第三节 化学反应的利用
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第三节 化学反应的利用
本节重点：
如何利用化学反应制造新物质和怎样将化学能转化为电能。
思考、到目前为止，你已经学习过哪些化学反应？你对化学反应的实质、规律有了哪些了解？
一、化学反应的利用
我们学习了具有代表性的金属和非金属元素单质及其化合物的化学性质，了解了这些物质之间的化学反应。知道了化学反应的实质就是旧化学键的断裂、新化学键的生成,既有物质的变化也有能量的变化。
化学反应与人们的日常生活和化工生产有着密切的联系。请你举例说明，在日常生活和化工生产中，化学反应有哪些应用？
化学反应中物质的变化被应用在新物质的合成、新材料的研制上，能量的变化被应用在新能源的开发和利用等方面。
利用化学反应制备新物质
20世纪40～50年代，人们用高纯度的人工制备的化合物代替黏土制得了“先进陶瓷”，使其具有不同于普通砖瓦的优异性能；70年代后，一些不同材质和不同结构的陶瓷复合材料相继出现，材料结构进一步完善，性能进一步提高，适用范围扩展到航空领域、军事领域等。
为了更好的满足人们生活的需要，丰富人们赖以生存和发展的物质世界，目前人工合成的物质已超过3500万种，且其数量仍在以每年合成几百万种新物质的速度继续增长着。
一种新物质是怎样利用化学反应制备出来的呢？
应该根据物质的性质，选择科学合理的实验原理，合适的仪器和药品；根据实验的特点，设计安全可靠的实验装置。如果是工业生产，还需考虑原料的用量、价格以及设备的承受能力等；实验室中制备物质还要考虑切实可行和简单易行。
消毒剂和漂白剂的有效成分中大多含有氯元素，如次氯酸盐和二氧化氯等，它们都可以由氯气和其它物质反应制得，那么，氯气又是如何制备的呢？本节课我们就以氯气的制备为例来学习怎样利用化学反应制备新物质。
1、探究实验室制取氯气
回忆氯气的物理性质和化学性质
分析以下四个制取氯气的反应原理:
从氧化-还原反应知识的角度分析，有什么共同之处？
你认为哪个反应原理适合工业生产，哪些反应原理可以用在实验室中？
①
②
③
④
电解食盐水装置。工业上利用反应④通过电解食盐水制备氢氧化钠、氯气和氢气。反应①是历史上曾经使用过的地康法制氯气。
反应②和③从原料、反应条件分析都可以用于实验室中制取氯气。
反应②是瑞典化学家舍勒在研究软锰矿石时，把盐酸和软锰矿矿石混合在一起加热，意外地发现有一种令人窒息的黄绿色气体生成，产生的就是氯气。至今，实验室中仍用这种方法制取氯气。反应③也是实验室中常用的制取氯气的方法之一。
反应原理：MnO2+4HCl＝MnCl2+Cl2↑+2H2O
确定了反应原理和药品，还需要选择合适的仪器装置。
回忆实验室制取氢气、二氧化碳、氨气时所用的发生装置和收集方法，比较得出在气体发生装置和收集方法的选取上遵循的一般原则。
可根据原料的状态、反应条件选择气体发生装置，根据气体的性质确定收集方法。
物质 发生装置 收集装置
氢气 固—液 不加热型 向下排空气法、排水法
二氧化碳 固—液 不加热型 向上排空气法
氨气 固—固 加热型 向下排空气法
根据以上信息，选择哪些实验仪器组装成制取氯气的发生和收集装置较为合适？
可以采用固—液混合加热制气装置，向上排空气法。仪器有：铁架台、酒精灯、烧瓶、分液漏斗、导气管、集气瓶等。
氯气有毒、有刺激性气味，对环境有污染。那么，多余的氯气应该如何处理？
可将多余的氯气通入盛有碱液的烧杯。
（如下图所示，在烧瓶里加入少量的二氧化锰粉末，通过分液漏斗向烧瓶中加入适量密度为1.19g/cm3的浓盐酸，缓缓加热，使反应加速进行。观察实验现象。用向上排空气法收集氯气，多余的氯气用氢氧化钠溶液吸收）
填写探究报告。
试剂 浓盐酸、二氧化锰固体
装置 发生装置：固—液混合加热制气装置收集装置：向上排空气法收集
实验现象 有黄绿色的气体产生
小结：回味“探究氯气的制取”过程，结合教材48页活动探究栏目的问题3，体会物质制备的一般思路：根据物质的性质选择适当的反应原理及发生装置，设计实验过程应符合科学性、安全性、可行性、简约性等。
2、制备物质的一般思路
3、化学前沿——分子设计与新物质的合成
“化学前沿”给大家展示了尖端科技的发展动态，说明人们已经从最初的“不经意”发现物质进入到主观设计分子结构，合成自然界中存在或不存在的物质。分子设计的思想是化学理论的进展对于整个化学学科的影响的集中表现，在选修模块“物质结构与性质”中会继续探讨。
总结；研究物质的性质、制备物质都是为了更好的利用，本节我们以氯气制备为例探究了新物质的合成，认识了化学反应在新物质制备方面的应用价值。
人类对化学反应的利于还突出的表现在能量的利用上，下节课我们将要探究化学能与电能之间的相互转化。
即热饭盒的原理：1molMg(24.30g)和水混合产生的热量足可以把1L水从室温加热到100℃。焊接钢轨是铝与铁的氧化物反应时释放出大量的热，使生成的铁熔化成铁水。
即热饭盒能加热食物，铝热剂能焊接钢轨，都是化学反应过程中产生的能量以热能的形式释放出来，被人们所利用。
二、化学反应为人类提供能源
1、化学能与热能的转化
①在你的周围有哪些化学能转化成热能的实例？
②为提高能量转化效率和热能利用率提供建设性的意见。
③预测将化学能转化为热能的应用前景。
化学能不仅可以转变成热能，人们还可以通过氧化还原反应将化学能转化成电能。电池就是利用化学反应产生电能的装置。
我们可以通过原电池的工作原理来认识化学能是如何转化成电能的。
将铜片、锌片插入稀硫酸中，然后用导线将铜片、锌片连接起来，并接入一支电流表，观察发生的现象。
观察到了什么现象？？你能从中得出什么结论？
锌片溶解，铜片表面有气泡产生；电流表指针偏转。
铜片质量未变化，锌和稀硫酸发生了反应。
请尝试用氧化还原知识分析锌片、铜片上发生反应的情况。
原电池的工作原理。实验中，当把铜片和锌片同时浸入稀硫酸时，由于金属锌比金属铜活泼，锌原子容易失去电子被氧化成Zn2+进入溶液中，锌片上的电子通过导线流向铜片，溶液中的H+从铜片获得电子而被还原成氢原子，氢原子再结合成氢分子从铜片上逸出。可见，原电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置。
在原电池中电子流出的一极是负极（如锌片），电极被氧化，发生氧化反应；电子流入的一极是正极（如铜片），H+在正极上被还原。在铜锌原电池中，负极自身被氧化，而正极作为载体，溶液中的离子在正极上发生还原反应。
2、化学能与电能间的转化
⑴原电池的反应原理：较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属（负极）通过外电路流向较不活泼的金属。
结论:锌片：Zn-2e- = Zn2+ (氧化反应)
铜片：2H+ +2e- = H2↑(还原反应)
指出所收集的废旧电池的正负极。分析为什么干电池用久了外壳会变软？
小结：原电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置，但是在原电池中，铜片并没有参加反应，那么，铜片的作用是什么呢？
电子在电压的作用下，才能发生定向移动形成电流。当锌片和铜片同时浸入电解质溶液时，由于两种金属的原子失电子的能力不同，会在两者之间形成电势差，当用导线将锌片和铜片连接起来时会产生电流。不仅铜，任何与锌活泼性不同的金属，在电解质溶液中都能形成原电池，还可以用导电的碳棒（石墨）来替代铜片，作为原电池的正极。
原电池装置中气体未从锌片上直接放出，也说明了，原电池的反应比一般的化学反应速率快。
这种原电池不能提供持续、稳定的电流，实际应用的电池的物质组成和内部结构比它要复杂得多。
观察所收集的电池的外观，初步分析电池的类型、用途，交流结果。
⑵电池的分类。
干电池（一次电池）：日常使用的锌锰电池
蓄电池（二次滇池）：汽车用的铅蓄电池、手机用的镍氢电池、锂电池
燃料电池：用于航天、军事领域。教材图2-3-10、图2-3-11。
化学能与光能之间的相互转化。
3、化学能与光能之间的相互转化。
在现代科学技术领域，化学能与光能的相互转化是非常重要的研究课题，这方面的研究对于光化学电池、太阳能分解水制氢等高新技术的发展具有十分重要的意义。
化学能以多种途径进行着转化，并直接参与到整个自然界的能量循环之中。人类生命活动所需要的能量，也是由营养物质在体内代谢过程中所发生的各种化学反应释放出来的。在能源问题备受瞩目的今天，化学科学将在能源的开发和利用方面发挥非常重要的作用。
合理利用化学能源、太阳能利用的前景、安全利用能源。图2-3-13、图2-3-14。
人们不仅利用化学反应制造丰富多彩的物质、提供赖以生存的能量，还利用化学反应开发了各种分析技术来确定各种物质的组成、结构以及测定物质有关组分的含量等。例如，在农业生产和研究中，人们需要了解土壤中营养元素的种类及含量，以做到合理施肥，达到提高农业生产水平的目的；在病理诊断化验、药品质量鉴定、环境监测等领域，也都需要利用化学反应对样品进行分析。
总结:这两节课我们通过探究“氯气的制取”，学会了制取新物质的一般思路；通过探究“原电池的原理”，认识了化学能与电能间的相互转化。化学科学与人类文明和社会发展有着十分密切的关系。人们的吃、穿、用、行无不紧紧地依赖着化学科学。人们就是利用各种各样的物质以及它们所发生的化学反应来解决所面临的诸多问题的。
其实，人们在利用化学反应的同时，也加深了对化学反应规律及其实质的认识。
1、面临纷繁复杂的化学反应，为了研究和应用的方便，人们从不同的角度进行了分类。
2、反应有许多重要的应用。
⑴在实验室里和工业上各是利用什么化学反应来制备氯气的？你还能举出实验室里和工业上利用化学反应制备物质的实例吗？
可以利用氧化还原反应的原理，设计能够产生0价的氯单质的化学反应。
⑵怎样证明化学能与热能、电能或光能之间能发生相互转化？
利用化学反应中温度的变化，电流计和光敏计的测定等方法。
⑶根据你对化学反应的规律、实质及应用的认识，进一步丰富以上有关化学反应的图示。
△
MnO2+4HCl(浓) ＝ MnCl2+Cl2↑+2H2O
4HCl+O2＝ ２H2O+2Cl2↑②
△
CuCl2
通电
2NaCl +2H2O ＝ 2NaOH+H2↑+Cl2↑
2KMnO4+16HCl(浓) ＝2MnCl2+2KCl+8Cl2↑+5H2O
化学反应的利用
确定物质的组成、结构，测定物质有关组分的含量
为人类提供能源
制造新物质
如何利用化学反应制造新物质
如何将化学能转化为电能
原电池的工作原理
物
质
变
化
能量
变化
案例：氯气的制取
化学反应
有些反应为氧化还原反应
有些反应
为可逆反应
化合、分解、置换和复分解四种基本反应
吸热和放热反应
本节重点：
如何利用化学反应制造新物质和怎样将化学能转化为电能。
思考、到目前为止，你已经学习过哪些化学反应？你对化学反应的实质、规律有了哪些了解？
一、化学反应的利用
我们学习了具有代表性的金属和非金属元素单质及其化合物的化学性质，了解了这些物质之间的化学反应。知道了化学反应的实质就是旧化学键的断裂、新化学键的生成,既有物质的变化也有能量的变化。
化学反应与人们的日常生活和化工生产有着密切的联系。请你举例说明，在日常生活和化工生产中，化学反应有哪些应用？
化学反应中物质的变化被应用在新物质的合成、新材料的研制上，能量的变化被应用在新能源的开发和利用等方面。
利用化学反应制备新物质
20世纪40～50年代，人们用高纯度的人工制备的化合物代替黏土制得了“先进陶瓷”，使其具有不同于普通砖瓦的优异性能；70年代后，一些不同材质和不同结构的陶瓷复合材料相继出现，材料结构进一步完善，性能进一步提高，适用范围扩展到航空领域、军事领域等。
为了更好的满足人们生活的需要，丰富人们赖以生存和发展的物质世界，目前人工合成的物质已超过3500万种，且其数量仍在以每年合成几百万种新物质的速度继续增长着。
一种新物质是怎样利用化学反应制备出来的呢？
应该根据物质的性质，选择科学合理的实验原理，合适的仪器和药品；根据实验的特点，设计安全可靠的实验装置。如果是工业生产，还需考虑原料的用量、价格以及设备的承受能力等；实验室中制备物质还要考虑切实可行和简单易行。
消毒剂和漂白剂的有效成分中大多含有氯元素，如次氯酸盐和二氧化氯等，它们都可以由氯气和其它物质反应制得，那么，氯气又是如何制备的呢？本节课我们就以氯气的制备为例来学习怎样利用化学反应制备新物质。
1、探究实验室制取氯气
回忆氯气的物理性质和化学性质
分析以下四个制取氯气的反应原理:
从氧化-还原反应知识的角度分析，有什么共同之处？
你认为哪个反应原理适合工业生产，哪些反应原理可以用在实验室中？
①
②
③
④
电解食盐水装置。工业上利用反应④通过电解食盐水制备氢氧化钠、氯气和氢气。反应①是历史上曾经使用过的地康法制氯气。
反应②和③从原料、反应条件分析都可以用于实验室中制取氯气。
反应②是瑞典化学家舍勒在研究软锰矿石时，把盐酸和软锰矿矿石混合在一起加热，意外地发现有一种令人窒息的黄绿色气体生成，产生的就是氯气。至今，实验室中仍用这种方法制取氯气。反应③也是实验室中常用的制取氯气的方法之一。
反应原理：MnO2+4HCl＝MnCl2+Cl2↑+2H2O
确定了反应原理和药品，还需要选择合适的仪器装置。
回忆实验室制取氢气、二氧化碳、氨气时所用的发生装置和收集方法，比较得出在气体发生装置和收集方法的选取上遵循的一般原则。
可根据原料的状态、反应条件选择气体发生装置，根据气体的性质确定收集方法。
物质 发生装置 收集装置
氢气 固—液 不加热型 向下排空气法、排水法
二氧化碳 固—液 不加热型 向上排空气法
氨气 固—固 加热型 向下排空气法
根据以上信息，选择哪些实验仪器组装成制取氯气的发生和收集装置较为合适？
可以采用固—液混合加热制气装置，向上排空气法。仪器有：铁架台、酒精灯、烧瓶、分液漏斗、导气管、集气瓶等。
氯气有毒、有刺激性气味，对环境有污染。那么，多余的氯气应该如何处理？
可将多余的氯气通入盛有碱液的烧杯。
（如下图所示，在烧瓶里加入少量的二氧化锰粉末，通过分液漏斗向烧瓶中加入适量密度为1.19g/cm3的浓盐酸，缓缓加热，使反应加速进行。观察实验现象。用向上排空气法收集氯气，多余的氯气用氢氧化钠溶液吸收）
填写探究报告。
试剂 浓盐酸、二氧化锰固体
装置 发生装置：固—液混合加热制气装置收集装置：向上排空气法收集
实验现象 有黄绿色的气体产生
小结：回味“探究氯气的制取”过程，结合教材48页活动探究栏目的问题3，体会物质制备的一般思路：根据物质的性质选择适当的反应原理及发生装置，设计实验过程应符合科学性、安全性、可行性、简约性等。
2、制备物质的一般思路
3、化学前沿——分子设计与新物质的合成
“化学前沿”给大家展示了尖端科技的发展动态，说明人们已经从最初的“不经意”发现物质进入到主观设计分子结构，合成自然界中存在或不存在的物质。分子设计的思想是化学理论的进展对于整个化学学科的影响的集中表现，在选修模块“物质结构与性质”中会继续探讨。
总结；研究物质的性质、制备物质都是为了更好的利用，本节我们以氯气制备为例探究了新物质的合成，认识了化学反应在新物质制备方面的应用价值。
人类对化学反应的利于还突出的表现在能量的利用上，下节课我们将要探究化学能与电能之间的相互转化。
即热饭盒的原理：1molMg(24.30g)和水混合产生的热量足可以把1L水从室温加热到100℃。焊接钢轨是铝与铁的氧化物反应时释放出大量的热，使生成的铁熔化成铁水。
即热饭盒能加热食物，铝热剂能焊接钢轨，都是化学反应过程中产生的能量以热能的形式释放出来，被人们所利用。
二、化学反应为人类提供能源
1、化学能与热能的转化
①在你的周围有哪些化学能转化成热能的实例？
②为提高能量转化效率和热能利用率提供建设性的意见。
③预测将化学能转化为热能的应用前景。
化学能不仅可以转变成热能，人们还可以通过氧化还原反应将化学能转化成电能。电池就是利用化学反应产生电能的装置。
我们可以通过原电池的工作原理来认识化学能是如何转化成电能的。
将铜片、锌片插入稀硫酸中，然后用导线将铜片、锌片连接起来，并接入一支电流表，观察发生的现象。
观察到了什么现象？？你能从中得出什么结论？
锌片溶解，铜片表面有气泡产生；电流表指针偏转。
铜片质量未变化，锌和稀硫酸发生了反应。
请尝试用氧化还原知识分析锌片、铜片上发生反应的情况。
原电池的工作原理。实验中，当把铜片和锌片同时浸入稀硫酸时，由于金属锌比金属铜活泼，锌原子容易失去电子被氧化成Zn2+进入溶液中，锌片上的电子通过导线流向铜片，溶液中的H+从铜片获得电子而被还原成氢原子，氢原子再结合成氢分子从铜片上逸出。可见，原电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置。
在原电池中电子流出的一极是负极（如锌片），电极被氧化，发生氧化反应；电子流入的一极是正极（如铜片），H+在正极上被还原。在铜锌原电池中，负极自身被氧化，而正极作为载体，溶液中的离子在正极上发生还原反应。
2、化学能与电能间的转化
⑴原电池的反应原理：较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属（负极）通过外电路流向较不活泼的金属。
结论:锌片：Zn-2e- = Zn2+ (氧化反应)
铜片：2H+ +2e- = H2↑(还原反应)
指出所收集的废旧电池的正负极。分析为什么干电池用久了外壳会变软？
小结：原电池是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置，但是在原电池中，铜片并没有参加反应，那么，铜片的作用是什么呢？
电子在电压的作用下，才能发生定向移动形成电流。当锌片和铜片同时浸入电解质溶液时，由于两种金属的原子失电子的能力不同，会在两者之间形成电势差，当用导线将锌片和铜片连接起来时会产生电流。不仅铜，任何与锌活泼性不同的金属，在电解质溶液中都能形成原电池，还可以用导电的碳棒（石墨）来替代铜片，作为原电池的正极。
原电池装置中气体未从锌片上直接放出，也说明了，原电池的反应比一般的化学反应速率快。
这种原电池不能提供持续、稳定的电流，实际应用的电池的物质组成和内部结构比它要复杂得多。
观察所收集的电池的外观，初步分析电池的类型、用途，交流结果。
⑵电池的分类。
干电池（一次电池）：日常使用的锌锰电池
蓄电池（二次滇池）：汽车用的铅蓄电池、手机用的镍氢电池、锂电池
燃料电池：用于航天、军事领域。教材图2-3-10、图2-3-11。
化学能与光能之间的相互转化。
3、化学能与光能之间的相互转化。
在现代科学技术领域，化学能与光能的相互转化是非常重要的研究课题，这方面的研究对于光化学电池、太阳能分解水制氢等高新技术的发展具有十分重要的意义。
化学能以多种途径进行着转化，并直接参与到整个自然界的能量循环之中。人类生命活动所需要的能量，也是由营养物质在体内代谢过程中所发生的各种化学反应释放出来的。在能源问题备受瞩目的今天，化学科学将在能源的开发和利用方面发挥非常重要的作用。
合理利用化学能源、太阳能利用的前景、安全利用能源。图2-3-13、图2-3-14。
人们不仅利用化学反应制造丰富多彩的物质、提供赖以生存的能量，还利用化学反应开发了各种分析技术来确定各种物质的组成、结构以及测定物质有关组分的含量等。例如，在农业生产和研究中，人们需要了解土壤中营养元素的种类及含量，以做到合理施肥，达到提高农业生产水平的目的；在病理诊断化验、药品质量鉴定、环境监测等领域，也都需要利用化学反应对样品进行分析。
总结:这两节课我们通过探究“氯气的制取”，学会了制取新物质的一般思路；通过探究“原电池的原理”，认识了化学能与电能间的相互转化。化学科学与人类文明和社会发展有着十分密切的关系。人们的吃、穿、用、行无不紧紧地依赖着化学科学。人们就是利用各种各样的物质以及它们所发生的化学反应来解决所面临的诸多问题的。
其实，人们在利用化学反应的同时，也加深了对化学反应规律及其实质的认识。
1、面临纷繁复杂的化学反应，为了研究和应用的方便，人们从不同的角度进行了分类。
2、反应有许多重要的应用。
⑴在实验室里和工业上各是利用什么化学反应来制备氯气的？你还能举出实验室里和工业上利用化学反应制备物质的实例吗？
可以利用氧化还原反应的原理，设计能够产生0价的氯单质的化学反应。
⑵怎样证明化学能与热能、电能或光能之间能发生相互转化？
利用化学反应中温度的变化，电流计和光敏计的测定等方法。
⑶根据你对化学反应的规律、实质及应用的认识，进一步丰富以上有关化学反应的图示。
△
MnO2+4HCl(浓) ＝ MnCl2+Cl2↑+2H2O
4HCl+O2＝ ２H2O+2Cl2↑②
△
CuCl2
通电
2NaCl +2H2O ＝ 2NaOH+H2↑+Cl2↑
2KMnO4+16HCl(浓) ＝2MnCl2+2KCl+8Cl2↑+5H2O
化学反应的利用
确定物质的组成、结构，测定物质有关组分的含量
为人类提供能源
制造新物质
如何利用化学反应制造新物质
如何将化学能转化为电能
原电池的工作原理
物
质
变
化
能量
变化
案例：氯气的制取
化学反应
有些反应为氧化还原反应
有些反应
为可逆反应
化合、分解、置换和复分解四种基本反应
吸热和放热反应