(共71张PPT)
章末整合
第1章
2021
内容索引
01
02
知识网络
重难突破
知识网络
化学反应与能量转化
答案①氧化 ②还原 ③阴极 ④阳极 ⑤负极 ⑥正极 ⑦吸氧 ⑧析氢
重难突破
突破1
焓变(ΔH)的计算
利用键能计算ΔH或根据盖斯定律计算、比较ΔH是近几年全国卷命题的必考点,特别是将热化学方程式和盖斯定律的应用融合在一起的试题,很好地考查了考生对所学知识的灵活应用和运算能力。正确计算ΔH的关键是合理设计反应途径。
高考考法一 利用键能计算ΔH
典例1(2019海南化学)根据下图中的能量关系,可求得C—H键的键能为( )
A.414
kJ·mol-1
B.377
kJ·mol-1
C.235
kJ·
mol-1
D.197
kJ·mol-1
答案A
解析根据ΔH=反应物总键能-反应产物总键能可得,
-75
kJ·mol-1=717
kJ·mol-1+864
kJ·mol-1-4E(C—H),则E(C—H)=414
kJ·mol-1。
规律方法
利用键能计算ΔH的方法
(1)计算公式:①ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能。②ΔH=断开化学键吸收的能量-形成化学键放出的能量。
(2)计算关键:利用键能计算ΔH的关键,就是要明确物质中化学键的数目,对中学阶段常见单质、化合物中所含共价键的种类和数目要熟悉。
物质(化学键)
CO2
(C=O)
CH4
(C—H)
P4
(P—P)
SiO2
(Si—O)
1
mol微粒所含
化学键数目/NA
2
4
6
4
物质(化学键)
石墨
(C—C)
金刚石
(C—C)
S8
(S—S)
Si
(Si—Si)
1
mol微粒所含
化学键数目/NA
1.5
2
8
2
变式训练1-1通常人们把断裂1
mol某化学键所吸收的能量或形成1
mol某化学键所释放的能量看作该化学键的键能,键能的大小可用于估算化学反应的ΔH。已知部分化学键的键能数据如下表所示:
化学键
H—H
Cl—Cl
H—Cl
键能/(kJ·mol-1)
436
243
431
则下列热化学方程式不正确的是( )
ΔH=+91.5
kJ·mol-1
D.2HCl==H2(g)+Cl2(g) ΔH=+183
kJ·mol-1
答案C
解析ΔH=反应物的总键能-反应产物的总键能,根据表中的键能数据计算可知,H2(g)和Cl2(g)反应生成HCl(g)的反应是放热反应,ΔH<0,C项错误。
变式训练1-2CO2与CH4经催化重整,制得合成气:CH4(g)+CO2(g)
2CO(g)+2H2(g)
已知上述反应中相关的化学键键能数据如下:
化学键
C—H
C
O
H—H
C
O(CO)
键能/
(kJ·mol-1)
413
745
436
1
075
则该反应的ΔH= 。?
答案+120
kJ·mol-1
解析ΔH=[4×E(C—H)+2×E(C
O)]-[2×E(C
O)+2×E(H—H)]=(4×413+2×745)
kJ·mol-1-(2×1
075+2×436)
kJ·mol-1=+120
kJ·mol-1。
高考考法二 利用盖斯定律计算ΔH并书写热化学方程式
(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuO(s)+2HCl(g)
==CuCl2(s)+H2O(g) ΔH3=-121
kJ·mol-1
则4HCl(g)+O2(g)
==2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH= kJ·mol-1。?
(3)硅粉与HCl在300
℃时反应生成1
mol
SiHCl3气体和H2,放出225
kJ热量,该反应的热化学方程式为 。?
答案(1)+89.3 (2)-116
(3)Si(s)+3HCl(g)
SiHCl3(g)+H2(g)
ΔH=-225
kJ·mol-1
解析(1)根据盖斯定律,将反应①和②叠加可得反应③,故ΔH3=ΔH1+ΔH2=100.3
kJ·mol-1+(-11.0
kJ·mol-1)=+89.3
kJ·mol-1。
(2)由盖斯定律可知,将题给催化过程的三个反应直接相加可得:2HCl(g)+
O2(g)
==Cl2(g)+H2O(g)
ΔH'=(83-20-121)kJ·mol-1=-58
kJ·mol-1,则ΔH=2ΔH'=-116
kJ·mol-1。
(3)首先书写反应的化学方程式:Si+3HCl
SiHCl3+H2,然后写出物质的状态和焓变可得热化学方程式:Si(s)+3HCl(g)
SiHCl3(g)+H2(g) ΔH=-225
kJ·mol-1。
规律方法
盖斯定律应用三步流程
变式训练2请回答下列问题:
(1)已知:2N2O5(g)
==2N2O4(g)+O2(g) ΔH1=-4.4
kJ·mol-1
2NO2(g)
==N2O4(g) ΔH2=-55.3
kJ·mol-1
则反应N2O5(g)
==2NO2(g)+
O2(g)的ΔH=
kJ·mol-1。?
(2)CH4—CO2催化重整反应为:CH4(g)+CO2(g)
2CO(g)+2H2(g)。
已知:
C(s)+2H2(g)
==CH4(g) ΔH=-75
kJ·mol-1
C(s)+O2(g)
==CO2(g) ΔH=-394
kJ·mol-1
C(s)+
O2(g)
==CO(g) ΔH=-111
kJ·mol-1
该催化重整反应的ΔH=
kJ·mol-1。?
(3)SiHCl3在催化剂作用下发生反应:
2SiHCl3(g)
==SiH2Cl2(g)+SiCl4(g) ΔH1=+48
kJ·mol-1
3SiH2Cl2(g)
==SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30
kJ·mol-1
则反应4SiHCl3(g)
==SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH为
kJ·mol-1。?
(4)近年来,研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。过程如下:
反应Ⅰ:2H2SO4(l)
==2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g)
ΔH1=+551
kJ·mol-1
反应Ⅲ:S(s)+O2(g)
==SO2(g) ΔH3=-297
kJ·mol-1
反应Ⅱ的热化学方程式:
。?
答案(1)+53.1 (2)+247 (3)+114
(4)3SO2(g)+2H2O(g)
==2H2SO4(l)+S(s)
ΔH=-254
kJ·mol-1
解析(1)由盖斯定律可知,(第一个已知反应÷2)-(第二个已知反应)可得反应:N2O5(g)
==2NO2(g)+
O2(g),则该反应的ΔH=-4.4
kJ·mol-1÷2-(-55.3
kJ·mol-1)=+53.1
kJ·mol-1。
(2)将已知热化学方程式依次编号为①②③,根据盖斯定律,③×2-①-②,得到CH4—CO2催化重整反应的ΔH=+247
kJ·mol-1。
(3)2SiHCl3(g)
==SiH2Cl2(g)+SiCl4(g) ΔH1=+48
kJ·mol-1①
3SiH2Cl2(g)
==SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30
kJ·mol-1②
根据盖斯定律:①×3+②即可得4SiHCl3(g)
==SiH4(g)+3SiCl4(g) ΔH=+114
kJ·mol-1。
(4)由题给示意图可知,反应Ⅱ为二氧化硫发生歧化反应生成硫酸和硫,反应的化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g)
2H2SO4(l)+S(s),由盖斯定律可知,-(反应Ⅲ+反应Ⅰ)可得反应Ⅱ,则反应Ⅱ的ΔH=-(ΔH3+ΔH1)=-(-297
kJ·mol-1)-(+551
kJ·mol-1)=-254
kJ·mol-1,则反应Ⅱ的热化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g)
==2H2SO4(l)+S(s) ΔH=-254
kJ·mol-1。
突破2
电化学中电极反应式的书写
电极反应式的书写是高考的重点、热点和难点,主要涉及燃料电池、可逆电池及电解池(尤其是含离子交换膜)。
高考考法一 燃料电池
典例3(2019全国Ⅰ,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能
B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+==2H++2MV+
C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案B
解析题给反应过程是在室温条件下进行的,因此比现有工业合成氨的条件温和,同时还能提供电能,A项正确;阴极区发生的是得电子的反应,而左池中发生的是失电子的反应,B项错误;右池为正极区,氮气发生还原反应生成氨气,C项正确;左池中产生的氢离子通过交换膜向右池移动,即由负极区移向正极区,D项正确。
规律方法
燃料电池电极反应的书写
第一步:写出燃料电池反应的总反应
一般情况下,燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和之后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)中发生的反应依次为:
CH4+2O2==CO2+2H2O①
CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O②
由①式+②式可得燃料电池总反应为CH4+2O2+2NaOH==Na2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,大致有以下四种情况:
环境
正极电极反应
酸性电解质溶液
O2+4H++4e-==2H2O
碱性电解质溶液
O2+2H2O+4e-==4OH-
固体电解质(高温下能传导O2-)
O2+4e-==2O2-
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
O2+2CO2+4e-==2C
第三步:根据电池总反应和正极反应,写出负极反应
电池反应的总反应-电池正极反应=电池负极反应。因为O2不是负极反应物,因此两个反应相减时要彻底消除O2。
变式训练3为体现节能减排的理念,中国研制出了新型固态氧化物燃料电池(SOFC),该电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.电子从b极经导线流向a极
B.正极的电极反应为O2+4e-+2H2O==4OH-
C.还可以选用NaOH固体作固态电解质
D.若反应中转移1
mol电子,则生成22.4
L
(标准状况)CO2
答案A
解析燃料电池通入氧气的电极为正极,则a为正极,电子从b极经导线流向a极,故A正确;介质为固态熔融介质,不存在水溶液,则正极的电极反应为O2+4e-==2O2-,故B错误;CO2能与NaOH反应生成Na2CO3,则不可选用NaOH固体作为固态电解质,故C错误;若反应中转移1
mol电子,参加反应的氧气为0.25
mol,生成CO2为0.5
mol,其体积为11.2
L(标准状况),故D错误。
高考考法二 可逆电池
典例4(2019全国Ⅲ,13)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)
ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是( )
A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高
B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-==NiOOH(s)+H2O(l)
C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-==ZnO(s)+H2O(l)
D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区
答案D
解析本题考查了二次电池的工作原理及电极反应式的书写与判断。三维多孔海绵状Zn类似于活性炭,故表面积较大,可高效沉积ZnO,所沉积的ZnO分散度也高,A项正确;根据总反应Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)
ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)可知,充电时Ni(OH)2(s)在阳极上发生氧化反应Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-==NiOOH(s)+H2O(l),B项正确;放电时Zn在负极上发生氧化反应Zn(s)+2OH--2e-==ZnO(s)+H2O(l),C项正确;在放电过程中,阴离子应向负极移动,D项错误。
规律方法
1.正确分析二次电池
2.利用“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应
若已知电池放电时的总反应,可先写出较易书写的一极的电极反应,然后在电子守恒的基础上,由总反应减去较易写出的一极的电极反应,即可得到较难写出的另一极的电极反应。
答案C
高考考法三 电解池
典例5(2020山东学业水平等级考化学,13)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是( )
A.阳极反应为2H2O-4e-==4H++O2↑
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
答案D
解析题图中电解池b极一端进入O2生成H2O2,其电极反应式为2H++O2+2e-==H2O2,发生还原反应,b极为阴极。同理阳极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑,H+由阳极区移向阴极区,A、C项正确。阳极区一段时间后,溶液pH不变;根据电子守恒可知生成的O2和消耗的O2物质的量之比为1∶2,D项错误。
规律方法
电解时电极反应的书写步骤
变式训练5按要求书写电极反应。
(1)以金属铝为阳极,在H2SO4溶液中电解,金属铝表面形成氧化膜,阳极反应为 。?
(2)用Al单质作为阳极,石墨作为阴极,NaHCO3溶液作为电解液进行电解,生成难溶物R,R受热分解生成化合物Q,写出阳极生成R的电极反应: 。?
(3)在酸性条件下用惰性电极电解K2MnO4溶液能得到化合物KMnO4,则阳极反应为 ,阴极反应为 。?
(4)将一定浓度的磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、氯化锂混合溶液作为电解质溶液,以铁棒为阳极,石墨为阴极,电解析出LiFePO4沉淀,则阳极电极反应为 。?
突破3
电化学中的串联电路
1.有外接电源电池类型的判断方法
其中甲为电镀池,乙、丙均为一般的电解池。
2.无外接电源电池类型的判断方法
原电池反应可自发进行;电解池反应不能自发进行。如图所示,B为原电池,A为电解池。
典例6某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他电极均为Cu,下列说法正确的是( )
A.电流方向:电极Ⅳ→?→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-==Cu
答案A
解析带盐桥的①②装置构成原电池,Ⅰ为负极,Ⅱ为正极,装置③为电解池。电子移动方向:电极Ⅰ→?→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,A项正确;原电池负极在工作中发生氧化反应,B项错误;原电池正极上发生还原反应,Cu2+在电极Ⅱ上得电子生成Cu,该电极质量逐渐增大,C项错误;电解池中阳极为活性电极时,电极本身被氧化,生成的离子进入溶液中,因为电极Ⅱ为正极,因此电极Ⅲ为电解池的阳极,其电极反应为Cu-2e-==Cu2+,D项错误。
规律方法
串联类电池的解题流程
变式训练6-1用铅蓄电池电解AgNO3、Na2SO4的溶液,a、b、c、d电极材料均为石墨。已知铅蓄电池的总反应为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l),通电时a电极质量增加,下列说法正确的是( )
A.电路中通过1
mol电子时,Y电极质量增加48
g
B.放电时铅蓄电池负极的电极反应为PbO2(s)+4H+(aq)+S
(aq)+2e-==PbSO4(s)+2H2O(l)
C.c、d电极产生气体的物质的量之比为1∶2
D.X极为负极
答案A
解析a极质量增加,即析出了Ag,则a为阴极,Y为负极,X为正极,D项错;放电时负极失电子,B项错误;c为阴极放出H2,d为阳极放出O2,物质的量之比为2∶1,C项错误。
变式训练6-2如图X是直流电源。Y槽中c、d为石墨棒,Z槽中e、f是质量相同的铜棒。接通电路后,发现d附近显红色。
(1)①电源上b为 (填“正”“负”“阴”或“阳”,下同)极。?
②Z槽中e极为 极。?
③连接Y、Z槽线路中,电子流动的方向是d e(填“→”或“←”)。?
(2)①写出c极上反应的电极反应: 。?
②写出Y槽中总反应的化学方程式: 。
③写出Z槽中e极上的电极反应: 。?
答案(1)①负 ②阳 ③←
(2)①2Cl--2e-==Cl2↑
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
③Cu-2e-==Cu2+
解析d极附近显红色,说明d极为阴极,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,c极为阳极,电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,Y槽电解NaCl溶液的总反应方程式为2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑;直流电源中a极为正极,b极为负极,Z槽中f极为阴极,e极为阳极,e极上电极反应为Cu-2e-==Cu2+,电子流动方向由e→d。
突破4
电化学中的“膜”化学
近几年全国卷的高考中,涉及离子交换膜的试题较多,且常考常新。
1.离子交换膜的类型和作用
2.多室电解池
多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性,即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过,将电解池分为两室、三室、多室等,以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。如两室电解池——工业上利用如图两室电解装置制备烧碱。
典例7KIO3可采用“电解法”制备,装置如图所示。
(1)写出电解时阴极的电极反应: 。?
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ,其迁移方向是 。?
答案(1)2H2O+2e-==2OH-+H2↑ (2)K+ 由a到b
解析(1)电解法制备KIO3时,H2O在阴极得到电子,发生还原反应:2H2O+2e-==2OH-+H2↑。
(2)电解池中阳离子向阴极移动,即由电极a向电极b迁移,阳离子交换膜只允许阳离子通过,故主要是K+通过阳离子交换膜。
规律方法
含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
变式训练7-1用一种阴、阳离子双隔膜三室电解槽处理废水中的N,模拟装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.阳极室溶液由无色变成棕黄色
B.阴极的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.电解一段时间后,阴极室溶液的酸性减弱
D.电解一段时间后,阴极室溶液中的溶质一定是(NH4)3PO4
答案C
解析Fe电极与电源正极相连,则Fe是阳极,电极反应为Fe-2e-==Fe2+,反应中生成Fe2+,溶液由无色变为浅绿色,A错误;阴极上H+得电子发生还原反应,电极反应为2H++2e-==H2↑,B错误;电解过程中阴极上消耗H+,则阴极室溶液的酸性减弱,C正确;电解时,(NH4)2SO4溶液中的N
向阴极室迁移,故阴极室溶液中的溶质可能为(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4H2PO4等,D错误。
变式训练7-2用电解法可提纯含有某种钾的含氧酸盐杂质(如硫酸钾、碳酸钾等)的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.电极N为阳极,电极M上H+发生还原反应
B.电极M的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.d处流进粗KOH溶液,e处流出纯KOH溶液
D.b处每产生11.2
L气体,必有1
mol
K+穿过阳离子交换膜
答案B
解析根据图示可知,K+移向电极N,所以电极N是阴极,M极是阳极,OH-发生氧化反应生成氧气,电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑,故A错误,B正确;c处流进粗KOH溶液,f处流出纯KOH溶液,故C错误;电极N是阴极,H+发生还原反应生成氢气,未说明标准状况,则11.2
L氢气的物质的量不一定是0.5
mol,故D错误。(共40张PPT)
微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气
再生方案
第1章
2021
——化学反应中能量及物质的转化利用
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案,尝试利用焓变、盖斯定律和电池原理等知识,分析评价真实环境下化学反应中能量与物质的转化,形成电源选择和氧气再生的基本思路,体验化学的科学探究与创新意识的学科核心素养。
2.通过载人航天器的电源,了解真实化学电池的原理和装置,形成分析化学电池的一般方法,体验化学证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.通过本项目的学习,感受化学知识在解决实际问题中的应用价值,体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
1.请写出碱性氢氧燃料电池的电极反应和电池反应。
提示负极反应为:2H2+4OH--4e-==4H2O,正极反应为:O2+2H2O+4e-==4OH-,电池反应为2H2+O2==2H2O。
2.实验室如何将CO2转化为O2?载人航天器中人员呼吸需要的O2从何而来?
提示实验室利用Na2O2与CO2反应可生成O2;通过化学反应将航天器内人体产生的CO2转化为O2,从而为航天人员提供O2。
必备知识
1.氢氧燃料电池分为酸性和碱性两种
种类
酸性(质子膜)
碱性(KOH)
负极反应
2H2-4e-==4H+
2H2+4OH--4e-==4H2O
正极反应
O2+4e-+4H+==2H2O
O2+2H2O+4e-==4OH-
电池总反应
2H2+O2==2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用
2.“神舟”飞船中的镍镉电池工作原理
镉镍电池中Cd作为负极,NiOOH作为正极,通过放电反应释放能量,总反应:
Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,任何可燃物气体与氧气都可设计成燃料电池。( )
(2)在燃料电池中,发生氧化反应的一极一定是可燃气体。( )
(3)用Pt作为电极,用KOH溶液作为电解质溶液构成燃料电池,通入氧气的一极一定是正极。( )
(4)飞船中电池工作时,KOH溶液中的阳离子向负极移动。( )
(5)氢氧燃料电池能量比氢气直接燃烧产生的能量效率高。( )
(6)镍镉电池工作时,当电路中转移0.1
mol电子时,负极增重1.7
g。( )
答案(1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)√
课堂篇
素养提升
探究一
尝试设计载人航天器用化学电池
问题探究
航天器中经常使用的化学电池有哪些?哪种更适合做短寿命载人航天器的电源?
提示航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。与其他化学电池相比,氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、反应生成的水可作为航天员的饮用水、氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸等优点,因此更适合做短寿命载人航天器的电源。
深化拓展
1.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理
(1)“阿波罗”飞船燃料电池(离子导体为KOH溶液)
负极反应为2H2+4OH--4e-==4H2O,正极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-
(2)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为H2SO4溶液)
负极反应为2H2-4e-==4H+,正极反应为O2+4H++4e-==2H2O
2.“神舟”飞船中的化学电池的工作原理
镍镉碱性蓄电池电极反应为:
负极 Cd+2OH--2e-==Cd(OH)2
正极 2NiOOH+2H2O+2e-==2Ni(OH)2+2OH-
总反应式 Cd+2NiOOH+2H2O
2Ni(OH)2+Cd(OH)2
素能应用
典例1镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下:Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2。下列说法错误的是( )
A.放电时,Cd作为负极
B.放电时,NiOOH作为负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时,负极反应为Cd+2OH--2e-==Cd(OH)2
答案B
解析镉镍电池放电时,Cd作为负极,电极反应为Cd+2OH--2e-==Cd(OH)2;NiOOH作为正极,电解质溶液为碱性溶液,B项错误。
变式训练1一种突破传统电池设计理念的镁锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是( )
A.放电时,Mg(液)层的质量减小
B.放电时正极反应为:Mg2++2e-==Mg
C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应
D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动
答案C
解析放电时,负极Mg失电子生成镁离子,则Mg(液)层的质量减小,A项正确;正极镁离子得电子得到Mg,则放电时正极反应为:Mg2++2e-==Mg,B项正确;该电池充电时,Mg-Sb(液)层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,C项错误;该电池充电时,阴离子向阳极移动,即Cl-向中层和下层分界面处移动,D项正确。
探究二
尝试设计载人航天器的氧气再生方案
问题探究
在设计航天器中氧气的获取方案时,应注意什么?
提示载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。在设计氧气的获取方案时,要尽可能地将人体代谢物中的氧元素转化为氧气,从而保证氧元素的持续循环。
深化拓展
1.计算萨巴蒂尔反应的焓变
④C(s,石墨)+O2(g)
==CO2(g) ΔH=-393.5
kJ·mol-1。
2.利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程
3.项目成果展示
(1)探究载人航天器的化学电源和氧气再生办法。
(2)书写新型电池电极反应的一般步骤。
素能应用
典例2为了实现空间站的零排放,循环利用人体呼出的CO2来提供O2,我国科学家设计了如图装置。反应后,电解质溶液的pH保持不变。下列说法正确的是( )
A.图中N型半导体为正极,P型半导体为负极
B.Y电极的反应:4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.图中离子交换膜为阳离子交换膜
D.该装置实现了“太阳能→化学能→电能”的转化
答案B
解析根据装置图中电荷移动的方向可知,N型半导体为负极,P型半导体为正极,A项错误;Y电极连接电源的正极,作为阳极,根据电解原理,电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑,B项正确;反应后,电解质溶液的pH保持不变,离子交换膜应为阴离子交换膜,C项错误;该装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化,D项错误。
变式训练2为循环利用人体呼出的CO2并提供氧气,我国科学家设计了一种装置(如图所示),实现“太阳能→电能→化学能”的转化,总反应为2CO2==2CO+O2,下列有关说法不正确的是( )
A.该装置属于电解池
B.X极发生氧化反应,Y极发生还原反应
C.人体呼出的水蒸气参与Y极反应:CO2+H2O+2e-==CO+2OH-
D.X极每产生标准状况下22.4
L气体,有2
mol的OH-从Y极移向X极
答案D
解析题给装置实现“太阳能—电能—化学能”的转化,将电能转化为化学能的装置为电解池,A项正确;根据图中电子的流向“X→Y”可知,X极为阳极,失电子发生氧化反应,Y为阴极,得电子发生还原反应,B项正确;Y为阴极,根据总反应可知,阴极为CO2得电子生成CO,电极反应为CO2+H2O+2e-==CO+2OH-,C项正确;X极为阳极,OH-放电生成氧气,电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑,生成1
mol
O2,阳极有4
mol
OH-放电,根据溶液电中性原理,X电极区阴离子减少,则会有4
mol
OH-从Y极透过阴离子交换膜移向X极,使得溶液保持电中性,D项错误。
随堂检测
1.太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点,现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是( )
A.该装置系统中只存在光能与电能之间的转化
B.Cu电极上的电极反应为CO2+8H+-8e-==CH4+2H2O
C.工作时,产生的O2、CH4体积比为1∶1(同温同压)
D.离子交换膜为质子交换膜,H+从左池移向右池
答案D
解析由题图可知,该装置系统中存在太阳能与化学能、化学能与电能等的转化,A错误;CO2在Cu电极上发生还原反应生成CH4,则电极反应为CO2+8H++8e-==CH4+2H2O,B错误;H2O在GaN电极上发生氧化反应生成O2,电极反应为2H2O-4e-==4H++O2↑,根据得失电子守恒可知,产生O2和CH4的物质的量之比为2∶1,即在同温同压下的体积比为2∶1,C错误;由上述分析可知左池产生H+,右池消耗H+,则离子交换膜为质子交换膜,H+向正极移动,即H+从左池移向右池,D正确。
2.一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。有关该电池的说法正确的是( )
A.反应CH4+H2O
3H2+CO,每消耗1
mol
CH4转移12
mol电子
B.电极B上发生的电极反应:O2+2CO2+4e-==2C
C.电池工作时,C
向电极B移动
D.电极A上H2参与的电极反应:H2+2OH--2e-==2H2O
答案B
3.我国科研人员借助太阳能,将光解水制H2与脱硫结合起来,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脱除SO2,工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.该装置可将太阳能转化为化学能
B.催化剂a表面发生还原反应,产生H2
C.催化剂b附近的溶液pH增大
D.吸收1
mol
SO2,理论上能产生1
mol
H2
答案C
解析在光解水的过程中,存在将太阳能转化为化学能的过程,A项正确;根据示意图,a电极为得到电子的一极,发生还原反应。电解水的反应为2H2O
2H2↑+O2↑,得到电子一极产生氢气,B项正确;b电极为电子流出的一极,发生氧化反应,电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+,则b极附近溶液pH减小,C项错误;在b极附近,氧气、二氧化硫,以及水生成硫酸,1
mol
SO2生成H2SO4时转移2
mol电子,根据得失电子守恒,同时会产生1
mol氢气,D项正确。
4.一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电子流向是从吸附层M通过导线到吸附层N
B.Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动
C.离子交换膜可用质子交换膜
D.负极的电极反应是:H2-2e-+2OH-==2H2O
答案C
解析根据图示分析,电子流动方向是从M通过导线到N,故A项正确;原电池中,阳离子从负极移向正极,所以Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动,故B项正确;离子交换膜可阻止左边的碱性溶液和右边的酸性溶液发生中和,不能用质子交换膜,故C项错误;原电池的负极发生氧化反应,由于负极为碱性溶液,所以负极的电极反应是H2-2e-+2OH-==2H2O,故D项正确。
5.一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池的工作原理及电池中发生的主要反应如图所示。下列说法正确的是( )
A.镀铂导电玻璃的作用是传递I-
B.电池工作时,光能转变为电能,X为电池的正极
C.电池的电解质溶液中I-和
的浓度均不断减小
D.电解质溶液中发生反应2Ru3++3I-==2Ru2++
答案D
6.科学家们发明了一种能够给电子设备提供动力的生物燃料电池。该电池包括两个涂覆着酶的电极,它们处于充满空气和少量氢气的玻璃槽中。由于气体可以混合从而省去了昂贵的燃料隔离膜,其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.左边为该电池的负极
B.该电池可在高温环境下使用
C.该电池负极反应为H2-2e-==2H+
D.该电池正极反应为O2+4e-==2O2-
答案C
解析由电池示意图可知,H2→H+是H2被氧化的过程,通入H2的一极为原电池的负极,发生反应:H2-2e-==2H+;O2→H2O是O2被还原的过程,通入O2的一极为原电池的正极,发生反应:O2+4H++4e-==2H2O,故A、D错误,C正确;该电池包括两个涂覆着酶的电极,高温下会使酶变性,不能在高温下使用,B错误。
7.氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。
(1)a电极的电极反应为 ;?
(2)为了使碱溶液浓度不变,一段时间后,需向装置中补充KOH,请依据反应原理解释原因: 。?
答案(1)2NH3+6OH--6e-==N2+6H2O
(2)发生反应4NH3+3O2==2N2+6H2O,有水生成,使得溶液逐渐变稀,所以要补充KOH
解析(1)a电极是通入NH3的电极,NH3失去电子发生氧化反应,所以该电极为负极,电极反应是2NH3+6OH--6e-==N2+6H2O。
(2)一段时间后,需向装置中补充KOH,原因是发生反应4NH3+3O2==2N2+6H2O,有水生成,使得溶液逐渐变稀,为了维持碱溶液的浓度不变,所以要补充KOH。(共37张PPT)
第4节 金属的腐蚀与防护
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.了解电化学腐蚀的本质,探究金属腐蚀的实质,从而形成宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2.能利用电化学原理解释金属腐蚀的现象并能设计防腐保护措施,体验科学探究与创新意识的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
铁制品是如何锈蚀的?
提示铁制品锈蚀的过程,实际上是铁与空气中的氧气、水蒸气等发生化学反应的过程。
必备知识
一、金属电化学腐蚀的原理
1.金属腐蚀
(1)金属腐蚀的定义及本质。
①定义:金属表面因与周围的物质发生氧化还原反应而遭到破坏的现象。
②本质:金属本身失去电子变成阳离子的过程(发生氧化反应):M-ne-==Mn+。
(2)金属腐蚀的分类。
2.金属腐蚀的电化学原理
(1)实质。
不纯的金属或合金与电解质溶液接触时发生原电池反应,较活泼的金属
失去电子被氧化的过程。
(2)分类。
金属的电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。
二、金属腐蚀的防护
1.原理
阻止金属发生氧化反应。
2.方法
(1)改变金属内部结构,如制成合金等。
(2)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀等。
(3)电化学防护,分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。
3.金属的防护措施图示
三、电化学腐蚀原理的应用
1.铁腐蚀能消耗空气中的氧气,利用这一原理可快速测定空气中氧气的含量。
2.铁腐蚀的反应消耗氧气和水,以铁粉为主要成分制成双吸剂放入食品包装袋,可以延长食物的保质期。
3.铁腐蚀的过程放热,利用这一特点可以制成一次性保暖贴。
4.根据金属电化学腐蚀的原理,利用微电解技术处理工业废水。
5.金属电化学腐蚀原理在航空航天、精密仪器和生物医学等领域也具有广阔的应用前景。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)钢铁发生析氢腐蚀或吸氧腐蚀时,负极反应均是Fe-3e-==Fe3+。( )
(2)钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时,正极发生的主要反应是O2+2H2O+4e-==4OH-。( )
(3)发生吸氧腐蚀时正极放出O2,发生析氢腐蚀时正极放出H2。( )
(4)纯铁在稀硫酸中发生析氢腐蚀。( )
(5)现实生活中电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍。( )
(6)金属作为原电池的负极或电解池的阴极时均被保护。( )
答案(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)×
课堂篇
素养提升
探究一
金属的腐蚀
问题探究
据估计,每年全世界被腐蚀损耗的钢铁材料约占全年钢铁产量的十分之一。那么,金属的腐蚀都有哪些类型?不同类型的金属腐蚀有何区别?
提示金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀;化学腐蚀过程中没有电流产生,电化学腐蚀过程中有电流产生。
深化拓展
1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与非金属等直接接触
不纯的金属或合金与电解质溶液接触形成原电池
电流
无电流产生
有电流产生
结果
金属被氧化
较活泼金属被氧化
实质
M-ne-==Mn+
关系
①化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生;②电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍,危害更大
2.钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀的比较
区别与联系
吸氧腐蚀
析氢腐蚀
腐蚀的实质
金属作为原电池负极,失电子被氧化
负极电极反应
Fe-2e-==Fe2+
条件
水膜呈很弱的酸性、中性或碱性
水膜酸性较强
正极电极反应
O2+2H2O+4e-==4OH-
2H++2e-==H2↑
总反应
2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2
Fe+2H+==Fe2++H2↑
其他反应
Fe2++2OH-==Fe(OH)2↓
4Fe(OH)2+2H2O+O2==4Fe(OH)3
Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈
【微点拨】在通常情况下,潮湿的空气中水膜酸性较弱,金属在潮湿的空气中主要发生的是吸氧腐蚀。
素能应用
典例1如图所示,将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中,再加入含有适量酚酞的NaCl溶液,一段时间后观察发生的变化。下列叙述正确的是( )
A.a中铁钉附近溶液呈现红色
B.b中铁钉上发生还原反应
C.a中铜丝上发生氧化反应
D.b中铝条附近有气泡产生
答案B
解析依据原电池原理分析可知:
电极名称
a中
b中
负极
铁:Fe-2e-==Fe2+(氧化反应)
铝:Al-3e-==Al3+(氧化反应)
正极
铜:O2+2H2O+4e-==4OH-(还原反应)
铜丝附近溶液变红色
铁:O2+2H2O+4e-==4OH-(还原反应)
铁钉附近溶液变红色
a中铁钉附近不变红色,铜丝上发生还原反应;b中铁钉上发生还原反应,铝条附近没有气泡产生。
变式训练1右图装置中,U形管内为红墨水,a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液(呈酸性),各加入生铁块,放置一段时间。下列有关描述错误的是( )
A.生铁块中的碳是原电池的正极
B.红墨水水柱两边的液面变为左低右高
C.两试管中相同的电极反应是Fe-2e-==Fe2+
D.a试管中发生了吸氧腐蚀,b试管中发生了析氢腐蚀
答案B
解析a为中性环境,发生吸氧腐蚀,氧气被消耗,试管中气体压强减小;b中溶液呈酸性,发生析氢腐蚀,有氢气放出,试管中气体压强增大,所以红墨水水柱两边的液面变化为左高右低,故B项错。
探究二
金属腐蚀的快慢与金属腐蚀的防护
问题探究
根据金属腐蚀的原理分析金属腐蚀的防护措施都有哪些?
提示常见金属腐蚀的防护措施有改变金属内部结构(不锈钢)、覆盖防护层(电镀、油漆等)、电化学防护、电化学使金属表面“钝化”等。
深化拓展
1.金属腐蚀的快慢规律
(1)在同种电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序为:电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
(2)同一种金属在不同介质(浓度相等)中腐蚀由快到慢的顺序为:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
(3)在同一种电解质溶液中,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快(钝化除外)。
(4)纯度越高的金属,腐蚀越慢。
(5)不纯的金属或合金,在潮湿的空气中,氧气浓度越大,腐蚀越快。
2.金属的电化学防护
类型
牺牲阳极保护法
外加电流阴极保护法
原理
原电池原理
电解池原理
保护对象
正极金属得到保护
阴极金属得到保护
应用
钢铁设备如锅炉内壁、船体外壳等装上镁合金或锌片
土壤、海水及水中的金属设备
素能应用
典例2(2021湖南长沙高二期末)铜板上铁铆钉处的吸氧腐蚀原理如图所示,下列有关说法不正确的是( )
A.正极电极反应为2H++2e-==H2↑
B.此过程中还涉及反应:4Fe(OH)2+2H2O+O2
==4Fe(OH)3
C.此过程中铜并不被腐蚀
D.此过程中电子从Fe移向Cu
答案A
解析铜、铁在潮湿的环境中形成原电池,Fe发生吸氧腐蚀,Fe作为负极,失去电子被氧化,电极反应为Fe-2e-==Fe2+;Cu作为正极,电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-。在此原电池中,电子由Fe移向Cu,原电池反应为2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2,在溶液中还发生反应:4Fe(OH)2+O2+2H2O==4Fe(OH)3。
变式训练2下面各容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是( )
A.④>②>①>③
B.②>①>③>④
C.④>②>③>①
D.③>②>④>①
答案A
解析铁在海水中的腐蚀属于电化学腐蚀,当铁与比它活泼性差的Sn相连时,Fe被腐蚀的速率比①大,与活泼性比其强的锌相连时,锌作为负极被腐蚀,铁被保护,其腐蚀的速率要比①小;④为电解装置,Fe为阳极,发生氧化反应,铁腐蚀的速率最快。
素养脉络
随堂检测
1.研究电化学腐蚀及防护的装置如右图所示。下列有关说法错误的是( )
A.若d为石墨,铁片腐蚀加快
B.若d为石墨,石墨上电极反应为:O2+2H2O+4e-==4OH-
C.若d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.若d为锌块,铁片上电极反应为:2H++2e-==H2↑
答案D
解析铁、石墨及海水构成原电池时,Fe为负极,失去电子被氧化为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时腐蚀快,A正确。d为石墨,铁片在海水中发生的是吸氧腐蚀,石墨上氧气得到电子发生还原反应,电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,B正确。若d为锌块,由于金属活泼性Zn>Fe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn,铁得到保护,铁片不易被腐蚀,C正确。若d为锌块,铁片在海水中发生的是吸氧腐蚀,在铁片上的电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,D错误。
2.相同材质的铁在下列情形下最不易被腐蚀的是( )
答案C
解析A、B、D都能形成原电池,铁作为负极,腐蚀速率加快;C中铁表面镀铜,铁被保护不易被腐蚀。
3.为了防止钢铁锈蚀,下列防护方法中正确的是( )
A.在精密机床的铁床上安装铜螺钉
B.在排放海水的钢铁阀门上用导线连接一块石墨,一同浸入海水中
C.在轮船的舷上用铁丝系住锌板浸在海水里
D.在地下输油的铸铁管上接直流电源的正极
答案C
解析A、B中形成的原电池都是铁为负极,加速铁的腐蚀;D中铸铁管是阳极,会加速铁的腐蚀;C中锌比铁活泼,铁是正极,铁受到保护。
4.(1)电工操作上规定:不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。请说明原因 。?
(2)铜制品在经常下酸雨的地区发生电化学腐蚀严重。写出此电化学腐蚀的电极反应:正极: ,负极: 。?
答案(1)二者连接在一起时,接头处在潮湿的空气中形成原电池而造成铝被腐蚀
(2)O2+2H2O+4e-==4OH- 2Cu-4e-==2Cu2+
解析(1)当铜导线和铝导线连接时,接触到潮湿的空气就易形成原电池而使铝被腐蚀。
(2)要注意铜的电化学腐蚀与铁的区别,铜不能还原H+,故不可能发生析氢腐蚀,只能发生吸氧腐蚀;酸雨是一个干扰因素,只是使电解质溶液中的离子浓度增大,腐蚀加快。
5.如图所示,水槽中的试管内有一枚铁钉,放置数天后观察:
(1)铁钉在逐渐生锈,则铁钉的腐蚀属于 (填“化学”或“电化学”)腐蚀。?
(2)若试管内液面上升,则原溶液呈 性,发生 腐蚀,负极电极反应为 ,正极电极反应为 。?
(3)若试管内液面下降,则原溶液呈 性,发生 腐蚀。负极电极反应为 ,正极电极反应为 。?
答案(1)电化学
(2)弱酸或中或碱 吸氧 2Fe-4e-==2Fe2+ O2+2H2O+4e-==4OH-
(3)较强的酸 析氢 Fe-2e-==Fe2+ 2H++2e-==H2↑
解析根据原电池的构成条件:有两种不同的电极材料(Fe为负极,碳为正极)、有电解质溶液、形成闭合回路可知,铁钉的腐蚀属于电化学腐蚀。若试管内液面上升,说明试管内压强减小,试管内气体被吸收,是铁钉发生吸氧腐蚀的结果;若试管内液面下降,说明试管内气体压强变大,试管内产生了新气体,是铁钉发生析氢腐蚀的结果。(共52张PPT)
第2课时 电解原理的应用
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
理解并掌握电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理,能利用电解知识解决生活和生产中的实际问题,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
电解熔融氯化钠制得钠,电解饱和氯化钠溶液能否制得钠?
提示否。由于饱和氯化钠溶液中含有Cl-、OH-、H+及Na+,且H+的放电能力比Na+强,则阴极H+放电生成H2,所以得不到金属钠。
必备知识
1.电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气
(1)装置:
(2)现象:
①阳极:有刺激性气味的黄绿色气体产生。②阴极:有无色无味的气体产生,阴极附近溶液变红。
(3)原理分析及电极反应:
电解时,OH-、Cl-移向阳极,H+、Na+移向阴极。
①阳极电极反应:2Cl--2e-==Cl2↑,氧化反应。
②阴极电极反应:2H++2e-==H2↑,还原反应。
(4)电解总反应:2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑。
离子方程式:2Cl-+2H2O
2OH-+Cl2↑+H2↑。
2.铜的电解精炼
(1)装置:
(2)精炼铜时的电极反应:
阳极:Cu-2e-==Cu2+,Zn-2e-==Zn2+,Fe-2e-==Fe2+,Ni-2e-==Ni2+。
阴极:Cu2++2e-==Cu。
3.电镀
(1)定义:应用电解原理在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。
(2)电镀池的设计:一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作为电镀液;把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连,作为阳极;镀件与直流电源的负极相连,作为阴极。如铁钉镀铜。
电镀铜实验装置
阳极:Cu-2e-==Cu2+。
阴极:Cu2++2e-==Cu。
(3)电镀的主要目的:提高金属的抗腐蚀能力、耐磨性能或改善金属制品外观。
4.电冶金
(1)金属冶炼的本质:使矿石中的金属离子获得电子,从它们的化合物中
还原出来。如Mn++ne-==M。
(2)电解熔融的氯化镁可制取金属镁。阳极反应:2Cl--2e-==Cl2↑;
阴极反应:Mg2++2e-==Mg;
总反应:MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑。
【微思考】能否电解无水氯化铝制备金属铝?
提示否。因为氯化铝是共价化合物,熔融时不导电,不能电离产生Al3+和Cl-。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)氯碱工业是非常重要的化工生产工业,在电解饱和食盐水时,在阴极上得到的产物为H2和NaOH。( )
(2)电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作为阳极。( )
(3)电解法精炼粗铜,用纯铜作为阳极。( )
(4)在镀件上电镀锌,用锌作为阳极。( )
(5)电解法精炼粗铜时,电解质溶液中各离子浓度一定不变。( )
(6)在镀件上电镀铜,电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量。( )
(7)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。( )
答案(1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)√
(7)√
课堂篇
素养提升
探究一
电解原理的应用
问题探究
1.氯碱工业的原理是什么?
提示2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑。
2.实际生产过程中为什么要用阳离子交换膜?
提示常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过,避免生成的氯气和氢氧化钠发生反应。
深化拓展
1.电解饱和食盐水制取烧碱
(1)电极反应:
阳极:2Cl--2e-==Cl2↑(氧化反应),
阴极:2H++2e-==H2↑(还原反应)。
(2)电解总反应:
总反应化学方程式:2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑。
总反应离子方程式:2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑。
(3)氯碱工业制烧碱、氢气和氯气:
【微点拨1】工业上电解饱和食盐水制备烧碱时必须阻止OH-移向阳极,以使NaOH在阴极溶液中富集,常用阳离子交换膜将两溶液分开,使阳离子能透过阳离子交换膜,而阴离子不能通过。
2.铜的电解精炼与电镀铜的对比
项目
电解精炼铜
电镀铜
电极材料
阴极
精铜
镀件
阳极
粗铜
纯铜
电极反应
阳极
Cu-2e-==Cu2+等
Cu-2e-==Cu2+
阴极
Cu2++2e-==Cu
Cu2++2e-==Cu
电解质溶液浓度的变化
Cu2+减少,有比铜活泼的金属的阳离子进入溶液
电解质溶液成分及浓度均不变
【微点拨2】①电解精炼铜时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,电解质溶液的浓度减小;②粗铜中不活泼的杂质(金属活动性顺序中位于铜之后的银、金等),在阳极难以失去电子,当阳极上的铜失去电子变成离子之后,这些不活泼的杂质以金属单质的形式沉积于电解槽的底部,成为阳极泥。
3.电冶金
利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
项目
电解总反应
阳极、阴极反应
冶炼钠
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
2Cl--2e-==Cl2↑、2Na++2e-==2Na
冶炼镁
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑
2Cl--2e-==Cl2↑、Mg2++2e-==Mg
冶炼铝
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
6O2--12e-==3O2↑、4Al3++12e-==4Al
素能应用
典例1在突如其来的新冠肺炎疫情期间,84消毒液成了家庭消毒的必备物品。某同学想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作为电极电解饱和氯化钠溶液,通电时,为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图所示的装置(垂直使用)。以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是( )
A.a为正极,b为负极;NaClO和NaCl
B.a为负极,b为正极;NaClO和NaCl
C.a为阳极,b为阴极;HClO和NaCl
D.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl
答案B
解析电解饱和食盐水的总反应为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,
NaOH在阴极区生成,Cl2在阳极区生成。按照该同学制作的竖直的家用环保型消毒装置,若将阳极置于上方,则氯气一生成即逸出,不能完全与NaOH作用。因此,应将阳极置于下方,阴极置于上方,下方阳极生成的氯气通过溶液时即可充分地被阴极生成的NaOH吸收,吸收过程发生反应的化学方程式为Cl2+2NaOH==NaCl+NaClO+H2O。还应注意的是图中电极a、b是电源的电极而非电解池的电极。与电解装置上方阴极相连的a为电源的负极,则b为正极。
规律方法
做到“三看”,正确书写电极反应
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt等除外)作为阳极,则阳极金属失电子(注:Fe作为阳极时失电子生成Fe2+而不是生成Fe3+)。
(2)二看离子导体是否参与电极反应。
(3)三看离子导体状态,若是熔融状态,则为金属的电冶炼。
变式训练1如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水的原理示意图(所用电极均为惰性电极)。下列说法不正确的是( )
A.从E口逸出的气体是H2
B.从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性
C.标准状况下每生成22.4
L
Cl2,便产生2
mol
NaOH
D.若B口不加入物质,则电解一段时间后加适量盐酸可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度
答案D
解析由钠离子的移动方向可以确定左边电极为阳极,右边电极为阴极。阴极发生还原反应,氢气从E口逸出,B口应补充水并加入少量NaOH增强溶液的导电性,D口得到氢氧化钠浓溶液,A、B项正确。电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,当有1
mol氯气生成时,有2
mol氢氧化钠生成,C项正确。电解过程中减少的是氢气和氯气且二者物质的量之比为1∶1,若B口不加入物质,则电解一段时间后补充适量的氯化氢气体可以使电解质溶液恢复到电解前的浓度,D项错误。
探究二
有关电解计算的三种常用方法
问题探究
在粗铜的精炼中,阴极和阳极通过的电子数相等吗?阴极和阳极两个电极上的质量变化一样吗?
提示两个电极上通过的电子数一样;两个电极的质量变化不相等。
深化拓展
深化拓展
有关电解计算的方法
(1)根据电子守恒法计算:用于串联电路中各电极产物的计算,其依据是电路上转移的电子数相等。
(2)根据电解总反应计算。先写电极反应,再写出电解总反应,最后根据电解总反应计算。
(3)根据关系式计算。根据电子得失相等找到已知量与未知量之间的关系,从而推出计算所需的关系式。
【微点拨】(1)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。
(2)进行电解计算时,要注意电极上离子的放电顺序,从而确定不同阶段的电极反应。
素能应用
典例2以石墨电极电解200
mL
CuSO4溶液,电解过程中转移电子的物质的量[n(e-)]与产生气体总体积[V(标准状况下)]的关系如图所示。下列说法中正确的是( )
A.电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2
mol·L-1
B.忽略溶液体积变化,Cu2+恰好完全放电时所得溶
液中c(H+)=2
mol·L-1
C.当n(e-)=0.6
mol时,V(H2)∶V(O2)=3∶2
D.当n(e-)=0.8
mol时,向电解后的溶液中加入16
g
CuO,则溶液可恢复到电解前的浓度
答案B
解析电解CuSO4溶液时,阳极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+,阴极反应为Cu2++2e-==Cu,若阴极上没有氢离子放电,则图中气体体积与转移电子物质的量的关系曲线应是直线,而题图中是折线,说明阴极上还发生反应:2H++2e-==H2↑。当转移0.4
mol电子时,Cu2+恰好完全析出,
规律方法
电解过程中的一般计算方法
如以通过4
mol
e-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
变式训练2-1将两个铂电极插入500
mL
CuSO4溶液中进行电解,通电一段时间后,某一电极增重0.064
g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑溶液体积的变化),此时溶液中氢离子的浓度约为( )
A.4×10-3
mol·L-1
B.2×10-3
mol·L-1
C.1×10-3
mol·L-1
D.1×10-7
mol·L-1
答案A
解析阴极反应为Cu2++2e-==Cu,增重0.064
g应是生成Cu的质量,设生成H+的物质的量为x,根据总反应离子方程式:
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
2×64
g
4
mol
0.064
g
x
解得x=0.002
mol
变式训练2-2如图所示,图乙是图甲的电解池进行电解时某个量(纵坐标y)随时间变化的函数图像(各电解池都用石墨作为电极,不考虑电解过程中溶液浓度变化对电极反应的影响),这个量y表示的是( )
A.各电解池析出气体的体积
B.各电解池阳极质量的增加量
C.各电解池阴极质量的增加量D.各电极上放电的离子总数
答案C
解析电解氯化钠溶液时,阴、阳极都产生气体物质;电解硝酸银溶液时,阴极上产生单质银;电解硫酸铜溶液时阴极上产生单质铜。所以随着电解的进行阴极质量的增加量有如图乙所示的变化。
素养脉络
随堂检测
1.关于电解氯化钠水溶液(铁作为阴极、石墨作为阳极),下列叙述正确的是( )
A.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈无色
B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈棕黄色
C.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
答案B
解析电解食盐水时阳极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,阴极反应为2H++2e-==H2↑,电解总反应为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑。对照分析选项,C错误;阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2,滴加KI溶液后发生反应:Cl2+2I-==I2+2Cl-,溶液呈棕黄色,B正确;阴极附近产生大量的OH-,滴加酚酞后溶液变红色,A错误;电解后生成了NaOH,溶液呈碱性,D错误。
2.如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂电极,在A池中加入0.05
mol·L-1的CuCl2溶液,B池中加入0.1
mol·L-1的AgNO3溶液,进行电解。一段时间后a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比是( )
A.2∶2∶4∶1
B.1∶1∶2∶1
C.2∶1∶1∶1
D.2∶1∶2∶1
答案A
解析由电解规律可知,a、c为阴极,b、d为阳极。a极上析出Cu,b极上逸出Cl2,c极上析出Ag,d极上逸出O2。由转移电子守恒可得出:2e-~Cu~Cl2~2Ag~
O2,所以a、b、c、d四个电极上所产生的物质的物质的量之比为1∶1∶2∶
=2∶2∶4∶1。
3.用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1
mol
Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的状态(不考虑二氧化碳的溶解),则电解过程中共转移电子的物质的量为( )
A.0.4
mol
B.0.5
mol
C.0.6
mol
D.0.8
mol
答案C
解析电解硫酸铜溶液时,第一阶段:2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,第二阶段:2H2O
2H2↑+O2↑,如果只按第一阶段的电解反应,只需要加入CuO或CuCO3就可以使溶液恢复到电解前的状态,但是现在加入的是Cu2(OH)2CO3,相当于多加了0.1
mol
H2O,0.1
mol的水应该是第二阶段的反应消耗的,该阶段转移了0.2
mol电子,第一阶段转移了0.4
mol电子,所以总共转移0.6
mol电子。
4.用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是( )
A.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应为Al3++3e-==Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
答案C
解析利用电解氧化法在铝制品表面形成致密的Al2O3薄膜,即待加工铝质工件作为阳极,A项正确;阴极与电源负极相连,对阴极电极材料没有特殊要求,可选用不锈钢网等,B项正确;电解质溶液呈酸性,阴极上应是H+放电,C项错误;在电解过程中,电解池中的阴离子向阳极移动,D项正确。
5.将两个惰性电极插入CuSO4溶液中,通电进行电解。
(1)当有1.0×10-3
mol的OH-放电时,溶液显浅蓝色,则在阴极上析出铜的质量是 。?
(2)若溶液的体积为1
L,忽略溶液体积变化,在标准状况下放出5.6
mL
O2时,溶液的c(H+)为 。?
答案(1)0.032
g (2)1×10-3
mol·L-1
解析(1)用惰性电极电解CuSO4溶液时,阴极电极反应为:2Cu2++4e-==2Cu,阳极电极反应为:4OH--4e-==O2↑+2H2O。当有1.0×10-3
mol的OH-放电时,生成标准状况下的O2为5.6
mL,此时转移电子为1.0×10-3
mol,则在阴极上析出Cu为0.032
g。
(2)阳极:4OH--4e-==2H2O+O2↑
4
mol
1
mol
n=1.0×10-3
mol,即消耗1.0×10-3
mol
OH-,应生成1.0×10-3
mol
H+,(共46张PPT)
第1课时 电解的原理
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.能分析、解释电解池的工作原理,逐步形成证据推理与模型认知的学科核心素养。
2.能设计简单的电解池,体现科学探究与创新意识的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
电池能把化学能转化为电能,电能能否转化为化学能?
提示能。电能与化学能之间的相互转化具有重要的实际应用。通过将电能转化为化学能,可以使许多在通常条件下不能发生的反应得以进行,电解是将电能转化为化学能的一种重要方法。
必备知识
一、电解熔融氯化钠
1.实验现象
通电后,石墨电极周围有黄绿色气体产生,铁片上生成银白色固体。
2.实验分析
(1)熔融的氯化钠中存在的微粒有Cl-、Na+。
(2)通电后离子移动的方向:Cl-向石墨电极移动,Na+向铁电极移动。
(3)电极上的电极反应:
铁电极:2Na++2e-==2Na。石墨电极:2Cl--2e-==Cl2↑。
3.实验结论
熔融的氯化钠在电流作用下发生化学变化,分解生成Na和Cl2。从氧化还原的角度分析:铁电极上发生还原反应,石墨电极上发生氧化反应。
【微思考】电解质的导电与金属导电有什么不同?
提示电解质的导电过程是被电解的过程,属于化学变化;金属导电过程是电子的定向移动,属于物理变化。
二、电解原理
1.电解
将直流电通过熔融电解质或电解质溶液,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫作电解。
2.电解池
(1)定义:将电能转化为化学能的装置。
(2)组成条件:与直流电源相连的电极材料、离子导体和电子导体、形成
闭合回路。
(3)电极名称与电极反应:
阳极:与电源正极相连,溶液中阴离子移向阳极,失去电子,发生氧化反应。
阴极:与电源负极相连,溶液中阳离子移向阴极,得到电子,发生还原反应。
(4)电子流向:
电源负极→导线→电解池的阴极;电解池的阳极→导线→电源的正极。
(5)电解熔融NaCl的方程式:2NaCl
2Na+Cl2↑。
3.电解池与原电池的区别
项目
外接
电源
反应自
发与否
能量转化
工作过程
装置构成
原电池
无
自发
化学能转化为电能
氧化反应、还原反应分别在两电极进行:负极、阳极发生氧化反应;正极、阴极发生还原反应
电极反应物、电极材料、离子导体和电子导体
电解池
有
不要求
电能转化为
化学能
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)与电源正极相连的是电解池的阴极。( )
(2)用惰性电极电解NaCl溶液时可以得到Na和Cl2。( )
(3)电解池工作时,阳极发生还原反应,失去电子。( )
(4)电解池工作时,阳极上的电子通过电解质溶液移向阴极。( )
(5)电解AgNO3溶液时,Ag+移向阳极,N
移向阴极。( )
答案(1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
课堂篇
素养提升
探究一
电解时两电极产物的判断与电极反应的书写
问题探究
1807年,戴维将表面湿润的氢氧化钾放在铂制器皿里,并用导线将铂制器皿以及插在氢氧化钾里的电极相连,整套装置都暴露在空气中。通电以后,氢氧化钾开始熔化。戴维发现在阴极附近有带金属光泽的酷似水银的颗粒生成,并生成紫色火焰,这是钾元素的发现过程。这其中的奥秘是什么呢?电解时,物质的变化是如何发生的?
提示在通电条件下,氢氧化钾发生了电解,分别在两个电极上生成了不同的物质。
深化拓展
1.电解池的工作原理
(1)以惰性电极电解CuCl2溶液为例。
总反应离子方程式:Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
(2)电子和离子的移动方向(惰性电极)。
【微点拨】①金属活动性顺序中银以前的金属(含银)作为电极时,金属本身可以参与阳极反应,如Zn、Fe、Cu、Ag等,这样的电极也叫活性电极;金属活动性顺序中银以后的金属或能导电的非金属作为电极时,电极本身不参与阳极反应,称为惰性电极,主要有铂(Pt)、石墨等。
②电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是靠离子移动导电,即电子不会通过电解质溶液。
2.电解时电极产物的判断
3.电极反应及电解总反应的书写
(1)电极反应的书写。
①确定电极:与电源正极相连的为阳极,与电源负极相连的为阴极。
②确定电极反应:阳极发生氧化反应,若是活性电极,电极材料本身放电;若是惰性电极,溶液中的阴离子放电。阴极发生还原反应,是溶液中阳离子放电。
③写电极反应。
电极反应的书写可概括为:
a.列物质、标得失;
b.选离子、配电荷;
c.配个数、巧用水。
(2)电解总反应的书写。
①在确保两极电子转移数目相同的条件下,将两电极反应合并即得电解总反应。
②总反应要注明条件:通电。
素能应用
典例1如图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d均为石墨电极,则下列有关判断正确的是( )
A.a为负极,b为正极
B.a为阳极,b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
答案C
解析电流从电源的正极流出,故a为正极,b为负极,c为阳极,d为阴极。电解时,因Cu2+移向阴极,在阴极放电析出Cu,故阴极(d电极)质量增加;Cl-移向阳极,在阳极(c电极)放电逸出Cl2,导致溶液中Cl-浓度降低。
变式训练1如图所示,X、Y分别是直流电源的两极,通电后,a极板质量增加,b极板处有无色无味气体放出。符合这一情况的是( )
选项
a极板
b极板
X电极
Z溶液
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
负极
NaOH
C
银
铁
正极
AgNO3
D
铜
石墨
负极
CuCl2
答案A
解析a极板质量增加,必定有金属在a极析出。a极一定是阴极,则X电极一定为电源的负极,所以C选项电源电极名称错。B选项Z溶液为NaOH溶液,电解时无金属析出,被排除。又因为b极有无色无味气体放出,而D选项电解CuCl2溶液时,阳极产生的气体是黄绿色的有刺激性气味的Cl2,D选项被排除。
探究二
利用惰性电极电解电解质溶液的规律
问题探究
1.电解H2SO4溶液与电解盐酸(惰性电极)的产物相同吗?溶液pH有何变化?
提示阴极产物相同(都是H2),阳极产物不同(H2SO4→O2,HCl→Cl2),电解H2SO4溶液后溶液的pH减小,电解盐酸后溶液的pH增大。
2.若以惰性电极电解CuSO4溶液,试分析电极产物并写出电极反应及总反应。
提示在CuSO4溶液中含有Cu2+、H+、OH-、S
四种离子,在阴极上Cu2+放电得到Cu;在阳极上OH-放电得到O2,阴极电极反应为2Cu2++4e-==2Cu,阳极电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+;总反应为2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑。
深化拓展
用惰性电极电解的一般规律
类型
电极反应特点
实例
电解
物质
电解质溶
液的浓度
溶液
的pH
电解质溶
液复原
电解
水型
阴极:2H++2e-==H2↑
阳极:4OH--4e-==2H2O+O2↑
NaOH
水
增大
增大
加水
H2SO4
水
增大
减小
加水
Na2SO4
水
增大
不变
加水
电解电
解质
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
HCl
电解质
减小
增大
加氯化氢
CuCl2
电解质
减小
—
加氯化铜
类型
电极反应特点
实例
电解
物质
电解质溶
液的浓度
溶液
的pH
电解质溶
液复原
放H2
生碱型
阴极:放出H2生成碱,阳极:电解质阴离子放电
NaCl
电解质
和水
—
增大
加氯化氢
放O2
生酸型
阴极:电解质阳离子放电,阳极:OH-放电生成酸
CuSO4
电解
质和水
—
减小
加氧化铜
【微点拨】利用惰性电极电解电解质溶液后要恢复原电解质溶液的浓度,需要加适量的某物质时,遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原则,所加物质可以是阴极与阳极产物的化合物。
素能应用
典例2如图是利用直流电源电解稀Na2SO4溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列实验现象中正确的是( )
A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
答案D
解析电解Na2SO4溶液时,a电极为阴极:4H++4e-==2H2↑,b电极为阳极:4OH--4e-==O2↑+2H2O;a电极周围由于H+放电溶液呈碱性,石蕊遇碱显蓝色,b电极周围由于OH-放电溶液呈酸性,石蕊遇酸显红色。
规律方法
判断电解后溶液中生成酸或碱的方法
(1)若电解产物只有H2而无O2,则阴极周围生成碱。
(2)若电解产物只有O2而无H2,则阳极周围生成酸。
(3)若电解产物既有O2又有H2,且二者物质的量之比为1∶2,则实质是电解水,电解过程中阳极生成酸,阴极生成碱,最终溶液中还是原溶质。
变式训练2-1下图所示装置中,a、b都是惰性电极,通电一段时间后,b电极附近溶液呈红色。下列说法正确的是( )
A.X是负极,Y是正极
B.Pt是阴极,Cu是阳极
C.CuSO4溶液的pH逐渐减小
D.CuSO4溶液的pH不变
答案C
解析b电极附近溶液呈现红色,说明b电极处生成了氢氧根离子。电解食盐水阳极发生氧化反应产生氯气,阴极发生还原反应产生氢气同时生成氢氧化钠,因此b电极是阴极,与电源的负极相连,则Y为负极,X为正极;铂电极与电源的正极相连作为阳极,铜电极作为阴极;电解硫酸铜溶液时,阳极发生氧化反应,水电离出的氢氧根离子放电,阴极发生还原反应,铜离子放电,这样溶液中不断产生H+,溶液的酸性增强,pH变小。
变式训练2-2用石墨电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种纯净物(方括号内物质),能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是( )
A.AgNO3[AgNO3]
B.NaOH[H2O]
C.KCl[KCl]
D.CuSO4[Cu(NO3)2]
答案B
解析A项,总反应为4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3,脱离反应体系的是4Ag+O2,相当于2Ag2O,所以应当加入适量Ag2O才能复原(若加入AgNO3,会使N
的量增加);B项,总反应为2H2O
2H2↑+O2↑,脱离反应体系的是2H2+O2,相当于2H2O,加入适量水可以复原;C项,总反应为2KCl+2H2O
2KOH+H2↑+Cl2↑,脱离反应体系的是H2+Cl2,相当于2HCl,应通入适量HCl气体才能复原(若加入KCl,会使K+的量增加);D项,总反应为2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑,脱离反应体系的是2Cu+O2,加入CuO才能复原。
素养脉络
随堂检测
1.下列关于电解池的叙述不正确的是( )
A.阳离子移向与电源正极相连的电极
B.与电源负极相连的是电解池的阴极
C.在电解池的阳极发生氧化反应
D.电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极
答案A
解析在电解池中,与电源正极相连的电极为阳极,电解质溶液中的阴离子移向阳极。
2.用惰性电极分别电解下列各物质的水溶液,一段时间后,向剩余电解质溶液中加入适量相应的溶质能使溶液恢复到电解前浓度的是( )
A.AgNO3
B.Na2SO4
C.CuCl2
D.KCl
答案C
解析直接加入适量溶质就能使溶液恢复到电解前的浓度应属于电解电解质型,C项符合题意;电解AgNO3溶液发生的电解反应是:4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3,可加Ag2O;电解Na2SO4的水溶液实际电解的是水;电解KCl水溶液实际电解的是溶质和溶剂,通HCl气体能恢复到电解前的浓度。
3.如图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极。则以下有关此电解池的判断正确的是( )
A.a为负极,b为正极
B.a为阳极,b为阴极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度保持不变
答案C
解析依据电流的方向可知,a为正极,b为负极,c为阳极,d为阴极。d电极上的电极反应为Cu2++2e-==Cu,c电极上的电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,溶液中的Cl-浓度减小。
4.按图甲装置进行实验,若图乙中横坐标x表示通过电极的电子的物质的量。下列叙述正确的是( )
A.F表示反应生成Cu的物质的量
B.E表示反应实际消耗H2O的物质的量
C.E表示反应生成O2的物质的量
D.F表示反应生成H2SO4的物质的量
答案B
解析由题意可知电解总反应为2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,根据反应中各物质与转移电子的关系:2Cu~2H2O~2H2SO4~O2~4e-可知,E表示反应消耗H2O的物质的量或反应生成Cu、H2SO4的物质的量,F表示反应生成O2的物质的量。
(1)两极分别放出H2和O2时,电解质的化学式可能是 (至少答一种,下同);?
(2)若阴极析出金属、阳极放出O2时,电解质的化学式可能是 ;?
(3)两极分别放出气体,且体积比为1∶1,电解质的化学式可能是 。?
答案(1)H2SO4、HNO3、Ba(NO3)2
(2)Cu(NO3)2、CuSO4、AgNO3
(3)HCl、BaCl2
解析(1)电解时两极分别放出H2和O2的电解质,其阳离子是H+或比H+放电能力弱的Ba2+;阴离子是OH-或比OH-放电能力弱的
,则H2SO4、HNO3、Ba(NO3)2符合题意。
(2)阳离子应是比H+放电能力强的Cu2+、Ag+放电,阴离子应是放电能力弱于OH-的
放电,则Cu(NO3)2、CuSO4、AgNO3符合题意。
(3)根据题意,阴极放出的是H2,阳极是Cl-放电生成Cl2,则HCl、BaCl2符合题意。(共46张PPT)
第2课时 化学电源
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.了解不同化学电源的工作原理,从而形成科学探究与创新意识的学科核心素养。
2.了解各类电池的生产工艺和回收价值,了解新型电池的开发,体验科学态度与社会责任的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
化学电池与其他能源相比有哪些优点?
提示化学电池的优点是:①能量转换效率高,供能稳定可靠。②可以制成各种形状、不同容量和电压的电池和电池组,使用方便。③容易维护,可在各种环境下工作。
必备知识
一、化学电源
1.定义:是将化学能直接转化为电能的装置。
二、常见的化学电源
1.一次电池
(1)酸性锌锰电池。
①组成——正极:石墨。负极:锌筒。电解质溶液:氯化铵和氯化锌混合溶液,用淀粉糊固定化。
②工作原理。
负极反应:Zn-2e-==Zn2+。正极反应:2MnO2+2N
+2e-==Mn2O3+2NH3
+H2O。
总反应:Zn+2MnO2+2N
==Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O。
(2)碱性锌锰电池。
①组成——正极:MnO2。负极:Zn。电解质:KOH。
②工作原理:负极反应为Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O;
正极反应为2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-。
总反应为Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH。
2.二次电池(以铅蓄电池为例)
(1)组成——正极:PbO2。负极:Pb。电解质溶液:H2SO4溶液。
(2)工作原理:铅蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应和电池反应如下。
负极:Pb+S
-2e-==PbSO4。正极:PbO2+4H++S
+2e-==PbSO4+2H2O;
总反应:Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2O。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池。
下图为一种氢氧燃料电池结构示意图,电解质溶液为KOH溶液,电极材料为多孔石墨,氢气和氧气(或空气)源源不断地通到电极上。
则氢氧燃料电池的电极反应为:
负极2H2+4OH--4e-==4H2O;正极O2+2H2O+4e-==4OH-;
电池总反应为2H2+O2==2H2O。
(2)工作原理:燃料电池的特点是电池的正、负极反应物气体分别储存在电池之外的容器中。两种气体分别不断地输入燃料电池的两极,通过燃料气体在负极发生的氧化反应和氧气在正极发生的还原反应,实现一个相当于燃烧反应的电池反应,将化学能转变为电能。
燃料电池的燃料除了氢气外,还有甲烷、甲醇和乙醇等。
(3)应用前景:燃料电池具有能量利用效率高、可连续使用和污染轻等优点,已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)太阳能电池不属于原电池。( )
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。( )
(3)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。( )
(4)碱性锌锰干电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。( )
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能。( )
(6)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.1
mol电子时,负极增重4.8
g。( )
答案(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√
课堂篇
素养提升
探究一
二次电池(可充电电池)
问题探究
铅蓄电池的电池总反应是什么?
提示铅蓄电池属于二次电池。电池总反应是Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O。
深化拓展
1.可充电电池的思维模型
2.“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应
若已知电池放电时的总反应,可先写出较易书写的一极的电极反应,然后在电子守恒的基础上,由总反应减去较易写出的一极的电极反应,即可得到较难写出的另一极的电极反应。
素能应用
典例12019年诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池发展作出重要贡献的科学家。磷酸铁锂锂离子电池放电工作示意图如图。下列叙述错误的是( )
磷酸铁锂锂离子电池放电原理示意图
A.放电时,Li+通过隔膜移向正极
B.放电时,电子由铝箔沿导线流向铜箔
C.放电时正极反应为xFePO4+xLi++xe-==xLiFePO4
D.磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现,C、Fe、P元素化合价均不发生变化
答案D
解析放电时,“同性相吸”即Li+通过隔膜移向正极,A项正确;放电时,电子由负极即铝箔沿导线流向正极即铜箔,B正确;放电时正极得电子,发生还原反应:xFePO4+xLi++xe-==xLiFePO4,C正确;磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现,其中Fe元素化合价发生变化,D错误。
变式训练1-1一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是( )
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.放电时,电解质溶液中Li+向锂电极迁移
D.放电时,电池总反应为2Li+(1-
)O2==Li2O2-x
答案D
解析放电时,该电池中锂是负极,多孔碳材料是正极,A项错误;放电时,外电路电子由负极流向正极,即由锂电极流向多孔碳材料电极,B项错误;放电时,电解质溶液中Li+应向多孔碳材料区移动,C项错误;根据题意可知,放电时总反应为2Li+(1-
)O2==Li2O2-x,D项正确。
变式训练1-2常见铅蓄电池是二次电池,其电极材料分别为Pb和PbO2,电解质溶液为稀硫酸,工作时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O。请依据上述情况填空:
(1)铅蓄电池的负极材料是
。?
(2)请依据两极材料和总反应,写出放电时的正极反应: 。?
(3)请依据总反应和正极反应,写出放电时的负极反应: 。?
(4)放电时,电解质溶液中阴离子移向 极;电流从 电极流向 电极。?
(5)放电时,电解质溶液的酸性 (填“增强”“减弱”或“不变”)。?
解析此题考查常见电池的工作原理,依据原电池的反应原理、铅蓄电池的工作原理及其总反应可得相应的答案。
探究二
“高效、环境友好”的燃料电池
问题探究
试论述燃料电池的优越性。
提示燃料电池被人们誉为“绿色”发电站,燃料电池具有以下优点:无传动部件,无磨损,无声,可做成任意大小(如心脏起搏器和数百万千瓦的发电站)。
深化拓展
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种
种类
酸性
碱性
负极反应
2H2-4e-==4H+
2H2+4OH--4e-==4H2O
正极反应
O2+4e-+4H+==2H2O
O2+2H2O+4e-==4OH-
电池总反应
2H2+O2==2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应,起导电作用
2.燃料电池规律的总结
(1)燃料电池总反应一般是燃料的燃烧反应(有些情况下电解质参与反应)。如2H2+O2==2H2O、CH4+2O2==CO2+2H2O(酸性)、CH4+2O2+2NaOH==Na2CO3+3H2O(碱性)等。
(2)燃料电池的正极上发生反应的是氧化剂,发生还原反应。通常是O2+2H2O+4e-==4OH-(碱性)、O2+4H++4e-==2H2O(酸性)等。
(3)燃料电池的负极上是燃料发生氧化反应。书写负极的电极反应通常有两种方法(思路)。
方法一:守恒分析法
方法二:用电池总反应减去正极的电极反应可得出负极的电极反应。
①总反应:CH4+2O2+2OH-==C
+3H2O(碱性电池)
正极反应:2O2+4H2O+8e-==8OH-
负极反应:CH4+10OH--8e-==C
+7H2O。
②总反应:CH4+2O2==CO2+2H2O(酸性电池)
正极反应:2O2+8H++8e-==4H2O
负极反应:CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+。
素能应用
典例2某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时,该电池工作原理如图。下列说法正确的是( )
A.a为CH4,b为CO2
B.C
向正极移动
C.此电池在常温下也能工作
D.正极的电极反应为O2+2CO2+4e-==2C
答案D
答题模板
解答燃料电池题目的思维模型
解答燃料电池题目的几个关键点:
(1)明确离子导体是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
(2)通入负极的物质为燃料,通入正极的物质一般为氧气。
(3)通过离子导体中离子的移动方向,可判断电池的正、负极,同时考虑该离子参与移向一极的电极反应。
变式训练2以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是( )
A.该电池能够在高温下工作
B.电池的负极反应为:C6H12O6+6H2O-24e-==
6CO2↑+24H+
C.放电过程中,H+从正极区向负极区迁移
D.在电池反应中,每消耗1
mol氧气理论上能生成标准状况下CO2气体
L
答案B
解析微生物燃料电池在高温下不能工作,A错误;放电过程为原电池反应,H+应向正极迁移,C错误;由电池反应C6H12O6+6O2==6CO2+6H2O知,每消耗1
mol
O2理论上生成1
mol
CO2,在标准状况下的体积为22.4
L,D错误。
素养脉络
随堂检测
1.下列说法错误的是( )
A.依据原电池的原理设计出了化学电源
B.原电池是化学电源的雏形
C.判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活泼性
D.氧化还原反应所释放的化学能,是化学电源的能量来源
答案C
解析电池的正、负极不仅与电极材料有关,还与电解质溶液有关,C项错误。
2.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,有一种锌银电池,其电极材料分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,电极反应分别为Zn+2OH--2e-==Zn(OH)2、Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-,总反应为Ag2O+Zn+H2O==Zn(OH)2+2Ag。下列叙述正确的是( )
A.在使用过程中,电池负极区溶液的pH增大
B.在使用过程中,电子由Ag2O经外电路流向Zn极
C.Zn是负极,Ag2O是正极
D.Zn极发生还原反应,Ag2O极发生氧化反应
答案C
解析根据电极反应可知Zn失电子被氧化,Ag2O得电子被还原,故Zn是负极,Ag2O是正极,故C正确;负极(即Zn极)在反应时消耗OH-,则负极区溶液的pH应减小,故A错误;发生原电池反应时,电子由负极经外电路流向正极,即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极,故B错误;在原电池中,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,故D错误。
3.碱性电池具有容量大、放电电流大的特点,因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液,电池总反应为Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)
==ZnO(s)+2MnOOH(s)。下列说法错误的是( )
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应为2MnO2(s)+2H2O(l)+2e-==2MnOOH(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路中每通过0.2
mol电子,锌的质量减少6.5
g
答案C
解析碱性锌锰电池中锌为负极,在反应中失去电子,A正确;电池工作时,电流由正极通过外电路流向负极,而电子移动方向与电流方向相反,C错误;由电子守恒可知D正确;由该电池反应的总反应和原电池原理可知B正确。
4.(2021云南普洱高二期末)下图为氢氧燃料电池原理示意图,下列叙述不正确的是( )
A.a电极是负极
B.b电极的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D.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
答案B
解析从图中可看出a电极处进入的是H2,b电极处进入的是O2,该电池的总反应是2H2+O2==2H2O,故a电极处H2失e-被氧化,a为负极;b电极为正极,电极反应为2H2O+O2+4e-==4OH-,故B项不正确。
5.Li-Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池,该电池中正极的电极反应为2Li++FeS+2e-==Li2S+Fe,有关该电池的下列说法正确的是( )
A.Li-Al在电池中作为负极材料,该材料中Li的化合价为+1
B.该电池的电池反应为2Li+FeS==Li2S+Fe
C.负极的电极反应为Al-3e-==Al3+
D.该电池工作时FeS发生氧化反应
答案B
解析Li-Al是合金,Li的化合价为0,A错误;根据正极反应并结合原电池的电极材料Li-Al/FeS可判断出负极反应为Li-e-==Li+,C错误;由正极反应可知电池工作时FeS发生还原反应,D错误。(共42张PPT)
第1课时 原电池的工作原理
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.了解原电池的工作原理,从而形成模型认知的学科核心素养。
2.能设计简单的原电池,体现创新意识的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
简单的锌铜原电池装置:
1.原电池装置中有电流产生,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应。
2.电子不能通过电解质溶液,溶液中依靠离子的移动来导电。
必备知识
一、铜锌原电池
1.装置
2.实验现象及分析
电极
Zn极
Cu极
实验现象
①
检流计指针发生偏转
②
锌片质量减小
铜片质量增加
电子流向
由Zn极流向Cu极(填“Zn”或“Cu”)
电子得失
Zn失电子
Cu2+得电子
电极名称
负极
正极
电极反应
Zn-2e-==Zn2+
Cu2++2e-==Cu
能量转化
化学能转化为电能
二、原电池的工作原理
1.原电池的定义:把化学能转变为电能的装置。
2.原电池的构成条件
反应
能自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两个电极(金属或石墨)
闭合回路
①电解质溶液 ②两电极直接或间接接触
③两电极插入电解质溶液中
3.原电池的工作原理
(1)电极。
①负极:失去电子,发生氧化反应;
②正极:得到电子,发生还原反应。
(2)电子定向移动方向和电流方向。
①电子从负极流出经外电路流入正极;
②电流从正极流出经外电路流入负极;故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
(3)离子移动方向。
电解质溶液中阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。
【微思考】有盐桥的原电池中盐桥有什么作用?
提示盐桥可使整个装置构成通路,可避免两溶液直接接触;平衡电荷;提高电池效率。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,所有的氧化还原反应都可设计成原电池。( )
(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。( )
(3)用Mg、Al分别作为电极,用NaOH溶液作为电解质溶液构成的原电池,Mg为正极。( )
(4)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。( )
(5)一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高。( )
(6)原电池放电时,外电路中电流由负极流向正极。( )
(7)由于反应CaO+H2O==Ca(OH)2可以自发进行,且放出大量的热,故可以设计成原电池。( )
答案(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)× (7)×
课堂篇
素养提升
探究一
原电池的工作原理及电极反应
问题探究
用葡萄发电让闹钟正常工作的实验中,工作原理是什么呢?你能用日常生活中的东西设计原电池吗?
提示葡萄发电类似意大利科学家伏特发明的伏特电池,能产生电流让闹钟正常工作。生活中的苹果、西红柿等都可以设计原电池。
1.原电池正、负极的判断
深化拓展
【微点拨1】原电池的正极和负极既与电极材料的性质有关,又与电解质溶液有关,不要认为活泼性强的金属一定是作为负极。
2.原电池的工作原理
【微点拨2】原电池中微粒移动方向
(1)电子移动方向:从负极流出沿导线流入正极,电子不能通过电解质溶液。
(2)若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
(3)若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过阳离子交换膜移向正极。
素能应用
典例1分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
A.①②中Mg是负极,③④中Fe是负极
B.②中Mg是正极,电极反应为6H2O+6e-==6OH-+3H2↑
C.③中Fe是负极,电极反应为Fe-2e-==Fe2+
D.④中Cu是正极,电极反应为2H++2e-==H2↑
答案B
解析②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子,故Al是负极;③中Fe在浓硝酸中钝化,Cu和浓硝酸反应失去电子,因此Cu是负极,A、C错误;②中正极反应为6H2O+6e-==6OH-+3H2↑,B正确;④中Cu是正极,电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-,D错误。
规律方法
(1)电极反应的书写方法。
(2)复杂电极反应的书写。
复杂电极反应=总反应-较简单一极的电极反应
如CH4酸性燃料电池中:
CH4+2O2==CO2+2H2O……总反应
2O2+8H++8e-==4H2O……正极反应
CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+……负极反应
变式训练1有关如图所示原电池的叙述,正确的是(盐桥中装有琼脂凝胶,内含KCl)( )
A.反应过程中盐桥中的K+会移向CuSO4溶液
B.取出盐桥后,电流计依然发生偏转
C.铜片上有气泡逸出
D.反应前后铜片质量不改变
答案A
解析根据装置图可知,原电池负极反应为Zn-2e-==Zn2+,正极反应为Cu2++2e-==Cu,正极周围阳离子减少,盐桥中阳离子移向正极,A正确。取出盐桥后不能形成闭合回路,构不成原电池,电流计指针不偏转,B错误。Cu片为正极,在正极上有Cu析出,C、D错误。
探究二
原电池原理的应用
问题探究
1.若纯锌与粗锌(含Fe、C等)分别与同浓度的稀硫酸反应制取H2,哪种方法产生H2的速率快?
提示粗锌产生H2的速率快。
2.将金属a、b用导线相连插入稀硫酸中,发现金属b上产生气泡,则金属a与金属b相比较,谁更活泼?
提示金属a更活泼。
深化拓展
1.加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率加快。例如,在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液,Zn可置换出Cu,Cu能与Zn形成原电池使产生H2的反应速率加快。
2.比较金属活动性强弱
如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到A溶解,而B上有气体放出,则说明A是负极,B是正极,即可以断定金属活动性:A>B。
3.设计化学电源
实例:根据反应Cu+2Ag+==Cu2++2Ag设计电池。
素能应用
典例2根据反应2FeCl3+Fe==3FeCl2设计一个原电池。
要求:(1)画出此原电池的装置图,装置采用烧杯和盐桥。
(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。
答案
解析将题给反应拆成两个半反应:Fe-2e-==Fe2+(氧化反应),2Fe3++2e-==2Fe2+(还原反应)。负极发生氧化反应,电极材料应选参加反应的单质Fe,正极发生还原反应,电极材料应选比铁不活泼的金属或石墨等导体。负极电解质溶液选不能与铁反应的FeCl2溶液,正极电解质溶液选与铁能反应的FeCl3溶液。
变式训练2-1X、Y、Z、W四块金属板分别用导线两两相连浸入稀硫酸中构成原电池。X、Y相连时,X为负极;Z、W相连时,电流方向是W→Z;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡;W、Y相连时,W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( )
A.X>Z>W>Y
B.Z>X>Y>W
C.X>Y>Z>W
D.Y>W>Z>X
答案A
解析在原电池中,活泼金属作为原电池的负极,失去电子发生氧化反应;不活泼的金属或非金属导体作为原电池的正极,阳离子或氧气等在正极得到电子发生还原反应。电子由负极经导线流向正极,与电流的方向相反。因此,X、Y相连时,X为负极,则活泼性X>Y;Z、W相连时,电流方向是W→Z,则活泼性Z>W;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡,则活泼性X>Z;W、Y相连时,W极发生氧化反应,则活泼性W>Y。综上所述,可以得出金属的活泼性顺序:X>Z>W>Y。
变式训练2-2等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀硫酸中,同时向a中滴入少量的CuSO4溶液,如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系,其中正确的是( )
答案D
解析a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu,Zn的量减少,产生H2的量减少,但Zn、Cu和稀硫酸形成原电池,反应速率加快,D项图示符合要求。
素养脉络
随堂检测
1.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有KNO3-琼脂的U形管)构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是( )
①在外电路中,电流由铜电极流向银电极 ②正极反应为Ag++e-==Ag ③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作 ④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池的总反应相同
A.①②
B.②③
C.②④
D.③④
答案C
解析铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液及盐桥构成一个原电池,Cu是负极,Ag是正极,其电极反应分别为负极:Cu-2e-==Cu2+,正极:2Ag++2e-==2Ag,盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用,电子的流向是由负极经导线流向正极,电流的方向与电子的流向相反,因此C正确。
2.下列关于原电池的叙述正确的是( )
A.构成原电池的两极必须是两种不同金属
B.原电池是将化学能转化为电能的装置
C.原电池工作时总是负极溶解,正极上有物质析出
D.原电池的正极是还原剂,总是溶液中的阳离子在此被还原
答案B
解析构成原电池的正极材料只要导电即可,可以是非金属如石墨等,A错误;对于燃料电池,电极不参与反应,C、D错误。
3.如下图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向:X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn和石墨,则X为石墨,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活泼性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
答案C
解析由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X,A错误;X为原电池的负极,Y为正极,则X为Zn,Y为石墨,B错误;若X、Y均为金属,则X的活泼性比Y强,C正确;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应,D错误。
4.利用反应Cu+2FeCl3==CuCl2+2FeCl2设计一个原电池,正极为 ,电极反应为 ;负极为 ,电极反应为 ;电解质溶液是 。?
答案Pt(或C) 2Fe3++2e-==2Fe2+ Cu Cu-2e-==Cu2+ FeCl3溶液
解析根据已知的氧化还原反应设计原电池。首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应):Cu-2e-==Cu2+,2Fe3++2e-==2Fe2+;然后结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极应该用Cu作为材料,正极要保证Fe3+得到负极失去的电子,一般用不能还原Fe3+的材料,如Pt或碳棒等,电解质溶液只能是含Fe3+的电解质溶液,如FeCl3溶液等。
5.有A、B、C、D、E五块金属片,进行如下实验:
(1)A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,A极为负极。
(2)C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,电流由D→导线→C。
(3)A、C相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,C极产生大量气泡。
(4)B、D相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,D极发生氧化反应。
(5)B、E相连后,同时浸入稀硫酸中,E极发生还原反应。
综上所述,这五种金属的活泼性从强到弱的顺序为 。?
答案A>C>D>B>E
解析根据原电池原理判断,A、B、C、D、E五块金属片的活泼性由强到弱的顺序是A>C>D>B>E。(共46张PPT)
第2课时 热化学方程式 反应焓变的计算
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.掌握热化学方程式的书写,从而形成变化观念与平衡思想的学科核心素养。
2.理解盖斯定律的内容,体验证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.熟悉常见化学反应热的计算方法,能运用盖斯定律进行有关反应焓变的简单计算,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
如何定量描述化学反应的能量变化?
提示利用焓变(ΔH)可定量描述化学反应的能量变化。
必备知识
一、热化学方程式
1.定义:把一个化学反应中物质的变化和反应的焓变同时表示出来的式子。
2.意义:热化学方程式不仅表明了物质的变化,还表示了能量的变化。
3.实例:298
K时,1
mol
H2(g)和0.5
mol
O2(g)反应生成1
mol
H2O(l)放热285.8
kJ,此反应的热化学方程式可表示为
H2(g)+
O2(g)
==H2O(l) ΔH(298
K)=-285.8
kJ·
mol-1。?
【微思考】热化学方程式中各物质化学式前的系数代表的意义是什么?
提示热化学方程式中各物质化学式前的系数仅表示物质的量,因此可以是整数或分数,而普通的化学方程式中各物质化学式前的系数只能是整数。
二、反应焓变的计算
1.盖斯定律
(1)定义:一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成,反应热都是一样的。
(2)盖斯定律的特点。
①化学反应的焓变只与反应的始态和终态有关,与反应的途径无关。
②反应焓变一定。如下图由A→B有两种途径:
则有ΔH1=ΔH2+ΔH3。
2.盖斯定律的应用
(1)科学意义:对于无法或较难通过实验测定的反应的焓变,可应用
盖斯定律计算求得。
(2)利用已知反应的焓变求未知反应的焓变。
若一个化学反应的热化学方程式可由另外几个化学反应的热化学方程式相加减而得到,则该化学反应的焓变可由另外几个化学反应的焓变相加减而得到。
三、能源
1.自然界中,能为人类提供能量的物质或物质运动统称为能源。包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能、核能、化石燃料等。
2.我国的能源结构不平衡、资源分布不均衡。目前,我国能源消费快速增长,消费结构以煤为主,以石油、天然气为辅,以水能、核能、风能、太阳能为补充。
3.为了实现能源的可持续发展,一方面必须“开源”,即开发核能、风能、太阳能等新能源;另一方面需要“节流”,加大节能减排的力度,提高能源利用效率。
四、摩尔燃烧焓
1.定义:在一定反应温度和压强条件下,1
mol纯物质完全氧化为同温下的指定产物时的焓变。?
2.意义:摩尔燃烧焓可用来衡量一种燃料燃烧释放热量的多少。
3.注意:指定物质中所含有的氮元素氧化为N2(g)、氢元素氧化为H2O(l)、碳元素氧化为CO2(g)。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)热化学方程式中物质的化学式前面的系数代表分子数或物质的量。
( )
(2)反应H2(g)+
O2(g)
==H2O(l)和2H2(g)+O2(g)
==2H2O(l)的ΔH相同。
( )
(3)相同条件下,等质量的S(s)和S(g)完全燃烧释放的热量不同。( )
(4)在
中,存在关系式:ΔH1=ΔH2+ΔH3。( )
(5)相同条件下,等物质的量的S(g)和S(s)分别完全燃烧,后者放出热量多。
( )
(6)反应焓变(ΔH)的大小与热化学方程式中物质的化学式前面的系数无关。( )
(7)利用盖斯定律可以计算通过实验难以测定的反应的反应热。( )
(8)化石燃料属于不可再生能源。( )
答案(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)×
(7)√ (8)√
课堂篇
素养提升
探究一
热化学方程式的书写
问题探究
热化学方程式与普通化学方程式的意义有什么不同?
提示普通化学方程式只表明化学反应中的物质变化;热化学方程式不仅表明了化学反应中的物质变化,而且表明了化学反应中的能量变化。
深化拓展
“四步”突破热化学方程式的书写
素能应用
典例1写出下列条件下反应的热化学方程式。
(1)1
mol
CH4完全燃烧生成液态水和CO2气体,放出890.3
kJ的热量,该反应的热化学方程式为 。?
(2)0.3
mol的气态乙硼烷(分子式B2H6)在氧气中燃烧,生成固态三氧化二硼和液态水,放出649.5
kJ的热量,该反应的热化学方程式为 。?
(3)下图是1
mol
NO2和1
mol
CO反应生成CO2和NO过程中能量变化的示意图,请写出NO2和CO反应的热化学方程式: 。?
答案(1)CH4(g)+2O2(g)
==CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3
kJ·
mol-1
(2)B2H6(g)+3O2(g)
==B2O3(s)+3H2O(l)
ΔH=-2
165
kJ·
mol-1
(3)NO2(g)+CO(g)
==CO2(g)+NO(g) ΔH=-234
kJ·
mol-1
解析(1)1
mol
CH4完全燃烧需要2
mol
O2,生成1
mol
CO2和2
mol液态H2O,故热化学方程式为CH4(g)+2O2(g)
==CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3
kJ·
mol-1。
(2)1
mol乙硼烷在氧气中燃烧生成固态三氧化二硼和液态水放出的热量为649.5
kJ×
=2
165
kJ,则其热化学方程式为B2H6(g)+3O2(g)
==B2O3(s)+3H2O(l)
ΔH=-2
165
kJ·
mol-1。
(3)由图可知其热化学方程式为NO2(g)+CO(g)
==CO2(g)+NO(g)
ΔH=E1-E2=134
kJ·
mol-1-368
kJ·
mol-1=-234
kJ·
mol-1。
易错警示
书写热化学方程式的注意事项
(1)不能忽视ΔH的正负。
(2)不能忽视ΔH的数值与物质化学式前面的系数有关,物质化学式前面的系数发生变化时,ΔH的数值要相应变化。
(3)物质的状态不同,ΔH的数值也不同。
变式训练1完全燃烧m
g液态乙醇得到CO2(g)和液态水时放出的热量为a
kJ,经测定m
g乙醇与Na反应时最多可生成0.5
g
H2,则液态乙醇完全燃烧生成CO2(g)和液态水的热化学方程式为( )
A.C2H5OH(l)+3O2(g)
==2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-a
kJ·
mol-1
ΔH=+a
kJ·
mol-1
D.C2H5OH(l)+3O2(g)
==2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-2a
kJ·
mol-1
答案D
解析根据相关的化学方程式进行计算:
2C2H5OH+2Na→2C2H5ONa+H2↑
2
mol
2
g
n(C2H5OH)
0.5
g
则有n(C2H5OH)=0.5
mol,即m
g乙醇的物质的量为0.5
mol,其完全燃烧放出的热量为a
kJ,D项正确。
探究二
盖斯定律的应用
问题探究
依据盖斯定律,分析下图中物质转化过程中各焓变之间有什么关系?
提示ΔH1=ΔH2+ΔH3
深化拓展
1.虚拟路径法:设计合理的反应途径,求某反应的ΔH
ΔH=ΔH1+ΔH2或ΔH=ΔH3+ΔH4+ΔH5。
2.加和法:由已知热化学方程式写目标热化学方程式
确定待求的化学反应方程式
↓
明确待求方程式中各物质在已知方程式中的位置
↓
写出对已知热化学方程式进行变形后的新方程式
↓
对变形后的新方程式、对应的ΔH进行加减运算
素能应用
典例2已知:2Zn(s)+O2(g)
==2ZnO(s) ΔH=-701.0
kJ·mol-1,2Hg(l)+O2(g)
==2HgO(s) ΔH=-181.6
kJ·mol-1。则反应Zn(s)+HgO(s)
==ZnO(s)+Hg(l)的ΔH为( )
A.+519.4
kJ·mol-1
B.+259.7
kJ·mol-1
C.-259.7
kJ·mol-1
D.-519.4
kJ·mol-1
答案C
解析由题给热化学方程式可得:①Zn(s)+
O2(g)
==ZnO(s) ΔH=-350.5
kJ·mol-1;②Hg(l)+
O2(g)
==HgO(s) ΔH=-90.8
kJ·mol-1。根据盖斯定律,由①-②可得:Zn(s)+HgO(s)
==ZnO(s)+Hg(l) ΔH=(-350.5
kJ·mol-1)-(-90.8
kJ·mol-1)=-259.7
kJ·mol-1。
变式训练2盖斯定律指出:化学反应的反应热只与反应的始态(各反应物)和终态(各反应产物)有关,而与具体反应进行的途径无关。物质A在一定条件下可发生一系列转化,由图判断下列关系错误的是( )
A.A→F,ΔH=-ΔH6
B.ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=1
C.C→F,|ΔH|=|ΔH1+ΔH2+ΔH6|
D.|ΔH1+ΔH2+ΔH3|=|ΔH4+ΔH5+ΔH6|
答案B
解析A→F过程与F→A过程相反,两个过程反应的焓变绝对值相等,符号相反,A项正确;B项中整个变化过程起始物和终态物均为A物质,能量变化为0,故ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=0,B项错误;F→C的ΔH=ΔH6+ΔH1+ΔH2,则C→F的ΔH=-(ΔH1+ΔH2+ΔH6),二者绝对值相等,C项正确;A→D的ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3,D→A的ΔH=ΔH4+ΔH5+ΔH6,二者绝对值相等,D项正确。
探究三
反应焓变的大小比较
问题探究
相同物质的量的氢气和氧气反应生成气态水和液态水,哪个过程放出的热量多?为什么?反应的焓变哪个大?
提示生成液态水放出的热量多;因为气态水变成液态水即气态水液化过程也要放出热量;生成气态水时的焓变大。
深化拓展
比较焓变大小的四种方法
(1)根据反应物或反应产物的状态(同温、同压)比较焓变。
①同一反应的反应物状态不同:
S(g)+O2(g)
==SO2(g) ΔH1,S(s)+O2(g)
==SO2(g) ΔH2,则ΔH1<ΔH2
②同一反应的反应产物状态不同:
2H2(g)+O2(g)
==2H2O(g) ΔH1,2H2(g)+O2(g)
==2H2O(l) ΔH2,则ΔH1>ΔH2
(2)根据反应物的物质的量比较焓变。
物质的量越多,对放热反应,放热越多,ΔH越小;对吸热反应,吸热越多,ΔH越大。
H2(g)+Cl2(g)
==2HCl(g) ΔH1,
H2(g)+
Cl2(g)
==HCl(g) ΔH2,则ΔH1<ΔH2
(3)根据ΔH的符号比较。
CaCO3(s)
==CaO(s)+CO2(g) ΔH1,CaO(s)+H2O(l)
==Ca(OH)2(s) ΔH2,ΔH1>0,ΔH2<0,所以ΔH1>ΔH2。
(4)可利用盖斯定律来判定,如由盖斯定律可得出ΔH1-ΔH2=ΔH3,若已知ΔH3>0,可求出ΔH1>ΔH2。
素能应用
典例3在同温同压下,下列各组热化学方程式中ΔH1>ΔH2的是( )
A.2H2(g)+O2(g)
==2H2O(l) ΔH1;2H2(g)+O2(g)
==2H2O(g) ΔH2
B.S(g)+O2(g)
==SO2(g) ΔH1;S(s)+O2(g)
==SO2(g) ΔH2
答案C
解析A项,物质的燃烧反应是放热反应,其焓变是负值,液态水变为气态水的过程是吸热的,故ΔH1<ΔH2,故A不符合题意;B项,物质的燃烧反应是放热的,所以焓变是负值,固体硫变为气态硫需要吸收热量,所以ΔH1<ΔH2,故B不符合题意;C项,碳单质完全燃烧生成二氧化碳放热多于不完全燃烧生成一氧化碳放热,反应的焓变是负值,故ΔH1>ΔH2,故C符合题意;D项,化学反应方程式中化学式前面的系数加倍,焓变数值加倍,放热反应焓变是负值,ΔH1=2ΔH2,故ΔH1<ΔH2,故D不符合题意。
变式训练3已知①H2(g)+
O2(g)
==H2O(g)
ΔH1=a
kJ·
mol-1
②2H2(g)+O2(g)
==2H2O(g)
ΔH2=b
kJ·
mol-1
③H2(g)+
O2(g)
==H2O(l)
ΔH3=c
kJ·
mol-1
④2H2(g)+O2(g)
==2H2O(l)
ΔH4=d
kJ·
mol-1
下列关系式正确的是( )
A.a
B.b>d>0
C.2a=b<0
D.2c=d>0
答案C
解析氢气燃烧是放热反应,ΔH<0;生成液态水比生成气态水时放出的热量多,ΔH更小,即cb>d;②中各物质的物质的量是①中的2倍,则ΔH2=2ΔH1,即b=2a。
素养脉络
随堂检测
1.下列叙述正确的是( )
A.反应产物的总能量一定低于反应物的总能量
B.放热反应的反应速率总是大于吸热反应的反应速率
C.根据盖斯定律,可计算某些难以直接测量的反应的焓变
D.同温同压下,反应H2(g)+Cl2(g)
==2HCl(g)在光照条件下和点燃条件下的ΔH不同
答案C
解析对于吸热反应,反应产物的总能量高于反应物的总能量,A项错误;反应速率与反应是吸热反应还是放热反应没有必然的联系,B项错误;盖斯定律可用于计算一些难以直接测量的反应的焓变,C项正确;反应焓变与反应条件无关,D项错误。
2.下列热化学方程式书写正确的是(已知焓变的绝对值均正确)( )
A.2SO2+O2
2SO3 ΔH=-196.6
kJ·
mol-1
B.4H2(g)+2O2(g)
==4H2O(l) ΔH=-1
143.2
kJ·
mol-1
C.C(s)+O2(g)
==CO2(g) ΔH=+393.5
kJ
D.C(s)+O2(g)
==CO2(g) ΔH=+393.5
kJ·
mol-1
答案B
解析A中未注明各物质的聚集状态,C、D中ΔH的符号错误,放热反应的ΔH<0,且C中ΔH的单位也错误。
3.已知反应:
A.2ΔH1+2ΔH2-2ΔH3
B.ΔH1+ΔH2-ΔH3
C.3ΔH1+2ΔH2+2ΔH3
D.3ΔH1+2ΔH2-2ΔH3
答案D
解析由题意把已知反应依次编号为①②③,根据盖斯定律可知,由方程式①×3+②×2-③×2可得2NH3(g)+
O2(g)
==2NO2(g)+3H2O(g) ΔH=3ΔH1+2ΔH2-2ΔH3。
4.写出298
K时下列反应的热化学方程式:
(1)1
mol
HgO(s)分解为液态汞和氧气,吸热90.7
kJ
。?
(2)16
g固体硫完全燃烧时放出148.4
kJ的热量 。?
(3)2.0
g
C2H2气体完全燃烧生成液态水和CO2,放出99.6
kJ的热量 。?
(4)合成甲醇的反应及其能量变化如图所示,则合成甲醇的热化学方程式为
。?
解析(2)16
g固体硫完全燃烧时放出148.4
kJ的热量,故其热化学方程式可写
(4)反应产物的能量比反应物的能量低,反应是放热反应,ΔH为负值。(共38张PPT)
第1课时 化学反应的反应热、焓变
第1章
2021
内容索引
01
02
课前篇
素养初探
课堂篇
素养提升
素养目标
1.了解化学反应中能量的常见转化形式,随之形成宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2.了解反应热、内能、焓、焓变的定义及其表示方法,了解焓变与反应热、物质能量之间的关系,体现证据推理与模型认知的学科核心素养。
课前篇
素养初探
知识铺垫
一、化学反应的实质与特征
1.实质:反应物中化学键断裂和反应产物中化学键形成。
2.特征:既有物质变化,又伴有能量变化;能量转化主要表现为热量的变化。化学反应从能量变化的角度分为两类:
(1)放热反应:放出热量的化学反应。
(2)吸热反应:吸收热量的化学反应。
二、常见的放热反应和吸热反应有哪些?
提示1.放热反应:大多数化合反应、所有的燃烧反应、酸碱中和反应、较活泼金属与酸的反应、活泼金属与H2O的反应、铝热反应等。
2.吸热反应:大多数分解反应、Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应、C和CO2、H2O(g)的反应,如C+CO2
2CO等。
必备知识
一、化学反应的反应热
1.反应热
(1)定义:当化学反应在一定的温度下进行时,反应所释放或吸收的热量。
(2)表示符号:用Q表示
(3)热化学:用实验方法和理论方法研究反应热的化学分支称为热化学。
【微思考1】使用反应热应该注意哪几方面问题?
提示(1)物理变化中的能量变化不是反应热,如物质的三态变化,物质的溶解等过程中产生的热量变化不属于反应热。
(2)反应放热或吸热与反应的条件无关。
2.反应热的测定
(1)测定反应热的仪器——量热计:
(2)测定方法:将反应物加入量热计内筒并搅拌使之迅速反应,测量反应前后溶液温度的变化值。
(3)计算公式:Q=-C(T2-T1)。其中C表示溶液及量热计的热容,单位是J·K-1;T1、T2表示反应前和反应后体系的温度,单位是K。
二、化学反应的内能变化与焓变
1.内能(符号:U)
(1)定义:体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。
(2)内能的大小除了与物质的种类、数量及聚集状态有关外,还与体系的
温度、压强有关。
2.焓
(1)定义:用来描述物质所具有的能量的物理量。与物质的种类、数量、聚集状态及温度和压强等有关,符号为H,单位为J或kJ。
(2)焓和内能关系:H=U+pV
3.焓变
(1)定义:反应产物的焓与反应物的焓之差。符号:ΔH。
(2)表达式及单位:ΔH=H(反应产物)-H(反应物),单位为kJ·mol-1或J·mol-1。
(3)化学反应的焓变示意图
4.焓变与反应热的关系
在等压条件下,反应中物质的能量变化全部转化为热能时,焓变与该化学反应的反应热相等,数学表达式为ΔH=Qp。
【微思考2】同一物质在不同聚集状态时的焓有什么关系?
提示同一物质在不同聚集状态时所具有的能量也不同,即焓不相同,一般来说物质的焓:气态>液态>固态。
正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)化学反应过程中一定伴随着能量的变化。( )
(2)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化,单位为kJ或J。( )
(3)化学反应中反应物总能量一定大于反应产物总能量。( )
(4)吸热反应的ΔH<0,放热反应的ΔH>0。( )
(5)反应A+B==C放热,则说明能量:A>B。( )
(6)Na转化为Na+时,吸收的能量就是该过程的反应热。( )
(7)水蒸气变为液态水时放出的能量就是该变化的反应热。( )
答案(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)×
课堂篇
素养提升
探究
反应热与物质能量及化学键的关系
问题探究
1.天然气的燃烧涉及哪些能量间的转化?
提示天然气的燃烧是化学能转化为热能和光能。
2.化学反应中的反应热与化学键的键能有什么关系?
提示化学反应的反应热=断裂化学键吸收的总能量-形成化学键放出的总能量。
深化拓展
1.内能与反应热的关系
(1)ΔU=U(反应产物)-U(反应物),当U(反应物)>U(反应产物),反应释放能量;U(反应物)化学反应体系与环境进行能量交换可以以热和功两种形式呈现,根据能量守恒定律:
ΔU=U(反应产物)-U(反应物)=Q+W
(2)内能与反应热的关系:若体系没有做功,ΔU=Q。当U(反应产物)>U(反应物)时,Q>0,反应吸收能量;当U(反应产物)2.焓变与化学键的关系
3.焾变与物质能量变化的关系
反应
类型
放热反应
吸热反应
能量
关系
反应物具有的总能量大于反应产物具有的总能量
反应物具有的总能量小于反应产物具有的总能量
表示
方法
ΔH<0
ΔH>0
图示
实例
H2(g)+Cl2(g)
==2HCl(g)
ΔH=-183
kJ·mol-1
C(s)+H2O(g)
==CO(g)+H2(g) ΔH=+131.3
kJ·mol-1
【微点拨】(1)化学反应的能量变化主要表现为热量的变化,但这并不是唯一的表现形式,其他的还有发光、放电等。
(2)化学反应表现为吸热或放热,与反应的条件没有必然关系,而是取决于反应物和反应产物具有的总能量(或焓)的相对大小。
素能应用
典例(2021广东汕头高二期末)化学反应A2(g)+B2(g)
==2AB(g)的能量变化如图所示。下列有关叙述正确的是( )
A.每生成2
mol
AB(g)吸收b
kJ热量
B.反应热ΔH=(a-b)
kJ·mol-1
C.该反应中反应物的总能量高于反应产物的
总能量
D.断裂1
mol
A—A键和1
mol
B—B键时放出a
kJ能量
答案B
解析根据图像可知,反应物的总能量低于反应产物的总能量,该反应是吸热反应,每生成2
mol
AB(g)吸收(a-b)
kJ热量,A、C项错误;根据反应热等于反应产物总能量与反应物总能量的差值可知,该反应的反应热ΔH=(a-b)
kJ·mol-1,B项正确;化学键断裂时吸收能量,D项错误。
规律方法
ΔH的计算方法
(1)ΔH=反应物断键吸收的总能量-反应产物成键释放的总能量。
(2)ΔH=反应产物所具有的焓-反应物所具有的焓。
变式训练1已知某反应的焓变如图所示,下列说法正确的是( )
A.该反应为放热反应
B.该反应为吸热反应
C.反应产物的焓小于反应物的焓
D.反应物的总能量大于反应产物的总能量
答案B
解析ΔH=H(反应产物)-H(反应物),ΔH>0时为吸热反应。由图像可知,反应产物的焓大于反应物的焓,反应物的总能量小于反应产物的总能量。
变式训练2已知氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中,破坏1
mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1
kJ,破坏1
mol氯气中的化学键消耗的能量为Q2
kJ,形成1
mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3
kJ,下列关系式中正确的是( )
A.Q1+Q2>Q3
B.Q1+Q2>2Q3
C.Q1+Q2D.Q1+Q2<2Q3
答案D
解析由于氢气在氯气中燃烧是放热反应,反应热Q<0,Q=Q1+Q2-2Q3,则Q1+Q2-2Q3<0,即Q1+Q2<2Q3,D项正确。
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1.下列说法正确的是( )
A.焓变是指1
mol物质参加反应时的能量变化
B.当反应放热时ΔH>0,反应吸热时ΔH<0
C.需要加热才能发生的反应均为吸热反应
D.一个化学反应中,当反应物总能量大于反应产物总能量时,反应放热,ΔH为“-”
答案D
解析反应产物的焓和反应物的焓之差即为反应的焓变,A错误;在化学反应中,反应物具有的总能量大于反应产物具有的总能量,反应放热,ΔH<0,反之吸热,ΔH>0,B错误,D正确;需要加热才能发生的反应也可能是放热反应,如燃烧反应,故反应是吸热还是放热与反应条件无必然的联系,C错误。
2.下列关于反应ΔU的说法中,正确的是( )
A.ΔU>0时反应为放热反应
B.ΔU<0时反应为放热反应
C.ΔU=Q
D.ΔU=ΔH
答案B
解析ΔU=U(反应产物)-U(反应物),ΔU>0,反应吸收能量,ΔU<0,反应释放能量,若体系没有做功,ΔU=Q。B正确。
3.下列变化为放热的化学反应的是( )
A.H2O(g)
==H2O(l)
B.2HI(g)
==H2(g)+I2(g)
C.形成化学键时共放出能量862
kJ的化学反应
D.能量变化如图所示的化学反应
答案D
解析A项不属于化学反应;B项为吸热反应;C项中化学反应是放热反应还是吸热反应取决于断开反应物中的化学键吸收的能量与形成反应产物中的化学键放出能量的相对大小,该项说法无法确定该反应是放热反应还是吸热反应。
4.如图为N2(g)与O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化,下列说法中正确的是( )
A.1
mol
N2(g)与1
mol
O2(g)反应放出的能量为180
kJ
B.1
mol
N2(g)和1
mol
O2(g)具有的总能量小于2
mol
NO(g)具有的总能量
C.常温下,N2(g)和O2(g)混合能直接生成NO
D.NO是一种酸性氧化物,能与NaOH溶液反应生成盐和水
答案B
解析反应热就是断裂旧化学键吸收的总能量和形成新化学键所放出的总能量的差值,所以该反应的反应热是946
kJ·mol-1+498
kJ·mol-1-2×632
kJ·mol-1=180
kJ·mol-1,故该反应是吸热反应,A项错误,B项正确;氮气和氧气反应需要放电,C项错误;NO不是酸性氧化物,NO和氢氧化钠溶液不反应,D项错误。
5.某学习小组设计了如图所示的实验装置,探究化学反应中的热效应。把试管放入盛有25
℃澄清饱和石灰水的烧杯中,试管中开始时放入一小块镁片,再用滴管向其中滴加5
mL稀盐酸。试回答下列问题:
(1)实验中观察到的现象是 。?
(2)产生(1)中现象的原因是 。?
(3)写出试管中发生反应的离子方程式: 。?
答案(1)试管中镁片逐渐溶解,并有气泡产生,烧杯中石灰水变浑浊
(2)镁与稀盐酸反应产生H2,该反应是放热反应,该反应放出的热量使饱和石灰水的温度升高,Ca(OH)2的
溶解度随着温度的升高而减小,因此有Ca(OH)2固体析出
(3)Mg+2H+==Mg2++H2↑
解析镁与稀盐酸反应产生H2,该反应是放热反应,该反应产生的热量使饱和石灰水的温度升高,Ca(OH)2的溶解度随着温度的升高而减小,因此有Ca(OH)2固体析出。
6.已知1
mol
H2(g)与
mol
O2(g)反应生成1
mol
H2O(g)的反应过程中能量变化如图,回答下列问题:
(1)该反应是放热反应还是吸热反应?
。?
(2)反应H2(g)+
O2(g)
==H2O(g)的焓变ΔH=
kJ·mol-1(用图中符号表示)。?
答案(1)放热反应
(2)E1-E2
解析由题图可知该反应中反应物的总能量大于反应产物的总能量,故该反应为放热反应,ΔH=(E1-E2)
kJ·mol-1。