6.1 化学反应与能量变化 课件-2025-2026学年高一下学期化学人教版必修第二册

第一节 化学反应与能量变化 化学能与热能的相互转化 1.两条基本的自然规律 （1）质量守恒定律：自然界的物质发生反应前后，物质的总质量保持不变。 （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。 2.化学能与热能的相互转化 化学反应一定伴随着能量的变化，化学反应中能量的变化主要表现为热量的变化。 （1）吸热反应和放热反应 ①吸热反应：化学上把吸收热量的化学反应称为吸热反应。常见的吸热反应有八水合氢氧化钡与氯化铵的反应、盐酸与碳酸氢钠的反应、灼热的碳与二氧化碳的反应等。 ②放热反应：化学上把释放热量的化学反应称为放热反应。常见的放热反应有物质的燃烧、酸碱中和、活泼金属与酸的反应等。 吸、放热反应 ，而浓硫酸、NaOH固体等溶于水放热，NH4NO3、KNO3、NH4Cl等固体溶于水吸热，以上变化过程均为物理变化，不是吸、放热反应。 都属于化学反应 （2）实验探究 实验 操作 实验 现象 ①看到有气泡产生 ②用手触摸反应后的试管，手感到热 ③温度计指示反应温度升高 ①闻到刺激性气味 ②用手摸烧杯底部有冰凉感觉 ③用手拿起烧杯，玻璃片黏结到烧杯的底部 ④烧杯内反应物呈糊状 化学方程式 Mg＋2HClMgCl2＋H2↑ Ba（OH）2·8H2O＋2NH4ClBaCl2＋2NH3↑＋10H2O 实验结论 该反应放出热量 该反应吸收热量 化学反应中总会伴随着能量变化，通常主要表现为热能的变化，有的释放热量，有的吸收热量 化学反应中的能量变化 1.化学反应中能量变化的原因 （1）从化学键变化的角度理解能量变化的原因（微观探析） ①图示 ②示例说明：H2（g）＋Cl2（g）2HCl（g）的反应过程如图所示。 根据上图计算1 mol H2和1 mol Cl2断键吸收的总能量为679 kJ，形成2 mol HCl共释放862 kJ能量，断键吸收的总能量＜成键释放的总能量，因此该反应为放热反应。 （2）从反应物及生成物总能量高低的角度理解能量变化的原因（宏观辨识） ①原因：物质的组成、结构与状态不同，所具有的能量不同。因此，一个化学反应的能量变化取决于反应物总能量和生成物总能量的相对大小。 ②图示 放热反应 吸热反应 化学能转化为热能 热能转化为化学能被生成物“储存” 人类对能源的利用 1.化石燃料利用过程中亟待解决的问题 （1）短期内不可再生，储量有限。 （2）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。 2.在燃料利用过程中节能的主要环节 （1）燃料燃烧阶段——可通过改进锅炉的炉型和燃料空气比、清理积灰等方法提高燃料的燃烧效率。 （2）能量利用阶段——可通过使用节能灯，改进电动机的材料和结构，以及发电厂、钢铁厂余热与城市供热联产等措施促进能源循环利用，有效提高能源利用率。 3.新能源 （1）理想的新能源特点：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：太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能。 化学能转化为电能 1.火力发电——化学能间接转化为电能 （1）能量转换原理及过程 化学能 热能机械能电能 （2）化学能转化为电能的关键：燃烧（氧化还原反应）。 （3）能量转化特点：能量利用率低、污染严重。 2.原电池——化学能直接转化为电能 （1）实验探究 实验装置 实验现象 实验结论 锌片：逐渐溶解，有气泡产生 铜片：没有变化 锌与稀硫酸反应生成氢气，铜与稀硫酸不反应 锌片：逐渐溶解 铜片：有气泡产生 电流表：指针发生偏转 锌失去电子，转化为Zn2＋，电子经过导线流向铜片，产生电流，H＋在铜片上得到电子生成H2，反应过程中产生了电能 （2）原电池的工作原理（以铜－锌－稀硫酸原电池为例） ①图示 ②原电池是将化学能转化为电能的装置，本质是发生氧化还原反应。 ③原电池工作时电子、离子的移动方向 a.电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。 b.离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。 （3）原电池的构成条件 ①反应：能自发进行的、放热的氧化还原反应； ②电极：具有活动性不同的两个电极（金属与金属或金属与能导电的非金属）； ③溶液：两电极均插入电解质溶液中； ④导线：两电极用导线相连，形成闭合回路。 电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料。 化学电源 1.一次电池 （1）特点：放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行）。 （2）锌锰干电池 石墨棒作正极，锌筒作负极，氯化铵糊作电解质溶液。在使用过程中，电子由锌筒流向石墨棒，锌逐渐被消耗，二氧化锰不断被还原，电池电压逐渐降低，最后失效。 2.二次电池 （1）特点：放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态，从而实现放电（化学能转化为电能）和充电（电能转化为化学能）的循环。 （2）铅酸蓄电池   负极材料是铅，正极材料是二氧化铅，电解质溶液是稀硫酸。放电时，电池总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。 铅酸蓄电池放电时，电解质溶液中的H＋移向正极（PbO2极），电解质溶液中硫酸溶液浓度减小。 3.燃料电池 （1）概念：一种将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。 （2）特点 ①清洁、安全、高效等； ②能量转化率可以达到80％； ③反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，供电量易于调节。 对放热反应与吸热反应的理解 1.常见的放热反应和吸热反应 反应 类型 举例 常见的放热反应 大多数的化合反应 CaO＋H2OCa（OH）2 所有的燃烧 2H2＋O22H2O 酸碱中和 H＋＋OH－H2O 活泼金属与水或酸的置换反应 Zn＋H2SO4ZnSO4＋H2↑ 2Na＋2H2O2NaOH＋H2↑ 铝热反应 2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe 反应 类型 举例 常见的吸热反应 大多数的分解反应 CaCO3CaO＋CO2↑ 以H2、CO、C为还原剂的部分氧化还原反应 CuO＋H2Cu＋H2O C＋CO22CO Ba（OH）2·8H2O固体与NH4Cl固体混合后搅拌 Ba（OH）2·8H2O＋2NH4ClBaCl2＋2NH3↑＋10H2O　 NaHCO3与盐酸反应 NaHCO3＋HClNaCl＋H2O＋CO2↑ 项目 放热反应 吸热反应 定义 释放热量的化学反应 吸收热量的化学反应 形成原因 反应物具有的总能量大于生成物具有的总能量 反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量 与化学键强弱的关系 生成物分子成键时释放的总能量大于反应物分子断键时吸收的总能量 生成物分子成键时释放的总能量小于反应物分子断键时吸收的总能量 反应过程图示 一个反应是吸热反应还是放热反应，与反应条件无关。 2.放热反应与吸热反应的比较 3.放热反应和吸热反应的判断方法 （1）根据反应物和生成物的总能量大小判断 反应物的总能量大于生成物的总能量的反应为放热反应，反之为吸热反应。 （2）根据化学键断裂和形成时能量变化大小关系判断 断裂反应物中化学键吸收的能量大于形成生成物中化学键放出的能量的反应为吸热反应，反之为放热反应。 （3）根据经验规律判断 用常见吸热和放热的反应来判断。 （1）需要加热才能进行的反应不一定是吸热反应（如木炭的燃烧），不需要加热就能进行的反应也不一定是放热反应[如Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl晶体的反应]。 （2）化学反应都伴随着物质与能量的变化，有的放出能量，有的吸收能量。 （3）化学反应中能量变化的原因 宏观解释：反应物与生成物的总能量不同。 微观角度：反应物断键吸收的能量与生成物成键释放的能量不同。 （2025·山东莱州市第一中学高一月考）根据下列信息判断氢气燃烧生成水时的热量变化，其中一定正确的是（　　） A.H2O分解为H2与O2时释放热量 B.生成1 mol H2O（g）时吸收热量245 kJ C.甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小 关系为乙＞甲＞丙 D.氢气和氧气的总能量小于水的能量 1 mol氢气和0.5 mol氧气断键吸收了685 kJ的热量，生成1 mol水释放930 kJ的热量，成键释放的热量大于断键吸收的热量，因此氢气和氧气反应生成水的反应是放热反应，故水分解为氢气与氧气时吸收热量，A错误；1 mol氢气和0.5 mol氧气断键吸收了685 kJ的热量，生成1 mol水释放930 kJ的热量，故生成1 mol H2O（g）时放出热量930 kJ－685 kJ＝245 kJ，B错误；甲到乙是吸收热量，因此甲、乙中物质所具有的总能量大小关系为乙＞甲，乙到丙是释放热量，因此乙、丙中物质所具有的总能量大小关系为乙＞丙，甲到丙是放热反应，因此甲、丙中物质所具有的总能量大小关系为甲＞丙，所以甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小关系为乙＞甲 ＞丙，C正确；由上述分析可知，1 mol氢气和0.5 mol 氧气的总能量大于1 mol水的能量，D错误。 C 根据化学键变化计算化学反应吸收或释放的能量的方法 （1）从题中找出反应物断键吸收的能量； （2）从题中找出生成物成键释放的能量； （3）二者之差即为反应吸收或放出的能量。 需注意物质所含化学键的物质的量的大小和物质状态。 原电池的工作原理及电极反应式的书写 1.原电池的工作原理 （1）两反应：正极——还原反应；负极——氧化反应。 （2）三方向 ①电流方向：正极→导线→负极； ②电子流动方向：负极→导线→正极； ③阴、阳离子移动方向（电解质溶液中）： 阳离子：负极→正极； 阴离子：正极→负极。 2.确定原电池正、负极时应注意的问题 （1）构成原电池的两电极材料不一定都是金属，两极材料可以为导电的非金属，如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。 （2）两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中，不一定构成原电池，必须有一个能自发进行氧化还原反应。 （3）在判断原电池正、负极时，既要考虑金属的活动性强弱，也要考虑电解质溶液的性质。如Mg－Al－盐酸构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al。在Cu－Fe（或Al）－浓硝酸构成的原电池中，负极为Cu。 3.负极反应式的书写 （1）活泼金属作负极（电极材料本身反应） ①生成的阳离子与电解质溶液不反应时：M－ne－Mn＋。 ②若生成的阳离子与电解质溶液反应，应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解质溶液反应的反应式”叠加写出。 （2）燃料电池（电极材料本身不反应） 燃料电池的电极反应式和电解质溶液环境有关，需要根据电解质溶液环境具体分析。 4.正极反应式的书写 （1）当负极材料与电解质溶液能自发地发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种粒子。 （2）当负极材料与电解质溶液不能自发地发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的可能是溶解在电解质溶液中的O2。 （3）燃料电池中，在正极发生电极反应的物质是作氧化剂的物质。 （2024·广东佛山高二期末）关于甲醇、空气和KOH溶液组成的燃料电池，下列说法错误的是（　　） A.OH－向负极移动 B.可选用石墨、Pt作电极 C.负极发生的电极反应为CH3OH－6e－＋6OH－CO2↑＋5H2O D.相比直接燃烧甲醇发电，甲醇燃料电池能量利用率高 甲醇、空气和KOH溶液构成燃料电池，甲醇易失电子发生氧化反应，则甲醇所在电极为负极，负极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－C＋6H2O，氧气所在电极为正极，正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O4OH－，据此分析。原电池中，阴离子移向负极，即OH－向负极移动，A正确；甲醇、空气和KOH溶液组成的燃料电池可选用石墨、Pt作电极，B正确；由上述分析可知，负极发生的电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－C＋6H2O，C错误；甲醇燃烧发电是先将化学能转化为热能，再将热能转化为机械能，最后将机械能转化为电能，转化过程中都有能量损失，而燃料电池直接将化学能转化为电能，避免了能量转化过程中的损失，故甲醇燃料电池能量利用率高，D正确。 C 燃料电池的分析思路 原电池原理 1.原电池原理的应用 （1）加快反应速率：如实验室制H2用粗锌与酸反应。 （2）比较金属活动性：原电池中一般负极金属活动性比正极金属活动性强。 2.设计原电池 （2025·河北唐山高一期末）某化学兴趣小组设计的一个简易的原电池装置如图，室温下进行了4组实验。下列说法正确的是（　　） A.实验①中正极的电极反应式为Fe3＋＋3e－Fe B.实验②中电流表的指针会发生偏转，N向a电极移动 C.当实验③中外电路通过0.1 mol电子时，理论上Cu电极的质量增加3.2 g D.实验④放电过程中，a电极质量减少，b溶液的酸性增强 实验序号 ① ② ③ ④ a电极材料 石墨 石墨 铁单质 铁单质 b溶液（足量） FeCl3溶液 浓硝酸 CuSO4溶液 稀硫酸 Cu与FeCl3发生的反应为Cu＋2FeCl3CuCl2＋2FeCl2，根据原电池的工作原理，Cu为负极，石墨为正极，正极上得电子，电极反应式为Fe3＋＋e－Fe2＋，A错误；Cu与浓硝酸发生的反应为Cu＋4HNO3（浓）Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O，该反应为氧化还原反应，符合原电池的构成条件，电流表的指针会偏转，N向负极移动，即向Cu电极移动，B错误；实验③中的反应为Fe＋CuSO4FeSO4＋Cu，a电极为负极，Cu电极为正极，正极的电极反应式为Cu2＋＋2e－Cu，电路中通过0.1 mol电子，Cu电极的质量增加3.2 g，C正确；实验④中的反应为Fe＋H2SO4FeSO4＋H2↑，根据原电池的工作原理，Fe为负极，失去电子，a极质量减少，硫酸在Cu电极上反应生成氢气，故溶液的酸性减弱，D错误。 C 原电池中“电子不下水，离子不上岸”，即电子不能通过电解质溶液（只能通过外电路），离子不能通过外电路（只能通过电解质溶液）。 （1）判断原电池中电子移动方向：在外电路中，电子由负极移向正极。 （2）“阳正阴负”法判断原电池中离子移动方向：在电解质溶液中，阳离子移向正极，即“阳正”，阴离子移向负极，即“阴负”。 $