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第二章 化学反应与能量知识清单

第一节 化学能与热能

⑴一个化学反应的过程，本质上就是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。

⑵不同的物质不仅组成不同、结构不同，所包含的化学能也不同。

⑶一个确定的化学反应在发生过程中是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。

若E反> E生时，有部分能量释放出来；

若E反< E生时，反应物要吸收能量，才能转化为生成物。

⑷当物质发生化学反应时，断开反应物中的化学键要吸收能量；而形成生成物中的化学键要放出能量。化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因。

化学反应是物质中的化学能的转化途径，而化学键的改变是物质中的化学能变化的原因。

⑸一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量，转化的途径和能量形式可以不同，但是体系包含的总能量不变，亦即能量是守恒的，这就是“能量守恒定律”。

⑹化学反应中的能量变化，通常主要表现为热量的变化——吸热或放热。

化学上把有热量放出的化学反应叫做放热反应。

例：燃料的燃烧反应、中和反应、金属与酸、活泼金属与水的反应、生石灰和水反应等。

化学上把吸收热量的化学反应叫做吸热反应。

例：灼热的炭与二氧化碳的反应、炭和水蒸气的反应、氢气还原氧化铜、Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应、煅烧石灰石等。

第二节 化学能与电能

⑴化学能与电能的相互转化

①火力发电——化学能间接转化为电能

燃烧蒸气发电机化学能热能机械能电能

②原电池——化学能直接转化为电能的装置。

⑵①铜—锌原电池的工作原理：

②原电池的形成的一般条件：

Ⅰ

有能自发进行的氧化还原反应。

Ⅱ

相连接的两个电极(金属或非金属导体及其它可以做电极材料的物质)。

Ⅲ

两电极同时与电解质溶液接触。Ⅳ

形成闭合回路。

第1页

③原电池的实质：氧化还原反应分开在两极进行，还原剂所失去的电子通过导线转移给氧化剂。

④原电池原理的应用：

Ⅰ

实验室制氢气。为加快氢气的产生速率，可用粗Zn或Zn粒，先用CuSO4溶液浸泡一会儿

或向反应液中加入少量的CuSO4溶液。

Ⅱ

可判断金属的活泼性。若由两种活动性不同的金属做电极，则较活泼的金属做负极。

Ⅲ

制化学电源(电池)。如干电池、蓄电池、燃料电池、高能电池。

a．一次电池：放电之后不能充电（内部的氧化还原反应是不可逆的）。如干电池等。

b．二次电池（充电电池）：在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电），再由电能转变为化学能（充电）的循环。如铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池等。

c．燃料电池：利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂（如氧气）反应所放出的能量直接转化为电能。通常通过外设装备将燃料送入原电池的负极，而将氧化剂送入原电池的正极，这时电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。

燃料电池是一种高效、对环境友好的发电装置。燃料电池的能量转化率理论上可以达到85%~90%。

⑶发展中的化学电源

①干电池(电解质溶液为NH4Cl糊状物) 负极（锌筒）：Zn—2e=Zn+—2+ 正极（石墨）2NH4+2MnO2 + 2e=2NH3↑+Mn2O3+H2O 2++—总反应方程式：Zn+2NH4+2MnO2= Zn+2NH3↑+Mn2O3+H2O ②锌锰碱性电池（电解质是KOH溶液）

负极（锌筒）：Zn+2OH－2e= Zn(OH)2 正极（MnO2）：2MnO2 + H2O+ 2 e= Mn2O3 + 2OH 总反应方程式： Zn + 2MnO2 + H2O = Zn(OH)2 + Mn2O3

③铅蓄电池(电解质溶液为H2SO4溶液 ρ=1.25~1.28g/cm) (放电时) 负极（Pb）：Pb+SO4—2e=PbSO4 正极（PbO2）：PbO2+4H+SO4+2e=2 PbSO4+2 H2O 总反应方程式：Pb+PbO2+ 2H2SO4=2 PbSO4+2 H2O ④镍镉电池（电解质是KOH溶液）

负极（Cd）：Cd－2e+2OH=Cd(OH)2 正极[NiO(OH)]：2NiO(OH) +2H2O +2e=2Ni(OH)2+2OH

总反应方程式：Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2 ⑤ 燃料电池：

Ⅰ氢氧燃料电池

a．酸式（电解质溶液为酸溶液）

负极（惰性材料）：2H2—4e=4H总反应方程式：2H2+O2=2H2O b．碱式（电解质溶液为碱溶液）

负极（惰性材料）：2H2+4OH—4e=4H2º 正极（惰性材料）：O2+2H2O +4e=4OH

总反应方程式：2H2+O2=2H2O Ⅱ甲烷氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液) 第2页

——

——— + －－－－2——+2——3－－－－正极（惰性材料）：O2+4H+4e=2H2O +—

负极（惰性材料）：CH4+10OH—8e=CO3+7H2 正极（惰性材料）：O2+4H2O +8e=8OH

总反应方程式：CH4+2O2+2OH=CO3+3H2O 第三节 化学反应的速率和限度

⑴化学反应的速率

①用来衡量化学反应进行快慢程度的物理量。

②表示方法：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来表示。

—2—

——2—

——数学表达式：

（B）c(B)。式中，Δc(B)为B物质的物质的量浓度的改变量，

tΔt为时间的改变量，(B)为用B物质表示的化学反应速率。

单位： mol/(L·s) or mol/(L·min)等

注意：Ⅰ

化学反应速率只有正值，没有负值。

Ⅱ

化学反应速率是平均速率，而不是瞬时速率(即时速率)。

③同一时段内所发生的同一化学反应，可以用不同的物质来表示其化学反应速率，其数值可能不同，但其数值之比，等于其化学方程式中各物质的计量数之比。

④影响化学反应速率的因素

Ⅰ

内因：由参加反应物质的结构(化学性质、化学键强弱等)和反应历程决定。如常温下H2和F2反应很快，N2和H2反应很困难。

Ⅱ

外因：主要指浓度、温度、压强和催化剂等。

通常反应物浓度越大，反应速率越快；

温度越高，反应速率越快；

压强越大（对于有气体参与的化学反应，通过缩小容器的体积以增大压强），反应速率越快；

催化剂能改变化学反应的速率。

此外，固体的表面积、反应物的状态、光、电磁波、超声波等也能影响化学反应的速率。

注意：固体或纯液体的浓度为定值，改变它们的量，无法改变其浓度，因而无法改变化学反应速率。压强对化学反应速率的影响是通过浓度的改变来实现的。如果参与反应的物质全为固体、液体或溶液时，由于改变压强对它们的体积的影响很小，因而对它们的浓度的影响也很小，可以认为改变压强对它们的反应速率无影响。在影响化学反应速率的主要因素中，通常催化剂的影响最大。

化学反应的限度。

⑴化学反应的限度

①科学研究表明，很多化学反应在进行时都具有可逆性。

我们通常把在同一条件下正反应方向和逆反应方向均能进行的化学反应称为“可逆反应”。

②对于一定条件下进行的可逆反应，当正向反应速率与逆向反应速率相等时，反应物与生成物的浓度便不再改变，达到一种表面静止状态，我们称为“化学平衡状态”，简称化学平衡。

③化学平衡状态的特点：

Ⅰ

“逆”——建立化学平衡的反应是一定条件下的可逆反应。

Ⅱ

“等”——v(正)=v(逆)（平衡状态建立的本质原因）

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Ⅲ

“动”——动态平衡，即平衡时v(正)=v(逆)≠0。

Ⅳ

“定”——一定条件下达到平衡时，反应速率v一定，混合物中各组分的浓度一定

（平衡状态的外部特征）

Ⅴ

“变”——当条件改变时，平衡一般要发生改变。

④化学反应的限度：化学平衡状态是可逆反应达到的一种特殊状态，是在给定条件下化学反应所能达到或完成的最大程度，即该反应进行的限度。

化学反应达到限度（化学平衡）的基本判断方法：

Ⅰ

v(正)=v(逆)。

Ⅱ

体系中各组分的物质的量浓度或体积分数、物质的量分数保持不变。

Ⅲ

全是气体参加的前后计量数改变的可逆反应，压强保持不变。

Ⅳ

对于有有颜色的物质参加或生成的可逆反应，颜色不随时间发生变化。

⑤影响反应限度的因素

任何可逆反应在给定条件下的进程都有一定的限度，只是不同反应的限度不同。

化学反应的限度首先决定于反应的化学性质，其次受温度、浓度、压强（有气态物质参与或生成，且反应前后气体体积不相等的可逆反应）等条件的影响（这与反应速率受其影响有关）。因此，改变反应条件可以在一定程度上改变一个化学反应的限度，亦即改变该反应的化学平衡状态。但使用催化剂时其同等程度地改变正逆反应速率，所以对化学反应的限度没有影响。

⑵反应条件的控制

在生产和生活中，促进有利的化学反应，抑制有害的反应。

①对于人类需要的或对人类有利的化学反应。可以通过升高反应温度、使用催化剂等增大反应速率，以提高生产或工作效率。增大廉价反应物的浓度，或增大气体反应物的压强，以提高原料的利用率或转化率。

注意：转化率=n反(B)n总(B)×100%=c反(B)c总(B)×100% ②对于有害的或人类不需要的化学反应。可以通过降低反应温度、使用负催化剂等，降低反应速率。隔离会引发反应的物质。如在金属表面形成保护层、森林灭火时制造隔离带等。

③关于特定环境或特殊需要的化学反应，如爆破、火箭发射等，则要对反应条件进行特殊的控制。提高燃料燃烧效率的条件的控制

Ⅰ

尽可能使燃料充分燃烧，提高能量的转化率。

关键是燃料与空气或氧气要尽可能充分地接触，且空气要适当过量。

Ⅱ

尽可能充分地利用燃料燃烧所释放的热能，提高热能的利用率。

提高燃料的燃烧效率实质上是从多方面控制燃烧反应的条件（包括环境）。它的意义在于节约能源、节省资源、减少污染（如煤在气化过程中可以脱硫、除去灰分等）。

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