归纳与整理设计意图

《化学反应与能量》重难点专题突破

（第一课时）

一

详析化学反应中热量的变化

我们在做化学实验时，经常会感受到有热量的变化，比如钠与水的反应等，其实在化学反应中，不仅有物质的变化，即新物质的生成，而且还伴随着能量的变化，有的反应是吸热的，有的反应是放热的。而化学反应中物质变化的实质是旧化学键断裂和新化学键形成。

化学反应是化学科学研究的核心，化学反应过程中的物质变化要遵循质量守恒定律，而能量变化要遵循能量守恒定律。在化学反应过程中一定存在着能量的变化，而这些能量变化大多数表现为热量的变化，这就实现了化学能与热能的转化。

1．从化学键的角度理解

在化学变化前后，参加反应的原子的种类和个数并没有改变，只是进行了原子之间的重组和整合；原子进行重组、整合的过程，实际上就是反应物中化学键断裂和生成物中化学键形成的过程。由于反应物中化学键的断裂要消耗能量，而生成物中化学键的形成要释放能量，因此我们将化学反应中能量变化表示为

反应物――――――――――――→生成物

新化学键形成释放能量这样，当反应中吸收的能量大于释放的能量，则反应表现为吸收能量，该反应为吸热反应；

当反应中吸收的能量小于释放的能量，则反应表现为放出能量，该反应为放热反应。

【典例1】

已知：①1 mol H2分子中化学键断裂时需吸收436 kJ 的能量；②1 mol Cl2分子中化学键断裂时需吸收243 kJ的能量；③由氢原子和氯原子形成1 mol HCl分子时释放

431 kJ 的能量。则1 mol H2和1 mol Cl2反应生成氯化氢气体时的能量变化为(

) A．放出能量183 kJ

C．吸收能量248 kJ

B．吸收能量183 kJ D．吸收能量862 kJ 点燃旧化学键断裂吸收能量解析

根据反应的化学方程式：H2＋Cl2=====2HCl，可知在反应过程中，断裂1 mol H—H键、1 mol Cl—Cl键，同时形成2 mol H—Cl键。计算可知生成2 mol HCl气体时，吸收的热量为436 kJ＋243 kJ＝679 kJ，放出的热量为431 kJ×2＝862 kJ，故反应中放出的热量为862 kJ－679 kJ＝183 kJ，A对。

答案

A 特别提示

从化学键的角度看能量变化时，首先要明确物质内部的化学键的数目。要是对物质中化学键数目认识错误，就会导致错误的计算结果，比如每个水分子中含有的H—O键的数目为2个。

2．从化学能的角度理解

自然界中存在着成千上万种物质，但不同的物质能量不同，因此在化学反应前后反应物和生

成物所具有的能量也是不同的。我们还可以从化学能的角度，也就是从反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小来看一个化学反应的能量变化。

这样，反应物的总能量>生成物的总能量，则化学反应放出能量，该反应为放热反应；

反应物的总能量<生成物的总能量，则化学反应吸收能量，该反应为吸热反应。

【典例2】

下列有关化学反应中能量变化的理解，正确的是(

) A．凡是伴随能量变化的过程都是化学变化

B．在化学反应过程中总是伴随着能量的变化

C．在确定的化学反应中反应物的总能量一定等于生成物的总能量

D．在确定的化学反应中反应物的总能量总是高于生成物的总能量

解析

在化学变化中，既有物质的变化又有能量的变化，但是有能量变化的过程不一定就是化学变化，如水的三态变化。在确定的化学反应中，反应物的总能量不等于生成物的总能量，当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热；当反应物的总能量小于生成物的总能量时，反应吸热。

答案

B 二

从氧化还原反应原理分析原电池

原电池是把化学能转化为电能的装置。构成原电池的条件有哪些？是不是所有的化学反应均可以设计成原电池呢？在学习过程中，这些问题可能一直使同学们感到困惑，下面我们一起来分析，解开困惑。

1．原电池与氧化还原反应的关系

我们在学习氧化还原反应时，经常用单线桥或双线桥标注电子转移的方向和数目，如：

氧化还原反应中存在电子的得失，在该反应中，线桥仿佛是一根导线，假如电子能在导线上流动，就会由电子的转移变成电子的定向移动，也就形成了电流。因此，并不是所有的反应均可以设计成原电池，只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。

从单线桥上看，可将导线一端连接在锌极上，另一端当然不可能直接放在溶液中，因此可将另一端连接在一个能导电的电极上，如石墨电极。这样连接后，在整个装置中就会出现与原来不同的实验现象：氢气在石墨电极上大量产生。为什么会出现这样的现象呢？原因在于：当锌片直接放入硫酸溶液中时，锌失去的电子集中在锌片表面，溶液中的H在锌的表面获得电子生成氢气。而当锌、石墨共同放入硫酸溶液并用导线连接时，电子就会沿导线流向石墨电极，这样在石墨电极表面聚集了大量电子，溶液中的H移向石墨电极并获得这些电子生成氢气。在这个过程中，电子在导线中实现了定向移动，即形成了电流。这样，化学反应的化学能就转变成了电能，这样的装置我们称之为原电池。

2．原电池的构成

＋＋

从以上分析可以看出，原电池是由两个活动性不同的电极、电解质溶液构成的闭合回路，也就是说原电池的构造是：①两个活动性不同的电极；②电解质溶液；③闭合回路，如下图。

在原电池中，科学上规定把电子流出的一极称为负极(较活泼的金属)；把电子流入的一极(较不活泼的金属或惰性电极)称为正极。在上面的原电池中，锌为负极，发生氧化反应：Zn－2e===Zn2，石墨为正极，发生还原反应：2H＋2e===H2↑，这两个半反应恰好是氧化还－＋＋－原反应中的两个线桥。

也就是说，原电池实质上是将氧化反应和还原反应分到了两个电极上进行，使其分别成为一个“半反应”，因此，根据氧化还原反应方程式可以很容易地设计原电池装置。

【典例3】

人造地球卫星上使用的一种高能电池——银锌蓄电池，其电池的电极反应式为Zn＋2OH－2e===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e===2Ag＋2OH。据此判断Ag2O是(

) A．负极，被氧化

C．负极，被还原

B．正极，被还原

D．正极，被氧化

－－－－解析

由题给电极反应式可知，Ag2O得到电子，发生还原反应，作原电池的正极。

答案

B 3．电子的流向及离子的流向

整个原电池装置是一个闭合回路，在外电路中(导线)是靠电子的定向移动导电，在溶液中则是靠阴、阳离子的定向移动导电。在外电路中，电子是由负极流向正极，电流的方向与电子移动的方向相反，由正极流向负极。在溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，这里我们只需记住：阳离子一定移向发生还原反应的极，即阳离子一定是为获得电子而奔去。

原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)如下图所示：

【典例4】

铅蓄电池是典型的可充电电池，电动车的动力多数以铅蓄电池提供，其工作原理是原电池放电原理。关于铅蓄电池的说法正确的是(

) A．在放电时，正极发生的反应是Pb＋SO24－2e===PbSO4

－－

B．在放电时，该电池的负极材料是铅板

C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小

D．在充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e===Pb＋SO24

－－解析

铅蓄电池是生活中最常见的可充电电池，正确判断出两极并书写电极反应式是解决本类问题的关键。铅蓄电池是原电池中要求掌握的内容，其总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4放电充电2PbSO4＋2H2O，根据总反应式中化合价的升降可判断出两极：放电时Pb为负极、PbO2为正极，充电时Pb为阴极产物、PbO2为阳极产物；电极反应：放电时负极2反应为Pb＋SO24－2e===PbSO4，正极反应为PbO2＋4H＋SO4＋2e===PbSO4＋2H2O；－－＋－－充电时阴极反应为PbSO4＋2e===Pb＋SO24，阳极反应为PbSO4＋2H2O－2e===PbO2＋4H－－－＋＋SO24。

－＋－书写过程中要特别注意电极产物Pb2与SO24不共存，要发生反应生成PbSO4。根据充电时的总反应，可判断出充电时硫酸的浓度不断增大。另外，该电池中，SO24在放电时移向负－极Pb、充电时移向阳极PbSO4；H与之相反。

答案

B 理解感悟

如果正确理解了原电池的工作原理，就能准确回答这个问题：放电时，负极Pb被氧化为PbSO4，充电时应将PbSO4

还原为Pb，故充电时该极应作阴极，与电源负极相连；正极PbO2被还原为PbSO4，充电时应将PbSO4氧化为PbO2，故该极应作阳极，与电源正极相连。故充电时的原则是“＋接＋，－接－”。

另外，对于铅蓄电池，根据放电时总反应式，H2SO4的浓度会不断减小，所以应定期补充H2SO4。

三

原电池正极和负极的判断方法

1．根据电极材料判断

一般是活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

2．根据电流方向或电子流动方向判断

电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。

3．根据原电池里电解质溶液中离子的移动方向

在原电池的电解质溶液中，阳离子移向的极为正极，阴离子移向的极为负极。

4．根据原电池两极发生的变化判断

原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应。

5．根据现象判断

溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。

特别提示

在判断原电池正、负极时，不要只根据金属活动性的相对强弱，有时还与电解质溶液有关，如Mg－Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属性Mg>Al，但在该条件下却是Al作负极。因此要根据具体情况来判断正、负极。

＋

【典例5】

根据反应：2Ag＋Cu===Cu2＋2Ag，设计如图所示原电池，＋＋下列说法错误的是(

) A．X可以是银或石墨

B．Y是硫酸铜溶液

C．电子从铜电极经外电路流向X电极

D．X极上的电极反应式为Ag＋e===Ag 解析

由电池反应2Ag＋Cu===2Ag＋Cu2可知，铜作负极，电极反应为Cu－2e===Cu2；＋＋－＋＋－X为正极，可以是比铜不活泼的银或石墨等，电极反应为Ag＋e===Ag；电解质溶液中需含有Ag，故B说法错误。

答案

B 【典例6】

氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：

＋＋－

(1)氢氧燃料电池能量转化的主要形式是____________________，在导线中电子移动方向为________(用a、b表示)。

(2)负极反应式为_____________________________________________________。

(3)电极表面镀铂粉的原因是_______________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，其吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li＋H2=====2LiH Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是________________，反应Ⅱ中的氧化剂是________________；

②已知LiH固体密度为0.82 g·cm3，用锂吸收224 L(标准状况下)H2，生成的LiH体积与被－△吸收的H2体积比为_____________________________________________________________；

③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。

解析

(1)燃料电池是利用原电池工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接转化成电能的装置。根据装置图可以判断该燃料电池的总反应方程式为2H2＋O2===2H2O，其中H2是还原剂，在反应中失去电子，发生氧化反应，所以通入H2的一极为电源的负极，电子从负极出发经过外电路流向正极。

(2)负极为失去电子的一极，即H2－2e===2H，由于溶液是碱性的，故电极反应式左、右应各加上OH，因此负极反应式为H2＋2OH－2e===2H2O。

(3)借助题干给的信息“铂吸附气体的能力强”，说明铂的作用是吸附H2和O2，铂粉的特点是单位质量其表面积大，与H2和O2的接触面积大，吸附H2和O2的效率高，可以加快燃料电池的反应速率。

00－－－－＋(4)①观察反应Ⅰ中各元素化合价的变化：2Li＋H2=====2LiH，由于还原剂在反应时所含元＋1－1＋1－2△＋1－1素的化合价升高，所以金属Li是还原剂。观察反应Ⅱ中各元素化合价的变化：LiH＋H2O

＋1－2＋10===LiOH＋H2↑，由于氧化剂在反应时所含元素的化合价降低，所以水是氧化剂。

molmLiH20 mol×8 g·②由反应Ⅰ，当吸收10 mol H2时，则生成20 mol LiH，V(LiH)＝＝－ρLiH0.82 g·cm3VLiH0.195 12 L－≈195.12 cm3＝0.195 12 L；＝≈8.71×104。

224 LVH2③根据反应Ⅱ，20 mol LiH可生成20 mol H2，由于能量转化率为80%，所以产生电能的H2的物质的量为20 mol×80%＝16 mol,1 mol H2转化成1 mol H2O时，转移2 mol e，所以16 mol H2可转移32 mol e。

答案

(1)由化学能转变为电能

由a到b (2)2H2＋4OH－4e===4H2O或(H2＋2OH－2e===2H2O) (3)增大电极单位面积吸附H2、O2分子数，加快电极反应速率

(4)①Li

H2O

②8.71×104

③32 －－－－－－－－11或1 148四

原电池的电极反应及其书写方法

电极上物质的变化情况以及电子的转移情况可用电极反应式来表明。在原电池中，氧化反应和还原反应是分别在两个电极上进行的，每个电极上只发生一个方向的电子转移，相当于氧化还原反应的一半，常称为半反应。这种在电极上进行的半反应叫做电极反应。电极反应总是涉及含有同一元素但价态不同的两种物质，一种处于较高价态，另一种处于较低价态。以Cu－Zn(H2SO4)原电池为例：

负极反应：Zn－2e===Zn2(氧化反应)，正极反应：2H＋2e===H2↑(还原反应)。

－＋＋－而电池总反应则为电池中正、负极反应式在电量相等情况下的加和式，一般是一个自发的、完整的氧化还原反应。例如原电池的电池总反应：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑(化学方程式)，Zn＋2H===Zn2＋H2↑(离子方程式)。

＋＋

【典例7】

钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下说法正确的是(

) A．负极发生的反应为Fe－2e===Fe2

－＋B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e===4OH

C．原电池是将电能转变为化学能的装置

D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀

解析

选项

A B C D 答案

A 1．电极反应式书写的几种情况

(1)可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池的电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向反应都能进行，所以要明确电池和电极，放电时为原电池，充电时为电解池。原电池的负极反应为放电方向的氧化反应；原电池的正极反应为放电方向的还原反应。

(2)根据给出电极反应式书写总反应式

根据给出的两个电极反应式，书写总反应式时，首先要使两个电极反应式的得失电子数相等，再将两式相加，然后消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意，若反应式同侧出现不能大量共存的离子，如H和OH、Pb2和SO24，要写成反应后的物质，即H2O和PbSO4。

＋－＋－－－正误

√

×

×

×

－理由

负极发生的反应为Fe－2e===Fe2，Fe作负极，C作正极。

＋正极发生的反应为O2＋2H2O＋4e===4OH。

原电池是将化学能转变为电能的装置。

水下部分溶解氧的浓度比交界处小，因而腐蚀比交界处慢。

－－(3)燃料电池电极反应式的书写

书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸还是碱。在酸性电解质溶液中，电极反应式不要出现OH；在碱性电解质溶液中，电极反应式不要出现H。同时还要分清燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……)，但无论是哪一种燃料，在碱性条件下，正极反应式都是一样的，即O2＋2H2O＋4e===4OH，若是酸性条件下，则正极反应式为O2＋4H＋4e===2H2O。如果是含碳燃料时，负极反应式的书写同甲烷燃料电池的书写，只是需要考虑用电荷守恒来配平不同的计量数。

2．几种燃料电池的电极反应式及总反应式

(1)氢氧燃料电池

在不同的介质中发生的电极反应归纳如下：

介质

电池反应：2H2＋O2===2H2O

＋－－－－＋

酸性(H) ＋负极

正极

负极

正极

负极

正极

2H2－4e===4H

O2＋4H＋4e===2H2O

2H2－4e===4H

O2＋2H2O＋4e===4OH

2H2－4e＋4OH===4H2O O2＋2H2O＋4e===4OH

－－－－－－－＋＋－－＋中性(Na2SO4) 碱性(OH)

(2)甲醇燃料电池

－电解质：KOH；正极反应式：3O2＋6H2O＋12e===12OH；负极反应式：2CH3OH＋16OH－－－－12e===2CO23＋12H2O；总反应式：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。

－－(3)肼燃料电池

电解质：KOH；正极反应式：O2＋2H2O＋4e===4OH；负极反应式：N2H4＋4OH－4e===N2＋4H2O；总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O。

【典例8】

科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电，电池负极反应式为(

) A．H2＋2OH－2e===2H2O B．O2＋4H＋4e===2H2O C．H2－2e===2H

D．O2＋2H2O＋4e===4OH

解析

根据题给信息，该燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O；电解液为酸性溶液，电极反应式中不能出现OH，A错误；又因为燃料电池中负极通入氢气，正极通入氧气，B、D错误。

答案

C －－－－＋＋－－－－－－－