课件68张PPT。本专题重难点突破专题2 化学反应与能量转化内容索引一、化学反应速率影响因素探究二、化学反应速率及平衡图像问题的分析方法三、化学平衡状态的特征及其判断方法四、详析化学反应中热量的变化五、从氧化还原反应原理分析原电池六、原电池正极和负极的判断方法七、原电池的电极反应及其书写方法北京故宫的“云龙陛石”上曾经雕刻有精美的蟠龙图案，近些年来，这些浮雕遭到严重的损坏。而以前几百年这种腐蚀都是很慢的，那为什么近些年来的腐蚀就加快了呢？这就要从影响化学反应速率的因素来分析了。
1.内因
决定化学反应速率大小的主要因素是反应物的性质，而不是外界条件。一、化学反应速率影响因素探究2.外因
影响化学反应速率的外界条件很多，如浓度、压强、温度、催化剂等。另外，形成原电池也可以加快反应速率。注意 ①对于有固体或纯液体参加的化学反应，改变它们的量不会引起浓度的变化，对它们的反应速率无影响。例如：C(s)＋CO2(g)
2CO(g)，增加C的量，对此反应的反应速率无影响。
②压强只对有气体参加或生成的化学反应的速率有影响，若一个化学反应的反应物、生成物中均无气体，则压强对此反应的反应速率无影响。压强对反应速率的影响关键是看改变压强是否改变相关物质的浓度。对于有气体参加的反应体系，压强改变的实质是气体物质浓度的改变。有以下几种情况：A.恒温：增大压强→体积减小→浓度增大→反应速率加快
B.恒容：充入气体反应物→浓度增大→反应速率加快
充入稀有气体→总压增大，但各物质浓度不变→反应速率不变
C.恒压：充入稀有气体→体积增大→各反应物浓度减小→反应速率减慢③多个因素影响反应速率变化要看主要因素
例如：锌与稀硫酸反应的图像如图，由图像可知氢气的生成速率随时间先由慢到快，然后又由快到慢。反应体系中硫酸所提供的氢离子浓度是由高到低，若氢气的生成速率由其决定，速率的变化趋势也应由快到慢，所以反应前半程速率增大的原因是温度所致，锌与硫酸反应时放热体系温度逐渐升高，温度对反应速率的影响占主导地位。一定时间后，硫酸的浓度下降占据主导地位，因而氢气的生成速率随时间先由慢到快，然后又由快到慢。A.4－3－2－1 B.1－2－3－4
C.3－4－2－1 D.1－2－4－3例1 等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应，测定在不同时间t产生气体体积V的数据，根据数据绘制得到下图，则曲线a、b、c、d所对应的实验组别是答案解析√解析 化学反应速率与温度、浓度和固体物质的表面积大小有关，实验1的盐酸的浓度最小，反应的温度最低，所以化学反应速率最小；物质状态相同时由于实验3的反应温度比实验2的反应温度高，所以反应速率实验3的大于实验2的；而实验4和实验3盐酸的浓度相同，反应的温度也相同，但物质的状态不相同，所以实验4的反应速率大于实验3的。例2 反应E＋F===G在温度T1下进行，反应M＋N===K在温度T2下进行，已知：T1>T2，且E和F的浓度均大于M和N的浓度，则两者的反应速率
A.前者大 B.后者大
C.一样大 D.无法判断解析 因为这两个反应是不同的反应，而决定反应速率的主要因素是内因(反应物本身的性质)，故尽管前者的反应温度高、浓度大，但反应速率不一定大于后者，如合成氨反应在高温、高压且有催化剂的条件下进行，其速率也不如低温下的酸碱中和反应的速率大。故两者的反应速率快慢无法比较。√答案解析易错警示易错警示 本题很容易错选A，因为教材中用较多的篇幅介绍了温度、浓度、催化剂等外界因素对化学反应速率的影响，而忽视了内因才是决定化学反应速率的关键；外界因素在内因相同的情况下(即反应相同时)才会决定反应速率的大小，在进行分析判断反应速率大小时应遵循以下思路：①先看内因；②内因相同者，再看外界因素(温度、浓度、压强、催化剂等)。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三部曲：“一看”“二想”“三判断”。
“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、浓度的变化还是转化率的变化等。二、化学反应速率及平衡图像问题的分析方法“二想”——想规律
如各物质的转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。
“三判断”——通过对比分析，作出正确判断。例3 (1)在恒温条件下将一定量X和Y的混合气体通入容积为2 L的密闭容器中，X和Y两物质的浓度随时间的变化情况如图1所示。
①该反应的化学方程式为(反应物或生成物用符号X、Y表示)：_________。
②a、b、c、d四个点中，表示化学反应处于平衡状态的点是____。解析bd答案解析 从浓度变化趋势来看，X为生成物，Y为反应物。15 min时X增加了0.4 mol·L－1，Y减小了0.2 mol·L－1，故X、Y的化学计量数之比为2∶1，10～25 min内，X、Y的浓度不发生变化，达到化学平衡状态，则该反应为可逆反应，反应方程式为Y??2X。b、d两点处于化学平衡状态。(2)如图2所示是可逆反应X2＋3Y2??2Z的反应速率(v)与时间(t)的关系曲线，下列叙述正确的是________。
A.t1时，只有正方向反应在进行
B.t2时，反应达到最大限度
C.t2～t3，反应不再进行
D.t2～t3，各物质的浓度不再发生变化图2解析 对于可逆反应，反应开始后的任何时刻，正、逆反应均在进行。根据图像可知0～t2反应处于非平衡状态，t2后，正、逆反应速率相等，但不等于0；处于平衡状态时，各物质的浓度不再发生变化，故B、D正确。解析答案√√例4 在密闭容器中充入一定量NO2，发生反应2NO2(g)??N2O4(g) ΔH＝－57 kJ·mol－1。在温度为T1、T2时，平衡体系中NO2的体积分数随压强变化的曲线如图所示。下列说法正确的是
A.a、c两点的反应速率：a>c
B.a、b两点NO2的转化率：aC.a、c两点气体的颜色：a深，c浅
D.由a点到b点，可以用加热的方法√答案解析解析 由图像可知，a、c两点都在等温线上，c的压强大，则a、c两点的反应速率：aa、b两点压强相同，但温度不同，a点二氧化氮的体积分数较大，说明a点的转化率较小，即aNO2为红棕色气体，由图像可知，a、c两点都在等温线上，c的压强大，NO2气体的浓度较大，混合气体颜色较深，C项错误；
升高温度，化学平衡向着逆向移动，NO2的体积分数增大，a点到b点二氧化氮体积分数减少，说明是降低了温度，所以不能用加热的方法实现由a点到b点的转变，D项错误。1.化学平衡的特征
化学平衡状态是一个动态平衡，化学反应并没有停止，不过反应物、生成物浓度不再改变，即反应混合物的百分组成不变的状态。其特征是
(1)动：动态平衡，正逆反应仍在进行，v正＝v逆≠0。
(2)定：反应混合物中各组分的浓度保持一定，各组分的含量保持不变。
(3)变：条件改变，原平衡被破坏，在新的条件下建立新的平衡。三、化学平衡状态的特征及其判断方法2.判断化学反应达到平衡的标志
(1)根本性标志：v正＝v逆≠0。
①正逆反应的描述：同一物质的消耗和生成速率相等，或反应物和生成物的消耗或生成按化学计量数成比例，即必须体现出双方向的变化。
②速率相等：同一物质速率的数值相等，不同物质速率比等于化学方程式中的化学计量数之比。(2)等价标志：在其他条件一定的情况下，下列物理量不变可以说明反应达平衡。
①混合气体中各组分的体积百分含量不变(或体积比不变)；
②某物质的转化率不变或某物质的质量或物质的量不变；
③体系中含有色物质时，颜色不随时间的变化而变化；
④同种物质化学键的断裂与化学键的形成的物质的量相等，若以化学键或浓度表示，则必须对应反应物和生成物且要按反应方程式计量数关系成比例。(3)特殊标志：
①若反应前后气体的总分子数不相等，总压强不变或总物质的量不变或平均分子量不变，可以说明反应达到了平衡状态。
②若反应前后气体的总分子数相等时，若反应物或生成物中有一个是非气体，平均相对分子量不变，可以说明反应达到了平衡状态。
③当给定的是密度不变时，要考虑容器体积和气体总质量变化，若二者都不变，则不能说明反应达到了平衡状态。例5 某温度下，在2 L密闭容器中X、Y、Z三种物质(均为气态)间进行反应，其物质的量随时间的变化曲线如图。依图回答：(1)该反应的化学方程式可表示为______________________。答案解析2X(g)??3Y(g)＋Z(g)解析 观察图像可得X的物质的量减少2.4 mol－1.6 mol＝0.8 mol，X为反应物，Y的物质的量增加1.2 mol，Z的物质的量增加0.4 mol，Y、Z的物质的量增加，可判断Y、Z为生成物，在相同时间内，同一容器中，其速率之比等于化学方程式中计量数之比，等于物质的量变化之比，即v(X)∶v(Y)∶v(Z)＝0.8 mol∶1.2 mol∶0.4 mol，反应达到t1时刻后，X、Y、Z共存，其物质的量不变可判断该反应为可逆反应，t1时刻达到了化学平衡，该反应的化学方程式为2X(g)??3Y(g)＋Z(g)。(2)反应起始至t1 min(设t1＝5)，Y的平均反应速率是__________________。答案解析0.12 mol·L－1·min－1(3)在t1 min时，该反应达到了_________状态，下列可判断反应已达到该状态的是______(填字母)。
A.X、Y、Z的反应速率相等
B.X、Y的反应速率比为2∶3
C.混合气体的密度不变
D.生成1 mol Z的同时生成2 mol X
E.X、Y、Z物质的量之比等于化学方程式中计量数之比
F.混合气体的总压强不再发生改变答案解析化学平衡DF解析 由反应方程式可知，达平衡时X、Y、Z的反应速率不相等；反应进行中，无论是否达到平衡X、Y的速率之比始终为2∶3；X、Y、Z均为气体，反应前后气体的质量不变，体积也不变，密度不变，根据密度不能判断反应是否达到平衡；生成1 mol Z是正反应方向，生成2 mol X是逆反应方向，v正＝v逆，反应达到平衡；X、Y、Z物质的量之比与计量数比不等；根据反应方程式可知，该反应前后压强有变化，当压强不变时，反应达到了平衡。我们在做化学实验时，经常会感受到有热量的变化，比如钠与水的反应等，其实在化学反应中，不仅有物质的变化，即新物质的生成，而且还伴随着能量的变化，有的反应是吸热的，有的反应是放热的。而化学反应中物质变化的实质是旧化学键断裂和新化学键形成。
化学反应是化学科学研究的核心，化学反应过程中的物质变化要遵循质量守恒定律，而能量变化要遵循能量守恒定律。在化学反应过程中一定存在着能量的变化，而这些能量变化大多数表现为热量的变化，这就实现了化学能与热能的转化。四、详析化学反应中热量的变化1.从化学键的角度理解
在化学变化前后，参加反应的原子的种类和个数并没有改变，只是进行了原子之间的重组和整合；原子进行重组、整合的过程，实际上就是反应物中化学键断裂和生成物中化学键形成的过程。由于反应物中化学键的断裂要消耗能量，而生成物中化学键的形成要释放能量，因此我们将化学反应中能量变化表示为这样，当反应中吸收的能量大于释放的能量时，反应表现为吸收能量，该反应为吸热反应；
当反应中吸收的能量小于释放的能量时，反应表现为放出能量，该反应为放热反应。例6 已知：①1 mol H2分子中化学键断裂时需吸收436 kJ 的能量；②1 mol Cl2分子中化学键断裂时需吸收243 kJ的能量；③由氢原子和氯原子形成1 mol HCl分子时释放 431 kJ 的能量。则1 mol H2和1 mol Cl2反应生成氯化氢气体时的能量变化为
A.放出能量183 kJ B.吸收能量183 kJ
C.吸收能量248 kJ D.吸收能量862 kJ√答案解析特别提示解析 根据反应的化学方程式：H2＋Cl2 2HCl，可知在反应过程中，断裂1 mol H—H键、1 mol Cl—Cl键，同时形成2 mol H—Cl键。计算可知生成2 mol HCl气体时，吸收的热量为436 kJ＋243 kJ＝679 kJ，放出的热量为431 kJ×2＝862 kJ，故反应中放出的热量为862 kJ－679 kJ＝183 kJ，A对。特别提示特别提示 从化学键的角度看能量变化时，首先要明确物质内部的化学键的数目。要是对物质中化学键的数目认识错误，就会导致错误的计算结果，比如每个水分子中含有的H—O键的数目为2个。2.从化学能的角度理解
自然界中存在着成千上万种物质，但不同的物质能量不同，因此在化学反应前后反应物和生成物所具有的能量也是不同的。我们还可以从化学能的角度，也就是从反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小来看一个化学反应的能量变化。
若反应物的总能量>生成物的总能量，则化学反应放出能量，该反应为放热反应；
若反应物的总能量<生成物的总能量，则化学反应吸收能量，该反应为吸热反应。3.化学反应中能量变化的计算
(1)用E(反应物)表示反应物的总能量，E(生成物)表示生成物的总能量，ΔQ表示能量变化，则：
ΔQ＝E(生成物)－E(反应物)。
(2)用Q(吸)表示反应物分子断裂时吸收的总能量，Q(放)表示生成物分子成键时放出的总能量，ΔQ表示能量变化，则：ΔQ＝Q(吸)－Q(放)。解析 在化学变化中，既有物质的变化又有能量的变化，但是有能量变化的过程不一定就是化学变化，如水的三态变化。在确定的化学反应中，反应物的总能量不等于生成物的总能量，当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热；当反应物的总能量小于生成物的总能量时，反应吸热。例7 下列有关化学反应中能量变化的理解，正确的是
A.凡是伴随能量变化的过程都是化学变化
B.在化学反应过程中总是伴随着能量的变化
C.在确定的化学反应中反应物的总能量一定等于生成物的总能量
D.在确定的化学反应中反应物的总能量总是高于生成物的总能量√答案解析原电池是把化学能转化为电能的装置。构成原电池的条件有哪些？是不是所有的化学反应均可以设计成原电池呢？在学习过程中，这些问题可能一直使同学们感到困惑，下面我们一起来分析，解开困惑。
1.原电池与氧化还原反应的关系
我们在学习氧化还原反应时，经常用单线桥或双线桥标注电子转移的方向和数目，如：五、从氧化还原反应原理分析原电池氧化还原反应中存在电子的得失，在该反应中，线桥仿佛是一根导线，假如电子能在导线上流动，就会由电子的转移变成电子的定向移动，也就形成了电流。因此，并不是所有的反应均可以设计成原电池，只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。从单线桥上看，可将导线一端连接在锌极上，另一端当然不可能直接放在溶液中，因此可将另一端连接在一个能导电的电极上，如石墨电极。这样连接后，在整个装置中就会出现与原来不同的实验现象：氢气在石墨电极上大量产生。为什么会出现这样的现象呢？原因在于：当锌片直接放入硫酸溶液中时，锌失去的电子集中在锌片表面，溶液中的H＋在锌的表面获得电子生成氢气。而当锌、石墨共同放入硫酸溶液并用导线连接时，电子就会沿导线流向石墨电极，这样在石墨电极表面聚集了大量电子，溶液中的H＋移向石墨电极并获得这些电子生成氢气。在这个过程中，电子在导线中实现了定向移动，即形成了电流。这样，化学反应的化学能就转变成了电能，这样的装置我们称之为原电池。2.原电池的构成
从以上分析可以看出，原电池是由两个活动性不同的电极、电解质溶液构成的闭合回路，也就是说原电池的构造是：①两个活动性不同的电极；②电解质溶液；③闭合回路，如下图。在原电池中，科学上规定把电子流出的一极称为负极(较活泼的金属)；把电子流入的一极(较不活泼的金属或惰性电极)称为正极。在上面的原电池中，锌为负极，发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋，石墨为正极，发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，这两个半反应恰好是氧化还原反应中的两个线桥。也就是说，原电池实质上是将氧化反应和还原反应分到了两个电极上进行，使其分别成为一个“半反应”，因此，根据氧化还原反应方程式可以很容易地设计原电池装置。例8 有甲、乙两位同学，他们一起做了右图所示的水果电池实验，测得数据如下：甲同学提出的问题，乙同学解释不正确的是
①甲：实验6中的负极反应如何写？
乙：铝为负极：Al－3e－===Al3＋
②甲：实验1、5电流方向为什么相反？
乙：实验1中锌为负极，电流由铜经导线流向锌；实验5中铝为负极，铝失去电子，电流由锌经导线流向铝
③甲：水果电池的电压与哪些因素有关？
乙：只跟水果的品种有关。
A.③ B.①
C.①②③ D.②③√答案解析解析 由原电池的原理判断知①②都正确；
决定水果电池电压的因素是构成原电池的两种电极材料及水果的品种，所以不正确的是③。3.电子的流向及离子的流向
整个原电池装置是一个闭合回路，在外电路中(导线)是靠电子的定向移动导电，在溶液中则是靠阴、阳离子的定向移动导电。在外电路中，电子是由负极流向正极，电流的方向与电子移动的方向相反，由正极流向负极。在溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，这里我们只需记住：阳离子一定移向发生还原反应的极，即阳离子一定是为获得电子而奔去。原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)如下图所示：4.电子的得失守恒
电子守恒法是依据氧化还原反应中氧化剂得到的电子总数与还原剂失去的电子总数相等这一原则进行计算的。电子守恒法是氧化还原反应计算的最基本的方法，而原电池反应就是一种典型的氧化还原反应，只不过氧化反应和还原反应在负极和正极分别发生。因此可以利用电子守恒法来处理原电池的有关计算。具体来说就是正极得到的电子总数与负极失去的电子总数相等。例9 (1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流表。
锌片上发生的电极反应为___________________。
银片上发生的电极反应为___________________。答案解析解析 在锌片、银片、稀硫酸组成的原电池中，锌片作负极，其电极反应为Zn－2e－===Zn2＋；银片作正极，其电极反应为2H＋＋2e－===H2↑；则电池总反应式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。Zn－2e－===Zn2＋2H＋＋2e－===H2↑(2)若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47 g，试计算：
①产生氢气的体积(标准状况)；答案解析答案 4.48 L解析 根据电极反应式找出已知量与电量之间的定量关系进行计算。电极减少的质量等于生成氢气所消耗的锌的质量，设产生的氢气体积为x，则：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
65 g 22.4 L
60 g－47 g＝13 g x
x＝13 g×22.4 L÷65 g＝4.48 L。②通过导线的电量。(已知NA＝6.02×1023 mol－1，电子的电荷量为1.60×10－19 C)答案解析答案 3.85×104 C解析 反应消耗的锌的物质的量为13 g÷65 g·mol－1＝0.2 mol。1 mol Zn变为Zn2＋时，转移2 mol e－，则通过的电量为0.2 mol×2×6.02×1023 mol－1
×1.60×10－19 C≈3.85×104 C。1.根据电极材料判断
一般是活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
2.根据电流方向或电子流动方向判断
电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。
3.根据原电池里电解质溶液中离子的移动方向
在原电池的电解质溶液中，阳离子移向的极为正极，阴离子移向的极为负极。六、原电池正极和负极的判断方法4.根据原电池两极发生的变化判断
原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应。
5.根据现象判断
溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。
特别提示 在判断原电池正、负极时，不要只根据金属活动性的相对强弱，有时还与电解质溶液有关，如Mg－Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属性Mg>Al，但在该条件下是Al作负极。因此要根据具体情况来判断正、负极。例10 根据反应：2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是
A.X可以是银或石墨
B.Y是硫酸铜溶液
C.电子从铜电极经外电路流向X电极
D.X极上的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag解析 由电池反应2Ag＋＋Cu===2Ag＋Cu2＋可知，铜作负极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋；X为正极，可以是比铜不活泼的银或石墨等，电极反应为Ag＋＋e－===Ag；电解质溶液中需含有Ag＋，故B说法错误。√答案解析电极上物质的变化情况以及电子的转移情况可用电极反应式来表明。在原电池中，氧化反应和还原反应是分别在两个电极上进行的，每个电极上只发生一个方向的电子转移，相当于氧化还原反应的一半，常称为半反应。这种在电极上进行的半反应叫做电极反应。电极反应总是涉及含有同一元素但价态不同的两种物质，一种处于较高价态，另一种处于较低价态。七、原电池的电极反应及其书写方法以Cu－Zn(H2SO4)原电池为例：
负极反应：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)，正极反应：2H＋＋2e－===H2↑ (还原反应)。
而电池总反应则为电池中正、负极反应式在电量相等情况下的加和式，一般是一个自发的、完整的氧化还原反应。例如原电池的电池总反应：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑(化学方程式)，Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑(离子方程式)。例11 钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下说法正确的是
A.负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋
B.正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－
C.原电池是将电能转变为化学能的装置
D.钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀√答案解析解析 1.电极反应式书写的几种情况
(1)可充电电池电极反应式的书写
在书写可充电电池的电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向反应都能进行，所以要明确电池和电极，放电时为原电池，充电时为电解池。原电池的负极反应为放电方向的氧化反应；原电池的正极反应为放电方向的还原反应。(2)根据给出电极反应式书写总反应式
根据给出的两个电极反应式书写总反应式时，首先要使两个电极反应式的得失电子数相等，再将两式相加，然后消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意，若反应式同侧出现不能大量共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和 ，要写成反应后的物质，即H2O和PbSO4。(3)燃料电池电极反应式的书写
书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸还是碱。在酸性电解质溶液中，电极反应式不要出现OH－；在碱性电解质溶液中，电极反应式不要出现H＋。同时还要分清燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……)，但无论是哪一种燃料，在碱性条件下，正极反应式都是一样的，即O2＋2H2O＋4e－===4OH－，若是在酸性条件下，则正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。如果是含碳燃料时，负极反应式的书写同甲烷燃料电池的书写，只是需要考虑用电荷守恒来配平不同的计量数。2.几种燃料电池的电极反应式及总反应式
(1)氢氧燃料电池
在不同的介质中发生的电极反应归纳如下：(2)甲醇燃料电池
电解质：KOH；正极反应式：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；负极反应式：2CH3OH＋16OH－－12e－=== ＋12H2O；总反应式：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。
(3)肼燃料电池
电解质：KOH；正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；负极反应式：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O；总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O。例12 科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电，电池负极反应式为
A.H2＋2OH－－2e－===2H2O
B.O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C.H2－2e－===2H＋
D.O2＋2H2O＋4e－===4OH－√答案解析解析 根据题给信息，该燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O；电解质为酸性溶液，电极反应式中不能出现OH－，A错误；
又因为燃料电池中负极通入氢气，正极通入氧气，B、D错误。专题二 化学反应与能量转化 专项训练
题组一 化学反应速率及其影响因素
1．一定条件下，在容积固定的某密闭容器中发生反应N2＋3H2((2NH3。在10 s内N2的浓度由5 mol·L－1降至4 mol·L－1，下列说法正确的是( )
A．用NH3表示的化学反应速率为0.1 mol·L－1·s－1
B．使用合适的催化剂，可以加快该反应的速率
C．增加H2的浓度或降低温度都会加快该反应的速率
D．反应足够长时间，N2、H2中至少有一种物质浓度降为零
答案 B
解析 Δc(N2)＝1 mol·L－1，则Δc(NH3)＝2 mol·L－1，v(NH3)＝＝0.2 mol·L－1·s－1，故A错；对于可逆反应来说，任何一种反应物都不可能完全反应，故D错。
2．2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应)是工业上制备硫酸的重要反应。下列叙述正确的是( )
A．2 mol SO3的总能量比2 mol SO2和1 mol O2的总能量要高
B．催化剂V2O5不改变该反应的逆反应速率
C．由于该反应是放热反应，所以降低温度会缩短反应达到化学平衡的时间
D．在t1、t2时刻，SO3(g)的浓度分别是c1、c2，则时间间隔 t1～t2内，SO3(g)生成的平均速率v＝
答案 D
解析 一个确定的化学反应是吸热反应还是放热反应，取决于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小，如果反应物的总能量大于生成物的总能量，该反应为放热反应，所以2 mol SO3的总能量比2 mol SO2和1 mol O2的总能量要低，选项A是错误的；加入催化剂会同时改变正、逆反应的化学反应速率，选项B是错误的；降低反应温度会使反应速率降低，将延长反应达到平衡的时间，选项C是错误的；根据化学反应速率的表示方法可判断出选项D是正确的。
3．下列说法中可以说明密闭容器中的反应：P(g)＋Q(g)((R(g)＋S(g)在恒温下已达平衡状态的是( )
A．反应容器内压强不随时间变化而变化
B．P和S的生成速率相等
C．反应容器内P、Q、R、S四者共存
D．反应容器内总物质的量不随时间变化而变化
答案 B
解析 在该反应中，反应前后的气体总物质的量不变，反应无论是否达到化学平衡，反应容器内压强都不随时间变化而变化，总物质的量也不随时间变化而变化，并且四种物质始终是共存的，正确答案为B。
4．可逆反应N2(g)＋3H2(g)((2NH3(g)，下列能够说明反应已经达到平衡的是( )
A．NH3不再分解
B．正、逆反应都不在进行
C．每生成2个NH3分子的同时，消耗3个H2分子
D．每生成2个NH3分子的同时，生成1个N2分子
答案 D
解析 反应达到平衡时并没有停止，正、逆反应速率不等于0，A项错；反应开始后，正、逆反应均在持续进行，只是达到平衡时二者速率相等，B项错；消耗H2分子与生成NH3分子都表示的是正反应速率，C项错；生成1个N2分子的同时生成2个NH3分子，正、逆反应速率相等，D项正确。
题组二 化学反应中的能量变化
5．参照反应Br＋H2((HBr＋H的能量对应反应过程的示意图，下列叙述中正确的是( )
A．正反应为吸热反应
B．吸热反应一定要加热后才能发生
C．反应物总能量高于生成物总能量
D．升高温度可增大正反应速率，降低逆反应速率
答案 A
解析 由图像知反应物的总能量低于生成物的总能量，故正反应为吸热反应，A项正确、C项错误；吸热反应不一定要加热才能进行，如Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应，B项错误；对于任何一个反应而言，升高温度，可以使正反应速率与逆反应速率都加快，D项错误。
6．下图是碳和水蒸气发生反应生成CO、H2的途径和三个状态的能量，该反应为吸热反应，试问：
(1)步骤1、2分别是吸热过程还是放热过程？
步骤1：________，步骤2：________。
(2)比较E1、E2、E3的大小：______________________________________。
答案 (1)吸热 放热 (2)E2>E3>E1
解析 由题中转化图可知，步骤1为化学键的破坏过程，要吸收热量，步骤2为化学键的形成过程，要放出热量，且碳和水蒸气反应生成CO、H2为吸热反应，故E2>E3>E1。
题组三 原电池基础知识及应用
7．某原电池的电池反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，与此电池反应不符合的原电池是( )
A．铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
B．石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
C．铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池
D．银片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
答案 C
解析 根据原电池的电池反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋可知，Fe为负极，比Fe不活泼的金属或非金属导体作正极，含Fe3＋的溶液为电解质溶液。
8．一个由锌片和石墨棒作为电极的原电池，电极反应分别是：
锌片：2Zn＋4OH－－4e－===2ZnO＋2H2O
石墨：2H2O＋O2＋4e－===4OH－
下列说法不正确的是( )
A．电子从石墨经外电路流向锌片
B．锌片是负极，石墨是正极
C．电极总反应为2Zn＋O2===2ZnO
D．该原电池工作一段时间后石墨附近溶液的pH增大
答案 A
解析 由电极反应可知：锌片一极发生氧化反应，为负极，石墨一极发生还原反应，为正极，电子在外电路中从负极(Zn片)流向正极(石墨)，反应时石墨一极产生OH－，石墨附近溶液c(OH－)增大，pH增大。
9．茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt-Fe合金为电极材料的海水电池。在这种电池中( )
①铝合金是正极 ②铝合金是负极 ③海水是电解液
④铝合金电极发生还原反应
A．②③ B．②④
C．①③ D．①④
答案 A
解析 其中活泼的一极为负极，即为铝合金，②对；电极在海水中，故海水为电解质溶液，③对；铝合金为负极，则发生氧化反应，故④错。
10．依据氧化还原反应：2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag设计的原电池如图所示。请回答下列问题：
(1)电极X的材料是________；电解质溶液Y是_____________________________。
(2)银电极为电池的__________极，发生的电极反应式为______________________；
X电极上发生的电极反应为________(填“氧化”或“还原”)反应。
(3)外电路中的电子________(填“流出”或“流入”)Ag电极。
(4)当有1.6 g铜溶解时，银棒增重________g。
答案 (1)Cu AgNO3 (2)正 Ag＋＋e－===Ag 氧化 (3)流入 (4)5.4
解析 (1)由反应2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag可知，在反应中，Cu被氧化，失电子，应为原电池的负极，所以X电极材料是Cu，Ag＋在正极上得电子被还原，电解质溶液为AgNO3。(2)正极为活动性比Cu弱的Ag，Ag＋在正极上得电子被还原，电极反应为Ag＋＋e－===Ag，X电极是铜电极，发生氧化反应生成铜离子。(3)外电路中电子从负极Cu沿导线流向正极Ag。(4)设银棒增重为m，根据电池总反应得：
Cu ～ 2Ag
64 216
1.6 g m
所以＝，解得m＝5.4 g。
题组四 守恒法在原电池中的应用
11．对于锌、铜、稀硫酸组成的原电池装置中，当导线中有1 mol 电子通过时，理论上两极变化是( )
①锌片溶解了32.5 g ②锌片增重32.5 g ③铜片上析出1 g H2 ④铜片上析出1 mol H2
A．①③ B．①④ C．②③ D．②④
答案 A
解析 锌、铜、稀硫酸组成的原电池的电极反应为
负极：Zn－2e－===Zn2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑。
则计算关系式为
Zn ～ 2e－ ～ H2
1 mol 2 mol 1 mol
0.5 mol 1 mol 0.5 mol
m(Zn)＝0.5 mol×65 g·mol－1＝32.5 g，m(H2)＝0.5 mol×2 g·mol－1＝1 g。
12．现用如图装置来测定某原电池工作时在某段时间内通过导线的电子的物质的量。量筒的规格为1 000 mL，供选择的电极材料有纯铜片和纯锌片。
请回答下列问题：
(1)b电极材料为________，其电极反应式为______________________________________。
(2)当量筒中收集到672 mL(标准状况下)气体时，通过导线的电子的物质的量为________mol，此时a电极质量________(填“增加”或“减少”)________g。
(3)如果将a、b两电极的电极材料对调，U形管中将出现的现象是________________________________________________________________________。
答案 (1)铜 2H＋＋2e－===H2↑
(2)0.06 减少 1.95
(3)左端液面下降，右端液面上升
解析 (1)纯铜片和纯锌片、稀硫酸组成原电池，由图可知b电极处有氢气生成，则b为铜，为正极；a为锌，为负极；b电极上氢离子得电子生成氢气，其电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。(2)当量筒中收集到672 mL(标准状况下)气体时，n(H2)＝＝＝0.03 mol，已知b电极上的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，则通过导线的电子的物质的量为0.06 mol，a电极上的反应为Zn－2e－===Zn2＋，则溶解的Zn的物质的量为0.03 mol，减少的Zn的质量为65 g·mol－1×0.03 mol＝1.95 g。(3)如果将a、b两电极的电极材料对调，则右边为锌，失电子作负极，左边为铜，作正极，氢离子得电子生成氢气，所以U形管中左端液面下降，右端液面上升。
题组五 电解池的工作原理及应用
13．采用惰性电极从NO、SO、H＋、Cu2＋、Ba2＋、Ag＋、Cl－等离子中，选出适当的离子组成电解质，对其溶液进行电解。
(1)两极分别放出H2和O2，电解质的化学式是____________。
(2)阴极析出金属，阳极放出O2，电解质的化学式是________。
(3)两极分别放出气体，且体积比为1∶1，电解质的化学式是________。
答案 (1)HNO3、H2SO4、Ba(NO3)2
(2)Cu(NO3)、CuSO4、AgNO3
(3)BaCl2、HCl
14．如下图所示，用a、b两惰性电极电解200 mL CuSO4溶液，通电一段时间后，当a极的质量不再增加时，取出洗净干燥后，发现质量增加了6.4 g。回答下列问题：
(1)标出电源的正负极：c为________，d为________。
(2)b极上发生反应的电极反应式为________________，溶液中总的反应方程式为________________________________________________________________________。
(3)反应前CuSO4溶液的物质的量浓度为________________________________________，
反应后溶液中H＋的浓度为_______________________________________。
(均不考虑溶液体积变化)
答案 (1)负极 正极
(2)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑
(3)0.5 mol·L－1 1 mol·L－1
解析 (1)a极质量增加，说明a极有Cu析出，应为阴极，故c为负极，d为正极。(2)b极与电源的正极d相连，故b极为阳极，由于放电顺序：OH－>SO，所以电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。溶液中总的反应方程式为2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑。(3)n(CuSO4)＝n(Cu)＝＝0.1 mol，则反应前c(CuSO4)＝＝0.5 mol·L－1。由电解的总反应方程式可知，c(H＋)＝2c(H2SO4)＝2c(CuSO4)＝1 mol·L－1。
题组六 综合应用
15．硫—碘循环分解水制氢主要涉及下列反应：
Ⅰ SO2＋2H2O＋I2===H2SO4＋2HI
Ⅱ 2HI((H2＋I2(g)
Ⅲ 2H2SO4===2SO2＋O2＋2H2O
(1)分析上述反应，下列判断正确的是________(填字母，下同)。
A．反应Ⅲ易在常温下进行
B．反应Ⅰ中SO2氧化性比HI强
C．循环过程需补充H2O
D．循环过程产生1 mol O2的同时产生2 mol H2
(2)在一定条件下，体积不变的密闭容器中，能说明反应Ⅱ达到化学平衡状态的是________。
A．混合气体的颜色不再变化
B．混合气体的密度不再改变
C．反应混合物中各组分物质的浓度相等
D．H2、HI、I2三种物质的反应速率之比为1∶2∶1
E．容器中气体压强不变
(3)一定温度下，向1 L密闭容器中加入1 mol HI(g)，发生反应Ⅱ，H2物质的量随时间的变化如图所示。
①0～2 min内的平均反应速率v(HI)＝________。
②下列关于化学反应速率的说法正确的是________。
A．对任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显
B．化学反应速率常用单位时间内任何一种反应物物质的量的减小或生成物物质的量的增加来表示
C．在一定条件下，可逆反应达到化学平衡状态时，正、逆反应的速率不再改变
D．增大反应物的浓度、降低反应的温度都能增大反应速率
③A点的逆反应速率v逆(H2)________(填“大于”“小于”或“等于”)B点的正反应速率v正(H2)。
答案 (1)C (2)A (3)①0.1 mol·L－1·min－1
②C ③小于
解析 (1)Ⅰ中生成2 mol H2SO4需消耗4 mol水，而Ⅲ中分解2 mol H2SO4生成2 mol水，所以循环过程中需补充水，Ⅱ为可逆反应，Ⅲ不是可逆反应，所以产生1 mol O2的同时不会产生2 mol H2。
(3)①v(HI)＝＝0.1 mol·L－1·min－1。
③由于B点HI的浓度大于A点浓度，所以B点H2正反应速率大于A点H2的逆反应速率。
16．(1)以CuSO 4 溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼，下列说法正确的是____________(填字母)。
a．电能全部转化为化学能
b．粗铜接电源正极，发生还原反应
c．溶液中Cu 2＋ 向阳极移动
d．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属
(2)下列装置可实现电解CuCl2溶液，c、d均为石墨。据图回答下列问题：
①Ⅰ是________池，Ⅱ是________池。
②写出下列电极反应式
Fe：________________________________________________________________________；
c：________________________________________________________________________。
③当Cu增重3.2 g时，Ⅱ中收集到标准状况下气体体积为________L(CuCl2足量)。
答案 (1)d (2)①原电 电解 ②Fe－2e－===Fe2＋ 2Cl－－2e－===Cl2↑ ③1.12
解析 (1)粗铜的电解精炼，粗铜接电源正极，发生氧化反应，b项不正确；溶液中Cu2＋向阴极移动，发生还原反应，c项不正确；电解精炼的过程中电能不能全部转化为化学能，小部分转化为热能，a项不正确。(2)①Ⅰ中有两个活泼性不同的电极，应为原电池，Ⅱ为电解池；②Fe比Cu活泼作负极，所以c为阳极，d为阴极；③Cu增重3.2 g即析出3.2 g Cu，转移电子物质的量为0.1 mol，由电子守恒知Ⅱ中生成Cl2为0.05 mol。
专题二 化学反应与能量转化 专题重难点突破
一、化学反应速率影响因素探究
北京故宫的“云龙陛石”上曾经雕刻有精美的蟠龙图案，近些年来，这些浮雕遭到严重的损坏。而以前几百年这种腐蚀都是很慢的，那为什么近些年来的腐蚀就加快了呢？这就要从影响化学反应速率的因素来分析了。
1．内因
决定化学反应速率大小的主要因素是反应物的性质，而不是外界条件。
2．外因
影响化学反应速率的外界条件很多，如浓度、压强、温度、催化剂等。另外，形成原电池也可以加快反应速率。
影响化学反应速率的因素
规律
内因
反应物的性质
在其他条件相同时，反应物的性质越活泼，化学反应速率越快；反应物的化学性质越不活泼，化学反应速率越慢
外因
反应物的浓度
在其他条件相同时，增加反应物的浓度，可使反应速率加快
反应温度
在其他条件相同时，升高温度，可加快化学反应速率
反应时的压强
对有气体参加的反应，在其他条件相同时，增大压强，可加快化学反应速率
催化剂
在其他条件相同时，使用正催化剂，可极大地加快化学反应速率
固体反应物的表面积
在其他条件相同时，增大固体反应物的表面积，即固体反应物的颗粒越小，化学反应速率越快
其他
光波、超声波、磁场、溶剂等也能改变某些反应的速率
注意 ①对于有固体或纯液体参加的化学反应，改变它们的量不会引起浓度的变化，对它们的反应速率无影响。例如：C(s)＋CO2(g)2CO(g)，增加C的量，对此反应的反应速率无影响。
②压强只对有气体参加或生成的化学反应的速率有影响，若一个化学反应的反应物、生成物中均无气体，则压强对此反应的反应速率无影响。压强对反应速率的影响关键是看改变压强是否改变相关物质的浓度。对于有气体参加的反应体系，压强改变的实质是气体物质浓度的改变。有以下几种情况：
A．恒温：增大压强→体积减小→浓度增大→反应速率加快
B．恒容：充入气体反应物→浓度增大→反应速率加快
充入稀有气体→总压增大，但各物质浓度不变→反应速率不变
C．恒压：充入稀有气体→体积增大→各反应物浓度减小→反应速率减慢
③多个因素影响反应速率变化要看主要因素
例如：锌与稀硫酸反应的图像如图，由图像可知氢气的生成速率随时间先由慢到快，然后又由快到慢。反应体系中硫酸所提供的氢离子浓度是由高到低，若氢气的生成速率由其决定，速率的变化趋势也应由快到慢，所以反应前半程速率增大的原因是温度所致，锌与硫酸反应时放热体系温度逐渐升高，温度对反应速率的影响占主导地位。一定时间后，硫酸的浓度下降占据主导地位，因而氢气的生成速率随时间先由慢到快，然后又由快到慢。
【例1】 等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应，测定在不同时间t产生气体体积V的数据，根据数据绘制得到下图，则曲线a、b、c、d所对应的实验组别是( )
组别
c(HCl)/mol·L－1
温度/℃
状态
1
2.0
25
块状
2
2.5
30
块状
3
2.5
50
块状
4
2.5
50
粉末状
A.4－3－2－1 B．1－2－3－4
C．3－4－2－1 D．1－2－4－3
解析 化学反应速率与温度、浓度和固体物质的表面积大小有关，实验1的盐酸的浓度最小，反应的温度最低，所以化学反应速率最小；物质状态相同时由于实验3的反应温度比实验2的反应温度高，所以反应速率实验3的大于实验2的；而实验4和实验3盐酸的浓度相同，反应的温度也相同，但物质的状态不相同，所以实验4的反应速率大于实验3的。
【例2】 反应E＋F===G在温度T1下进行，反应M＋N===K在温度T2下进行，已知：T1>T2，且E和F的浓度均大于M和N的浓度，则两者的反应速率( )
A．前者大 B．后者大
C．一样大 D．无法判断
解析 因为这两个反应是不同的反应，而决定反应速率的主要因素是内因(反应物本身的性质)，故尽管前者的反应温度高、浓度大，但反应速率不一定大于后者，如合成氨反应在高温、高压且有催化剂的条件下进行，其速率也不如低温下的酸碱中和反应的速率大。故两者的反应速率快慢无法比较。
答案 D
易错警示 本题很容易错选A，因为教材中用较多的篇幅介绍了温度、浓度、催化剂等外界因素对化学反应速率的影响，而忽视了内因才是决定化学反应速率的关键；外界因素在内因相同的情况下(即反应相同时)才会决定反应速率的大小，在进行分析判断反应速率大小时应遵循以下思路：①先看内因；②内因相同者，再看外界因素(温度、浓度、压强、催化剂等)。
二、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三步曲：“一看”“二想”“三判断”。
“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、浓度的变化还是转化率的变化等。
“二想”——想规律
如各物质的转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。
“三判断”——通过对比分析，作出正确判断。
【例3】 在一定温度下，容器内某一反应中M、N的物质的量随反应时间变化的曲线如图所示，下列表述正确的是( )
A．反应的化学方程式为2M((N
B．t2时，正、逆反应速率相等，达到平衡
C．t3时，正反应速率大于逆反应速率
D．t1时，N的浓度是M浓度的2倍
解析 由图像可知N为反应物，M为生成物，然后找出在相同时间段内变化的M、N的物质的量之比(与是否达平衡无关)以确定M、N在化学方程式中的化学计量数之比，即该反应的化学方程式为2N((M。t2时刻M、N的物质的量相等，但此时M、N的物质的量仍在发生变化，反应未达到平衡状态，因此正反应速率不等于逆反应速率。t3时刻及t3时刻之后，M、N的物质的量不再改变，证明已达到平衡状态，此时正、逆反应速率相等。
【例4】 在密闭容器中充入一定量NO2，发生反应2NO2(g)((N2O4(g) ΔH＝－57 kJ·mol－1。在温度为T1、T2时，平衡体系中NO2的体积分数随压强变化的曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A．a、c两点的反应速率：a>c
B．a、b两点NO2的转化率：aC．a、c两点气体的颜色：a深，c浅
D．由a点到b点，可以用加热的方法
解析 由图像可知，a、c两点都在等温线上，c的压强大，则a、c两点的反应速率：a答案 B
三、化学平衡状态的特征及其判断方法
1．化学平衡的特征
化学平衡状态是一个动态平衡，化学反应并没有停止，不过反应物、生成物浓度不再改变，即反应混合物的百分组成不变的状态。其特征是
(1)动：动态平衡，正逆反应仍在进行，v正＝v逆≠0。
(2)定：反应混合物中各组分的浓度保持一定，各组分的含量保持不变。
(3)变：条件改变，原平衡被破坏，在新的条件下建立新的平衡。
2．判断化学反应达到平衡的标志
(1)根本性标志：v正＝v逆≠0。
①正逆反应的描述：同一物质的消耗和生成速率相等，或反应物和生成物的消耗或生成按化学计量数成比例，即必须体现出双方向的变化。
②速率相等：同一物质速率的数值相等，不同物质速率比等于化学方程式中的化学计量数之比。
(2)等价标志：在其他条件一定的情况下，下列物理量不变可以说明反应达平衡。
①混合气体中各组分的体积百分含量不变(或体积比不变)；
②某物质的转化率不变或某物质的质量或物质的量不变；
③体系中含有色物质时，颜色不随时间的变化而变化；
④同种物质化学键的断裂与化学键的形成的物质的量相等，若以化学键或浓度表示，则必须对应反应物和生成物且要按反应方程式计量数关系成比例。
(3)特殊标志：
①若反应前后气体的总分子数不相等，总压强不变或总物质的量不变或平均分子量不变，可以说明反应达到了平衡状态。
②若反应前后气体的总分子数相等时，若反应物或生成物中有一个是非气体，平均相对分子量不变，可以说明反应达到了平衡状态。
③当给定的是密度不变时，要考虑容器体积和气体总质量变化，若二者都不变，则不能说明反应达到了平衡状态。
【例5】 某温度下，在2 L密闭容器中X、Y、Z三种物质(均为气态)间进行反应，其物质的量随时间的变化曲线如图。依图回答：
(1)该反应的化学方程式可表示为_______________________________________。
(2)反应起始至t1 min(设t1＝5)，Y的平均反应速率是_________________________。
(3)在t1 min时，该反应达到了________状态，下列可判断反应已达到该状态的是________(填字母)。
A．X、Y、Z的反应速率相等
B．X、Y的反应速率比为2∶3
C．混合气体的密度不变
D．生成1 mol Z的同时生成2 mol X
E．X、Y、Z物质的量之比等于化学方程式中计量数之比
F．混合气体的总压强不再发生改变
解析 (1)观察图像可得X的物质的量减少2.4 mol－1.6 mol＝0.8 mol，X为反应物，Y的物质的量增加1.2 mol，Z的物质的量增加0.4 mol，Y、Z的物质的量增加，可判断Y、Z为生成物，在相同时间内，同一容器中，其速率之比等于化学方程式中计量数之比，等于物质的量变化之比，即v(X)∶v(Y)∶v(Z)＝0.8 mol∶1.2 mol∶0.4 mol，反应达到t1时刻后，X、Y、Z共存，其物质的量不变可判断该反应为可逆反应，t1时刻达到了化学平衡，该反应的化学方程式为2X(g)((3Y(g)＋Z(g)。(2)v(Y)＝＝0.12 mol·L－1·min－1。(3)由反应方程式可知，达平衡时X、Y、Z的反应速率不相等；反应进行中，无论是否达到平衡X、Y的速率之比始终为2∶3；X、Y、Z均为气体，反应前后气体的质量不变，体积也不变，密度不变，根据密度不能判断反应是否达到平衡；生成1 mol Z是正反应方向，生成2 mol X是逆反应方向，v正＝v逆，反应达到平衡；X、Y、Z物质的量之比与计量数比不等；根据反应方程式可知，该反应前后压强有变化，当压强不变时，反应达到了平衡。
答案 (1)2X(g)((3Y(g)＋Z(g) (2)0.12 mol·L－1·min－1 (3)化学平衡 DF
四、详析化学反应中热量的变化
我们在做化学实验时，经常会感受到有热量的变化，比如钠与水的反应等，其实在化学反应中，不仅有物质的变化，即新物质的生成，而且还伴随着能量的变化，有的反应是吸热的，有的反应是放热的。而化学反应中物质变化的实质是旧化学键断裂和新化学键形成。
化学反应是化学科学研究的核心，化学反应过程中的物质变化要遵循质量守恒定律，而能量变化要遵循能量守恒定律。在化学反应过程中一定存在着能量的变化，而这些能量变化大多数表现为热量的变化，这就实现了化学能与热能的转化。
1．从化学键的角度理解
在化学变化前后，参加反应的原子的种类和个数并没有改变，只是进行了原子之间的重组和整合；原子进行重组、整合的过程，实际上就是反应物中化学键断裂和生成物中化学键形成的过程。由于反应物中化学键的断裂要消耗能量，而生成物中化学键的形成要释放能量，因此我们将化学反应中能量变化表示为
反应物生成物
这样，当反应中吸收的能量大于释放的能量时，反应表现为吸收能量，该反应为吸热反应；
当反应中吸收的能量小于释放的能量时，反应表现为放出能量，该反应为放热反应。
【例6】 已知：①1 mol H2分子中化学键断裂时需吸收436 kJ 的能量；②1 mol Cl2分子中化学键断裂时需吸收243 kJ的能量；③由氢原子和氯原子形成1 mol HCl分子时释放 431 kJ 的能量。则1 mol H2和1 mol Cl2反应生成氯化氢气体时的能量变化为( )
A．放出能量183 kJ B．吸收能量183 kJ
C．吸收能量248 kJ D．吸收能量862 kJ
解析 根据反应的化学方程式：H2＋Cl22HCl，可知在反应过程中，断裂1 mol H—H键、1 mol Cl—Cl键，同时形成2 mol H—Cl键。计算可知生成2 mol HCl气体时，吸收的热量为436 kJ＋243 kJ＝679 kJ，放出的热量为431 kJ×2＝862 kJ，故反应中放出的热量为862 kJ－679 kJ＝183 kJ，A对。
答案 A
特别提示 从化学键的角度看能量变化时，首先要明确物质内部的化学键的数目。要是对物质中化学键的数目认识错误，就会导致错误的计算结果，比如每个水分子中含有的H—O键的数目为2个。
2．从化学能的角度理解
自然界中存在着成千上万种物质，但不同的物质能量不同，因此在化学反应前后反应物和生成物所具有的能量也是不同的。我们还可以从化学能的角度，也就是从反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小来看一个化学反应的能量变化。
若反应物的总能量>生成物的总能量，则化学反应放出能量，该反应为放热反应；
若反应物的总能量<生成物的总能量，则化学反应吸收能量，该反应为吸热反应。
3．化学反应中能量变化的计算
(1)用E(反应物)表示反应物的总能量，E(生成物)表示生成物的总能量，ΔQ表示能量变化，则：
ΔQ＝E(生成物)－E(反应物)。
(2)用Q(吸)表示反应物分子断裂时吸收的总能量，Q(放)表示生成物分子成键时放出的总能量，ΔQ表示能量变化，则：ΔQ＝Q(吸)－Q(放)。
【例7】 下列有关化学反应中能量变化的理解，正确的是( )
A．凡是伴随能量变化的过程都是化学变化
B．在化学反应过程中总是伴随着能量的变化
C．在确定的化学反应中反应物的总能量一定等于生成物的总能量
D．在确定的化学反应中反应物的总能量总是高于生成物的总能量
解析 在化学变化中，既有物质的变化又有能量的变化，但是有能量变化的过程不一定就是化学变化，如水的三态变化。在确定的化学反应中，反应物的总能量不等于生成物的总能量，当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热；当反应物的总能量小于生成物的总能量时，反应吸热。
答案 B
五、从氧化还原反应原理分析原电池
原电池是把化学能转化为电能的装置。构成原电池的条件有哪些？是不是所有的化学反应均可以设计成原电池呢？在学习过程中，这些问题可能一直使同学们感到困惑，下面我们一起来分析，解开困惑。
1．原电池与氧化还原反应的关系
我们在学习氧化还原反应时，经常用单线桥或双线桥标注电子转移的方向和数目，如：
氧化还原反应中存在电子的得失，在该反应中，线桥仿佛是一根导线，假如电子能在导线上流动，就会由电子的转移变成电子的定向移动，也就形成了电流。因此，并不是所有的反应均可以设计成原电池，只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。
从单线桥上看，可将导线一端连接在锌极上，另一端当然不可能直接放在溶液中，因此可将另一端连接在一个能导电的电极上，如石墨电极。这样连接后，在整个装置中就会出现与原来不同的实验现象：氢气在石墨电极上大量产生。为什么会出现这样的现象呢？原因在于：当锌片直接放入硫酸溶液中时，锌失去的电子集中在锌片表面，溶液中的H＋在锌的表面获得电子生成氢气。而当锌、石墨共同放入硫酸溶液并用导线连接时，电子就会沿导线流向石墨电极，这样在石墨电极表面聚集了大量电子，溶液中的H＋移向石墨电极并获得这些电子生成氢气。在这个过程中，电子在导线中实现了定向移动，即形成了电流。这样，化学反应的化学能就转变成了电能，这样的装置我们称之为原电池。
2．原电池的构成
从以上分析可以看出，原电池是由两个活动性不同的电极、电解质溶液构成的闭合回路，也就是说原电池的构造是：①两个活动性不同的电极；②电解质溶液；③闭合回路，如下图。
在原电池中，科学上规定把电子流出的一极称为负极(较活泼的金属)；把电子流入的一极(较不活泼的金属或惰性电极)称为正极。在上面的原电池中，锌为负极，发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋，石墨为正极，发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，这两个半反应恰好是氧化还原反应中的两个线桥。
也就是说，原电池实质上是将氧化反应和还原反应分到了两个电极上进行，使其分别成为一个“半反应”，因此，根据氧化还原反应方程式可以很容易地设计原电池装置。
【例8】 人造地球卫星上使用的一种高能电池——银锌蓄电池，其电池的电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。据此判断Ag2O是( )
A．负极，被氧化 B．正极，被还原
C．负极，被还原 D．正极，被氧化
解析 由题给电极反应式可知，Ag2O得到电子，发生还原反应，作原电池的正极。
答案 B
3．电子的流向及离子的流向
整个原电池装置是一个闭合回路，在外电路中(导线)是靠电子的定向移动导电，在溶液中则是靠阴、阳离子的定向移动导电。在外电路中，电子是由负极流向正极，电流的方向与电子移动的方向相反，由正极流向负极。在溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，这里我们只需记住：阳离子一定移向发生还原反应的极，即阳离子一定是为获得电子而奔去。
原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)如下图所示：
4．电子的得失守恒
电子守恒法是依据氧化还原反应中氧化剂得到的电子总数与还原剂失去的电子总数相等这一原则进行计算的。电子守恒法是氧化还原反应计算的最基本的方法，而原电池反应就是一种典型的氧化还原反应，只不过氧化反应和还原反应在负极和正极分别发生。因此可以利用电子守恒法来处理原电池的有关计算。具体来说就是正极得到的电子总数与负极失去的电子总数相等。
【例9】 (1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流表。
锌片上发生的电极反应为________________________________________________。
银片上发生的电极反应为______________________________________________。
(2)若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47 g，试计算：
①产生氢气的体积(标准状况)；②通过导线的电量。(已知NA＝6.02×1023 mol－1，电子的电荷量为1.60×10－19 C)
解析 (1)在锌片、银片、稀硫酸组成的原电池中，锌片作负极，其电极反应为Zn－2e－===Zn2＋；银片作正极，其电极反应为2H＋＋2e－===H2↑；则电池总反应式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。(2)根据电极反应式找出已知量与电量之间的定量关系进行计算。①电极减少的质量等于生成氢气所消耗的锌的质量，设产生的氢气体积为x，则：
Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
65 g 22.4 L
60 g－47 g＝13 g x
x＝13 g×22.4 L÷65 g＝4.48 L。
②反应消耗的锌的物质的量为13 g÷65 g·mol－1＝0.2 mol。1 mol Zn变为Zn2＋时，转移2 mol e－，则通过的电量为0.2 mol×2×6.02×1023 mol－1×1.60×10－19 C≈3.85×104 C。
答案 (1)Zn－2e－===Zn2＋ 2H＋＋2e－===H2↑
(2)①4.48 L ②3.85×104 C
六、原电池正极和负极的判断方法
1．根据电极材料判断
一般是活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
2．根据电流方向或电子流动方向判断
电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。
3．根据原电池里电解质溶液中离子的移动方向
在原电池的电解质溶液中，阳离子移向的极为正极，阴离子移向的极为负极。
4．根据原电池两极发生的变化判断
原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应。
5．根据现象判断
溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。
特别提示 在判断原电池正、负极时，不要只根据金属活动性的相对强弱，有时还与电解质溶液有关，如Mg－Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属性Mg>Al，但在该条件下是Al作负极。因此要根据具体情况来判断正、负极。
【例10】 根据反应：2Ag＋＋Cu===Cu2＋＋2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是( )
A．X可以是银或石墨
B．Y是硫酸铜溶液
C．电子从铜电极经外电路流向X电极
D．X极上的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag
解析 由电池反应2Ag＋＋Cu===2Ag＋Cu2＋可知，铜作负极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋；X为正极，可以是比铜不活泼的银或石墨等，电极反应为Ag＋＋e－===Ag；电解质溶液中需含有Ag＋，故B说法错误。
答案 B
七、原电池的电极反应及其书写方法
电极上物质的变化情况以及电子的转移情况可用电极反应式来表明。在原电池中，氧化反应和还原反应是分别在两个电极上进行的，每个电极上只发生一个方向的电子转移，相当于氧化还原反应的一半，常称为半反应。这种在电极上进行的半反应叫做电极反应。电极反应总是涉及含有同一元素但价态不同的两种物质，一种处于较高价态，另一种处于较低价态。以Cu－Zn(H2SO4)原电池为例：
负极反应：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)，正极反应：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)。
而电池总反应则为电池中正、负极反应式在电量相等情况下的加和式，一般是一个自发的、完整的氧化还原反应。例如原电池的电池总反应：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑(化学方程式)，Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑(离子方程式)。
【例11】 钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下说法正确的是( )
A．负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋
B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－
C．原电池是将电能转变为化学能的装置
D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀
解析
选项
正误
理由
A
√
负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋，Fe作负极，C作正极
B
×
正极发生的反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C
×
原电池是将化学能转变为电能的装置
D
×
水下部分溶解氧的浓度比交界处小，因而腐蚀比交界处慢
答案 A
1．电极反应式书写的几种情况
(1)可充电电池电极反应式的书写
在书写可充电电池的电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向反应都能进行，所以要明确电池和电极，放电时为原电池，充电时为电解池。原电池的负极反应为放电方向的氧化反应；原电池的正极反应为放电方向的还原反应。
(2)根据给出电极反应式书写总反应式
根据给出的两个电极反应式书写总反应式时，首先要使两个电极反应式的得失电子数相等，再将两式相加，然后消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意，若反应式同侧出现不能大量共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和SO，要写成反应后的物质，即H2O和PbSO4。
(3)燃料电池电极反应式的书写
书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸还是碱。在酸性电解质溶液中，电极反应式不要出现OH－；在碱性电解质溶液中，电极反应式不要出现H＋。同时还要分清燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、
CH3OH、C4H10、C2H5OH……)，但无论是哪一种燃料，在碱性条件下，正极反应式都是一样的，即O2＋2H2O＋4e－===4OH－，若是在酸性条件下，则正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。如果是含碳燃料时，负极反应式的书写同甲烷燃料电池的书写，只是需要考虑用电荷守恒来配平不同的计量数。
2．几种燃料电池的电极反应式及总反应式
(1)氢氧燃料电池
在不同的介质中发生的电极反应归纳如下：
介质
电池反应：2H2＋O2===2H2O
酸性
(H＋)
负极
2H2－4e－===4H＋
正极
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性
(Na2SO4)
负极
2H2－4e－===4H＋
正极
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性
(OH－)
负极
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
(2)甲醇燃料电池
电解质：KOH；正极反应式：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；负极反应式：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O；总反应式：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。
(3)肼燃料电池
电解质：KOH；正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；负极反应式：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O；总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O。
【例12】 科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电，电池负极反应式为( )
A．H2＋2OH－－2e－===2H2O
B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．H2－2e－===2H＋
D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
解析 根据题给信息，该燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O；电解质为酸性溶液，电极反应式中不能出现OH－，A错误；又因为燃料电池中负极通入氢气，正极通入氧气，B、D错误。
答案 C
