一、主干知识——在微点判断中澄清
1.判断下列有关化学能与热能叙述的正误
(1)任何化学反应都是化学能转化为热能。 ( )
(2)对于任何吸热反应,反应时必须加热才能发生。 ( )
(3)在2H2(g)+O2(g)2H2O(l)中,反应物H2的总能量高于生成物H2O(l)的总能量。 ( )
(4)化学反应中的能量变化主要是与化学键的断裂和形成有关。 ( )
(5)氢能、天然气是绿色可再生的新型能源。 ( )
(6)植物的光合作用是将太阳能转化为化学能。 ( )
2.判断下列有关化学能与电能叙述的正误
(1)任何放热反应均可以设计为原电池。 ( )
(2)原电池工作时负极发生还原反应,正极发生氧化反应。 ( )
(3)原电池工作时电子从负极流出经过导线流入正极,电解质溶液中阳离子移向负极。 ( )
(4)粗锌与稀H2SO4反应比纯锌与稀H2SO4反应快的原因是前者形成了原电池。 ( )
(5)燃料电池中充入燃料的电极为电池的负极。 ( )
(6)锌锰干电池的锌电极为正极。 ( )
3.判断下列有关化学反应的速率与限度叙述的正误
(1)化学反应越剧烈,反应现象越明显。 ( )
(2)化学反应中任何物质的浓度变化均可以表示反应速率。 ( )
(3)对于C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)反应,增加C的量,可以加快反应速率。 ( )
(4)恒温恒容条件下,向密闭容器中充入Ne气,反应速率不变。 ( )
(5)升高温度,对任何反应的反应速率均增大。 ( )
(6)对于N2+3H22NH3反应达平衡时,)=v逆(H2)。 ( )
(7)对于H2(g)+I2(g)2HI(g)反应,当容器中压强不再变化时反应达到平衡状态。 ( )
二、综合思维——在知识融会中贯通
(一)化学能与热能
1.微观角度
2.宏观角度
化学反应放出能量 化学反应吸收能量
[综合训练]
1.(2024·天津和平区高一检测)镁粉在火星上可以扮演地球上煤的角色,反应Mg+CO2MgO+CO可以为火星上的采矿车、电站等提供热能。下列关于该反应的说法中,不正确的是 ( )
A.属于放热反应
B.反应物的总能量低于生成物的总能量
C.属于氧化还原反应
D.能量变化与化学键的断裂和形成有关
2.土壤中的微生物可将大气中的H2S转化成H2SO4,其反应能量变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.如图反应属于吸热反应
B.反应中共价键断裂的同时既形成离子键又形成共价键
C.1 mol H2S(g)和2 mol O2(g)的总能量比1 mol S(aq)和2 mol H+(aq)的总能量高
D.反应物化学键断裂吸收的能量比生成物化学键形成放出的能量多
3.NF3是一种温室气体,其存储能量能力是CO2的12 000~20 000倍,在大气中的寿命可长达740年,如表所示是几种化学键的键能,下列说法中正确的是 ( )
化学键 N≡N F—F N—F
键能/(kJ·mol-1) 946 154.8 283
A.过程N2(g)2N(g)放出能量
B.过程N(g) + 3F(g)NF3(g)放出能量
C.反应N2(g) +3F2(g)2NF3(g)为吸热反应
D.NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与形成,仍可能发生化学反应
(二)化学能与电能——原电池
[综合训练]
4.如图所示,电流表的指针发生偏转,正极变粗,负极变细,符合这种情况的是 ( )
A.正极为Cu,负极为Zn,S为稀H2SO4
B.正极为Zn,负极为Cu,S为CuSO4溶液
C.正极为Ag,负极为Zn,S为AgNO3溶液
D.正极为Fe,负极为Cu,S为AgNO3溶液
5.化学电源在日常生活和高科技领域中有广泛应用,下列说法错误的是 ( )
A.甲:正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-
B.乙:锌筒作负极,发生氧化反应,锌筒会变薄
C.丙:使用一段时间后,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降
D.丁:Zn2+向Cu电极方向移动,Cu电极附近溶液中H+浓度增加
6.研究人员发现了一种“水”电池,这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电,在海水中电池总反应可表示为5MnO2+2Ag+2NaClNa2Mn5O10+2AgCl。下列关于“水”电池在海水中放电时的说法正确的是 ( )
A.正极反应式为Ag+Cl--e-AgCl
B.每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子
C.Na+不断向“水”电池的负极移动
D.AgCl是还原产物
(三)化学反应速率
表达式 v(A)=
单位 mol·L-1·s-1或mol·L-1·min-1
影 响 因 素 内因 反应物本身的性质
外 因 浓度 增大浓度,速率增大
压强 对于有气体参加的反应,缩小体积增大压强,速率增大
温度 升高温度速率增大
催化剂 同等程度改变正、逆反应速率
其他 固体表面积等
[综合训练]
7.反应4A(s)+3B(g)2C(g)+D(g),经2 min,B的浓度减少了0.6 mol·L-1。对此反应速率的表示,正确的是 ( )
A.用A表示的反应速率是0.4 mol·L-1·min-1
B.分别用B、C、D表示反应的速率,其比是3∶2∶1
C.在2 min末的反应速率,用B表示是0.3 mol·L-1·min-1
D.其他条件不变,适当增加A的物质的量会使反应速率增大
8.在锌与某浓度的盐酸反应的实验中,得到如下结果:
实验 序号 锌的 质量/g 锌的 形状 温度/℃ 锌完全溶解于酸 的时间/s
1 2 薄片 15 150
2 2 薄片 35 t1
3 2 粉末 35 t2
下列说法中,正确的是 ( )
①t1150 ③实验1和实验2比较,单位时间内消耗的锌的质量前者小于后者
A.只有① B.①②
C.只有③ D.②③
9.(2024·石家庄市赵县高一期末)常温下,将带有氧化膜的铝条投入盛有一定量稀盐酸的敞口容器中,反应过程中产生氢气速率与时间关系如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.反应过程中生成H2体积一直增加
B.t1→t2速率增大,与反应放热和氧化膜减少有关
C.t2→t3速率减小,只与c(H+)减小有关
D.反应过程中的速率变化是温度、c(H+)、Al与盐酸接触面积共同作用的结果
(四)化学反应的限度
[综合训练]
10.利用CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)可消除NO2的污染。在1 L的密闭容器中,控制不同温度,分别加入0.50 mol CH4(g)和1.20 mol NO2(g)进行上述反应,测得n(CH4)随时间变化的实验数据如表。下列说法正确的是 ( )
组 别 温度 n/mol 时间/min
0 10 20 40 50
① T1 n(CH4) 0.50 0.35 0.25 0.10 0.10
② T2 n(CH4) 0.50 0.30 0.18 0.15
A.0~10 min内,CH4的反应速率:①>②
B.由实验数据可知:T1>T2
C.40 min时,实验②中反应已达平衡状态
D.实验①中,0~20 min内,v(CH4)=0.025 mol·L-1·min-1
11.T1℃时,向某容积为2 L的恒容密闭容器中充入一定量SO2和O2发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),容器中各组分的物质的量随时间的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.a、b两点的正反应速率:v(a)B.0~t2 min内,v(SO3)= mol·L-1·min-1
C.t2 min时,向容器中充入一定体积的氦气,使容器中的气体总压强增大,则v正、v逆均增大
D.若反应在T2 ℃下进行(T212.将一定量纯净的氨基甲酸铵置于某恒温、恒容的真空密闭容器中(固体试样的体积忽略不计),使其发生分解反应:H2NCOONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)。已知该反应为吸热反应,下列能判断该反应已经达到化学平衡状态的有 ( )
①v正(NH3)=2v逆(CO2);②密闭容器中总压强不变;③密闭容器中混合气体的密度不变;④密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变;⑤密闭容器中温度不变;⑥密闭容器中CO2的体积分数不变;⑦混合气体总质量不变
A.①②③⑦ B.①③④⑦
C.①②④⑤⑥ D.③④⑤⑥⑦
三、迁移应用——在课题活动中践行
课题活动 甲醇的合成及甲醇燃料电池
甲醇耐高温、热值高、易存储、无污染、节能环保,可做燃料,又是重要的化工原料,用于制造氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯、丙炔酸甲酯等多种有机产品。工业上可以利用CO或CO2制取甲醇,而甲醇也可以用来制备燃料电池。本课题通过甲醇合成中的能量变化理解化学能与热能的转换;通过甲醇合成反应中化学反应条件的控制来理解化学反应中的速率与限度;通过甲醇等物质在电化学中的应用体会化学能与电能的转换。
探究目标(一) 甲醇合成的能量变化
[材料1] 煤的液化原理是以煤的气化得到的水煤气为原料合成甲醇等液体燃料,如合成甲醇的原理为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。该反应属于放热反应,已知1 mol CO和2 mol氢气完全反应生成CH3OH(g),放出99 kJ的热量。
已知反应中相关化学键的键能数据如下:
化学键 H—H C—H C—O O—H
E/(kJ·mol-1) 436 413 343 465
1.根据材料,画出上述反应的能量与反应过程的示意图。
2.根据材料中的有关数据,计算断开1 mol CO 所需要的最低能量为多少 (写出计算过程)
[材料2] 二氧化碳捕获技术用于去除气流中的二氧化碳或者分离出二氧化碳作为气体产物,其中CO2催化合成甲醇是一种很有前景的方法。如下图所示为该反应在无催化剂及有催化剂时的能量变化。
3.(1)从图可知,有催化剂存在的是过程 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(2)根据图示可知,图中CO2催化合成甲醇的反应属于 (填“放热”或“吸热”)反应。
(3)反应生成2 mol CH3OH(g)和2 mol H2O(g)能量变化为 。
探究目标(二) 甲醇燃料电池的原理分析
[材料3] 甲醇是一种常用的能源物质,可设计为原料装置即甲醇燃料电池,装置如图所示。
4.充入甲醇的电极为 极,电极反应式为 ,
充入空气的电极为 极,电极反应式为 。
5.将装置中的酸液改为NaOH溶液,写出两极反应式。
探究目标(三) 合成甲醇适宜条件的选择
[材料4] 已知利用CO2和氢气合成甲醇,反应如下:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)(称为反应Ⅰ)。
在一定条件下测得不同的H2和CO2投料比与体系中CO2的转化率及甲醇的产率关系如下。
n(H2)∶n(CO2) 2 3 5 7
α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71
φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93
注:α为转化率,φ为产率,反应条件为温度553 K、总压2 MPa、无催化剂。
6.(1)从提高CO2的转化率和甲醇的产率角度分析,你能得到什么结论
(2)若从反应速率来分析,加快反应的措施有哪些
7.如图分别是压强和温度对反应Ⅰ中甲醇产率的影响。
(1)在实际生产中是不是压强越大越好
(2)请分析甲醇的产率在温度为523 K时最高的原因。
8.下表是不同的催化剂组成对甲醇产率和选择性的影响。
组成 CuO/ZnO/ Al2O3 CuO/ZnO/ ZrO2 CuO/ZnO/ ZrO2/MnO CuO/ZnO/ ZrO2/MnO
CuO/(wt.%) 65.8 62.4 65.8 65.8
ZnO/(wt.%) 26.3 25.0 26.6 26.6
Al2O3/(wt.%) 7.9 0 0 0
ZrO2/(wt.%) 0 12.6 3.6 5.6
MnO/(wt.%) 0 0 4 2
φ(CH3OH)/[g·(kg 催化剂)-1·h-1] 78 96 88 138
选择性/% 40 88 100 91
注:反应条件为n(H2)∶n(CO2)=3∶1,温度553 K,总压4 MPa;wt.%:质量分数;选择性:生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反应物中所占的比例;甲醇产率单位[g·(kg 催化剂)-1·h-1]:单位质量催化剂在单位时间内所获得的产物量。
从表格中的数据能得出什么结论
[素养训练]
CH3OH是一种无色有刺激性气味的液体,在生产生活中有重要用途,同时也是一种重要的化工原料。
(1)已知CH3OH(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g)的能量变化如图所示,下列说法正确的是 。
A.CH3OH转变成H2的过程是一个吸收能量的过程
B.H2的生成速率与CH3OH的消耗速率之比为1∶2
C.化学变化不仅有新物质生成,同时也一定有能量变化
D.2 mol H—H断裂的同时2 mol CO形成,则反应达最大限度
(2)某温度下,将5 mol CH3OH和2 mol O2充入2 L的密闭容器中,经过4 min反应达到平衡,测得c(O2)=0.2 mol·L-1,4 min内平均反应速率v(H2)= 。
(3)某种CH3OH燃料电池由甲醇、空气(氧气)、KOH溶液(电解质溶液)构成。其中负极反应式为CH3OH+8OH--6e-C+6H2O。则下列说法正确的是 (填序号)。
①电池放电时通入空气的电极为负极
②电池放电时,电解质溶液的碱性逐渐减弱
③电池放电时每消耗6.4 g CH3OH转移1.2 mol电子
(4)铝 空气燃料电池是一种新型的燃料电池,其工作原理如图所示,其中电解质溶液是KOH溶液,正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。试回答下列问题:
①通入空气的电极是 (填“正”或“负”)极。
②Al电极是 (填“X”或“Y”)电极。
③电池总反应式为 (写离子方程式)。
单元整体教学设计与阶段验收评价
一、主干知识——在微点判断中澄清
1.(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)√
2.(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)×
3.(1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)× (7)×
二、综合思维——在知识融会中贯通
1.选B Mg+CO2MgO+CO可以为火星上的采矿车、电站等提供热能,说明是放热反应,故A正确;Mg燃烧反应放出热量,说明反应物的总能量高于生成物的总能量,故B错误;物质燃烧反应过程中元素的化合价发生了变化,因此该反应属于氧化还原反应,故C正确;化学反应过程就是原子重新组合的过程,在这个过程中要吸收能量断裂反应物化学键变为单个原子,然后这些原子重新组合形成生成物中的化学键,再释放出能量,故能量变化与化学键的断裂和形成有关,故D正确。
2.选C 由题图知,反应物的能量高于生成物,所以该反应为放热反应,A错误;反应中有H和S、O和O之间的共价键断裂,生成H2SO4不存在离子键,故没有离子键形成,B错误;由题图知,反应为放热反应,反应物的能量高于生成物,故1 mol H2S(g)和2 mol O2(g)的总能量比1 mol S(aq)和2 mol H+(aq)的总能量高,C正确;反应放热,所以反应物化学键断裂吸收的能量比生成物化学键形成放出的能量少,D错误。
3.选B N2(g)2N(g)为化学键断裂的过程,吸收能量, A错误; N(g) + 3F(g)NF3(g)为形成化学键的过程,放出能量, B正确;反应N2(g)+3F2(g)2NF3(g)的ΔH=反应物的键能之和减去生成物的键能之和,则ΔH=946 kJ·mol-1+ 3×154.8 kJ·mol-1-6×283 kJ·mol-1=-287.6 kJ·mol-1,因此ΔH<0,为放热反应, C错误; NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与形成,则不能发生化学反应,化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成, D错误。
4.选C 原电池中,负极发生失去电子的氧化反应,根据题意知负极变细,即金属单质失电子,负极应为活泼金属,故B、D错误;又因为正极变粗,即该电池的正极反应生成金属,故A错误,C正确。
5.选D 甲中Ag2O作正极,电极反应式为Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-,故A正确;乙中Zn作负极,在反应中失电子发生氧化反应,锌筒会变薄,故B正确;氢氧燃料电池总反应为2H2+O22H2O,反应生成水,电解质溶液被稀释,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn作负极,Cu作正极,阳离子(Zn2+)向正极(Cu)移动,氢离子在正极得电子生成氢气,故Cu电极附近溶液中H+浓度减小,故D错误。
6.选B 正极得电子,发生还原反应,正极反应式为5MnO2+2Na++2e-Na2Mn5O10,每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子,A错误,B正确;Na+不断向“水”电池的正极移动,最终参与正极反应,C错误;由总反应可知Ag元素化合价升高,AgCl是氧化产物,D错误。
7.选B A为固体,浓度不变,不能用单位时间内浓度变化量表示反应速率,故A错误;速率之比等于化学计量数之比,则v(B)∶v(C)∶v(D)=3∶2∶1,故B正确;2 min内,B的浓度减少0.6 mol·L-1,2 min内用B表示的平均反应速率v(B)==0.3 mol·L-1·min-1,不是2 min末的即时速率,故C错误;A为固体,适当增加A的物质的量,反应速率不变,故D错误。
8.选C 2、3实验中温度相同,锌的形状不同,粉末状锌与酸反应速率快,则3中反应速率快,可知t1>t2,故①错误;实验1和实验2锌的质量和形状均相同,但温度不同,温度越高,反应速率越快,2中实验速率快,则t1<150,故②错误;实验1和实验2锌的质量和形状均相同,但温度不同,温度越高,反应速率越快,实验2速率快,则单位时间内消耗的锌的质量实验1小于实验2,故③正确。
9.选C 反应过程中,H2生成速率不同,但生成H2的量一直在增加,故A正确;t1→t2,溶液温度升高、Al与盐酸接触面积增大对反应速率的影响大于c(H+)降低的影响,故B正确;t2→t3,c(H+)降低为主要影响因素,但不是唯一因素,故C错误;多种因素综合影响反应速率,但不同阶段主要影响因素不同,故D正确。
10.选C 0~10 min内CH4的物质的量①中减少0.15 mol,②中减少0.2 mol,所以CH4的反应速率:①<②,温度高反应速率快,所以由实验数据可知:T111.选B 根据浓度越大,反应速率越大,可知a、b两点的正反应速率:v(a)>v(b),A项错误;根据反应体系中各物质的变化量之比等于化学计量数之比可得,0~t2 min内,SO3的物质的量的变化量为0.8 mol,则0~t2 min内,v(SO3)=0.8 mol÷2 L÷t2 min= mol·L-1·min-1,B项正确;t 2 min时,向容器中充入一定体积的氦气,使容器中气体的总压强增大,但反应体系中各物质的浓度没有改变,因此v正、v逆均不变,C项错误;若反应在T2 ℃下进行(T20.8 mol,D项错误。
12.选A ①反应速率之比等于化学计量数之比,v正(NH3)=2v逆(CO2)=v逆(NH3),能判断该反应已达到化学平衡状态;②该反应是反应前后气体分子数增大的反应,随着反应的正向进行,密闭容器中总压强不断增大,当密闭容器中总压强不变时,能判断该反应已达到化学平衡状态;③随着反应的正向进行,混合气体的质量不断增大,容器容积不变,则混合气体的密度不断增大,当密闭容器中混合气体的密度不变时,能判断该反应已达到化学平衡状态;④随着反应的正向进行,氨气和二氧化碳按照物质的量之比为2∶1增加,混合气体的平均相对分子质量始终不变,故密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变不能作为判断该反应已达到化学平衡状态的标志;⑤该反应是在恒温密闭容器中进行的,故密闭容器中温度不变不能作为判断该反应已达到化学平衡状态的标志;⑥随着反应的正向进行,氨气与二氧化碳始终按照物质的量之比为2∶1增加,CO2的体积分数始终不变,则密闭容器中CO2的体积分数不变不能作为判断该反应已达到化学平衡状态的标志;⑦随着反应的正向进行,混合气体的总质量不断增加,当混合气体总质量不变时,能判断该反应已达到化学平衡状态。
三、迁移应用——在课题活动中践行
探究目标(一)
1.提示:
2.提示:化学反应为旧键的断裂与新键的形成,则E(CO)+436 kJ·mol-1×2-413 kJ·mol-1×3-343 kJ·mol-1-465 kJ·mol-1=-99 kJ·mol-1,故E(CO)=1 076 kJ·mol-1,则断开1 mol CO需提供的最低能量为1 076 kJ。
3.提示:(1)催化剂可以降低反应活化能,据图可知过程Ⅱ的活化能更低,有催化剂存在。(2)据图可知1 mol CO2(g)与3 mol H2(g)完全反应生成CH3OH(g)和H2O(g),放出49.0 kJ的热量,所以该反应为放热反应。(3)生成1 mol CH3OH(g)和1 mol H2O(g)放出49 kJ的能量,故生成2 mol CH3OH(g)和2 mol H2O(g)放出49×2 kJ=98 kJ的能量。
4.提示:负 CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+ 正 O2+6e-+6H+3H2O
5.提示:负极:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O 正极:O2+6e-+3H2O6OH-
6.(1)提示:从表格中能够得到的结论是增大氢气的比例可以提高CO2的转化率和甲醇的产率。
(2)提示:增大CO2或H2的浓度,增大压强,适当升温,使用合适催化剂。
7.(1)提示:不是。要考虑生产的实际,选择合适的压强,如动力和生产设备的承受力等方面。
(2)提示:在523 K之前,随温度的升高反应速率加快,使甲醇产率增大;超过523 K时,甲醇的产率降低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应的发生等。
8.提示:改变催化剂的组成,可以有效地提高甲醇的产率和选择性或不同的催化剂具有不同的选择性。
[素养训练]
解析:(1)由图像可知,反应物的总能量高于生成物的总能量,则CH3OH转变成H2的过程是一个放出能量的过程,A项错误;平均反应速率之比等于化学计量数之比,H2的生成速率与CH3OH的消耗速率之比为2∶1,B项错误;化学变化不仅有新物质生成,同时也一定有能量变化,C项正确;2 mol H—H断裂的同时2 mol CO形成,说明v正=v逆,反应达到平衡,即反应达最大限度,D项正确。
(2)将5 mol CH3OH和2 mol O2充入2 L的密闭容器中,经过4 min反应达到平衡,测得c(O2)=0.2 mol·L-1,说明氧气反应掉(2-0.2×2)mol=1.6 mol,则氢气生成6.4 mol,所以4 min内平均反应速率v(H2)==0.8 mol·L-1·min-1。
(3)甲醇燃料电池由甲醇、空气(氧气)、KOH溶液(电解质溶液)构成。①电池放电时,氧气得电子,则通入空气的电极为正极,错误;②电池放电时,生成的CO2与KOH溶液反应生成碳酸钾,电解质溶液的碱性逐渐减弱,正确;③6.4 g甲醇的物质的量为0.2 mol,根据CH3OH+8OH--6e-C+6H2O,电池放电时每消耗6.4 g CH3OH转移1.2 mol电子,正确。
(4)该燃料电池中Al失电子作负极,O2得电子,则通入空气的电极作正极;电子由X电极流向Y电极,所以X电极为Al,作负极,Y电极为通入空气的电极,作正极,电池总反应式为4Al+4OH-+3O2+6H2O4[Al(OH)4]-。
答案:(1)CD (2)0.8 mol·L-1·min-1
(3)②③ (4)①正 ②X
③4Al+4OH-+3O2+6H2O4[Al(OH)4]-
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单元整体教学设计与阶段验收评价
目录
一、主干知识——在微点判断中澄清
二、综合思维——在知识融会中贯通
三、迁移应用——在课题活动中践行
一、主干知识
在微点判断中澄清
1.判断下列有关化学能与热能叙述的正误
(1)任何化学反应都是化学能转化为热能。( )
(2)对于任何吸热反应,反应时必须加热才能发生。 ( )
(3)在2H2(g)+O2(g) ===2H2O(l)中,反应物H2的总能量高于生成物H2O(l)的总能量。 ( )
×
×
×
(4)化学反应中的能量变化主要是与化学键的断裂和形成有关。 ( )
(5)氢能、天然气是绿色可再生的新型能源。 ( )
(6)植物的光合作用是将太阳能转化为化学能。 ( )
√
×
√
2.判断下列有关化学能与电能叙述的正误
(1)任何放热反应均可以设计为原电池。 ( )
(2)原电池工作时负极发生还原反应,正极发生氧化反应。 ( )
(3)原电池工作时电子从负极流出经过导线流入正极,电解质溶液中阳离子移向负极。 ( )
×
×
×
(4)粗锌与稀H2SO4反应比纯锌与稀H2SO4反应快的原因是前者形成了原电池。 ( )
(5)燃料电池中充入燃料的电极为电池的负极。 ( )
(6)锌锰干电池的锌电极为正极。 ( )
√
√
×
3.判断下列有关化学反应的速率与限度叙述的正误
(1)化学反应越剧烈,反应现象越明显。( )
(2)化学反应中任何物质的浓度变化均可以表示反应速率。 ( )
(3)对于C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)反应,增加C的量,可以加快反应速率。 ( )
×
×
×
(4)恒温恒容条件下,向密闭容器中充入Ne气,反应速率不变。 ( )
(5)升高温度,对任何反应的反应速率均增大。 ( )
(6)对于N2+3H2 2NH3反应达平衡时,)=v逆(H2)。 ( )
(7)对于H2(g)+I2(g) 2HI(g)反应,当容器中压强不再变化时反应达到平衡状态。 ( )
√
√
×
×
二、综合思维
在知识融会中贯通
(一)化学能与热能
1.微观角度
2.宏观角度
化学反应放出能量 化学反应吸收能量
1.(2024·天津和平区高一检测)镁粉在火星上可以扮演地球上煤的角色,反应Mg+CO2 MgO+CO可以为火星上的采矿车、电站等提供热能。下列关于该反应的说法中,不正确的是( )
A.属于放热反应
B.反应物的总能量低于生成物的总能量
C.属于氧化还原反应
D.能量变化与化学键的断裂和形成有关
[综合训练]
√
解析:Mg+CO2 MgO+CO可以为火星上的采矿车、电站等提供热能,说明是放热反应,故A正确;Mg燃烧反应放出热量,说明反应物的总能量高于生成物的总能量,故B错误;物质燃烧反应过程中元素的化合价发生了变化,因此该反应属于氧化还原反应,故C正确;化学反应过程就是原子重新组合的过程,在这个过程中要吸收能量断裂反应物化学键变为单个原子,然后这些原子重新组合形成生成物中的化学键,再释放出能量,故能量变化与化学键的断裂和形成有关,故D正确。
√
2.土壤中的微生物可将大气中的H2S转化成H2SO4,其反应能量变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.如图反应属于吸热反应
B.反应中共价键断裂的同时既形成离子键又形成共价键
C.1 mol H2S(g)和2 mol O2(g)的总能量比1 mol S(aq)和2 mol H+(aq)的总能量高
D.反应物化学键断裂吸收的能量比生成物化学键形成放出的能量多
解析:由题图知,反应物的能量高于生成物,所以该反应为放热反应,A错误;反应中有H和S、O和O之间的共价键断裂,生成H2SO4不存在离子键,故没有离子键形成,B错误;由题图知,反应为放热反应,反应物的能量高于生成物,故1 mol H2S(g)和2 mol O2(g)的总能量比1 mol S(aq)和2 mol H+(aq)的总能量高,C正确;反应放热,所以反应物化学键断裂吸收的能量比生成物化学键形成放出的能量少,D错误。
3.NF3是一种温室气体,其存储能量能力是CO2的12 000~20 000倍,在大气中的寿命可长达740年,如表所示是几种化学键的键能,下列说法中正确的是 ( )
化学键 N≡N F—F N—F
键能/(kJ·mol-1) 946 154.8 283
A.过程N2(g)―→2N(g)放出能量
B.过程N(g) + 3F(g)―→NF3(g)放出能量
C.反应N2(g) +3F2(g)―→2NF3(g)为吸热反应
D.NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与形成,仍可能发生化学反应
√
解析:N2(g)―→2N(g)为化学键断裂的过程,吸收能量, A错误; N(g) + 3F(g)―→NF3(g)为形成化学键的过程,放出能量, B正确;反应N2(g)+3F2(g)―→2NF3(g)的ΔH=反应物的键能之和减去生成物的键能之和,则ΔH=946 kJ·mol-1+ 3×154.8 kJ·mol-1-6×283 kJ·mol-1=-287.6 kJ·mol-1,因此ΔH<0,为放热反应, C错误; NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与形成,则不能发生化学反应,化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成, D错误。
(二)化学能与电能——原电池
√
4.如图所示,电流表的指针发生偏转,正极变粗,负极变细,符合这种情况的是 ( )
A.正极为Cu,负极为Zn,S为稀H2SO4
B.正极为Zn,负极为Cu,S为CuSO4溶液
C.正极为Ag,负极为Zn,S为AgNO3溶液
D.正极为Fe,负极为Cu,S为AgNO3溶液
[综合训练]
解析:原电池中,负极发生失去电子的氧化反应,根据题意知负极变细,即金属单质失电子,负极应为活泼金属,故B、D错误;又因为正极变粗,即该电池的正极反应生成金属,故A错误,C正确。
5.化学电源在日常生活和高科技领域中有广泛应用,下列说法错误的是 ( )
A.甲:正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-
B.乙:锌筒作负极,发生氧化反应,锌筒会变薄
C.丙:使用一段时间后,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降
D.丁:Zn2+向Cu电极方向移动,Cu电极附近溶液中H+浓度增加
√
解析:甲中Ag2O作正极,电极反应式为Ag2O+2e-+H2O===2Ag+
2OH-,故A正确;乙中Zn作负极,在反应中失电子发生氧化反应,锌筒会变薄,故B正确;氢氧燃料电池总反应为2H2+O2===2H2O,反应生成水,电解质溶液被稀释,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn作负极,Cu作正极,阳离子(Zn2+)向正极(Cu)移动,氢离子在正极得电子生成氢气,故Cu电极附近溶液中H+浓度减小,故D错误。
6.研究人员发现了一种“水”电池,这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电,在海水中电池总反应可表示为5MnO2+2Ag+2NaCl===Na2Mn5O10+2AgCl。下列关于“水”电池在海水中放电时的说法正确的是 ( )
A.正极反应式为Ag+Cl--e-===AgCl
B.每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子
C.Na+不断向“水”电池的负极移动
D.AgCl是还原产物
√
解析:正极得电子,发生还原反应,正极反应式为5MnO2+2Na++2e-===Na2Mn5O10,每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子,A错误,B正确;Na+不断向“水”电池的正极移动,最终参与正极反应,C错误;由总反应可知Ag元素化合价升高,AgCl是氧化产物,D错误。
(三)化学反应速率
表达式 单位 mol·L-1·s-1或mol·L-1·min-1 影响 因素 内因 反应物本身的性质
外因 浓度:增大浓度,速率增大
压强:对于有气体参加的反应,缩小体积增大压强,速率增大
影响 因素 外因 温度:升高温度速率增大
催化剂:同等程度改变正、逆反应速率
其他:固体表面积等
续表
7.反应4A(s)+3B(g) ===2C(g)+D(g),经2 min,B的浓度减少了0.6 mol·L-1。对此反应速率的表示,正确的是 ( )
A.用A表示的反应速率是0.4 mol·L-1·min-1
B.分别用B、C、D表示反应的速率,其比是3∶2∶1
C.在2 min末的反应速率,用B表示是0.3 mol·L-1·min-1
D.其他条件不变,适当增加A的物质的量会使反应速率增大
√
[综合训练]
解析:A为固体,浓度不变,不能用单位时间内浓度变化量表示反应速率,故A错误;速率之比等于化学计量数之比,则v(B)∶v(C)∶v(D)
=3∶2∶1,故B正确;2 min内,B的浓度减少0.6 mol·L-1,2 min内用B表示的平均反应速率v(B)==0.3 mol·L-1·min-1,不是2 min末的即时速率,故C错误;A为固体,适当增加A的物质的量,反应速率不变,故D错误。
8.在锌与某浓度的盐酸反应的实验中,得到如下结果:
实验序号 锌的质量/g 锌的形状 温度/℃ 锌完全溶解于酸
的时间/s
1 2 薄片 15 150
2 2 薄片 35 t1
3 2 粉末 35 t2
下列说法中,正确的是 ( )
①t1150 ③实验1和实验2比较,单位时间内消耗的锌的质量前者小于后者
A.只有① B.①②
C.只有③ D.②③
√
解析:2、3实验中温度相同,锌的形状不同,粉末状锌与酸反应速率快,则3中反应速率快,可知t1>t2,故①错误;实验1和实验2锌的质量和形状均相同,但温度不同,温度越高,反应速率越快,2中实验速率快,则t1<150,故②错误;实验1和实验2锌的质量和形状均相同,但温度不同,温度越高,反应速率越快,实验2速率快,则单位时间内消耗的锌的质量实验1小于实验2,故③正确。
9.(2024·石家庄市赵县高一期末)常温下,将带有氧化膜的铝条投入盛有一定量稀盐酸的敞口容器中,反应过程中产生氢气速率与时间关系如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.反应过程中生成H2体积一直增加
B.t1→t2速率增大,与反应放热和氧化膜减少有关
C.t2→t3速率减小,只与c(H+)减小有关
D.反应过程中的速率变化是温度、c(H+)、Al与盐酸接触面积共同作用的结果
√
解析:反应过程中,H2生成速率不同,但生成H2的量一直在增加,故A正确;t1→t2,溶液温度升高、Al与盐酸接触面积增大对反应速率的影响大于c(H+)降低的影响,故B正确;t2→t3,c(H+)降低为主要影响因素,但不是唯一因素,故C错误;多种因素综合影响反应速率,但不同阶段主要影响因素不同,故D正确。
(四)化学反应的限度
10.利用CH4(g)+2NO2(g) N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)可消除NO2的污染。在1 L的密闭容器中,控制不同温度,分别加入0.50 mol CH4(g)和1.20 mol NO2(g)进行上述反应,测得n(CH4)随时间变化的实验数据如表。下列说法正确的是 ( )
[综合训练]
组别 温度 n/mol 时间/min 0 10 20 40 50
① T1 n(CH4) 0.50 0.35 0.25 0.10 0.10
② T2 n(CH4) 0.50 0.30 0.18 0.15
A.0~10 min内,CH4的反应速率:①>②
B.由实验数据可知:T1>T2
C.40 min时,实验②中反应已达平衡状态
D.实验①中,0~20 min内,v(CH4)=0.025 mol·L-1·min-1
√
解析:0~10 min内CH4的物质的量①中减少0.15 mol,②中减少0.2 mol,所以CH4的反应速率:①<②,温度高反应速率快,所以由实验数据可知:T111.T1℃时,向某容积为2 L的恒容密闭容器中充入一定量SO2和O2发生反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g),容器中各组分的物质的量随时间的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.a、b两点的正反应速率:v(a)B.0~t2 min内,v(SO3)= mol·L-1·min-1
C.t2 min时,向容器中充入一定体积的氦气,使容器中的气体总压强增大,则v正、v逆均增大
D.若反应在T2 ℃下进行(T2√
解析:根据浓度越大,反应速率越大,可知a、b两点的正反应速率:v(a)>v(b),A项错误;根据反应体系中各物质的变化量之比等于化学计量数之比可得,0~t2 min内,SO3的物质的量的变化量为0.8 mol,则0~t2 min内,v(SO3)=0.8 mol÷2 L÷t2 min= mol·L-1·min-1,B项正确;t 2 min时,向容器中充入一定体积的氦气,使容器中气体的总压强增大,但反应体系中各物质的浓度没有改变,因此v正、v逆均不变,C项错误;若反应在T2 ℃下进行(T20.8 mol,D项错误。
12.将一定量纯净的氨基甲酸铵置于某恒温、恒容的真空密闭容器中(固体试样的体积忽略不计),使其发生分解反应:H2NCOONH4(s)
2NH3(g)+CO2(g)。已知该反应为吸热反应,下列能判断该反应已经达到化学平衡状态的有( )
①v正(NH3)=2v逆(CO2);②密闭容器中总压强不变;③密闭容器中混合气体的密度不变;④密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变;⑤密闭容器中温度不变;⑥密闭容器中CO2的体积分数不变;⑦混合气体总质量不变
A.①②③⑦ B.①③④⑦
C.①②④⑤⑥ D.③④⑤⑥⑦
√
解析:①反应速率之比等于化学计量数之比,v正(NH3)=2v逆(CO2)=v逆(NH3),能判断该反应已达到化学平衡状态;②该反应是反应前后气体分子数增大的反应,随着反应的正向进行,密闭容器中总压强不断增大,当密闭容器中总压强不变时,能判断该反应已达到化学平衡状态;③随着反应的正向进行,混合气体的质量不断增大,容器容积不变,则混合气体的密度不断增大,当密闭容器中混合气体的密度不变时,能判断该反应已达到化学平衡状态;
④随着反应的正向进行,氨气和二氧化碳按照物质的量之比为2∶1增加,混合气体的平均相对分子质量始终不变,故密闭容器中混合气体的平均相对分子质量不变不能作为判断该反应已达到化学平衡状态的标志;⑤该反应是在恒温密闭容器中进行的,故密闭容器中温度不变不能作为判断该反应已达到化学平衡状态的标志;⑥随着反应的正向进行,氨气与二氧化碳始终按照物质的量之比为2∶1增加,CO2的体积分数始终不变,则密闭容器中CO2的体积分数不变不能作为判断该反应已达到化学平衡状态的标志;⑦随着反应的正向进行,混合气体的总质量不断增加,当混合气体总质量不变时,能判断该反应已达到化学平衡状态。
三、迁移应用
在课题活动中践行
课题活动 甲醇的合成及甲醇燃料电池
甲醇耐高温、热值高、易存储、无污染、节能环保,可做燃料,又是重要的化工原料,用于制造氯甲烷、甲胺和硫酸二甲酯、丙炔酸甲酯等多种有机产品。工业上可以利用CO或CO2制取甲醇,而甲醇也可以用来制备燃料电池。本课题通过甲醇合成中的能量变化理解化学能与热能的转换;通过甲醇合成反应中化学反应条件的控制来理解化学反应中的速率与限度;通过甲醇等物质在电化学中的应用体会化学能与电能的转换。
探究目标(一) 甲醇合成的能量变化
[材料1] 煤的液化原理是以煤的气化得到的水煤气为原料合成甲醇等液体燃料,如合成甲醇的原理为CO(g)+2H2(g) ===CH3OH(g)。该反应属于放热反应,已知1 mol CO和2 mol氢气完全反应生成CH3OH(g),放出99 kJ的热量。
已知反应中相关化学键的键能数据如下:
1.根据材料,画出上述反应的能量与反应过程的示意图。
提示:
化学键 H—H C—H C—O O—H
E/(kJ·mol-1) 436 413 343 465
2.根据材料中的有关数据,计算断开1 mol C O 所需要的最低能量为多少 (写出计算过程)
提示:化学反应为旧键的断裂与新键的形成,则E(C O)+436 kJ·
mol-1×2-413 kJ·mol-1×3-343 kJ·mol-1-465 kJ·mol-1=-99 kJ·mol-1,故E(C O)=1 076 kJ·mol-1,则断开1 mol C O需提供的最低能量为1 076 kJ。
[材料2] 二氧化碳捕获技术用于去除气流中的二氧化碳或者分离出二氧化碳作为气体产物,其中CO2催化合成甲醇是一种很有前景的方法。如下图所示为该反应在无催化剂及有催化剂时的能量变化。
3.(1)从图可知,有催化剂存在的是过程 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
提示:催化剂可以降低反应活化能,据图可知过程Ⅱ的活化能更低,有催化剂存在。
(2)根据图示可知,图中CO2催化合成甲醇的反应属于 (填“放热”或“吸热”)反应。
提示:据图可知1 mol CO2(g)与3 mol H2(g)完全反应生成CH3OH(g)和H2O(g),放出49.0 kJ的热量,所以该反应为放热反应。
(3)反应生成2 mol CH3OH(g)和2 mol H2O(g)能量变化为 。
提示:生成1 mol CH3OH(g)和1 mol H2O(g)放出49 kJ的能量,故生成2 mol CH3OH(g)和2 mol H2O(g)放出49×2 kJ=98 kJ的能量。
探究目标(二) 甲醇燃料电池的原理分析
[材料3] 甲醇是一种常用的能源物质,可设计为原料装置即甲醇燃料电池,装置如图所示。
4.充入甲醇的电极为 极,电极反应式为_________________
, 充入空气的电极为 极,电极反应式为
。
负
CH3OH-6e-+H2O
正
===CO2+6H+
O2+6e-+6H+===3H2O
5.将装置中的酸液改为NaOH溶液,写出两极反应式。
提示:负极:CH3OH-6e-+8OH-===C+6H2O
正极:O2+6e-+3H2O===6OH-
探究目标(三) 合成甲醇适宜条件的选择
[材料4] 已知利用CO2和氢气合成甲醇,反应如下:
CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)(称为反应Ⅰ)。
在一定条件下测得不同的H2和CO2投料比与体系中CO2的转化率及甲醇的产率关系如下。
n(H2)∶n(CO2) 2 3 5 7
α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71
φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93
注:α为转化率,φ为产率,反应条件为温度553 K、总压2 MPa、无催化剂。
6.(1)从提高CO2的转化率和甲醇的产率角度分析,你能得到什么结论
提示:从表格中能够得到的结论是增大氢气的比例可以提高CO2的转化率和甲醇的产率。
(2)若从反应速率来分析,加快反应的措施有哪些
提示:增大CO2或H2的浓度,增大压强,适当升温,使用合适催化剂。
7.如图分别是压强和温度对反应Ⅰ中甲醇产率的影响。
(1)在实际生产中是不是压强越大越好
提示:不是。要考虑生产的实际,选择合适的压强,如动力和生产设备的承受力等方面。
(2)请分析甲醇的产率在温度为523 K时最高的原因。
提示:在523 K之前,随温度的升高反应速率加快,使甲醇产率增大;超过523 K时,甲醇的产率降低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应的发生等。
8.下表是不同的催化剂组成对甲醇产率和选择性的影响。
组成 CuO/ZnO/ Al2O3 CuO/ZnO/ ZrO2 CuO/ZnO/ ZrO2/MnO CuO/ZnO/
ZrO2/MnO
CuO/(wt.%) 65.8 62.4 65.8 65.8
ZnO/(wt.%) 26.3 25.0 26.6 26.6
Al2O3/(wt.%) 7.9 0 0 0
ZrO2/(wt.%) 0 12.6 3.6 5.6
MnO/(wt.%) 0 0 4 2
φ(CH3OH)/ [g·(kg 催化剂)-1·h-1] 78 96 88 138
选择性/% 40 88 100 91
续表
注:反应条件为n(H2)∶n(CO2)=3,温度553 K,总压4 MPa;wt.%:质量分数;选择性:生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反应物中所占的比例;甲醇产率单位[g·(kg 催化剂)-1·h-1]:单位质量催化剂在单位时间内所获得的产物量。
从表格中的数据能得出什么结论
提示:改变催化剂的组成,可以有效地提高甲醇的产率和选择性或不同的催化剂具有不同的选择性。
CH3OH是一种无色有刺激性气味的液体,在生产生活中有重要用途,同时也是一种重要的化工原料。
(1)已知CH3OH(g)+O2(g) CO2(g)+2H2(g)的能量变化如图所示,下列说法正确的是 。
[素养训练]
CD
A.CH3OH转变成H2的过程是一个吸收能量的过程
B.H2的生成速率与CH3OH的消耗速率之比为1∶2
C.化学变化不仅有新物质生成,同时也一定有能量变化
D.2 mol H—H断裂的同时2 mol C==O形成,则反应达最大限度
解析:由图像可知,反应物的总能量高于生成物的总能量,则CH3OH转变成H2的过程是一个放出能量的过程,A项错误;平均反应速率之比等于化学计量数之比,H2的生成速率与CH3OH的消耗速率之比为2∶1,B项错误;化学变化不仅有新物质生成,同时也一定有能量变化,C项正确;2 mol H—H断裂的同时2 mol C===O形成,说明v正=v逆,反应达到平衡,即反应达最大限度,D项正确。
(2)某温度下,将5 mol CH3OH和2 mol O2充入2 L的密闭容器中,经过4 min反应达到平衡,测得c(O2)=0.2 mol·L-1,4 min内平均反应速率v(H2)= 。
解析:将5 mol CH3OH和2 mol O2充入2 L的密闭容器中,经过4 min反应达到平衡,测得c(O2)=0.2 mol·L-1,说明氧气反应掉(2-0.2×2)mol=1.6 mol,则氢气生成6.4 mol,所以4 min内平均反应速率v(H2)==0.8 mol·L-1·min-1。
0.8 mol·L-1·min-1
(3)某种CH3OH燃料电池由甲醇、空气(氧气)、KOH溶液(电解质溶液)构成。其中负极反应式为CH3OH+8OH--6e-===C+6H2O。则下列说法正确的是 (填序号)。
①电池放电时通入空气的电极为负极
②电池放电时,电解质溶液的碱性逐渐减弱
③电池放电时每消耗6.4 g CH3OH转移1.2 mol电子
②③
解析:甲醇燃料电池由甲醇、空气(氧气)、KOH溶液(电解质溶液)构成。①电池放电时,氧气得电子,则通入空气的电极为正极,错误;②电池放电时,生成的CO2与KOH溶液反应生成碳酸钾,电解质溶液的碱性逐渐减弱,正确;③6.4 g甲醇的物质的量为0.2 mol,根据CH3OH+8OH--6e-===
C+6H2O,电池放电时每消耗6.4 g CH3OH转移1.2 mol电子,正确。
(4)铝 空气燃料电池是一种新型的燃料电池,其工作原理如图所示,其中电解质溶液是KOH溶液,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-。试回答下列问题:
①通入空气的电极是 (填“正”或“负”)极。
②Al电极是 (填“X”或“Y”)电极。
③电池总反应式为__________________________________
(写离子方程式)。
正
X
4Al+4OH-+3O2+6H2O===4[Al(OH)4]-
解析:该燃料电池中Al失电子作负极,O2得电子,则通入空气的电极作正极;电子由X电极流向Y电极,所以X电极为Al,作负极,Y电极为通入空气的电极,作正极,电池总反应式为4Al+4OH-+3O2+6H2O===
4[Al(OH)4]-。
