧化成CO2是化学能转变成热能的过程,C项不正确;植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成化学能的过程,D项正确。故答案为C项。

7. C解析:该原电池的负极必须是锌,正极是活泼性比锌弱的电极,电解液中含Cu2+,符合条件的只有C装置。

8. A解析:根据总反应式,锌发生氧化反应,Ag2O发生还原反应,所以锌为负极,Ag2O为正极,A项不正确。

9. D解析:燃料电池是将化学能转化为电能,A项不正确;a极通入H2发生氧化反应,是电池的负极,B项不正确;外电路中电子由负极流向正极,即由电极a通过导线流向电极b,D项不正确。

10. B解析:可逆反应达到化学平衡状态时,正、逆反应速率相等但均不为0,B项错误 。

11. B解析:随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,逆反应速率逐渐增大最后达平衡时二者相等但均不为零,B项不正确。

12. D解析:化学反应的限度与反应速率之间没有直接关系,提高化学反应的限度,反应速率不一定增大,同样增大反应速率,化学反应的限度不一定能提高。

13. A解析:该电池中负极反应式为:Zn-2e-===Zn2+,当有1mol电子通过时,锌片溶解0.5mol,即32.5g,①正确,②不正确;正极反应式为:2H++ 2e-===H2↑,当有1mol电子通过时,铜片上析出0.5molH2,即1g,③正确,④不正确,故答案为A项。

14. B解析:2s内A、B、C的浓度变化分别为1.2 mol/L、0.4 mol/L和0.8 mol/L,其比例为1.2:0.4:0.8=3:1:2,即方程式中各物质的化学计量数之比是3:1:2。

15. D解析:催化剂可以同等程度的改变正逆反应速率,A项不正确;增大反应体系压强的方法有许多种,当向反应体系中充入无关气体时,压强增大,但反应速率不变,B项不正确;降低温度减慢反应速率,达到平衡的时间增长,C项不正确;反应速率就是用某一时间段内浓度的变化值除以反应时间,ν(SO3)==,D项正确,故答案为D项。

16. (1)H2O H2和O2 (2)化学 电

(3)2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH-

17. (1)3Cu-6e-===3Cu2+

8H++2NO3-+6e-===2NO↑+4H2O

(2)CH4+2O2+2OH - === CO32-+3H2O

18. (1)光 (2)反应温度

(3)在溶液中,水做溶剂,增大了接触面积

(4)催化剂 (5)反应物本身的性质

(6)反应物的浓度

19. (1)Cu AgNO3

(2)正 2Ag++2e-===2Ag Cu-2e-===Cu2+

(3)铜 银

解析:(1)根据电池总反应:2Ag+(aq)+Cu(s) ===Cu2+(aq) +2Ag(s),图中应是铜与CuSO4溶液构成半反应,银与AgNO3溶液构成半反应,故电极X的材料是Cu,电解质溶液Y是AgNO3。

(2)根据电池总反应中氧化还原关系,银电极为电池的正极,发生还原反应:Ag+ +e -===Ag;X(铜)电极为电池的负极,发生氧化反应:Cu-2e -==Cu2+。

(3)原电池中外电路中的电子由负极流向正极,即从铜极流向银极。

20. (1)v (B) = 0. 6 mol · L -1 ·min-l

v (C) = 0.4 mol · L -1 ·min-l

(2)c (C) =0. 8 mol /L c (B) = 2. 8 mol / L

21. (1)放热; (2)93kJ

(3)A 该反应为可逆反应,不能进行到底,故实际放出的热量Q2要小于理论值Q1。

解析:工业合成氨的反应方程式:N2+3H22NH3,断开1mol N2中的化学键需吸收945kJ能量,断开3mol H2中的化学键需吸收436kJ×3=1308kJ能量,形成2 mol NH3中的化学键需放出391kJ×6=2346 kJ能量,若1mol N2和3mol H2完全反应生成2 mol NH3能放出热量2346 kJ-945kJ-1308kJ=93kJ。由于该反应为可逆反应,不能进行到底,实际放出的热量Q2比理论值Q1要小。

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