新教材2023版高中化学微专题大素养2第六章化学反应与能量学案新人教版必修第二册

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微专题·大素养② 第六章　章末共享
微专题一　氢氧燃料电池原理分析应用

(1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别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。
(2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、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，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。
(3)以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：
负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O(氧化反应)；
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(还原反应)；
总反应：2H2＋O2===2H2O。
[微训练一]
1．科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电，电池负极反应式为 (　　)
A．H2＋2OH－－2e－===2H2O
B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．H2－2e－===2H＋
D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
2．能源危机是当前全球性的问题，“开源节流”是应对能源危机的重要举措。
(1)2022北京冬奥会使用氢氧燃料电池汽车作为主运力开展示范运营服务，是迄今为止在重大国际赛事中投入规模最大的。氢氧燃料电池汽车在行驶过程中只排放水，因此被称为“终极环保车”，其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是________。

A．该电池工作时电能转化为化学能
B．该电池中电极a是正极
C．外电路中电子由电极b通过导线流向电极a
D．该电池的总反应：2H2＋O2===2H2O
E．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
F．氢氧燃料电池使用过程中，负极材料的活性一定比正极材料大
(2)已知1 mol甲醇燃烧放热726.5 kJ，在直接以甲醇为燃料的电池中，消耗1 mol甲醇所能产生的最大电能为702.1 kJ，则该燃料电池的理论效率为________(燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比。)
3．如下图所示，可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式[当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时]两种。试回答下列问题：

(1)酸式电池的电极反应：负极____________________，正极____________；电池总反应：________________________________；电解质溶液pH的变化________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)碱式电池的电极反应：负极______________________，正极______________；电池总反应：________________________________；电解质溶液pH的变化________(填“变大”“变小”或“不变”)。
微专题二　化学反应速率和化学平衡状态的简单计算一、“三段式”解题模式
“三段式”指的是在方程式下方三行分别写上该物质的起始浓度，变化浓度和反应后该物质的浓度。其中起始浓度＝变化浓度＋反应后浓度。
1．计算原理：化学反应速率之比＝浓度变化之比＝物质的量变化之比＝化学计量数之比。
2．计算模式：设A、B两物质的起始浓度分别为a mol·L－1、b mol·L－1，反应物A的转化浓度为mx mol·L－1，B的转化浓度为nx mol·L－1，则：
　　 　　　　mA(g)＋nB(g)⇌pC(g)＋qD(g)
ab0 0
mxnxpxqx
a－mxb－nxpxqx
二、有关化学平衡状态的简单计算
1．反应物转化率的计算公式
A的转化率＝×100%(计算式中A的量可以指反应物的物质的量、质量、浓度、体积等)
2．某组分的体积分数的计算公式
A的体积分数＝×100%

[微训练二]
1．在容积可变的密闭容器中，2 mol N2和8 mol H2在一定条件下发生反应，达到平衡时，H2的转化率为25%，则平衡时氮气的体积分数接近于(　　)
A．5% B．10%
C．15% D．20%
2．一定温度下，向一个容积为2 L的真空密闭容器中(事先装入催化剂)通入1 mol N2和3 mol H2，3 min后测得密闭容器内的压强是起始时的0.7倍，在此时间内v(H2)是(　　)
A．0.1 mol·L－1·min－1
B．0.2 mol·L－1·min－1
C．0.3 mol·L－1·min－1
D．0.6 mol·L－1·min－1
3．在2 L密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2，一定条件下发生反应，2 min后达到平衡状态。相同温度下，测得平衡时混合气体的压强比反应前混合气体的压强减小了。
请据此填空：
(1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为________；
(2)N2的转化率为________；
(3)2 min内，NH3的平均反应速率为____________。


练后感悟
运用“三段式”法解题时的注意事项
(1)起始量、变化量、一段时间后的量三者物理量及单位要统一，都是物质的量或物质的量浓度，否则无法计算。
(2)起始量、变化量、一段时间后的量中，只有不同物质的变化量之比等于对应物质的化学计量数之比，不同物质的起始量或一段时间后的量之间没有必然的关系，不能列比例计算。









微专题·大素养②
[微训练一]
1．解析：根据题给信息，该燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O。电解液为酸性溶液，电极反应式中不能出现OH－，A、D错误；又因为燃料电池中负极通入氢气，正极通入氧气，B错误。
答案：C
2．解析：(1)氢氧燃料电池中通入燃料氢气的一极为负极，则电极a为负极，发生氧化反应；通入氧气的一极为正极，则电极b为正极，发生还原反应，电池总反应为2H2＋O2===2H2O。燃料电池属于原电池，是将化学能转化为电能的装置，故A错误；根据分析，电池中电极a处通入的为氢气，则该电极为负极，故B错误；根据分析，该燃料电池电极a为负极，电极b为正极，外电路中电流由电极b流向a，电子的流向与电流的方向相反，由电极a通过导线流向电极b，故C错误；根据分析，该电池的总反应：2H2＋O2===2H2O，故D正确；氢氧燃料电池不需要将氢气和氧气储藏在电池内，E正确；氢氧燃料电池的两极材料可以相同，所以负极材料的活性不一定比正极材料大，F错误。
(2)该燃料电池的理论效率＝×100%≈96.6%。
答案：(1)DE　(2)96.6%
3．解析：(1)正极上O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在；酸性条件下与H＋结合生成H2O；负极上H2失电子变为H＋，H＋进入电解质溶液。电池总反应为H2和O2生成H2O的反应，由于有H2O生成，电解质溶液将逐渐变稀，故pH增大。(2)正极上O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，碱性条件下与H2O分子结合生成OH－；负极上H2失去电子变为H＋，碱性条件下H＋不能大量存在，与OH－结合生成水。电池总反应也是H2和O2生成水的反应。同样，由于有水生成，c(OH－)变小，pH变小。
答案：(1)2H2－4e－===4H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O
2H2＋O2===2H2O　变大
(2)2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2H2＋O2===2H2O　变小
[微训练二]
1．解析：达到平衡时，H2转化的物质的量为8 mol×25%＝2 mol。在一定条件下，N2与H2发生反应：
　　　　　　　　N2＋3H22NH3
起始物质的量/mol　　2　8　　　　　0
转化物质的量/mol 2
平衡物质的量/mol 6
同温同压下，气体的体积比等于其物质的量之比，故平衡时氮气的体积分数为×100%≈15%。
答案：C
2．解析：方法一　三段式法
　　　　　3H2＋N2⇌2NH3　　　n(总)
起始/mol　　　3　 1　　0　　　　 4
转化/mol 3xx2x
3 min末/mol 3－3x 1－x 2x4－2x
由题意知，4－2x＝4×0.7，解得x＝0.6，则3 min内H2消耗了0.6 mol×3＝1.8 mol，v(H2)＝＝＝0.3 mol·L－1·min－1。
方法二　差量法
3H2＋N2⇌2NH3　　Δn
3　　　　　　　　2
Δn(H2) 4 mol－2.8 mol＝1.2 mol
Δn(H2)＝×1.2 mol＝1.8 mol，则3 min内用H2表示的平均反应速率v(H2)＝＝＝0.3 mol·L－1·min－1。
答案：C
3．解析：根据恒温、恒容时，反应前后混合气体的压强之比等于其物质的量之比，可得平衡时混合气体的物质的量减少了4 mol×＝0.4 mol。由化学方程式N2(g)＋3H2(g)⇌2NH3(g)可知，生成的氨气的物质的量为0.4 mol。
　　　　N2 (g)　＋　3H2(g)⇌2NH3(g)
n(起始)/mol 1 3 0
n(转化)/mol 0.2 0.6 0.4
n(平衡)/mol 0.8 2.4 0.4
(1)平衡时混合气体中三种气体的物质的量之比为0.8 mol∶2.4 mol∶0.4 mol＝2∶6∶1。(2)N2的转化率为×100%＝20%。(3)2 min内，NH3的平均反应速率为＝0.1 mol·L－1·min－1。
答案：(1)2∶6∶1　(2)20%　(3)0.1 mol·L－1·min－1