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第二章化学反应与能量

【要点梳理】

要点一、化学能与热能

1．化学反应中能量变化的本质是化学键的断裂和形成。其中断键吸收能量，成键放出能量。

2．化学反应中能量变化与反应物、生成物能量的关系：

反应物的总能量＞生成物的总能量，反应放出能量(放热反应)。

反应物的总能量＜生成物的总能量，反应吸收能量(吸热反应)。

3．反应中化学能与热能的相互转化

(1)化学能转化为热能—放热反应

常见的放热反应：①所有的燃烧与缓慢氧化②酸碱中和反应③金属与酸反应制取氢气

④大多数化合反应(特殊：C＋CO2(2)热能转化为化学能——吸热反应

常见的吸热反应：①以C、H2、CO为还原剂的氧化还原反应如：C(s)＋H2O(g)CO(g)

＋H2(g) ②铵盐和碱的反应如Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl＝BaCl2＋2NH3↑＋10H2O ③大多数分解反应如KClO3、KMnO4、CaCO3的分解等

(3)化学能与热能的相互转化

反应物的总能量大于生

放热反应

成物的总能量

类型

化

学遵循能量反应物的总能量小于生能能

量守恒原理

吸热反应

成物的总能量

转

变化

化为减少污染

燃料充分燃烧

热能量

能利用

1

新能源的开发

△

△

2CO是吸热反应)

4．中和热：酸与碱发生中和反应生成1mol H2O时所释放的热量称为中和热。

5．能源的分类：

形成条件

一次能源

新能源

二次能源

利用历史

常规能源

可再生资源

不可再生资源

性质

水能、风能、生物质能

煤、石油、天然气等化石能源

太阳能、风能、地热能、潮汐能、沼气

(一次能源经过加工、转化得到的能源称为二次能源) 电能(水电、火电、核电)、蒸汽、工业余热、酒精、汽油、焦炭等

要点二、化学能与电能

1．原电池

(1)概念：把化学能直接转化为电能的装置叫做原电池。

(2)原电池的工作原理：通过氧化还原反应(有电子的转移)把化学能转变为电能。

(3)构成原电池的条件：①电极为导体且活泼性不同；②两个电极接触(导线连接或直接接触)；③两个相互连接的电极插入电解质溶液中构成闭合回路。

(4)电极名称及发生的反应：

负极：较活泼的金属作负极，负极发生氧化反应，

－电极反应式：较活泼金属－ne＝金属阳离子

负极现象：负极溶解，负极质量减少。

正极：较不活泼的金属或石墨作正极，正极发生还原反应，

－电极反应式：溶液中阳离子＋ne＝单质

正极的现象：一般有气体放出或正极质量增加。

(5)原电池正负极的判断方法：

①依据原电池两极的材料：

较活泼的金属作负极(K、Ca、Na太活泼，不能作电极)；

较不活泼金属或可导电非金属(石墨)、氧化物(MnO2)等作正极。

②根据电流方向或电子流向：(外电路)的电流由正极流向负极；电子则由负极经外电路流向原电池的正极。

③根据内电路离子的迁移方向：阳离子流向原电池正极，阴离子流向原电池负极。

④根据原电池中的反应类型：

负极：失电子，发生氧化反应，现象通常是电极本身消耗，质量减小。

正极：得电子，发生还原反应，现象是常伴随金属的析出或H2的放出。

(6)原电池电极反应的书写方法：

①原电池反应所依托的化学反应原理是氧化还原反应，负极反应是氧化反应，正极反应是还原反应。因此书写电极反应的方法归纳如下：

a.写出总反应方程式。

b.把总反应根据电子得失情况，分成氧化反应、还原反应。

c.氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，反应物和生成物对号入座，注意酸碱介质和水等参与反应。

②原电池的总反应式一般把正极和负极反应式相加而得。

2

(7)原电池的应用：①加快化学反应速率，如粗锌制氢气速率比纯锌制氢气快；

②比较金属活动性强弱；③设计原电池；④金属的腐蚀。

2．发展中的化学电源(只要求了解正负极材料、电解质溶液和其用途) (1)干电池(一次电池)：活泼金属作负极，被腐蚀或消耗。如：Cu－Zn原电池、锌锰电池。

(2)充电电池(二次电池)：两极都参加反应的原电池，可充电循环使用。如铅蓄电池、锂电池和银锌电池等。

(3)燃料电池：两电极材料均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引入到两极上的物质发生反应，如H2、CH4燃料电池，其电解质溶液常为碱性试剂(KOH等)。

要点三、化学反应的速率和限度

1．化学反应的速率

(1)概念：化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量(均c(B)n(B)取正值)来表示。

计算公式：v(B)＝＝

tVt①单位：mol/(L·s)或mol/(L·min) ②B为溶液或气体，若B为固体或纯液体不计算速率。

③以上所表示的是平均速率，而不是瞬时速率。

④重要规律：a.速率比＝方程式系数比；b.变化量比＝方程式系数比

(2)影响化学反应速率的因素：

内因：由参加反应的物质的结构和性质决定的(主要因素)。

外因：①温度：升高温度，增大速率

②催化剂：一般加快反应速率(正催化剂) ③浓度：增加反应物的浓度，增大速率(溶液或气体才有浓度可言) ④压强：增大压强，增大速率(适用于有气体参加的反应) ⑤其它因素：如光(射线)、固体的表面积(颗粒大小)、反应物的状态(溶剂)、原电池等也会改变化学反应速率。

2．化学反应的限度—化学平衡

(1)化学平衡的定义：在一定条件下，当一个可逆反应进行到正向反应速率与逆向反应速率相等时，反应物和生成物的浓度不再改变，达到表面上静止的一种“平衡状态”，这就是这个反应所能达到的限度，即化学平衡状态。

化学平衡的移动受到温度、反应物浓度、压强等因素的影响。催化剂只改变化学反应速率，对化学平衡无影响。

在相同的条件下同时向正、逆两个反应方向进行的反应叫做可逆反应。通常把由反应物向生成物进行的反应叫做正反应。而由生成物向反应物进行的反应叫做逆反应。

在任何可逆反应中，正反应进行的同时，逆反应也在进行。可逆反应不能进行到底，即是说可逆反应无论进行到何种程度，任何物质(反应物和生成物)的物质的量都不可能为0。

(2)化学平衡状态的特征：逆、动、等、定、变。

①逆：化学平衡研究的对象是可逆反应。

②动：动态平衡，达到平衡状态时，正逆反应仍在不断进行。

3

③等：达到平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等，但不等于0。即v正＝v逆≠0。

④定：达到平衡状态时，各组分的浓度保持不变，各组成成分的含量保持一定。

⑤变：当条件变化时，原平衡被破坏，在新的条件下会重新建立新的平衡。

(3)判断化学平衡状态的标志：

①vA(正方向)＝vA(逆方向)或nA(消耗)＝nA(生成)(不同方向同一物质比较) ②各组分浓度保持不变或百分含量不变

③借助颜色不变判断(有一种物质是有颜色的) ④总物质的量或总体积或总压强或平均相对分子质量不变（前提：反应前后气体的总物质的量不相等的反应适用，即如对于反应xA(g)＋yB(g)zC(g)，x＋y≠z。

【同步学习】一、化学能与热能

活动一：巩固化学能与热能的关系

例1. 1 molH–I 键的键能是299KJ。

1mol I – I 键的键能是151KJ，

1mol H–H键的键能是436KJ，

则H2（g）+I2（g）=2HI（g）的反应是

（

）

A. 吸热反应

B. 放热反应

C. 分解反应

D. 可逆反应

例2. 2C + O2 = 2CO，2CO + O2 = 2CO2

都是放热反应。据此推断，下列不正确的（

）

A. 12gC所具有的能量一定高于28gCO所具有的能量

B. 56gCO和32gO2所具有的总能量大于88gCO2所具有的总能量

C. 12gC和32gO2所具有的总能量大于44gCO2所具有的总能量

D. 将一定质量的碳燃烧，生成CO2比生成CO时放出的热量多

对应练习1．一般硫粉含有S（单斜）和S（正交）两种同素异形体。已知常温下：S(单斜)＋O2(g) =SO2(g) 1mol S（单斜）完全燃烧放出297.16 kJ能量；S(正交)＋O2(g) = SO2(g) 1mol S（正交）完全燃烧放出296.83kJ能量，下列说法错误的是（

）

A．S(g)＋O2(g) = SO2(g)，1mol S（g）完全燃烧放出的能量大于297.16 kJ

B．单斜硫转变为正交硫的能量变化可用右图表示

C．常温下正交硫比单斜硫稳定

D．单斜硫转化为正交硫的反应是放热反应

对应练习2．白磷与氧可发生如下反应：P4+5O2=P4O10。已知断裂下列化学键需要吸收的能量分别为：P—P

akJ·mol—1、P—O bkJ·mol—1、P=O ckJ·mol—1、O=O

dkJ·mol—1。

根据图示的分子结构和有关数据估算1mol P4发生上述反应放出的能量是（

）

A．（6a+5d－4c－12b）kJ·mol—1

B（4c+12b－6a－5d）kJ·mol—1

C．（4c+12b－4a－5d）kJ·mol—1

D．（4a+5d－4c－12b）kJ·mol—1

二、化学能与电能

活动二：巩固燃料电池电极反应式的书写

4

例3．某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）为电解质，以C8H18为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：

（1）写出该燃料电池的化学反应方程式：

___________

。

（2）写出该燃料电池的电极反应式，正极：

。

负极：

。

（3）为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？

归纳小结：1．燃料电池总反应式方程式的书写

因为燃料电池发生化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应式，但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其总反应式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化，即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关，如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成

和

，在碱性电解质中生成

和

。

2．燃料电池正极反应式的书写

因为燃料电池正极反应物一般是氧气，正极反应的本质是O2得电子生成O2-离子，在酸性溶液中O2-离子与

结合生成

，在碱性或中性溶液中O2-离子与

结合生成

，在熔融碳酸盐环境中O2-离子与

结合生成

，O2-离子在某些固体电解质中可存在。

3．燃料电池负极反应式的书写

一般燃料电池的负极反应式采用间接方法书写，即先写出总反应式和正极反应式，然后在

守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。

对应练习3．写出下列燃料电池电极反应式及总反应式。

（1）CH4燃料电池，电解质为KOH溶液

负极：__________________________________________，

正极：______________________________ 总反应：_________________________________________________ （2）CH3OH燃料电池，电解质为KOH溶液

负极：______________________________________，

正极：___________________________________ 总反应：_________________________________________________ （3）铝、空气燃料电池（海水）

负极：_____________________________________，正极：_____________________________________ 总反应：_________________________________________________

5

对应练习4．有一种新型“锂、空气电池”，可用做充电电池和燃料电池，该电池放电时的示意图如下。下列有关叙述中不正确的是

（

）

A．放电时负极的电极反应式为Li－e- === Li

＋B．放电时正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e- === 4OH-

C．负极锂每减少7 g，电路中通过1 mol电子

D．电流由金属锂极经外电路流向空气极

对应练习5．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H，其基本结构如图，电池总反应可表示为：2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是(

) A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e===4OH

C．每转移0.1 mol电子，消耗

1.12 L的H2

D．H由a极通过固体酸电解质传递到b极

三、化学反应的速率和限度

活动三：巩固化学平衡状态的判断方法

例4．在一定温度下的定容容器中，当下列物理量不再发生变化时，不能表明可逆反应A（固）+2B（气）

C（气）+D（气）已达到平衡状态的是(

) ＋－－＋A．混合气体的压强

B．混合气体的密度

C．B的物质的量浓度

D．反应放出的热量

对应练习6．可逆反应∶2NO2（

）

①单位时间内生成n molO2的同时生成2n molNO2

②单位时间内生成n molO2

的同时，生成2n molNO

③用NO2、NO、O2

的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为2 : 2 : 1的状态

④混合气体的颜色不再改变的状态

⑤混合气体的密度不再改变的状态

⑥

混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态

A.①④⑥

B.②③⑤

C.①③④

D.①②③④⑤⑥

pC(g)+qD(g)，根据对化学平衡概2NO+O2在密闭容器中反应，达到平衡状态的标志是

讨论交流：对于密闭容器中的可逆反应：mA(g)+nB(g)念的理解，判断下列各情况下，是否达到平衡（一定是、不一定是）。

6

是否能判断可能的情况举例

已达平衡

①各物质的物质的量或各物质的量的分数一定

1．混合物体系中各成分的含量

②各物质的质量或各物质的质量分数一定

③各气体的体积或体积分数一定

④总体积、总压强、总物质的量一定

①单位时间内消耗了m mol A，同时生成m mol A 2．正、逆反应速率的关系

②单位时间内消耗了n mol B，同时消耗了p mol C ③v(A)：v(B)：v(C)：v(D)=m：n：p：q ④单位时间内生成n mol B，同时消耗q mol D ①其他条件不变，m+n≠p+q时，总压强一定

3．压强

②其他条件不变，m+n=p+q时，总压强一定

4．平均相对分子质量M 5．温度

6．体系密度

7．其他

一定是

①当m+n≠p+q时，M一定

②当m+n=p+q时，M一定

其他条件一定时，绝热体系温度一定

其他条件一定时，密度一定

组成成分有颜色时，体系颜色不再变化

【反馈练习】1．在一密闭容器中进行反应：

2SO2(气)＋O2(气) －

2SO3(气)

－已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 mol·L1、0.1 mol·L1、0.2 mol·L－1。当反应达到平衡时，可能存在的数据是(

) －－A．SO2为0.4 mol·L1，O2为0.2 mol·L1

C．SO3为0.4 mol·L1

－B．SO2为0.25 mol·L1

－

D．SO2、SO3均为0.15 mol·L1

－2．在某合成氨厂合成氨的反应中，测得合成塔入口处气体N2、H2、NH3的体积比为6∶18∶1，出口处气体N2、H2、NH3的体积比为9∶27∶8，则氮气的转化率为

（

）

7

A．75%

B．50%

C．25%

D．20% 3．将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。下列说法正确的是(

) A．液滴中的Cl―由a区向b区迁移

B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2+2H2O+4e= 4OH＋－－

铁锈环(b)腐蚀区(a)C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2由a区向b区迁移，与b区的OH―形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈

D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为Cu-2e= Cu2+

－4．如题图所示，将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中，再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液，冷却后形成琼胶（离子在琼胶内可以移动），下列叙述正确的是（

）

A．a中铁钉附近呈现红色

B．b中铁钉上发生还原反应

C．a中铜丝上发生氧化反应

D．b中铝条附近有气泡产生

5．将V1mL1.0mol·L-1 HCl溶液和V2mL未知浓度的NaOH溶液混合均匀后测量并记录溶液温度，实验结果如右图所示（实验中始终保持V1＋V2＝50mL）。下列叙述正确的是（

）

A．做该实验时环境温度为22℃

B．该实验表明化学能可能转化为热能

C．NaOH溶液的浓度约为1.0mol/L·L-1

D．该实验表明有水生成的反应都是放热反应

6．磷酸燃料电池是目前较为成熟的燃料电池，其基本组成和反应原理如下：下列说法不正确的是(

) A．在改质器中主要发生的反应为CXHY＋XH2O

XCO＋(X＋Y/2)H2

8

B．移位反应器中的反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

C．负极排出的气体主要是H2O蒸气

D．该电池正极的电极反应为O2＋4H＋4e＋－2H2O 7．镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染，且镁原电池放电时电压高而平稳，使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的关注焦点。其中一种镁原电池的反应为：xMg＋Mo3S4

MgxMo3S4，下列说法错误的是

(

) A．放电时，负极反应为Mg－2e＋－Mg2＋

B．放电时，Mo3S4发生氧化反应

C．放电过程中Mg2向正极迁D．放电时，正极反应为Mo3S4＋xMg2＋MgxMo3S4－2xe－

8．右图装置的电池反应方程式为

负极反应式为

正极反应式为

。

9、铅蓄电池是常用的化学电源，其电极材料是Pb和PbO2，电解液为稀硫酸。工作时该电池总反应式为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，据此判断：

(1)铅蓄电池的负极材料是________；

(2)工作时，负极电极方程式为

，当负极质量增加4.8g时，转移电子的个数为

(3)工作时，电解质溶液中阴离子移向________极；

⑷用该电池电解水，当电路转移电子0.2mol时，产生H2在标准状态的体积为

。

10、Ⅰ.在恒温条件下将一定量X和Y的混合气体通入一容积为2 L的密闭容器中，X和Y两物质的浓度随时间变化情况如下图。

(1) 该反应的化学方程式为(反应物或生成物用符号X、Y表示)：______________________。

(2) X物质在

b点和d点时哪个反应速率大？___________。

⑶

前10min X的反应速率为

Ⅱ.下图是可逆反应X2＋3Y2

2Z在反应过程中的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线，下9

例1B 例2A

有新物质的生成

断键吸收能量，生成键释放能量

反应物总能量与生成物总能量相对大小

稳定

略

略

对应练习1B

对应练习2B

例3(1)2C8H188＋25O2=16CO2＋18H2O

(2)25O2＋20CO2＋100e=50CO32

2C8H188＋50CO32－100e－－－＋－=66CO2＋18H2O (3)CO2，CO2可以从电池负极产生气体获得

小结1.CO2和H

CO32－和H2O

2.H

H2O

H2O

OH

CO2

CO32

3.原子守恒

对应练习3(1)C2H6＋＋－－－－－－－－－18OH－14e=2CO32＋12H2O

O2＋2H2O＋4e=4OH

2C2H6＋7O2＋8OH=4CO32－－－－＋10H2O

(2)CH3OH＋8OH－6e=CO32＋6H2O

O2＋2H2O＋4e=4OH

－2CH3OH＋3O2＋4OH=2CO32＋6H2O

(3)H2S－2e=2H＋S

O2＋4H＋4e=2H2O

－－－＋＋－2H2S＋O2=2H2O＋2S

(4)Al－3e=Al3

O2＋2H2O＋4e=4OH

4Al＋3O2＋－＋－－6H2O=4Al(OH)3

对应练习4 D

对应练习5D

例4B

讨论交流：一定是

一定是

不一定是

一定是

一定是

不一定是

一定是

一定是

不一定是

一定是

不一定是

一定是

不一定是

一定是

对应练习6A

反馈练习

1.B

2.B

3.B

4.B

5.B

6.C

7.B

8.Cl2＋SO2＋2H2O=2HCl＋H2SO4

SO2＋2H2O－2e=4H＋－＋SO42

Cl2＋2e=2Cl

9.(1)Pb

(2) Pb＋SO42－2e=PbSO4

0.1NA

(3)负极(Pb)

－－－－－(4)2.24L

10、I （1）Y

2X

（2）d

（3）0.04mol·L·min II.BD -1-1

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