内容正文:
6.1 化学反应与能量变化
一、放热反应与吸热反应
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,手感到温热;
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,木片和烧杯黏结在一起,混合物呈糊状
该反应吸收热量
化学反应除了有新物质生成以外,还伴随着能量变化,通常主要表现为热量的释放或吸收。
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)常见的放热反应和吸热反应
放热反应
吸热反应
①所有燃烧反应
②酸碱中和反应
③大多数化合反应
④活泼金属跟水或酸的反应
⑤物质的缓慢氧化
①大多数分解反应
②C+CO2(以C、H2为还原剂的氧化还原反应)
③Ba(OH)2·8H2O+NH4Cl(固态铵盐与碱的反应)
④NaHCO3与盐酸的反应
放热反应与吸热反应的判断注意事项
(1)“三个不一定”。需加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如碳和氧气的反应;放热反应常温下不一定容易发生,如乙醇燃烧;吸热反应也不一定需要加热,如Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。
(2)吸热反应和放热反应都是化学变化。
(3)放热过程不一定是放热反应,如NaOH固体的溶解和浓硫酸的稀释是放热过程,但不是放热反应;吸热过程不一定是吸热反应,如升华、蒸发等过程是吸热过程,但不是吸热反应。
易错提醒
3.化学反应能量变化与反应条件的关系
化学反应能否发生与条件有关,反应过程的能量变化与反应条件没有必然联系,但若反应在开始时需要加热,反应开始后不再加热就能继续进行的化学反应一般是放热反应,如铁与硫的反应;需要持续加热才能进行的反应一般是吸热反应,如碳酸钙的受热分解。
二、化学反应中能量变化的主要原因
1.微观角度:从化学键角度解释化学反应中的能量变化
(1)原因
用E吸表示反应物化学键断裂时吸收的总能量,E放表示生成物化学键形成时放出的总能量。
公式:ΔE=E吸-E放=反应物总键能-生成物总键能。
ΔE>0,为吸热反应;ΔE<0,为放热反应。
应用公式计算化学反应中的能量变化时,不仅要注意反应中的各物质的物质的量,还要注意1 mol物质中化学键的物质的量,如1 mol H2O中含有2 mol H—O,1 mol H2O2中含有2 mol H—O和1 mol O—O。
易错提醒
(2)实例:H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)的反应过程如下图
根据上图计算1 mol H2和1 mol Cl2断键吸收的总能量为436+243=679 kJ,形成2 mol HCl共释放2×431=862 kJ能量,断键吸收的总能量E吸<成键释放的总能量E放,因此该反应为放热反应。
2.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
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。
放热反应
吸热反应
(1)化学反应能量变化(ΔE)=生成物总能量-反应物总能量。
ΔE>0,为吸热反应;ΔE<0,为放热反应。
(2)物质的稳定性与物质能量的关系
物质具有的能量越低,断开其中的化学键需要的能量越多,该物质越稳定;物质具有的能量越高,断开其中的化学键需要的能量越少,该物质越不稳定。简记:能量越低越稳定。
易错提醒
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。
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。
易错提醒
三、获取热能的途径及资源的有效利用
1.人类获取热能的主要途径是通过物质的燃烧。
2.化石燃料作为人类利用最多的常规能源,其利用过程中面临两方面亟待解决的问题:一是其短期内不可再生,储量有限;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。
3.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、火力发电——化学能间接转化为电能
能量转换原理
化石燃料燃烧→加热水→蒸汽推动蒸汽轮机→带动发电机
能量转化过程
化学能→热能→机械能→电能
能量转化的关键
化石燃料的燃烧(氧化还原反应)
能量转化的特点
能量利用率低、污染严重
五、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
实验结论或解释
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,变为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.原电池的概念及本质
(1)概念:将化学能转化为电能的装置。
(2)本质:发生氧化还原反应。
3.原电池工作原理(以Zn--Cu--稀硫酸原电池为例)
原电池总反应式:Zn+2H+===Zn2++H2↑
(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。
(3)离子的移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
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)
易错提醒
4.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。
以上四个条件也可作为判断一个装置是否为原电池的依据,只要有一个条件不满足就不能构成原电池。
5.原电池正、负极判断方法
(1)据电极材料——活泼的易失电子的为负极,不活泼的为正极。
(2)据电子的流向——电子流出的为负极,电子流入的为正极。
(3)据化学反应——失电子发生氧化反应的为负极,得电子发生还原反应的为正极。
(4)据电极现象——溶解的为负极,产生气体或固体析出的为正极。
判断原电池正负极的注意事项
一般是较活泼金属作负极,较不活泼金属作正极,但也要注意电解质溶液的性质。
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。
易错提醒
六、原电池原理的应用
1.增大氧化还原反应的速率
(1)原理:在原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,使溶液中的粒子运动时相互间的干扰减小,使反应速率增大。
(2)应用举例:实验室用Zn和稀H2SO4(或稀盐酸)反应制H2,常用粗锌,它产生H2的速率大。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4(或稀盐酸)形成原电池,加快了锌的反应,使产生H2的速率增大。
2.比较金属的活动性强弱
(1)原理:原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。
(2)应用举例:有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,由原电池原理可知,金属活动性A>B。
3.用于保护金属
(1)原理:使被保护的金属制品与比其活泼的金属相连接,作原电池正极而得到保护。
(2)应用举例:在大海中航行的轮船,钢制船壳上常镶嵌一定量的锌块,锌块与钢铁外壳形成原电池,锌作负极,铁作正极被保护。
4.设计原电池
(1)思路: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(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)步骤
①找:找一个能够自发进行的氧化还原反应,只有自发进行的氧化还原反应才能被设计成原电池。
②拆:将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,分别作为负极和正极的电极反应,还原剂-ne-===氧化产物(负极电极反应);氧化剂+ne-===还原产物(正极电极反应)。
③定:根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液,正极一般选择比负极活泼性差的金属或能导电的非金属。
④画:连接电路形成闭合回路,画出原电池示意图。
(3)实例(以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu为例)
材料选择
电极反应式
装置
负极:Fe
正极:Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或导电的石墨棒均可)
电解质溶液:CuSO4溶液
负极:Fe-2e-===Fe2+
正极:Cu2++2e-===Cu
七、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+2NH+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。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)。
(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。
(3)氢氧燃料电池
氢氧燃料电池在不同介质中的总反应相同,均为2H2+O2===2H2O。但正、负极反应与电解质溶液有关,正、负极反应如下:
电解质溶液
负极
正极
酸性(H+)
2H2-4e-===4H+
O2+4H++4e-===2H2O
碱性(OH-)
2H2-4e-+4OH-===4H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
在书写电极反应式时应看清溶液的酸碱性,酸性条件下不出现OH-,碱性条件下不出现H+。
易错提醒
学科网(北京)股份有限公司
$
6.1 化学反应与能量变化
一、放热反应与吸热反应
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 ;
③用温度计测得反应后温度
该反应 热量
闻到 气味,烧杯壁 ,木片和烧杯黏结在一起,混合物呈糊状
该反应 热量
化学反应除了有新物质生成以外,还伴随着 变化,通常主要表现为热量的 或 。
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)常见的放热反应和吸热反应
放热反应
吸热反应
①所有燃烧反应
②酸碱中和反应
③大多数化合反应
④活泼金属跟水或酸的反应
⑤物质的缓慢氧化
①大多数分解反应
②C+CO2(以C、H2为还原剂的氧化还原反应)
③Ba(OH)2·8H2O+NH4Cl(固态铵盐与碱的反应)
④NaHCO3与盐酸的反应
放热反应与吸热反应的判断注意事项
(1)“三个不一定”。需加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如碳和氧气的反应;放热反应常温下不一定容易发生,如乙醇燃烧;吸热反应也不一定需要加热,如Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。
(2)吸热反应和放热反应都是化学变化。
(3)放热过程不一定是放热反应,如NaOH固体的溶解和浓硫酸的稀释是放热过程,但不是放热反应;吸热过程不一定是吸热反应,如升华、蒸发等过程是吸热过程,但不是吸热反应。
易错提醒
3.化学反应能量变化与反应条件的关系
化学反应能否发生与条件有关,反应过程的能量变化与反应条件没有必然联系,但若反应在开始时需要加热,反应开始后不再加热就能继续进行的化学反应一般是放热反应,如铁与硫的反应;需要持续加热才能进行的反应一般是吸热反应,如碳酸钙的受热分解。
(1)硝酸铵固体溶于水,溶液的温度降低,该变化为吸热反应( )
(2)氢气燃烧,浓硫酸溶于水,都放出热量,这些变化都为放热反应( )
(3)化学反应既有物质变化,又有能量变化( )
(4)镁条在空气中燃烧是放热反应,反应过程中所释放的能量全部转化为热能( )
(5)吸热反应需要加热才能进行,放热反应都不需要加热就可以进行( )
(6)火药爆炸时所释放的能量包括热、光、声、机械能等多种能量形式( )
参考答案: (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√
易错辨析
二、化学反应中能量变化的主要原因
1.微观角度:从化学键角度解释化学反应中的能量变化
(1)原因
用E吸表示反应物化学键断裂时吸收的总能量,E放表示生成物化学键形成时放出的总能量。
公式:ΔE=E吸-E放=反应物总键能-生成物总键能。
ΔE>0,为吸热反应;ΔE<0,为放热反应。
应用公式计算化学反应中的能量变化时,不仅要注意反应中的各物质的物质的量,还要注意1 mol物质中化学键的物质的量,如1 mol H2O中含有2 mol H—O,1 mol H2O2中含有2 mol H—O和1 mol O—O。
易错提醒
(2)实例:H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)的反应过程如下图
根据上图计算1 mol H2和1 mol Cl2断键吸收的总能量为436+243=679 kJ,形成2 mol HCl共释放2×431=862 kJ能量,断键吸收的总能量E吸<成键释放的总能量E放,因此该反应为放热反应。
2.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
物质的组成、结构与 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 和 的相对大小。
放热反应
吸热反应
(1)化学反应能量变化(ΔE)=生成物总能量-反应物总能量。
ΔE>0,为吸热反应;ΔE<0,为放热反应。
(2)物质的稳定性与物质能量的关系
物质具有的能量越低,断开其中的化学键需要的能量越多,该物质越稳定;物质具有的能量越高,断开其中的化学键需要的能量越少,该物质越不稳定。简记:能量越低越稳定。
易错提醒
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。
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 的转化,化学能也可以与 、 等发生转化。
易错提醒
(1)对于一个化学反应来说,当化学键断裂时吸收的能量大于化学键形成时放出的能量,则反应放热( )
(2)相同条件下形成1 mol H—Cl键放出的能量与断开1 mol H—Cl键吸收的能量相等( )
(3)任何化学反应,都有物质变化,同时伴随着能量变化( )
(4)放热反应为“贮存”能量的过程,吸热反应为“释放”能量的过程( )
(5)已知Fe与稀盐酸的反应为放热反应,即Fe的能量大于H2的能量( )
参考答案:(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)×
易错辨析
三、获取热能的途径及资源的有效利用
1.人类获取热能的主要途径是通过 。
2.化石燃料作为人类利用最多的常规能源,其利用过程中面临两方面亟待解决的问题:一是其短期内 ,储量有限;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。
3.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、火力发电——化学能间接转化为电能
能量转换原理
化石燃料燃烧→加热水→蒸汽推动蒸汽轮机→带动发电机
能量转化过程
能→ 能→ 能→ 能
能量转化的关键
化石燃料的 (氧化还原反应)
能量转化的特点
能量利用率低、污染严重
五、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
实验结论或解释
锌片:逐渐 ,有 产生
铜片:
锌与稀硫酸反应生成 ,铜与稀硫酸
锌片:
铜片:
电流表:指针发生偏转
锌 电子,变为 ,电子经过导线流向 ,产生电流, 在铜片上 电子生成 ,反应过程中产生了
2.原电池的概念及本质
(1)概念:将 能转化为 的装置。
(2)本质:发生 反应。
3.原电池工作原理(以Zn--Cu--稀硫酸原电池为例)
原电池总反应式:Zn+2H+===Zn2++H2↑
(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 。
(3)离子的移动方向:阳离子向 移动,阴离子向 移动。
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)
易错提醒
4.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。
以上四个条件也可作为判断一个装置是否为原电池的依据,只要有一个条件不满足就不能构成原电池。
5.原电池正、负极判断方法
(1)据电极材料——活泼的易失电子的为 ,不活泼的为 。
(2)据电子的流向——电子流出的为 ,电子流入的为 。
(3)据化学反应——失电子发生氧化反应的为 ,得电子发生还原反应的为 。
(4)据电极现象——溶解的为 ,产生气体或固体析出的为 。
判断原电池正负极的注意事项
一般是较活泼金属作负极,较不活泼金属作正极,但也要注意电解质溶液的性质。
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。
易错提醒
(1)火力发电是化学能间接转化为电能的过程( )
(2)HCl+NaOH===NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池( )
(3)将铜片和锌片用导线连接插入酒精中,电流表指针发生偏转( )
(4)在铜—锌—稀硫酸原电池中,电子由锌通过导线流向铜,再由铜通过电解质溶液到达锌( )
(5)原电池中阳离子向正极移动( )
(6)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子( )
参考答案: (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×
易错辨析
六、原电池原理的应用
1.增大氧化还原反应的速率
(1)原理:在原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,使溶液中的粒子运动时相互间的干扰减小,使反应速率增大。
(2)应用举例:实验室用Zn和稀H2SO4(或稀盐酸)反应制H2,常用粗锌,它产生H2的速率大。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4(或稀盐酸)形成原电池,加快了锌的反应,使产生H2的速率增大。
2.比较金属的活动性强弱
(1)原理:原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。
(2)应用举例:有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,由原电池原理可知,金属活动性A>B。
3.用于保护金属
(1)原理:使被保护的金属制品与比其活泼的金属相连接,作原电池正极而得到保护。
(2)应用举例:在大海中航行的轮船,钢制船壳上常镶嵌一定量的锌块,锌块与钢铁外壳形成原电池,锌作负极,铁作正极被保护。
4.设计原电池
(1)思路: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(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。
(2)步骤
①找:找一个能够自发进行的氧化还原反应,只有自发进行的氧化还原反应才能被设计成原电池。
②拆:将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,分别作为负极和正极的电极反应,还原剂-ne-===氧化产物(负极电极反应);氧化剂+ne-===还原产物(正极电极反应)。
③定:根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液,正极一般选择比负极活泼性差的金属或能导电的非金属。
④画:连接电路形成闭合回路,画出原电池示意图。
(3)实例(以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu为例)
材料选择
电极反应式
装置
负极:Fe
正极:Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或导电的石墨棒均可)
电解质溶液:CuSO4溶液
负极:Fe-2e-===Fe2+
正极:Cu2++2e-===Cu
(1)理论上任何氧化还原反应都可设计成原电池( )
(2)原电池中负极上发生氧化反应( )
(3)原电池中正极材料一定发生还原反应( )
(4)原电池中正极材料必须与电解质溶液的某种离子反应( )
参考答案: (1)× (2)√ (3)× (4)×
易错辨析
七、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+2NH+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。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)。
(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。
(3)氢氧燃料电池
氢氧燃料电池在不同介质中的总反应相同,均为2H2+O2===2H2O。但正、负极反应与电解质溶液有关,正、负极反应如下:
电解质溶液
负极
正极
酸性(H+)
2H2-4e-===4H+
O2+4H++4e-===2H2O
碱性(OH-)
2H2-4e-+4OH-===4H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
在书写电极反应式时应看清溶液的酸碱性,酸性条件下不出现OH-,碱性条件下不出现H+。
易错提醒
(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细( )
(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能( )
(3)充电电池可以无限制地反复充电、放电( )
(4)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高( )
参考答案:(1)× (2)× (3)× (4)√
易错辨析
学科网(北京)股份有限公司
$