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专题6 化学反应与能量变化
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一、控制变量法探究影响化学反应速率的因素
研究影响化学反应速率的因素时,由于外界影响因素较多,故为弄清某个因素的影响,均需控制其他因素相同或不变,再进行实验。因此,常用控制变量思想解决该类问题。
1.常见考查形式。
(1)以表格的形式给出多组实验数据,让学生找出每组数据的变化对化学反应速率的影响。
(2)给出影响化学反应速率的几种因素,让学生设计实验分析各因素对化学反应速率的影响。
2.解题策略。
(1)确定变量。
解答这类题目时首先要认真审题,理清影响实验探究结果的因素有哪些。
(2)定多变一。
在探究时,应该先确定其他的因素不变,只变化一种因素,看这种因素与探究的问题存在怎样的关系;这样确定一种以后,再确定另一种,通过分析每种因素与所探究问题之间的关系,得出所有影响因素与所探究问题之间的关系。
(3)数据有效。
解答时注意选择数据(或设置实验)要有效,且变量统一,否则无法作出正确判断。
【例题1】 为了研究外界条件对H2O2分解反应速率的影响,某同学在4支试管中分别加入3 mL H2O2溶液,并测量收集V mL气体时所需的时间,实验记录如下:
实验 序号 H2O2 溶液浓度 H2O2溶 液温度/℃ 催化剂 所用
时间/s
① 5% 20 2滴1 mol·L-1 FeCl3 t1
② 5% 40 2滴1 mol·L-1 FeCl3 t2
③ 10% 20 2滴1 mol·L-1 FeCl3 t3
④ 5% 20 不使用 t4
下列说法中,不正确的是( )。
A.实验①②研究温度对反应速率的影响
B.实验②④研究催化剂对反应速率的影响
C.获得相同体积的O2:t1>t3
D.实验③与④比较:t3答案:B
解析:实验①②中只有温度不同,故是研究温度对反应速率的影响,A项正确;实验②④中反应温度不同,不能研究催化剂对反应速率的影响,B项错误;实验①和③比较,实验③中H2O2的浓度大,反应速率大,若获得相同体积的O2,实验①所用时间长,C项正确;实验③与④比较,实验③中H2O2的浓度大,且使用催化剂,故反应速率大,所用时间短,D项正确。
【例题2】 草酸(H2C2O4)与高锰酸钾在酸性条件下能够发生如下反应:2Mn+5H2C2O4+6H+══2Mn2++10CO2↑+ 8H2O。用4 mL 0.001 mol·L-1 KMnO4溶液与2 mL 0.010 mol·L-1 H2C2O4溶液,研究反应的温度、反应物的浓度与催化剂等因素对化学反应速率的影响。改变的条件如下表所示。
组别 10%硫酸体积/mL 温度/℃ 其他物质
Ⅰ 2 20 —
Ⅱ 2 20 10滴饱和MnSO4溶液
Ⅲ 2 30 —
Ⅳ 1 20 1 mL蒸馏水
(1)实验Ⅰ和Ⅱ可得出的结论:影响化学反应速率的因素是 ;如果研究温度对化学反应速率的影响,使用实验Ⅰ和 (用Ⅱ~Ⅳ表示)。
(2)实验Ⅳ中加入1 mL蒸馏水的目的是 。
答案:(1)催化剂 Ⅲ
(2)确保所有实验中c(KMnO4)、c(H2C2O4)不变和总体积不变,实验Ⅳ中c(H+)不同
解析:(1)实验Ⅰ和Ⅱ中温度、浓度相同,研究了催化剂对化学反应速率的影响;研究温度对化学反应速率的影响,应保证浓度相同,且不使用催化剂,则选实验Ⅰ和Ⅲ。
(2)实验Ⅰ和Ⅳ中,硫酸的浓度不同,可研究浓度对化学反应速率的影响,加1 mL蒸馏水可确保两实验中各物质浓度和总体积相等。
二、“三段式”在化学平衡计算中的运用
解答有关化学反应速率和化学平衡的计算题时,一般需要写出化学方程式,列出起始量、转化量及平衡量,注意单位的统一,再根据题目其他条件和定律列方程求解。
如: mA(g)+ nB(g) pC(g)+qD(g)
起始量/mol a b 0 0
转化量/mol mx nx px qx
平衡量/mol a-mx b-nx px qx
①转化量与化学方程式中各物质的化学计量数成比例。
②反应物:平衡时的量=起始的量-转化的量。
生成物:平衡时的量=起始的量+转化的量。
另外,差量法、守恒法、极限法也可运用到化学平衡的计算中。
【例题3】 将等物质的量的A、B混合于2 L的密闭容器中,发生如下反应:3A(g)+B(g)x C(g)+2D(g),5 min末,测得D的物质的量浓度为0.5 mol·L-1,c(A)∶c(B)=3∶5,C的平均反应速率为0.1 mol·L-1·min-1。
(1)5 min末时A的物质的量浓度c(A)= mol·L-1,反应开始前容器中A、B的物质的量:n(A)=n(B)= mol。
(2)B的平均反应速率:v(B)= mol·L-1·min-1。
(3)x的值为 。
答案:(1)0.75 3 (2)0.05 (3)2
解析:(1) 3A(g)+B(g) xC(g)+2D(g)
起始量/mol a a 0 0
变化量/mol 1.5 0.5 1 1
5 min末/mol a-1.5 a-0.5 0.1×2×5 0.5×2
三、化学反应速率及平衡图像问题的分析方法
化学反应速率及化学平衡的图像,能直观描述反应进行的快慢、反应进行的程度等问题。图像题是化学中常见的一种题目,做这类题既要读文字内容,又要读图。解答化学反应速率图像题可采用“一看”“二想”“三判断”的方法。
1.“一看”——看图像。
(1)看坐标轴:弄清纵、横坐标表示的含义;(2)看线:弄清线的走向、趋势;(3)看点:弄清曲线上点的含义,特别是一些特殊点,如曲线的折点、交点、最高点与最低点等;(4)看量的变化:弄清是物质的量的变化还是浓度的变化。
2.“二想”——想规律。如各物质的变化量之比与化学计量数之比的关系、各物质的速率之比与化学计量数之比的关系等。
3.“三判断”——通过对比分析,作出正确判断。
【例题4】 在某温度下的2 L密闭容器中,A、B两种气体间发生相互转化反应,实验测得A、B的物质的量随时间变化的曲线如图所示。
(1)该反应的化学方程式为
。
(2)反应从开始至4 min时,A的平均
反应速率为 。
(3)4 min时,反应是否达到平衡状态 (填“是”或“否”); 8 min时,v正(A) (填“>”“<”或“=”)v逆(A)。
答案:(1)2A B (2)0.05 mol·L-1·min-1 (3)否 =
解析:(1)分析图中从反应开始到第4 min时,A、B的物质的量变化:A减少0.4 mol,B增加0.2 mol,可知A为反应物,B为生成物,且反应为可逆反应(因为反应最终达到化学平衡),因此化学方程式为2A B。(2)反应从开始至4 min时,A的平均
未建立平衡,正在向正反应方向进行;8 min时,反应已达到平衡,v正(A)=v逆(A)。
四、化学键与化学反应中的能量变化
1.物质的稳定性与能量高低的关系。
物质本身的能量越高,物质就越不稳定,越容易发生化学反应;反之,物质本身的能量越低,物质就越稳定,越不易发生化学反应。
2.ΔH的计算公式。
ΔH=反应物断键吸收的总能量(或总键能)-生成物成键放出的总能量(或总键能)。
3.放热过程不一定是放热反应,如沸水降温过程中放热,但没有发生化学变化,不是放热反应。吸热过程不一定是吸热反应,如升华、蒸发等过程是吸热过程,但不是吸热反应。
【例题5】 在1×105 Pa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 ,氨分子中有三个相同的N—H):
(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。若反应完全,设反应放出或吸收的热量为Q1,则Q1的值为 。
(3)实际生产中,1 mol氮气与3 mol氢气反应,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.Q1你作出此选择的原因是 。
答案:(1)放热
(2)92.4 kJ
(3)A 该反应为可逆反应,在密闭容器中进行反应达到平衡时,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92.4 kJ
解析:(1)化学反应的实质是反应物化学键断裂、生成物化学键形成的过程,断裂化学键吸收能量,形成化学键放出能量。N2+3H2 2NH3的反应中断裂化学键共吸收的能量为: 945.6 kJ+3×436.4 kJ=2 254.8 kJ,形成化学键共放出的能量为2×3×391.2 kJ=2 347.2 kJ,所以该反应为放热反应。
(2)1 mol N2与3 mol H2完全反应放出的热量为2 347.2 kJ-2 254.8 kJ=92.4 kJ。
(3)由于该反应为可逆反应,反应达平衡时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92.4 kJ。
五、新型电源中电极反应式的书写
1.电极反应式书写的一般步骤。
2.根据总方程式,书写电极反应式。
(1)书写步骤。
①写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
②找出正、负极,失电子的电极为负极;确定溶液的酸碱性。
③写电极反应式。
负极反应:还原剂-ne-══氧化产物
正极反应:氧化剂+ne-══还原产物
(2)书写技巧。
若某电极反应式较难写时,可先写出较易的电极反应式,该电极反应中转移的电子数必须与总方程式中转移的电子数相同;然后用总反应式减去较易写的电极反应式,即可得出较难写的电极反应式。如CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中负极反应式的书写方法如下。
总反应式:CH3OCH3+3O2══2CO2+3H2O
正极:3O2+12H++12e-══6H2O
负极:CH3OCH3+3H2O-12e-══2CO2+12H+
3.氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应。
【例题6】 有一种MCFC型燃料电池,该电池所用燃料为H2,电解质为熔融的K2CO3。电池的总反应为2H2+O2══2H2O,负极反应为H2+ -2e-══H2O+CO2。下列说法正确的是( )。
A.电路中的电子经正极、熔融的K2CO3、负极后再到正极,形成闭合回路
B.电池放电时,电池中 的物质的量将逐渐减小
C.正极反应为2H2O+O2+4e-══4OH-
D.放电时 向负极移动
答案:D
【例题7】 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 ,发生的电极反应为 。
(2)电池正极发生的电极反应为 。
答案:(1)锂 4Li-4e-══4Li+
(2)2SOCl2+4e-══4Cl-+S+SO2↑
解析:分析反应的化合价变化,可知Li失电子,在负极发生氧化反应;SOCl2得电子,在正极发生还原反应。
(1)负极材料为Li(还原剂),4Li-4e-══4Li+;(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:2SOCl2+4e-══4Cl-+S+ SO2↑。
【例题8】 高铁电池是一种新型可充电电池,与普通电池相比,该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。请回答下列问题。
(1)放电时,正极发生 (填“氧化”或“还原”)反应,则正极反应式为 。
(2)放电时, (填“正”或“负”)极附近溶液中c(OH-)增大。
答案:(1)还原 +4H2O+3e-══Fe(OH)3+5OH-
(2)正
解析:根据高铁电池放电时总反应方程式可知,Zn为负极,负极电极反应式为Zn+2OH--2e-══Zn(OH)2,由电池的总反应方程式-负极反应式=正极反应式可知,正极反应式为
+4H2O+3e-══Fe(OH)3+5OH-,正极区生成OH-且消耗水,OH-浓度增大。