专题6　化学反应与能量变化 专题知识体系构建与核心素养提升 学案（含答案）

专题6 化学反应与能量 知识体系构建与核心素养提升
1．变化观念与平衡思想
通过本专题的学习，让学生知道化学反应过程中不但有物质变化，而且伴随着能量变化，能量变化也可以是多样的，化学反应速率受温度、反应物浓度、催化剂等外界条件的影响，增强化学反应是动态变化的观念。通过原电池原理和可逆反应的学习，让学生建立起平衡的思维模型，知道原电池中正负极得失电子守恒，对一定条件下的可逆反应，当v正＝v逆时，反应达到平衡，反应体系中各组分浓度保持不变，增强平衡思想的培养。
例1　在1×105Pa和298 K时，将1 mol气态AB分子分离成气态A原子和B原子所需要的能量称为键能(kJ·mol－1)。下面是一些共价键的键能(已知N2分子中有一个N≡N键，氨分子中有三个相同的N—H键)：
共价键 H—H N≡N N—H
键能/(kJ·mol－1) 436 945 391
(1)根据上表中的数据判断工业合成氨的反应N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)是______(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)在298 K时，取1 mol氮气和3 mol氢气放入一密闭容器中，在催化剂存在下进行反应。理论上(假设完全反应生成2 mol NH3)放出或吸收的热量为Q1，则Q1的数值为________ kJ。
(3)实际生产中，放出或吸收的热量为Q2，Q1与Q2比较，正确的是__________(填字母)。
A．Q1>Q2
B．Q1C．Q1＝Q2
你作出此选择的原因是_______________________________________________________
___________________________________________________________________________。
例2　利用NO2平衡混合气体遇热颜色加深、遇冷颜色变浅来指示放热过程和吸热过程。
①按图所示连接实验装置。
②向甲烧杯中加入一定量的CaO固体，此时烧杯中NO2平衡混合气体的颜色变深；向乙烧杯中加入NH4NO3晶体，此时烧杯中NO2平衡混合气体的颜色变浅。
回答下列问题：
(1)CaO与水反应的化学方程式为_______________________________________________，
该反应为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)NH4NO3晶体溶于水时，乙烧杯内温度________(填“升高”或“降低”)。NH4NO3溶于水________(填“是”或“不是”)吸热反应。
(3)查阅资料知，NO2平衡混合气体中存在可逆反应2NO2(g)??N2O4(g)，已知NO2为红棕色，N2O4为无色。结合实验知，当温度升高时，平衡________(填“未被破坏”或“发生移动”)，此时反应速率________(填“增大”“减小”或“不变化”)。混合气体的颜色不变________(填“能”或“不能”)证明反应已达到平衡状态。
2．科学态度与社会责任
通过本专题的学习，让学生理解化学反应都伴随着能量变化，可以将化学能转化为热能、电能等。因此可以合理利用传统能源，大力开发新能源，实现“绿色环保”理念，形成简约适度，绿色低碳的发展模式。通过对化学反应速率及限度的学习，让学生理解在工业生产中，可以通过选择适当条件，加快反应速率，提高产品产率，如控制变量，实现工业生产的最佳产能，降低能耗，减少污染，从而促进社会的可持续发展。
例3　汽车排放的尾气为大气污染源之一，目前，可利用以下化学原理处理尾气：2NO＋2CO2CO2＋N2。
(1)写出CO2的结构式：______________________________________________________。
(2)一定条件下，在容积固定的容器中进行上述反应，CO浓度与时间关系如图所示：
则反应速率v(a)、v(b)、v(c)的大小关系是______________________________________。
(3)为研究如何提高该转化过程的反应速率，某课题组进行了以下实验探究。
[资料查阅]
A．不同的催化剂对同一反应的催化效率不同；
B．使用等质量的同种催化剂时，催化剂的比表面积对催化效率有影响。
[实验设计]课题组为探究某些外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响规律，设计了以下对比实验：
实验编号 实验目的 T/℃ NO初始浓度/(mol·L－1) CO初始浓度/(mol·L－1) 同种催化剂的比表面积/(m2·g－1) c(CO)不变时所用的时间/min
Ⅰ 参照实验 280 6.50×10－3 4.00×10－3 80 t
Ⅱ 280 6.50×10－3 4.00×10－3 120 0.5t
Ⅲ 360 6.50×10－3 4.00×10－3 80 0.2t
[结论]
①实验编号Ⅱ的实验目的为_________________________________________________。
②课题中探究外界条件对汽车尾气转化反应速率的影响的另一因素是__________，且__________反应速率将__________(填“增大”“减小”或“无影响”)。
例4　(2021·福建泉州五中高一期中)电池是人类生产和生活中重要的能量来源，电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。
(1)依据NaOH与HCl的反应原理设计原电池，你认为是否可行？__________(填“是”或“否”)，理由是______________________________________________________________。
(2)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂，KOH作电解质。负极反应式为______________________________________________________，
正极反应式为________________________________________________________________。
(3)Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。请回答下列问题：
①电池的负极材料为____________________。
②电池正极发生的电极反应为__________________________________________________。
专题知识体系构建与核心素养提升
核心素养提升
例1　(1)放热　(2)93
(3)A　该反应为可逆反应，在密闭容器中反应达到平衡时，1 mol N2和3 mol H2不能完全反应生成2 mol NH3，因而放出的热量小于93 kJ
例2　(1)CaO＋H2O===Ca(OH)2　放热　(2)降低　不是　(3)发生移动　增大　能
解析　(1)根据题给信息可知，甲烧杯中NO2平衡混合气体颜色加深，说明CaO溶于水时发生的反应CaO＋H2O===Ca(OH)2为放热反应。(2)乙烧杯中NO2平衡混合气体颜色变浅，说明NH4NO3晶体溶于水时吸热，乙烧杯内温度降低，但不是吸热反应，因为NH4NO3晶体溶于水无新物质生成，不是化学反应。(3)两烧杯中的现象说明，改变温度能使可逆反应2NO2(g)??N2O4(g)的反应平衡发生移动。升高温度，反应速率增大。当混合气体颜色不变时，说明NO2的浓度不再变化，能证明反应已达到平衡状态。
例3　(1)O==C==O　(2)v(a)＞v(b)＝v(c)
(3)①探究同种催化剂的比表面积对反应速率的影响　②温度　升高温度　增大
解析　(1)CO2为直线形分子，其结构式为O==C==O。(2)反应开始时反应物的浓度最大，故反应速率最大，当反应达到平衡时，反应速率保持不变。
例4　(1)否　NaOH与HCl的反应不是氧化还原反应
(2)N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－
(3)①锂　②2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
解析　(1)设计成原电池的反应需为氧化还原反应，而NaOH与HCl的反应不是氧化还原反应，故不可行。
(2)燃料电池中，通入燃料的电极通常为负极，通入氧气的一极为正极，则通入液体燃料肼(N2H4)的一极为负极，负极发生氧化反应，由图可知负极上有N2生成，电极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O；通入氧气的一极为正极，正极发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
(3)①从电池反应4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑，可以看出，Li由0价升高到＋1价，所以电池的负极材料为Li。
②SOCl2中的S元素显＋4价，产物中S为0价，所以一部分SOCl2中的S元素得电子生成S，一部分SOCl2生成SO2，同时氯元素转化为Cl－，电池正极发生的电极反应为2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。