高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化学案

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化学案，共8页。

1．利用反应物与生成物的总能量计算能量变化
(1)放热反应：Q(放)＝反应物的总能量－生成物的总能量。
(2)吸热反应：Q(吸)＝生成物的总能量－反应物的总能量。
2．利用化学键的变化计算能量变化
(1)放热反应：Q(放)＝生成物成键放出的总能量－反应物断键吸收的总能量。
(2)吸热反应：Q(吸)＝反应物断键吸收的总能量－生成物成键放出的总能量。
【典例1】 化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。已知白磷和P4O6的分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能(kJ·ml－1)：P—P：198 P—O：360 O===O：498，则依据反应P4(白磷)＋3O2===P4O6，生成1 ml P4O6时的能量变化为( )
A．吸收1 638 kJ的能量B．放出1 638 kJ的能量
C．吸收126 kJ的能量D．放出126 kJ的能量
B [由题意可知，生成1 ml P4O6时，断裂1 ml P4(白磷)中P—P和3 ml O2中O===O共吸收6 ml×198 kJ·ml－1＋3 ml×498 kJ·ml－1＝2 682 kJ能量，形成1 ml P4O6中P—O放出12 ml×360 kJ·ml－1＝4 320 kJ能量，故生成1 ml P4O6时共放出(4 320－2 682)kJ＝1 638 kJ能量，B正确。]
1．H2在Cl2中燃烧的化学方程式为H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)，已知在相同条件下，有如图所示的能量变化，下列说法正确的是( )
A．H2、Cl2和HCl分子中的化学键都是非极性键
B．1 ml H2与1 ml Cl2的总能量小于2 ml HCl的总能量
C．1 ml H2与1 ml Cl2反应生成2 ml HCl时，反应放出的能量为(2Q3－Q1－Q2)kJ
D．1 ml H2与1 ml Cl2反应生成2 ml HCl的过程中(Q1＋Q2)＞2Q3
C [H2、Cl2分子中的化学键是非极性键，HCl分子中的化学键是极性键，A项错误；根据反应H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)放出能量可知，1 ml H2和1 ml Cl2的总能量一定大于2 ml HCl的总能量，B项错误；由题给图示可知，断开1 ml H—H和1 ml Cl—Cl分别需要吸收Q1 kJ、Q2 kJ的能量，形成1 ml H—Cl放出Q3 kJ的能量，则反应放出的能量为(2Q3－Q1－Q2)kJ，C项正确；若反应过程中(Q1＋Q2)＞2Q3，则反应吸收能量，与实际不符，D项错误。]
2．1 ml H2(g)与足量O2(g)充分反应生成1 ml H2O(g)，放出242 kJ的热量，则1 ml H2(g)和eq \f(1,2) ml O2(g)的总能量比1 ml H2O(g)的总能量________(填“高”或“低”)________ kJ。
[答案] 高 242
1．原电池的工作原理
2．电极反应式的书写
(1)原电池负极反应式的书写
①较活泼金属作负极时，电极本身被氧化
若生成的阳离子不与电解质溶液反应，其产物可直接写为金属阳离子，如Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋。
若生成的金属阳离子与电解质溶液反应，其电极反应为两反应合并后的反应。如铅酸蓄电池负极反应为Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4。
②负极本身不反应
氢氧(酸性)燃料电池，负极反应为H2－2e－===2H＋；氢氧(碱性)燃料电池，负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O。
(2)原电池正极反应式的书写
书写时总的原则是首先根据元素化合价变化或氧化性强弱判断得电子的粒子，其次确定该粒子得电子后生成什么物质。
如氢氧(酸性)燃料电池，正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
氢氧(碱性)燃料电池，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
(3)书写复杂电极反应式的方法——加减法
①写出总反应，如Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。
②写出其中较为简单的一个半反应(正极或负极)，如Li－e－===Li＋(负极)。
③利用总反应与上述一极的反应相减，即得另一电极的反应式，如LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4(正极)。
【典例2】 高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2Oeq \(,\s\up10(放电),\s\d10(充电))3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：
(1)放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应，则负极反应式为___________________，正极反应式为_________________。
(2)放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
[解析] 根据高铁电池放电时的总反应式可知，Zn为负极，负极反应式为3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2，由电池的总反应－负极反应＝正极反应可知，正极反应式为2FeOeq \\al(2－,4)＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，正极区生成OH－且消耗水，OH－浓度增大，故正极附近溶液的碱性增强。
[答案] (1)还原 3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2
2FeOeq \\al(2－,4)＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－
(2)正
一般电极反应式的书写思路
3．锂电池是一代新型高能电池，它因质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是( )
A．Li是正极，电极反应式为Li－e－===Li＋
B．Li是负极，电极反应式为Li－e－===Li＋
C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－===MnOeq \\al(－,2)
D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－===Li2＋
B [根据原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反应式可知，Li失去电子生成Li＋被氧化，为负极；MnO2得到电子被还原，为正极。]
4．燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转化为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )
A．负极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．负极反应式：CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O
C．随着放电的进行，溶液的氢氧根离子浓度不变
D．放电时溶液中的阴离子向负极移动
D [O2＋2H2O＋4e－===4OH－应为正极反应式。燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根离子，所以负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O。由于部分强碱和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH－)将减小。]
[素材一] 某同学用如图所示装置进行水果电池的实验，测得数据如表所示：
[素材二] 锂­空气电池的工作原理如图所示，总反应式为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。
1．根据素材一，回答下列问题：
(1)实验1、4的负极分别是什么？写出各自的电极反应式。
(2)由实验得出2、5中电流方向相反，其原因是什么？
(3)分析数据可知，影响水果电池电压的因素有什么？
提示：(1)Zn、Al，Zn－2e－===Zn2＋、Al－3e－===Al3＋。
(2)实验2中Zn为负极，实验5中铝为负极。
(3)水果品种，电极材料。
2．根据素材二，回答下列问题：
(1)A、B分别为原电池的什么极？发生什么反应？写出电极反应式。
(2)电解液a可以是水溶液吗？为什么？
(3)电解液中的Li＋向什么极迁移？
(4)电解液b的pH如何变化？
提示：(1)A极为负极，发生氧化反应，4Li－4e－===4Li＋。
B极为正极，发生还原反应，O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
(2)不可以，因为Li与H2O反应。
(3)Li＋向B极迁移。
(4)pH增大。
通过素材一，让学生知道水果电池的原理，通过素材二，让学生认识新型电池的工作原理，进而培养学生“科学探究与模型认知”的核心素养。
1．氢气燃烧生成水蒸气的能量变化如图所示。下列说法正确的是( )
A．燃烧时化学能全部转化为热能
B．断开1 ml氢氧键吸收926 kJ的能量
C．相同条件下，1 ml氢原子的能量为E1，1 ml氢分子的能量为E2，则2E1D．该反应生成1 ml水蒸气时放出能量241 kJ
D [燃烧时化学能可转化为热能、光能等，A项错误；由题图可知，断开2 ml氢氧键吸收926 kJ的能量，B项错误；氢分子变成氢原子要吸收能量，所以2E1>E2，C项错误；该反应生成1 ml水蒸气时放出的能量为926 kJ－436 kJ－249 kJ＝241 kJ，D项正确。]
2．燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是( )
A．a极是负极，该电极上发生氧化反应
B．电池总反应式为2H2＋O2===2H2O
C．b极反应式为O2＋4OH－－4e－===2H2O
D．氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
C [该装置为氢氧燃料电池，总反应式为2H2＋O2===2H2O。通氢气的一极为负极，发生氧化反应，通氧气的一极为正极，发生还原反应，考虑到碱性环境，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C项电极反应式中O2得到电子写成失去电子，导致电极反应式书写错误。氢氧燃料电池能量转化率高，对环境友好，是一种具有广阔应用前景的绿色电源。]
3．(素养题)全钒电池以惰性材料作电极，在电解质溶液中发生的原电池反应为VOeq \\al(＋,2)(黄色)＋V2＋(紫色)＋2H＋===VO2＋(蓝色)＋H2O＋V3＋(绿色)。
下列说法不正确的是( )
A．正极反应式为VOeq \\al(＋,2)＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O
B．负极附近的溶液由紫色逐渐变为绿色
C．反应每生成1 ml H2O时转移电子的物质的量为0.5 ml
D．原电池使用过程中溶液的pH逐渐增大
C [由电池总反应为VOeq \\al(＋,2)(黄色)＋V2＋(紫色)＋2H＋===VO2＋(蓝色)＋H2O＋V3＋(绿色)可得，VOeq \\al(＋,2)为正极的活性物质，V2＋为负极的活性物质，所以左室为正极室，右室为负极室。正极反应式为VOeq \\al(＋,2)＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O，A项正确；负极反应式为V2＋－e－===V3＋，所以负极附近溶液的颜色由紫色逐渐变为绿色，B项正确；由电极反应式VOeq \\al(＋,2)＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O可知，反应每生成1 ml H2O时转移电子的物质的量为1 ml，C项错误；由原电池总反应可知，反应过程中H＋被不断消耗，所以溶液的pH逐渐增大，D项正确。]
4．汽车的启动电源常用铅酸蓄电池。其结构如图所示，
放电时的电池反应如下：
PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
根据此反应判断下列叙述中正确的是( )
A．PbO2是电池的负极
B．Pb是负极，反应式为Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4
C．PbO2得电子，被氧化
D．电池放电时，溶液酸性增强
B [根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4，故B项正确；PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D项错误。]
5．(素养题)镍镉可充电电池在现代生活中有着广泛的应用，它的充、放电反应为Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq \(,\s\up15(放电),\s\d10(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。镍镉电池示意图如下：
(1)放电时，还原反应在________(填“a”或“b”)极进行，负极的电极反应式为______________________________。
(2)放电时，正极反应式为________________________，K＋移向________极(填“a”或“b”)。
[答案] (1)b Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2
(2)2NiO(OH)＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－ b
探 究 任 务
1．根据化学键学会计算能量变化。
2．掌握新型电池的原理分析和电极反应式书写。
反应中能量的有关计算
常见新型化学电池的原理分析
实验编号
电极材料
水果品种
电极间距/cm
电压/mV
1
锌
铜
菠萝
3
900
2
锌
铜
苹果
3
650
3
锌
铜
柑橘
3
850
4
锌
铝
菠萝
3
650
5
锌
铝
苹果
3
450