内容正文:
化学 选择性必修1(鲁科)
一、ΔH的计算和热化学方程式书写
1.计算ΔH的常用方法
计算依据
计算方法
热化学方程式
热化学方程式与数学上的方程式相似,可以移项同时改变正、负号,各项的化学系数包括ΔH的数值可以同时扩大或缩小相同的倍数
盖斯定律
可以将两个或两个以上的热化学方程式包括其ΔH相加或相减,得到一个新的热化学方程式
化学键的变化
ΔH=反应物的化学键断裂所吸收的总能量-反应产物的化学键形成所放出的总能量
反应物和反应产物的总能量
ΔH=H(反应产物)-H(反应物)
摩尔燃烧焓
可燃物完全燃烧产生的热量=n(可燃物)×其摩尔燃烧焓
图像信息(a、b、c均大于0)
ΔH=(a-b) kJ/mol=-c kJ/mol
ΔH=(a-b) kJ/mol=+c kJ/mol
2.热化学方程式书写的注意事项
1.二氧化碳催化加氢制甲醇,有利于减少温室气体二氧化碳。回答下列问题:
二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为:
CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)
该反应一般认为通过如下步骤来实现:
①CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41 kJ·mol-1
②CO(g)+2H2(g)===CH3OH(g) ΔH2=-90 kJ·mol-1
总反应的ΔH=________kJ·mol-1;若反应①为慢反应,下列示意图中能体现上述反应能量变化的是________(填标号),判断的理由是____________________________。
答案:-49 A ΔH1为正值,ΔH2和ΔH为负值,反应①的活化能大于反应②的
解析:根据盖斯定律可知,①+②可得二氧化碳加氢制甲醇的总反应:CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=(+41 kJ·mol-1)+(-90 kJ·mol-1)=-49 kJ·mol-1 ;该反应总反应为放热反应,因此生成物总能量低于反应物总能量,反应①为慢反应,因此反应①的活化能高于反应②,同时反应①的反应物总能量低于生成物总能量,反应②的反应物总能量高于生成物总能量,因此示意图中能体现反应能量变化的是A。
2.乙苯主要用于生产苯乙烯。已知相关反应的热化学方程式:
①乙苯直接脱氢C6H5—CH2CH3(g)C6H5—CH===CH2(g)+H2(g) ΔH=+118.0 kJ·mol-1
②2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH2=-483.6 kJ·mol-1
写出O2与乙苯气体反应生成苯乙烯气体和水蒸气的热化学方程式:____________________________________。
答案:2C6H5—CH2CH3(g)+O2(g)2C6H5—CH2===CH2(g)+2H2O(g) ΔH=-247.6 kJ·mol-1
3.研究CO2与CH4的反应对减缓燃料危机和减弱温室效应具有重大意义。CO2与CH4发生反应Ⅰ:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+234.0 kJ·mol-1,在反应过程中还发生反应Ⅱ:H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) ΔH2。
已知部分化学键的键能数据如下:
化学键
H—O
H—H
C===O
C≡O
键能(kJ·mol-1)
413
436
803
1076
则ΔH2=________kJ·mol-1。
答案:+140
解析:ΔH2=436 kJ·mol-1+2×803 kJ·mol-1-2×413 kJ·mol-1-1076 kJ·mol-1=+140 kJ·mol-1。
二、可充电电池(原电池原理和电解原理的综合应用)和电极反应式的书写
1.可充电电池原理和特点
(1)原理
可充电电池属于二次电池,是一种可反复使用的电池。当电池放电时,是一种原电池,当电池充电时,又是一种电解池。
(2)离子移动的方向
原电池中阳离子移向正极,阴离子移向负极;电解池中阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。对此可通过电子的流向加以判断:在原电池中,电子由负极流向正极,溶液中的阳离子应移向正极,正极发生得电子的还原反应;电解池中,电子由电源负极流入阴极,阳离子应移向阴极,阴离子移向阳极,阳极发生失电子的氧化反应,电子沿导线流回电源正极,构成一个闭合回路。
无论是原电池还是电解池,阳离子一定移向发生还原反应的极,阴离子一定移向发生氧化反应的极。
(3)充放电后溶液pH的变化
充放电后溶液pH的变化与两极反应有密切关系,可通过电极反应式加以判断。
2.电极反应式的书写
(1)可充电电池电极反应式的书写
①放电时(原电池)
负极—还原剂发生氧化反应,可据此写出负极反应式。
正极—氧化剂发生还原反应,可据此写出正极反应式。
②充电时(电解池)
阴极—电极反应式与放电时负极反应式书写方向相反。
阳极—电极反应式与放电时正极反应式书写方向相反。
在书写电极反应式时要注意电解质溶液是否参与电极反应。对于复杂的电极反应式,可先写出其中一个简单的电极反应式(通常是负极),然后用总反应方程式减去该电极反应式即可得到另一个电极反应式。
(2)陌生电极反应式的书写(以原电池为例)
对于不熟悉的电极反应式可以按照下列思路进行书写。
4.某生物质电池原理如下图所示,充、放电时分别得到高附加值的醇和羧酸。下列说法正确的是( )
A.放电时,正极电极反应为+H2O-2e-===+2H+
B.放电时,Co0.2Ni0.8(OH)2转化为Co0.2Ni0.8OOH
C.充电时,K+通过交换膜从左室向右室迁移
D.充电时,阴极电极反应为+2H2O+2e-===+2OH-
答案:D
解析:放电时,负极发生氧化反应,转化为,所以放电时,Rh/Cu是负极。充电时,Rh/Cu是阴极,A错误;放电时,正极得电子,Co0.2Ni0.8OOH转化为Co0.2Ni0.8(OH)2,B错误;充电时,阳离子向阴极移动,Rh/Cu是阴极,K+通过交换膜从右室向左室迁移,C错误;充电时,Rh/Cu是阴极,糠醛发生还原反应生成,阴极电极反应为+2H2O+2e-===+2OH-,D正确。
5.一种新型NaCaFeO3可充电电池,其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.该电池有机介质可以用Na2SO4溶液代替
B.放电时,Na+通过钠离子交换膜向M极移动
C.放电时,N极电极反应式为2CaFeO3+2e-+2Na+===2CaFeO2.5+Na2O
D.充电时,每生成1 mol Na,有机电解质的整体质量减小23 g
答案:C
解析:电池工作时,Na电极失电子产生Na+,透过钠离子交换膜移向CaFeO3电极(即N极),则M电极为负极,N电极为正极。因为Na电极会与Na2SO4溶液中的H2O反应,A、B错误;放电时,N极为正极,CaFeO3得电子产物会与电解质反应,生成CaFeO2.5和Na2O,电极反应式为2CaFeO3+2e-+2Na+===2CaFeO2.5+Na2O,C正确;充电时,每生成1 mol Na,同时也会有0.5 mol O2-消耗,所以有机电解质的整体质量减小23 g+0.5 mol×16 g·mol-1=31 g,D错误。
6.环氧乙烷(,简称EO)是一种重要的工业原料和消毒剂。由乙烯经电解制备EO的原理示意图如下。
(1)阳极室产生Cl2后发生的反应有:____________________、CH2===CH2+HClO―→HOCH2CH2Cl。
(2)结合电极反应式说明生成溶液a的原理_______________________________________
_________________________________________________________________________________________________________。
答案:(1)Cl2+H2OHCl+HClO
(2)阴极发生反应:2H2O+2e-===H2↑+2OH-生成OH-,K+通过阳离子交换膜从阳极迁移到阴极,形成KOH和KCl的混合溶液
解析:阳极产生氯气后,可以和水发生反应生成次氯酸,其方程式为Cl2+H2OHCl+HClO;溶液a是阴极的产物,在阴极发生反应2H2O+2e-===H2↑+2OH-,同时阳极的钾离子会向阴极移动和氢氧根离子结合形成氢氧化钾。
1.(湖北卷)2024年5月8日,我国第三艘航空母舰福建舰顺利完成首次海试。舰体表面需要采取有效的防锈措施,下列防锈措施中不形成表面钝化膜的是( )
A.发蓝处理 B.阳极氧化
C.表面渗镀 D.喷涂油漆
答案:D
解析:喷涂油漆是将油漆涂在待保护的金属表面,并没有在表面形成钝化膜。
2.(北京卷)酸性锌锰干电池的构造示意图如图。关于该电池及其工作原理,下列说法正确的是( )
A.石墨作电池的负极材料
B.电池工作时,NH向负极方向移动
C.MnO2发生氧化反应
D.锌筒发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+
答案:D
解析:酸性锌锰干电池,锌筒为负极,石墨电极为正极,负极发生失电子的氧化反应Zn-2e-===Zn2+,A错误,D正确;原电池工作时,阳离子向正极(石墨电极)方向移动,B错误;MnO2发生得电子的还原反应,C错误。
3.(海南卷)已知298 K、101 kPa时,2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-571.6 kJ·mol-1,H2的临界温度(能够液化的最高温度)为32.98 K,下列说法错误的是( )
A.氢气燃烧热ΔH=-285.8 kJ·mol-1
B.题述条件下2 mol H2和1 mol O2,在燃料电池中完全反应,电功+放热量=571.6 kJ
C.氢能利用的关键技术在于安全储存与运输
D.不同电极材料电解水所需电压不同,产生2 g H2(g)消耗的电功相同
答案:D
4.(广东卷)我国自主设计建造的浮式生产储卸油装置“海葵一号”将在珠江口盆地海域使用,其钢铁外壳镶嵌了锌块,以利用电化学原理延缓外壳的腐蚀。下列有关说法正确的是( )
A.钢铁外壳为负极
B.镶嵌的锌块可永久使用
C.该法为外加电流法
D.锌发生反应:Zn-2e-===Zn2+
答案:D
解析:钢铁外壳为正极,锌块为负极,A错误;镶嵌的锌块会被逐渐消耗,需根据腐蚀情况进行维护和更换,不能永久使用,B错误;该方法为牺牲阳极法,C错误。
5.(重庆卷)二氧化碳-甲烷重整是CO2资源化利用的重要研究方向,涉及的主要热化学方程式有:
①CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ/mol
②CO(g)+H2(g)C(s)+H2O(g) ΔH2=-131 kJ/mol
③CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g) ΔH3=-90 kJ/mol
已知H—H键能为a kJ/mol,O—H键能为b kJ/mol,C—H键能为c kJ/mol,则CO(g)中的碳氧键键能(单位: kJ/mol)为( )
A.-206+3a-2b-4c B.-206-3a+2b+4c
C.206+3a-2b-4c D.206-3a+2b+4c
答案:B
解析:根据盖斯定律反应①+②-③可得反应:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g),该反应ΔH=ΔH1+ΔH2-ΔH3=247 kJ/mol+(-131 kJ/mol)-(-90 kJ/mol)=206 kJ/mol,根据ΔH=反应物键能和-生成物键能和可得,4c+2b-3a-CO(g)中的碳氧键键能=206,CO(g)中的碳氧键键能为(-206-3a+2b+4c) kJ/mol,故选B。
6.(山东卷)以不同材料修饰的Pt为电极,一定浓度的NaBr溶液为电解液,采用电解和催化相结合的循环方式,可实现高效制H2和O2,装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.电极a连接电源负极
B.加入Y的目的是补充NaBr
C.电解总反应式为Br-+3H2OBrO+3H2↑
D.催化阶段反应产物物质的量之比n(Z)∶n(Br-)=3∶2
答案:B
解析:电极b上Br-发生失电子的氧化反应转化成BrO,电极b为阳极,电极反应为Br--6e-+3H2O===BrO+6H+;则电极a为阴极,电极a的电极反应为6H++6e-===3H2↑;电解总反应式为Br-+3H2OBrO+3H2↑;催化循环阶段BrO被还原成Br-循环使用、同时生成O2,实现高效制H2和O2,即Z为O2。根据分析电解过程中消耗H2O和Br-,而催化阶段BrO被还原成Br-循环使用,故加入Y的目的是补充H2O,维持NaBr溶液为一定浓度,B错误。
7.(河北卷)阅读以下材料,完成下题。
我国科技工作者设计了如图所示的可充电MgCO2电池,以Mg(TFSI)2为电解质,电解液中加入1,3丙二胺(PDA)以捕获CO2,使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍,同时改善了Mg2+的溶剂化环境,提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是( )
A.放电时,电池总反应为2CO2+Mg===MgC2O4
B.充电时,多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时,电子由Mg电极流向阳极,Mg2+向阴极迁移
D.放电时,每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2
答案:C
解析:
电极
过程
电极反应式
Mg电极
放电
Mg-2e-===Mg2+
充电
Mg2++2e-===Mg
多孔碳纳
米管电极
放电
Mg2++2CO2+2e-===MgC2O4
充电
MgC2O4-2e-===Mg2++2CO2↑
充电时,Mg电极为阴极,电子从电源负极经外电路流向Mg电极,同时Mg2+向阴极迁移,C错误。
8.(海南卷)各相关物质的燃烧热数据如下表。下列热化学方程式正确的是( )
物质
C2H6(g)
C2H4(g)
H2(g)
ΔH/(kJ·mol-1)
-1559.8
-1411
-285.8
A.C2H4(g)+3O2(g)===2CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-1411 kJ·mol-1
B.C2H6(g)===C2H4(g)+H2(g) ΔH=-137 kJ·mol-1
C.2H2O(l)===O2(g)+2H2(g) ΔH=+285.8 kJ·mol-1
D.C2H6(g)+O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1559.8 kJ·mol-1
答案:D
解析:H2O应该为液态,A错误;C2H6(g)===C2H4(g)+H2(g) ΔH=+137 kJ·mol-1,B错误;氢气的燃烧热为285.8 kJ·mol-1,则H2O(l)===O2(g)+H2(g) ΔH=+285.8 kJ·mol-1,C错误。
9.(新课标卷)一种以V2O5和Zn为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质的电池,其示意图如下所示。放电时,Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是( )
A.放电时V2O5为正极
B.放电时Zn2+由负极向正极迁移
C.充电总反应:xZn+V2O5+nH2O===ZnxV2O5·nH2O
D.充电阳极反应:ZnxV2O5·nH2O-2xe-===xZn2++V2O5+nH2O
答案:C
解析:由题中信息可知,该电池放电时Zn为负极、V2O5为正极,电池的总反应为xZn+V2O5+nH2O===ZnxV2O5·nH2O。充电时的总反应为ZnxV2O5·nH2O===xZn+V2O5+nH2O,C不正确。
10.(重庆高考)“千畦细浪舞晴空”,氮肥保障了现代农业的丰收。为探究(NH4)2SO4的离子键强弱,设计如图所示的循环过程,可得ΔH4/(kJ·mol-1)为( )
A.+533 B.+686
C.+838 D.+1143
答案:C
解析:根据图示,可得:①NH4Cl(s)===NH(g)+Cl-(g) ΔH1=+698 kJ·mol-1、
②NH4Cl(s)===NH(aq)+Cl-(aq) ΔH2=+15 kJ·mol-1、③Cl-(g)===Cl-(aq) ΔH3=-378 kJ·mol-1、④(NH4 )2SO4(s)===NH(g)+SO(g) ΔH4、
⑤(NH4)2SO4(s)===NH(aq)+SO(aq) ΔH5=+3 kJ·mol-1、⑥SO(g)===SO(aq) ΔH6=-530 kJ·mol-1。根据盖斯定律,由①-②+③,可得NH(aq)===NH(g) ΔH=+305 kJ·mol-1,同理,由④-⑤+⑥,可得NH(aq)===NH(g) ΔH=ΔH4-533 kJ·mol-1,则ΔH4-533 kJ·mol-1=+305 kJ·mol-1,ΔH4=+838 kJ·mol-1。
11.(1)(全国甲卷节选)甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。一种将甲烷溴化再偶联为丙烯(C3H6)的研究所获得的部分数据如下。回答下列问题:
已知如下热化学方程式:
CH4(g)+Br2(g)===CH3Br(g)+HBr(g) ΔH1=-29 kJ·mol-1
3CH3Br(g)===C3H6(g)+3HBr(g) ΔH2=+20 kJ·mol-1
计算反应3CH4(g)+3Br2(g)===C3H6(g)+6HBr(g)的ΔH=________kJ·mol-1。
(2)(山东卷节选)水煤气是H2的主要来源,研究CaO对CH2O体系制H2的影响,涉及主要反应如下:
C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)(Ⅰ) ΔH1>0
CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g)(Ⅱ) ΔH2<0
CaO(s)+CO2(g)===CaCO3(s)(Ⅲ) ΔH3<0
回答下列问题:
C(s)+CaO(s)+2H2O(g)CaCO3(s)+2H2(g)的焓变ΔH=________(用代数式表示)。
(3)(安徽卷节选)乙烯是一种用途广泛的有机化工原料。由乙烷制乙烯的研究备受关注。回答下列问题:
【乙烷制乙烯】
C2H6氧化脱氢反应:
2C2H6(g)+O2(g)===2C2H4(g)+2H2O(g) ΔH1=-209.8 kJ·mol-1
C2H6(g)+CO2(g)===C2H4(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH2=178.1 kJ·mol-1
计算:2CO(g)+O2(g)===2CO2(g) ΔH3=________kJ·mol-1。
答案:(1)-67 (2)ΔH1+ΔH2+ΔH3
(3)-566
12.(北京卷节选)尿素[CO(NH2)2]合成的发展体现了化学科学与技术的不断进步。
(1)二十世纪初,工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素。反应分两步:
ⅰ.CO2和NH3生成NH2COONH4;
ⅱ.NH2COONH4分解生成尿素。
结合反应过程中能量变化示意图,下列说法正确的是________(填序号)。
a.活化能:反应ⅰ<反应ⅱ
b.ⅰ为放热反应,ⅱ为吸热反应
c.CO2(l)+2NH3(l)===CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E1-E4
(2)近年研究发现,电催化CO2和含氮物质(NO等)在常温常压下合成尿素,有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的KNO3溶液通CO2至饱和,在电极上反应生成CO(NH2)2,电解原理如图所示。
①电极b是电解池的________极。
②电解过程中生成尿素的电极反应式是__________________________________________。
答案:(1)ab (2)①阳 ②2NO+16e-+CO2+18H+===CO(NH2)2+7H2O
解析:(1)反应ⅰ的活化能是E1,反应ⅱ的活化能是E3,E1<E3,a正确;从图中反应物和生成物能量的相对大小可看出反应ⅰ放热,反应ⅱ吸热,b正确;总反应的ΔH=E1-E2+E3-E4,c错误。
13.(广东卷)化学反应常伴随热效应。某些反应(如中和反应)的热量变化,其数值Q可通过量热装置测量反应前后体系温度变化,用公式Q=cρV总·ΔT计算获得。
(1)盐酸浓度的测定:移取20.00 mL待测液,加入指示剂,用0.5000 mol·L-1 NaOH溶液滴定至终点,消耗NaOH溶液22.00 mL。
①上述滴定操作用到的仪器有________。
②该盐酸浓度为________mol·L-1。
(2)热量的测定:取上述NaOH溶液和盐酸各50 mL进行反应,测得反应前后体系的温度值(℃)分别为T0、T1,则该过程放出的热量为________J(c和ρ分别取4.18 J·g-1·℃-1和1.0 g·mL-1,忽略水以外各物质吸收的热量,下同)。
(3)借鉴(2)的方法,甲同学测量放热反应Fe(s)+CuSO4(aq)===FeSO4(aq)+Cu(s)的焓变ΔH(忽略温度对焓变的影响,下同)。实验结果见下表。
序号
反应试剂
体系温度/℃
反应前
反应后
ⅰ
0.20 mol·L-1 CuSO4溶液100 mL
1.20 g Fe粉
a
b
ⅱ
0.56 g Fe粉
a
c
①温度:b________c(填“>”“<”或“=”)。
②ΔH=________(选择表中一组数据计算)。结果表明,该方法可行。
(4)乙同学也借鉴(2)的方法,测量反应A:Fe(s)+Fe2(SO4)3(aq)===3FeSO4(aq)的焓变。
查阅资料:配制Fe2(SO4)3溶液时需加入酸。加酸的目的是________。
提出猜想:Fe粉与Fe2(SO4)3溶液混合,在反应A进行的过程中,可能存在Fe粉和酸的反应。
验证猜想:用pH试纸测得Fe2(SO4)3溶液的pH不大于1;向少量Fe2(SO4)3溶液中加入Fe粉,溶液颜色变浅的同时有气泡冒出,说明存在反应A和__________________________(用离子方程式表示)。
实验小结:猜想成立,不能直接测反应A的焓变。
教师指导:鉴于以上问题,特别是气体生成带来的干扰,需要设计出实验过程中无气体生成的实验方案。
优化设计:乙同学根据相关原理,重新设计了优化的实验方案,获得了反应A的焓变。该方案为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)化学能可转化为热能,写出其在生产或生活中的一种应用________________。
答案:(1)①AD ②0.5500
(2)418(T1-T0)
(3)①> ②-20.9(b-a) kJ·mol-1或-41.8(c-a) kJ·mol-1
(4)抑制Fe3+水解 Fe+2H+===Fe2++H2↑ 将一定量的Cu粉加入一定浓度的Fe2(SO4)3溶液中反应,测量反应热,计算得到反应Cu(s)+Fe2(SO4)3(aq)===CuSO4(aq)+2FeSO4(aq)的焓变ΔH1;根据(3)中实验计算得到反应Fe(s)+CuSO4(aq)===Cu(s)+FeSO4(aq)的焓变ΔH2;根据盖斯定律计算得到反应Fe(s)+Fe2(SO4)3(aq)===3FeSO4(aq)的焓变为ΔH1+ΔH2
(5)燃料燃烧(或铝热反应焊接铁轨等)
解析:(1)②滴定时发生的反应为HCl+NaOH===NaCl+H2O,故c(HCl)=
==0.5500 mol·L-1。
(2)由Q=cρV总·ΔT可得Q=4.18 J·g-1·℃-1×1.0 g·mL-1×(50 mL+50 mL)×ΔT=418(T1-T0) J。
(3)①100 mL 0.20 mol·L-1 CuSO4溶液含有溶质的物质的量为0.02 mol,1.20 g Fe粉和0.56 g Fe粉的物质的量分别为0.021 mol、0.01 mol,实验ⅰ中有0.02 mol CuSO4发生反应,实验ⅱ中有0.01 mol CuSO4发生反应,实验ⅰ放出的热量多,则b>c;②若按实验ⅰ进行计算,ΔH=- kJ·mol-1=-20.9(b-a) kJ·mol-1;若按实验ⅱ进行计算,ΔH=- kJ·mol-1=-41.8(c-a) kJ·mol-1。
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