专题04 化学反应与能量变化（知识串讲+专题检测）-2024-2025学年高一化学下学期期中期末核心考点大通关（人教版2019必修第二册）

专题04 化学反应与能量变化 一、化学反应与热能的转化 1．实验探究 实验操作 实验现象 结论 ①看到有气泡产生 ②用手触摸反应后的试管，手感到热 ③用温度计测得反应后温度升高 该反应放出热量 闻到刺激性气味，烧杯壁发凉，木片和烧杯黏在一起，混合物呈糊状 该反应吸收热量 2．放热反应与吸热反应 （1）放热反应：释放热量的化学反应。 （2）吸热反应：吸收热量的化学反应。 （3）常见的放热反应与吸热反应 二、化学反应中能量变化的主要原因 1．宏观角度：从反应物、生成物总能量角度解释化学反应中的能量变化 放热反应 吸热反应 总结：化学反应能量变化(E)＝生成物总能量－反应物总能量。 E>0，为吸热反应；E<0，为放热反应。 2．微观角度：从化学键角度解释化学反应中的能量变化 用Q(吸)表示反应物化学键断裂时吸收的总能量，Q(放)表示生成物化学键形成时放出的总能量。 公式：ΔQ＝Q(吸)－Q(放)＝反应物总键能－生成物总键能。 ΔQ>0，为吸热反应；ΔQ<0，为放热反应。 3．化学反应遵循的两条基本规律 (1)质量守恒定律：自然界的物质发生转化时，总质量保持不变。 (2)能量守恒定律：一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量，但体系包含的总能量不变。 注意：任何化学反应在发生物质变化的同时必然伴随着能量的变化，但化学反应中能量的转化不一定都表现为化学能与热能的转化，化学能也可以与光能、电能等发生转化。 三、人类对能源的利用 1.利用的三个阶段 　——树枝杂草　　 　　　↓ —— 煤、石油 、天然气 　　　↓ —— （2）化石燃料利用过程中亟待解决的两方面问题 ① 一是其短期内不可再生，储量有限； ② 二是煤和石油产品燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是大气污染物的主要来源。 5．新能源 （1）特点：资源丰富、可以再生、对环境无污染等。 （2）人们比较关注的新能源有：太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。 四、化学反应与电能 1．原电池的概念：把化学能转化为电能的装置。 2．原电池工作原理（以Zn--Cu--稀硫酸原电池为例） （1）原电池的工作原理思维模型 （2）电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极，与电流方向相反。 （3）离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。 【特别提醒】①电子只能在导线中定向移动，离子只能在电解质溶液或熔融电解质中定向移动。(简记为：电子不下水，离子不上岸) ②负极区失电子带正电，所以带负电的阴离子移向负极，电子流向正极后正极带负电，所以溶液中带正电的阳离子移向正极。(简记为：负负正正) 3．原电池的构成条件——“两极一液一线一反应” （1）两极——两种活泼性不同的金属(或一种为能导电的非金属如碳棒)。 （2）一液——电解质溶液(或熔融的电解质)。 （3）一线——形成闭合回路。 （4）一反应——能自发进行的氧化还原反应。 4．原电池正、负极判断方法 (1)根据电极材料判断 一般来讲，活动性较强的金属为负极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。但也要注意电解质溶液的性质。如： ①镁、铝用导线连接插入稀硫酸中，镁作负极，铝作正极；若电解质是氢氧化钠，则镁作正极，铝作负极。 ②铜、铝(或铁)用导线连接插入稀硫酸中，铝(或铁)作负极，铜作正极；若插入浓硝酸中，铝(或铁)作正极，铜作负极。 (2)根据电流方向或电子流动方向来判断 在外电路(导线)中，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。 (3)根据反应类型判断 原电池的负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应。简称“负氧正还”。 (4)根据现象判断 一般来说，溶解的一极为负极，增重或不变或有气体放出的一极为正极。 (5)对于燃料电池而言，电极为惰性材料(Pt、C)，电极本身不反应，只起传导电子的作用，故可根据向两极通入的气体成分来判断正负极。燃料电池的负极通入的一定是可燃性气体(还原剂)，正极通入的一定是助燃性气体(氧化剂一般为O2)。 5．电极反应式的书写 (1)书写电极反应式的原则 电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极反应式相加得电池总反应式。 (2)电极反应式形式 负极反应：还原剂－ne－===氧化产物； 正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物。 (3)电极反应式的书写思路 【特别提醒】若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，在保证电子转移数目相同的情况下，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。 如：CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中： 总反应式：CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O 正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 负极=总反应式-正极：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ 6．书写电极反应式的常见错误 (1)不能正确判断原电池正、负极 ①混淆正、负极：负极上电极材料本身或电极反应物发生氧化反应，对应元素化合价升高，正极上电极反应物发生还原反应，对应元素化合价降低。 ②易混淆电子流向与电流方向而错判，电子流出的方向与电流方向相反，电子流出的电极是负极。 ③想当然地认为排在金属活动性顺序表前面的金属一定是负极，忽视反应本质。 (2)电极反应式配平错误 ①不能根据化合价变化正确计算电子转移的数目。 ②不满足“三守恒”：电极反应式和氧化还原方程式一样，要满足得失电子守恒、电荷守恒和质量守恒。所以配平电极反应式一定要遵循得失电子守恒→电荷守恒→质量守恒(原子守恒)的顺序进行。 (3)电极产物书写错误 ①忽视变价金属被氧化的价态，如铁片与碳棒用导线连接插入硫酸铜溶液中，负极上Fe只能被铜离子氧化为Fe2＋。 ②对于活泼金属电极，想当然地认为电极产物为金属离子，忽视金属离子与电解质溶液的某种成分可继续反应。最终的氧化产物要根据题中信息确定。 ③忽略介质信息，错判电极产物(酸性介质中不能出现OH－，碱性介质中不能出现H＋)。 五、原电池原理的应用 1．加快化学反应速率 一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池可以加快反应速率。 — | — 2．比较金属活泼性强弱： 两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。 — | — 3．用于金属保护 将被保护的金属与比其活泼的金属连接。 4．设计原电池 (1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。 (2)步骤：以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例。 步骤 实例 将反应拆分 为电极反应 负极反应 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极反应 正极：Cu2＋＋2e－===Cu 选择电极 材料 负极：较活泼金属，一般为发生氧化反应的金属 Fe 正极：活泼性弱于负极材料的金属或石墨 Cu或C 选择电解质 一般为与负极反应的电解质 CuSO4溶液 画出装置图 六、常见的化学电源 1.锌锰干电池 （1）结构：锌锰干电池是以锌筒作负极，石墨棒作正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质溶液。 （2）原理：锌锰干电池属于一次性电池，放电之后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)。负极发生的电极反应为 Zn－2e－===Zn2＋ ，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH4+＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。 2.充电电池 （1）充电电池属于二次电池。有些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，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。 （2）常见充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。 3．燃料电池 (1)燃料电池是通过燃料与氧化剂在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。 如氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等。 (2)燃料电池与火力发电相比，能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供。(实验装置如下)  ①氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性、碱性和中性三种。 酸性 碱性 中性 负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 2H2－4e－===4H＋ 正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 电池总反应式 2H2＋O2===2H2O 1．下列设备工作时，将化学能转化为电能的是 A．锂离子电池 B．风力发电机 C．燃气灶 D．太阳能集热器 A．A B．B C．C D．D 【答案】A 【详解】A．锂离子电池放电时，化学能转化为电能，故A符合题意； B．风力发电机是将风能转化成电能，故B不符合题意； C．燃气灶是将化学能转化为热能，故C不符合题意； D．太阳能集热器将太阳能转化为热能，故D不符合题意； 故选A。 2．下列反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应的是 A．锌粒与稀硫酸的反应 B．灼热的木炭与CO2的反应 C．甲烷在空气中燃烧的反应 D．Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应 【答案】B 【详解】A．锌粒与稀硫酸反应，属于氧化还原反应，也是放热反应，故A不选； B．木炭与CO2的反应既属氧化还原反应，又是吸热反应，故B选； C．甲烷在空气中燃烧，属于氧化还原反应，也是放热反应，故C不选； D．Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应属吸热反应但不是氧化还原反应，故D不选； 故选B。 3．理论上，下列反应不能设计成原电池的是 A． B． C． D． 【答案】C 【分析】原电池的构成条件为：1、活泼性不同的两个电极；2、电解质溶液；3、形成闭合回路；4、能自发进行氧化还原反应； 【详解】A、B、D反应方程式中都有化合价的变化，所以都是氧化还原反应；C的反应中没有化合价的变化，所以不是氧化还原反应，不能设计成原电池； 故选C。 4．下列物质间的反应，其能量变化符合如图的是 A．酸碱中和反应 B．有机物的燃烧反应 C．Ba(OH)2•8H2O晶体和NH4Cl晶体混合反应 D．工业合成氨的反应 【答案】C 【分析】从图上分析，反应物能量低于生成物，该反应是吸热反应。 【详解】A．酸碱中和反应是放热反应，A不符合题意； B．燃烧反应为放热反应，B不符合题意； C．Ba(OH)2·8H2O 与NH4Cl晶体混合反应是吸热反应，C符合题意； D．合成氨反应是放热反应，D不符合题意； 答案选C。 5．下列装置能构成原电池的是 A． B． C． D． 【答案】B 【分析】形成原电池的条件：①两个活动性不同的电极，②电解质溶液中，③形成闭合回路，在以上条件下，自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。 【详解】A．Fe、Cu未用导线连接，不能形成闭合回路，故A不符； Ｂ．Fe、Cu用导线连接，形成闭合回路，能发生原电池反应，故B符合； Ｃ．四氯化碳属于非电解质，不能形成原电池，故C不符； Ｄ．Zn、Cu用导线连接，稀硫酸分装在两个容器中，不能形成闭合电路，不能构成原电池，故D不符； 故选B。 6．下列组合中，不能使装置中的电流表指针发生偏转的是 选项 a b 试剂X A C 溶液 B 蔗糖溶液 C 稀硫酸 D 稀盐酸 A．A B．B C．C D．D 【答案】B 【分析】电流表指针不能发生偏转，说明不能构成原电池； 【详解】A．Fe、C是不同的电极，Fe和溶液反应生成硫酸亚铁和铜，是自发的氧化还原反应，能形成闭合回路，可以形成原电池，有电流产生，故A不符合题意； B．蔗糖是非电解质，蔗糖溶液不导电，不能形成闭合回路，不能构成原电池，电流表指针不能发生偏转，故B符合题意； C．Zn的金属活泼性比Fe强，Zn和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，是自发的氧化还原反应，能形成闭合回路，可以形成原电池，有电流产生，故C不符合题意； D．铜、锌是不同的电极，盐酸溶液与锌的反应是自发的氧化还原反应，能形成闭合回路，可以形成原电池，有电流产生，故D不符合题意； 故选B。 7．研究化学反应中的能量转化，可以帮助我们更深刻地认识化学反应，更好地为生产和生活服务。下列化学反应中反应物的总键能大于生成物的总键能的是 A．天然气燃烧 B．石灰石分解 C．生石灰溶于水 D．葡萄糖被氧化为和 【答案】B 【分析】反应物的总键能大于生成物的总键能的反应是吸热反应； 【详解】A．燃烧放热，A不符合题意； B．石灰石分解是吸热反应，B符合题意； C．生石灰溶于水生成氢氧化钙，大量放热，C不符合题意； D．葡萄糖氧化是放热反应，D不符合题意； 故本题选B。 8．组装成的电池如下图所示，为了向其他同学介绍这款电池，需要对这款电池的原理做一个分析，下列说法正确的是 A．铁环作负极，发生还原反应 B．电池工作时，电子从铁环经LED灯流向铜线 C．电池工作时，铁环变细铜线变粗 D．电池工作结束后柠檬的酸性变强 【答案】B 【分析】铁环、铜线和柠檬构成的原电池工作时，铁环发生失电子的氧化反应、作负极，铜线作正极，正极上氢离子得电子生成氢气，电子由负极经过导线流向正极，溶液的酸性减弱； 【详解】A．铁环、铜线和柠檬构成的原电池工作时，铁环作负极，铜线作正极，铁环发生氧化反应，故A错误； B．电池工作时，铁环作负极，铜线作正极，电子会从铁环经LED灯流向最右侧铜线，故B正确； C．电池工作时，铁环失电子生成亚铁离子而变细，铜线上氢离子得电子生成氢气，铜线粗细不变，故C错误； D．电池工作时柠檬酸中氢离子参与反应，溶液的酸性变弱，故D错误； 答案选B。 9．已知反应的反应体系能量变化如图所示，下列说法正确的是 A．该反应涉及极性键和非极性键的断裂和形成 B．若反应生成的为液态，则放出的能量小于 C．和的总键能低于的总键能 D．和在容器中充分反应，放出的能量为 【答案】C 【详解】A．该反应断裂H-H、，形成C-H、C-O、O-H键，故没有非极性键的形成，A错误； B．液态甲醇能量小于气态甲醇，故放出的能量大于，B错误； C．由图可知，该反应为放热反应，反应物总键能小于生成物总键能，C正确； D．该反应为可逆反应，和在容器中充分反应，放出的能量小于，D错误； 答案选C。 10．根据原电池原理，下列有关如图装置的说法正确的是 A．若a为Ag，b为Cu，c为硫酸铜溶液，则a电极有红色固体析出 B．若a为Zn，b为Cu，c为稀硫酸，则b电极发生氧化反应 C．若a为Zn，b为Ag，c为硫酸铜溶液，每转移0.2mol电子，b电极质量增加6.4g D．若a为Fe，b为Cu，c为浓硝酸，则负极发生的电极反应式为 【答案】C 【详解】A．Ag无法置换硫酸铜中的铜，不存在自发的氧化还原反应，不能实现化学能转化为电能，故A错误； B．Zn比Cu活泼，故Zn做负极，Cu做正极，正极发生还原反应，故B错误； C．锌比银活泼，锌为负极，银为正极，负极反应式为Zn-2e-=Zn2+，正极反应式为Cu2++2e-=Cu，转移0.2mol电子，生成0.1molCu，即正极质量增加0.1mol×64g/mol=6.4g，故C正确； D．铁比铜活泼，但铁遇浓硝酸会钝化，故铜做负极，负极反应式为Cu-2e-=Cu2+，故D错误； 故答案为C。 11．将转化为人类使用的能源有利于实现“碳达峰”，某电池利用和获取工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．该电池中电极b作负极 B．工作时，电极a产生的电极反应式为 C．工作时质子向电极a迁移 D．当消耗时，理论上电极b消耗 【答案】D 【分析】由图可知，二氧化碳发生还原反应、氢气发生氧化反应生成甲烷和CO混合气，则a为正极、b为负极； 【详解】A．由分析可知，该电池中电极b作负极，A正确； B．工作时，电极a上二氧化碳得到电子发生还原反应产生，电极反应式为，B正确； C．原电池工作时，阳离子质子向正极电极a迁移，C正确； D．部分二氧化碳转化为CO，生成CO和CH4的各自物质的量是多少不知道，故不能判断消耗时，理论上电极b消耗氢气的物质的量，D错误； 故选D。 12．利用铜片、铁片、锌片、石墨棒、导线、烧杯和稀硫酸组装成以下装置。下列说法正确的是 A．装置甲和装置乙中铁片上均无气泡产生 B．装置丙中，电子从铁片经导线流向石墨棒 C．三个装置中铁片质量减小的速率从大到小的顺序为乙>甲>丙 D．装置乙中铁片为正极，电极反应式为 【答案】D 【详解】A．装置乙中Zn的活泼性比Fe强，Zn做负极，Fe做正极，正极上氢离子得电子生成氢气，装置乙中铁片上有气泡产生，A错误； B．装置丙中，未形成闭合回路，不能构成原电池，B错误； C．装置甲中Fe做负极，是电子生成Fe2+，质量减小，装置乙中Fe做正极被保护，铁片质量不变，装置丙中发生普通化学反应，铁和硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，形成原电池能加快反应速率，则铁片质量减小的速率：甲>丙>乙，C错误； D．装置乙中铁片为正极，正极上氢离子得电子生成氢气，电极反应式为，D正确； 故选D。 13．利用反应2Fe3++Fe=3Fe2+设计一个原电池，下列装置示意图正确的是 A B C D A．A B．B C．C D．D 【答案】C 【详解】根据反应2Fe3++Fe═3Fe2+知，Fe元素化合价由+3价变为+2价、Fe元素化合价由0价变为+2价，所以Fe作负极，选择活泼性比金属铁差的如石墨做正极材料即可，正极上是铁离子得电子的还原反应，所以电解质中必须含有铁离子，可以选择氯化铁溶液，C符合； 故选：C。 14．某种纸电池的结构如图所示，隔离膜中的电解液为NaCl溶液，反应原理为：。下列说法不正确的是 A．电极材料不一定都使用金属材料 B．纸电池具有轻薄柔软、可折叠等优点 C．移向负极 D．在正极反应 【答案】C 【分析】原电池电解液为氯化钠溶液，总反应为：，Mg失去电子作负极，发生氧化反应，另一个电极为正极，以此解题。 【详解】A．根据总反应可知，负极为镁为金属材料，但是正极可以是能导电的电极材料不一定是金属材料， A正确； B．纸电池像纸一样轻薄柔软、可折叠， B正确； C．移向正极，C不正确； D．得电子在正极反应，D正确； 故选C。 15．下列装置的有关说法正确的是 A．装置能将化学能转化为电能 B．锌锰干电池属于一次电池，电池工作时，锌筒做负极并不断被消耗 C．“纸电池”，当电解质溶液为氯化钠溶液时，锌片失去电子发生还原反应 D．电池电子从铝电极流向镁电极，电极反应式为： A．A B．B C．C D．D 【答案】B 【详解】A．该装置没有形成闭合回路，不能形成原电池，即不能将化学能转化为电能，故A错误； B．锌锰干电池属于一次电池，电池工作时，锌筒作负极，不断被消耗：Zn-2e-=Zn2+，故B正确； C．“纸电池”，当电解质溶液为氯化钠溶液时，锌为负极、铜为正极，锌片失去电子发生氧化反应，故C错误； D．该装置中铝为负极、镁为正极，电子从铝电极流向镁电极，电极反应式为：，故D错误； 故答案为：B。 16．科学家用氮化镓材料与铜组装成如图所示的人工光合系统，实现的再利用。电池的总反应为：（已知：质子交换膜仅允许通过），下列说法正确的是 A．该装置的电解质溶液可能为 B．电子从GaN电极流出经过电解质溶液到Cu电极 C．理论上生成11.2L质子交换膜通过 D．Cu电极上发生的电极反应是： 【答案】D 【分析】由图可知，氮化镓电极为原电池的负极，太阳光作用下水在正极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O-4e-=O2↑+4H+，铜电极为正极，酸性条件下二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲烷和水，电极反应式为。 【详解】A．铜能与硝酸反应，所以原电池中的电解质不能选择硝酸，故A错误； B．电解质溶液不能传递电子，故B错误； C．缺标准状况下，无法计算11.2L氧气的体积和通过质子交换膜的氢离子数目，故C错误； D．由分析可知，铜电极为正极，酸性条件下二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲烷和水，电极反应式为，故D正确； 故选D。 17．按要求完成下列填空。 (1)下列变化过程，属于化学反应且放热的是 。 ①浓稀释  ②酸碱中和反应  ③条与盐酸反应  ④与 ⑤铝热反应  ⑥碳高温条件下还原生成 (2)以为催化剂的光、热化学循环分解反应，为吸收“碳排放”提供了一个新途径，该反应的机理及各分子化学键完全断裂时的能量变化如图所示： ①上述过程①中，能量的变化形式是由 转化为 。 ②写出分解生成和的热化学方程式 。 ③CO和作反应物的一种燃料电池，其构造如下图所示，为电池的 (填“正”或“负”)极，向 极移动(填“X”或“Y”)，负极电极反应式为 。 【答案】(1)②③⑤ (2) 光能 化学能 正极 Y 【详解】（1）①浓稀释为放热的物理过程，不符合题意；②酸碱中和反应为放热的化学反应，符合题意；③Mg条与盐酸反应为放热的化学反应，符合题意；④与为吸热的化学反应，不符合题意；⑤铝热反应为放热的化学反应，符合题意；⑥碳高温条件下还原生成CO为吸热的化学反应，不符合题意；故选②③⑤。 （2）①由图可知，过程①中能量的变化形式是由光能转化为化学能，故答案为：光能；化学能； ②由图可知，二氧化碳分解生成一氧化碳和氧气的反应为，反应的焓变△H=1598kJ/mol×2-(1072kJ/mol×2+496kJ/mol)=+556kJ/mol，则反应的热化学方程式为△H=+556kJ/mol； ③由电子的移动方向可知，通入氧气的Y电极为正极，溶液中的阳离子钾离子向正极Y电极移动，通入一氧化碳的X电极为燃料电池的负极，碱性条件下，一氧化碳在负极失去电子发生氧化反应生成碳酸根离子和水，电极反应式为 。 18．电能是现代社会应用最广泛的能源之一。 (1)关于下图所示装置的说法中，正确的是 。 a．正极发生氧化反应，负极发生还原反应         b．电流由铜片通过导线流向锌片 c．铜片上发生的反应是         d．溶液中的向Cu片移动 (2)下列反应通过原电池装置，可实现化学能直接转化为电能的是 (填序号)。 ① ② ③ (3)某种燃料电池的工作原理示意如图所示，X、Y均为惰性电极，假设使用的“燃料”是氢气()，则通入的电极是 (填“a”或“b”)电极。 (4)有人以化学反应：为基础设计一种原电池，移入人体内作为心脏起搏器的能源，它们靠人体内血液中溶有一定浓度的、、进行工作，则原电池的负极发生的电极反应式为 。 【答案】(1)bd (2)①② (3)a (4) 【详解】（1）a．原电池中负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故a错误； b．根据锌铜原电池分析可知，锌为负极，铜为正极，因此电流由铜片(正极)通过导线流向锌片，故b正确； c．铜为正极，铜片上氢离子得到电子变为氢气，因此发生的反应是，故c错误； d．原电池中阳离子向正极移动，则溶液中的向Cu片移动，故d正确； 答案选bd。 （2）能实现化学能直接转化为电能是自发进行的氧化还原反应，①②是自发进行的氧化还原反应，③是非氧化还原反应，答案选①②。 （3）根据电子转移方向可知，X为负极，Y为正极，燃料电池中燃料氢气为负极反应物，则通入的电极是a电极。 （4）根据总反应可知，锌化合价升高，失去电子发生氧化反应，作原电池的负极，电极反应式为。 19．某实验小组设计了下图所示的5组实验，探究化学能与热能的转化。 (1)实验①在实验前U型管中页面左右相平，在甲试管中加入适量氧化钙和水后，可观察到U型管中的现象是 ，反应的化学方程式是 。 (2)实验②中反应的能量变化可用下图中的 (填序号A或B)表示 (3)实验③④⑤中属于吸热反应的是 (填序号) (4)从微观角度分析实验⑤化学反应中能量变化的原因： ①和②分别为 、 (填“吸收”或“释放”)。氢气与氧气反应生成1mol水蒸气时，释放 kJ能量。 【答案】(1) 液面左低右高 CaO+H2O=Ca(OH)2 (2)B (3)④ (4) 吸收 释放 245 【详解】（1）在甲试管中加入适量氧化钙和水后，试管里发生的是放热反应，锥形瓶内空气压强增大，可观察到U型管中的现象是液面左低右高；CaO固体与水反应的方程式为CaO+H2O=Ca(OH)2； （2）Ba(OH)2•8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应属于吸热反应，即反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量，其能量变化可用如图中的B表示，故答案为B； （3）③为Zn和稀硫酸反应，为放热反应，④为柠檬酸和碳酸氢钠反应，为吸热反应，⑤为氢气燃烧，为放热反应，故答案为④； （4）①共价键为断裂，断键吸收能量，②为共价键形成，成键释放能量；断裂1molH2和molO2中的化学键吸收的总能量为(436＋249)kJ=685kJ，形成1molH2O中的化学键释放的能量为930kJ，因此生成1molH2O时放出热量为930kJ−685kJ=245kJ，故答案为：吸收；释放；245。 20．原电池是直接把化学能转化为电能的装置，按要求完成各问题。 (1)写出溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式： 。若将此反应设计成原电池，该电池的负极材料是 ，电解质溶液是 。 (2)高铁电池是一种新型可充电电池，如图甲所示是高铁电池的模拟实验装置。高铁电池的总反应为。 ①该盐桥中的阴离子向 (填“左”或“右”)侧烧杯移动。 ②电池放电时，正极的电极反应为 。 ③图乙为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有 。 (3)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图丙所示，写出放电过程中负极的电极反应： ，若过程中产生，则消耗标准状况下的体积为 L。 【答案】(1) 2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+ Cu FeCl3 (2) 右 长时间保持稳定的放电电压 (3) NO-3e-+2H2O=HNO3+3H+ 67.2 【详解】（1）Fe3+具有氧化性，可以将铜单质氧化为Cu2+，自身还原为Fe2+离子，溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+；将此反应设计成原电池，负极上发生失电子的氧化反应，负极材料是Cu，电解质溶液为FeCl3溶液； （2）①高铁电池的总反应为，Zn是负极失去电子发生氧化反应，正极是高铁酸根离子得电子被还原为氢氧化铁，盐桥中的阴离子向负极Zn移动，即向右移动； ②正极是高铁酸根离子得电子被还原为氢氧化铁，反应式为：； ③由图乙可知，与高能碱性电池对比，高铁电池具有长时间保持稳定的放电电压的优点； （3）放电过程中，NO在负极失电子生成硝酸，负极的电极反应式NO-3e-+2H2O=HNO3+3H+ ；若过程中产生4molHNO3，电路中转移12mol电子，根据电子守恒，正极消耗3molO2，则消耗标准状况下的体积为3mol×22.4L/mol=67.2L。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题04 化学反应与能量变化 一、化学反应与热能的转化 1．实验探究 实验操作 实验现象 结论 ①看到有气泡产生 ②用手触摸反应后的试管，手感到热 ③用温度计测得反应后温度升高 该反应 热量 闻到刺激性气味，烧杯壁发凉，木片和烧杯黏在一起，混合物呈糊状 该反应 热量 2．放热反应与吸热反应 （1）放热反应： 热量的化学反应。 （2）吸热反应： 热量的化学反应。 （3）常见的放热反应与吸热反应 二、化学反应中能量变化的主要原因 1．宏观角度：从反应物、生成物总能量角度解释化学反应中的能量变化 放热反应 吸热反应 总结：化学反应能量变化(E)＝生成物总能量－反应物总能量。 E>0，为 反应；E<0，为 反应。 2．微观角度：从化学键角度解释化学反应中的能量变化 用Q(吸)表示反应物化学键断裂时吸收的总能量，Q(放)表示生成物化学键形成时放出的总能量。 公式：ΔQ＝Q(吸)－Q(放)＝反应物总键能－生成物总键能。 ΔQ>0，为 反应；ΔQ<0，为 反应。 3．化学反应遵循的两条基本规律 (1)质量守恒定律：自然界的物质发生转化时， 保持不变。 (2)能量守恒定律：一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量，但体系包含的 不变。 注意：任何化学反应在发生物质变化的同时必然伴随着能量的变化，但化学反应中能量的转化不一定都表现为化学能与热能的转化，化学能也可以与光能、电能等发生转化。 三、人类对能源的利用 1.利用的三个阶段 　——树枝杂草　　 　　　↓ —— 煤、石油 、天然气 　　　↓ —— （2）化石燃料利用过程中亟待解决的两方面问题 ① 一是其短期内不可再生，储量有限； ② 二是煤和石油产品燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是大气污染物的主要来源。 5．新能源 （1）特点：资源丰富、可以再生、对环境无污染等。 （2）人们比较关注的新能源有：太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。 四、化学反应与电能 1．原电池的概念：把 转化为 的装置。 2．原电池工作原理（以Zn--Cu--稀硫酸原电池为例） （1）原电池的工作原理思维模型 （2）电子的移动方向：从 流出，经导线流向 ，与电流方向 。 （3）离子的移动方向：阳离子向 移动，阴离子向 移动。 【特别提醒】①电子只能在导线中定向移动，离子只能在电解质溶液或熔融电解质中定向移动。(简记为：电子不下水，离子不上岸) ②负极区失电子带正电，所以带负电的阴离子移向负极，电子流向正极后正极带负电，所以溶液中带正电的阳离子移向正极。(简记为：负负正正) 3．原电池的构成条件——“两极一液一线一反应” （1）两极——两种活泼性不同的金属(或一种为能导电的非金属如碳棒)。 （2）一液——电解质溶液(或熔融的电解质)。 （3）一线——形成闭合回路。 （4）一反应——能自发进行的氧化还原反应。 4．原电池正、负极判断方法 (1)根据电极材料判断 一般来讲，活动性较强的金属为 极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为 极。但也要注意电解质溶液的性质。如： ①镁、铝用导线连接插入稀硫酸中，镁作负极，铝作正极；若电解质是氢氧化钠，则镁作正极，铝作负极。 ②铜、铝(或铁)用导线连接插入稀硫酸中，铝(或铁)作负极，铜作正极；若插入浓硝酸中，铝(或铁)作正极，铜作负极。 (2)根据电流方向或电子流动方向来判断 在外电路(导线)中，电流由正极流向 极，电子由负极流向 极。 (3)根据反应类型判断 原电池的负极总是发生 反应，正极总是发生 反应。简称“负氧正还”。 (4)根据现象判断 一般来说，溶解的一极为 极，增重或不变或有气体放出的一极为 极。 (5)对于燃料电池而言，电极为惰性材料(Pt、C)，电极本身不反应，只起传导电子的作用，故可根据向两极通入的气体成分来判断正负极。燃料电池的 极通入的一定是可燃性气体(还原剂)， 极通入的一定是助燃性气体(氧化剂一般为O2)。 5．电极反应式的书写 (1)书写电极反应式的原则 电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极反应式相加得电池总反应式。 (2)电极反应式形式 负极反应：还原剂－ne－===氧化产物； 正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物。 (3)电极反应式的书写思路 【特别提醒】若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，在保证电子转移数目相同的情况下，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。 如：CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中： 总反应式：CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O 正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 负极=总反应式-正极：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ 6．书写电极反应式的常见错误 (1)不能正确判断原电池正、负极 ①混淆正、负极：负极上电极材料本身或电极反应物发生氧化反应，对应元素化合价升高，正极上电极反应物发生还原反应，对应元素化合价降低。 ②易混淆电子流向与电流方向而错判，电子流出的方向与电流方向相反，电子流出的电极是负极。 ③想当然地认为排在金属活动性顺序表前面的金属一定是负极，忽视反应本质。 (2)电极反应式配平错误 ①不能根据化合价变化正确计算电子转移的数目。 ②不满足“三守恒”：电极反应式和氧化还原方程式一样，要满足得失电子守恒、电荷守恒和质量守恒。所以配平电极反应式一定要遵循得失电子守恒→电荷守恒→质量守恒(原子守恒)的顺序进行。 (3)电极产物书写错误 ①忽视变价金属被氧化的价态，如铁片与碳棒用导线连接插入硫酸铜溶液中，负极上Fe只能被铜离子氧化为Fe2＋。 ②对于活泼金属电极，想当然地认为电极产物为金属离子，忽视金属离子与电解质溶液的某种成分可继续反应。最终的氧化产物要根据题中信息确定。 ③忽略介质信息，错判电极产物(酸性介质中不能出现OH－，碱性介质中不能出现H＋)。 五、原电池原理的应用 1．加快化学反应速率 一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池可以加快反应速率。 — | — 2．比较金属活泼性强弱： 两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。 — | — 3．用于金属保护 将被保护的金属与比其活泼的金属连接。 4．设计原电池 (1)依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。 (2)步骤：以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例。 步骤 实例 将反应拆分 为电极反应 负极反应 负极： 正极反应 正极： 选择电极 材料 负极：较活泼金属，一般为发生氧化反应的金属 Fe 正极：活泼性弱于负极材料的金属或石墨 Cu或C 选择电解质 一般为与负极反应的电解质 CuSO4溶液 画出装置图 六、常见的化学电源 1.锌锰干电池 （1）结构：锌锰干电池是以锌筒作负极，石墨棒作正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质溶液。 （2）原理：锌锰干电池属于一次性电池，放电之后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)。负极发生的电极反应为 Zn－2e－===Zn2＋ ，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH4+＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。 2.充电电池 （1）充电电池属于二次电池。有些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，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。 （2）常见充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。 3．燃料电池 (1)燃料电池是通过燃料与氧化剂在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。 如氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等。 (2)燃料电池与火力发电相比，能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供。(实验装置如下)  ①氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性、碱性和中性三种。 酸性 碱性 中性 负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 2H2－4e－===4H＋ 正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 电池总反应式 2H2＋O2===2H2O 1．下列设备工作时，将化学能转化为电能的是 A．锂离子电池 B．风力发电机 C．燃气灶 D．太阳能集热器 A．A B．B C．C D．D 2．下列反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应的是 A．锌粒与稀硫酸的反应 B．灼热的木炭与CO2的反应 C．甲烷在空气中燃烧的反应 D．Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应 3．理论上，下列反应不能设计成原电池的是 A． B． C． D． 4．下列物质间的反应，其能量变化符合如图的是 A．酸碱中和反应 B．有机物的燃烧反应 C．Ba(OH)2•8H2O晶体和NH4Cl晶体混合反应 D．工业合成氨的反应 5．下列装置能构成原电池的是 A． B． C． D． 6．下列组合中，不能使装置中的电流表指针发生偏转的是 选项 a b 试剂X A C 溶液 B 蔗糖溶液 C 稀硫酸 D 稀盐酸 A．A B．B C．C D．D 7．研究化学反应中的能量转化，可以帮助我们更深刻地认识化学反应，更好地为生产和生活服务。下列化学反应中反应物的总键能大于生成物的总键能的是 A．天然气燃烧 B．石灰石分解 C．生石灰溶于水 D．葡萄糖被氧化为和 8．组装成的电池如下图所示，为了向其他同学介绍这款电池，需要对这款电池的原理做一个分析，下列说法正确的是 A．铁环作负极，发生还原反应 B．电池工作时，电子从铁环经LED灯流向铜线 C．电池工作时，铁环变细铜线变粗 D．电池工作结束后柠檬的酸性变强 9．已知反应的反应体系能量变化如图所示，下列说法正确的是 A．该反应涉及极性键和非极性键的断裂和形成 B．若反应生成的为液态，则放出的能量小于 C．和的总键能低于的总键能 D．和在容器中充分反应，放出的能量为 10．根据原电池原理，下列有关如图装置的说法正确的是 A．若a为Ag，b为Cu，c为硫酸铜溶液，则a电极有红色固体析出 B．若a为Zn，b为Cu，c为稀硫酸，则b电极发生氧化反应 C．若a为Zn，b为Ag，c为硫酸铜溶液，每转移0.2mol电子，b电极质量增加6.4g D．若a为Fe，b为Cu，c为浓硝酸，则负极发生的电极反应式为 11．将转化为人类使用的能源有利于实现“碳达峰”，某电池利用和获取工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．该电池中电极b作负极 B．工作时，电极a产生的电极反应式为 C．工作时质子向电极a迁移 D．当消耗时，理论上电极b消耗 12．利用铜片、铁片、锌片、石墨棒、导线、烧杯和稀硫酸组装成以下装置。下列说法正确的是 A．装置甲和装置乙中铁片上均无气泡产生 B．装置丙中，电子从铁片经导线流向石墨棒 C．三个装置中铁片质量减小的速率从大到小的顺序为乙>甲>丙 D．装置乙中铁片为正极，电极反应式为 13．利用反应2Fe3++Fe=3Fe2+设计一个原电池，下列装置示意图正确的是 A B C D A．A B．B C．C D．D 14．某种纸电池的结构如图所示，隔离膜中的电解液为NaCl溶液，反应原理为：。下列说法不正确的是 A．电极材料不一定都使用金属材料 B．纸电池具有轻薄柔软、可折叠等优点 C．移向负极 D．在正极反应 15．下列装置的有关说法正确的是 A．装置能将化学能转化为电能 B．锌锰干电池属于一次电池，电池工作时，锌筒做负极并不断被消耗 C．“纸电池”，当电解质溶液为氯化钠溶液时，锌片失去电子发生还原反应 D．电池电子从铝电极流向镁电极，电极反应式为： A．A B．B C．C D．D 16．科学家用氮化镓材料与铜组装成如图所示的人工光合系统，实现的再利用。电池的总反应为：（已知：质子交换膜仅允许通过），下列说法正确的是 A．该装置的电解质溶液可能为 B．电子从GaN电极流出经过电解质溶液到Cu电极 C．理论上生成11.2L质子交换膜通过 D．Cu电极上发生的电极反应是： 17．按要求完成下列填空。 (1)下列变化过程，属于化学反应且放热的是 。 ①浓稀释  ②酸碱中和反应  ③条与盐酸反应  ④与 ⑤铝热反应  ⑥碳高温条件下还原生成 (2)以为催化剂的光、热化学循环分解反应，为吸收“碳排放”提供了一个新途径，该反应的机理及各分子化学键完全断裂时的能量变化如图所示： ①上述过程①中，能量的变化形式是由 转化为 。 ②写出分解生成和的热化学方程式 。 ③CO和作反应物的一种燃料电池，其构造如下图所示，为电池的 (填“正”或“负”)极，向 极移动(填“X”或“Y”)，负极电极反应式为 。 18．电能是现代社会应用最广泛的能源之一。 (1)关于下图所示装置的说法中，正确的是 。 a．正极发生氧化反应，负极发生还原反应         b．电流由铜片通过导线流向锌片 c．铜片上发生的反应是         d．溶液中的向Cu片移动 (2)下列反应通过原电池装置，可实现化学能直接转化为电能的是 (填序号)。 ① ② ③ (3)某种燃料电池的工作原理示意如图所示，X、Y均为惰性电极，假设使用的“燃料”是氢气()，则通入的电极是 (填“a”或“b”)电极。 (4)有人以化学反应：为基础设计一种原电池，移入人体内作为心脏起搏器的能源，它们靠人体内血液中溶有一定浓度的、、进行工作，则原电池的负极发生的电极反应式为 。 19．某实验小组设计了下图所示的5组实验，探究化学能与热能的转化。 (1)实验①在实验前U型管中页面左右相平，在甲试管中加入适量氧化钙和水后，可观察到U型管中的现象是 ，反应的化学方程式是 。 (2)实验②中反应的能量变化可用下图中的 (填序号A或B)表示 (3)实验③④⑤中属于吸热反应的是 (填序号) (4)从微观角度分析实验⑤化学反应中能量变化的原因： ①和②分别为 、 (填“吸收”或“释放”)。氢气与氧气反应生成1mol水蒸气时，释放 kJ能量。 20．原电池是直接把化学能转化为电能的装置，按要求完成各问题。 (1)写出溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式： 。若将此反应设计成原电池，该电池的负极材料是 ，电解质溶液是 。 (2)高铁电池是一种新型可充电电池，如图甲所示是高铁电池的模拟实验装置。高铁电池的总反应为。 ①该盐桥中的阴离子向 (填“左”或“右”)侧烧杯移动。 ②电池放电时，正极的电极反应为 。 ③图乙为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有 。 (3)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图丙所示，写出放电过程中负极的电极反应： ，若过程中产生，则消耗标准状况下的体积为 L。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$