第二章化学反应与能量
【学习目标】1.通过归纳整理,巩固化学能与热能的关系。2.通过练习与归纳,能正确书写常见燃料电池电极反应式和电池反应式。3.通过讨论与交流、能正确判断化学平衡状态。
【学习重点】燃料电池电极反应式的书写方法,化学平衡状态的判断。
【温馨提示】燃料电池电极反应式的书写、化学平衡状态的判断可能是你学习的难点。
【自主学习】1.回顾所学知识,阅读教材P55“归纳与整理”,完成教材填空。
2.回顾梳理本章知识体系:
【同步学习】一、化学能与热能
活动一:巩固化学能与热能的关系
例1. 1 molH–I 键的键能是299KJ。 1mol I – I 键的键能是151KJ, 1mol H–H键的键能是436KJ, 则H2(g)+I2(g)=2HI(g)的反应是 ( )
A. 吸热反应 B. 放热反应 C. 分解反应 D. 可逆反应
例2. 2C + O2 = 2CO,2CO + O2 = 2CO2 都是放热反应。据此推断,下列说法不正确的是 ( )
A. 12gC所具有的能量一定高于28gCO所具有的能量
B. 56gCO和32gO2所具有的总能量大于88gCO2所具有的总能量
C. 12gC和32gO2所具有的总能量大于44gCO2所具有的总能量
D. 将一定质量的碳燃烧,生成CO2比生成CO时放出的热量多
归纳小结:化学反应的基本特征是 ;化学反应中能量变化的微观原因是 ,宏观因素是 。物质能量越低越 。常见的吸热反应类型有 ,常见的放热反应类型有 。
对应练习1.一般硫粉含有S(单斜)和S(正交)两种同素异形体。已知常温下:S(单斜)+O2(g) =SO2(g) 1mol S(单斜)完全燃烧放出297.16 kJ能量;S(正交)+O2(g) = SO2(g) 1mol S(正交)完全燃烧放出296.83kJ能量,下列说法错误的是 ( )
A.S(g) + O2(g) = SO2(g),1mol S(g)完全燃烧放出的能量大于297.16 kJ
B.单斜硫转变为正交硫的能量变化可用右图表示
C.常温下正交硫比单斜硫稳定
D.单斜硫转化为正交硫的反应是放热反应
对应练习2.白磷与氧可发生如下反应:P4+5O2=P4O10。已知断裂下列化学键需要吸收的能量分别为:P—P akJ·mol—1、P—O bkJ·mol—1、P=O ckJ·mol—1、O=O dkJ·mol—1。
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根据图示的分子结构和有关数据估算1mol P4发生上述反应放出的能量是( )
A.(6a+5d-4c-12b)kJ·mol—1 B(4c+12b-6a-5d)kJ·mol—1
C.(4c+12b-4a-5d)kJ·mol—1 D.(4a+5d-4c-12b)kJ·mol—1
二、化学能与电能
活动二:巩固燃料电池电极反应式的书写
例3.某燃料电池以熔融的K2CO3(其中不含O2-和HCO3-)为电解质,以C8H18为燃料,以空气为氧化剂,以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题:
(1)写出该燃料电池的化学反应方程式: ___________ 。
(2)写出该燃料电池的电极反应式,正极: 。 负极: 。
(3)为了使该燃料电池长时间稳定运行,电池的电解质组成应保持稳定。为此,必须在通入的空气中加入一种物质,加入的物质是什么,它从哪里来?
归纳小结:1.燃料电池总反应式方程式的书写
因为燃料电池发生化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同,可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应式,但要注意燃料的种类。若是氢氧燃料电池,其总反应式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性变化而变化,即2H2+O2=2H2O。若燃料是含碳元素的可燃物,其电池总反应式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关,如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成 和 ,在碱性电解质中生成 和 。
2.燃料电池正极反应式的书写
因为燃料电池正极反应物一般是氧气,正极反应的本质是O2得电子生成O2-离子,在酸性溶液中O2-离子与 结合生成 ,在碱性或中性溶液中O2-离子与 结合生成 ,在熔融碳酸盐环境中O2-离子与 结合生成 ,O2-离子在某些固体电解质中可存在。
3.燃料电池负极反应式的书写
一般燃料电池的负极反应式采用间接方法书写,即先写出总反应式和正极反应式,然后在 守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。
对应练习3.写出下列燃料电池电极反应式及总反应式。
(1)C2H6燃料电池,电解质为KOH溶液
负极:__________________________________________,正极:______________________________
总反应:_________________________________________________
(2)CH3OH燃料电池,电解质为KOH溶液
负极:______________________________________,正极:___________________________________
总反应:_________________________________________________
(3)H2S燃料电池,电解质为酸性溶液
负极:____________________________________,正极:_______________________________________
总反应:_________________________________________________
(4)铝、空气燃料电池(海水)
负极:_____________________________________,正极:_____________________________________
总反应:_________________________________________________
对应练习4.有一种新型“锂、空气电池”,可用做充电电池和燃料电池,该电池放电时的示意图如下。下列有关叙述中不正确的是 ( )
A.放电时负极的电极反应式为Li-e === Li+
B.放电时正极的电极反应式为O2+2H2O+4e- === 4OH-
C.负极锂每减少7 g,电路中通过1 mol电子
D.电流由金属锂极经外电路流向空气极
对应练习5.某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构如图,电池总反应可表示为:2H2+O2===2H2O,下列有关说法正确的是( )
A.电子通过外电路从b极流向a极
B.b极上的电极反应式为:O2+2H2O+4e-===4OH-
C.每转移0.1 mol电子,消耗 1.12 L的H2
D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极
三、化学反应的速率和限度
活动三:巩固化学平衡状态的判断方法
例4.在一定温度下的定容容器中,当下列物理量不再发生变化时,不能表明可逆反应A(固)+2B(气) C(气)+D(气)已达到平衡状态的是( )
A.混合气体的压强 B.混合气体的密度 C.B的物质的量浓度 D.反应放出的热量
讨论交流:对于密闭容器中的可逆反应:mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),根据对化学平衡概念的理解,判断下列各情况下,是否达到平衡(一定是、不一定是)。
可能的情况举例 是否能判断已达平衡
1.混合物体系中各成分的含量 ①各物质的物质的量或各物质的量的分数一定 一定是
②各物质的质量或各物质的质量分数一定
③各气体的体积或体积分数一定
④总体积、总压强、总物质的量一定
2.正、逆反应速率的关系 ①单位时间内消耗了m mol A,同时生成m mol A
②单位时间内消耗了n mol B,同时消耗了p mol C
③v(A):v(B):v(C):v(D)=m:n:p:q
④单位时间内生成n mol B,同时消耗q mol D
3.压强 ①其他条件不变,m+n≠p+q时,总压强一定
②其他条件不变,m+n=p+q时,总压强一定
4.平均相对分子质量M ①当m+n≠p+q时,M一定
②当m+n=p+q时,M一定
5.温度 其他条件一定时,绝热体系温度一定
6.体系密度 其他条件一定时,密度一定
7.其他 组成成分有颜色时,体系颜色不再变化
对应练习6.可逆反应∶2NO22NO+O2在密闭容器中反应,达到平衡状态的标志是 ( )
①单位时间内生成n molO2的同时生成2n molNO2 ②单位时间内生成n molO2 的同时,生成2n molNO ③用NO2、NO、O2 的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为2 : 2 : 1的状态 ④混合气体的颜色不再改变的状态 ⑤混合气体的密度不再改变的状态 ⑥ 混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
A.①④⑥ B.②③⑤ C.①③④ D.①②③④⑤⑥
【反馈练习】1.在一密闭容器中进行反应: 2SO2(气)+O2(气) 2SO3(气)
已知反应过程中某一时刻SO2、O2、SO3的浓度分别为0.2 mol·L-1、0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1。当反应达到平衡时,可能存在的数据是( )
A.SO2为0.4 mol·L-1,O2为0.2 mol·L-1 B.SO2为0.25 mol·L-1
C.SO3为0.4 mol·L-1 D.SO2、SO3均为0.15 mol·L-1
2.在某合成氨厂合成氨的反应中,测得合成塔入口处气体N2、H2、NH3的体积比为6∶18∶1,出口处气体N2、H2、NH3的体积比为9∶27∶8,则氮气的转化率为 ( )
A.75% B.50% C.25% D.20%
3.将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上,一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗,在液滴外沿形成棕色铁锈环(b),如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。下列说法正确的是( )
A.液滴中的Cl―由a区向b区迁移
B.液滴边缘是正极区,发生的电极反应为:O2+2H2O+4e-= 4OH-
C.液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀,生成的Fe2+由a区向b区迁移,与b区的OH―形成Fe(OH)2,进一步氧化、脱水形成铁锈
D.若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板,在铜铁接触处滴加NaCl溶液,则负极发生的电极反应为Cu-2e-= Cu2+
4.如题图所示,将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中,再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液,冷却后形成琼胶(离子在琼胶内可以移动),下列叙述正确的是 ( )
A.a中铁钉附近呈现红色 B.b中铁钉上发生还原反应
C.a中铜丝上发生氧化反应 D.b中铝条附近有气泡产生
5.将V1mL1.0mol·L-1 HCl溶液和V2mL未知浓度的NaOH溶液混合均匀后测量并记录溶液温度,实验结果如右图所示(实验中始终保持V1+V2=50mL)。下列叙述正确的是( )
A.做该实验时环境温度为22℃
B.该实验表明化学能可能转化为热能
C.NaOH溶液的浓度约为1.0mol/L·L-1
D.该实验表明有水生成的反应都是放热反应
6.磷酸燃料电池是目前较为成熟的燃料电池,其基本组成和反应原理如下:下列说法不正确的是( )
A.在改质器中主要发生的反应为CXHY+XH2O XCO+(X+Y/2)H2
B.移位反应器中的反应为CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
C.负极排出的气体主要是H2O蒸气
D.该电池正极的电极反应为O2+4H++4e-2H2O
7.镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染,且镁原电池放电时电压高而平稳,使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的关注焦点。其中一种镁原电池的反应为:xMg+Mo3S4 MgxMo3S4,下列说法错误的是 ( )
A.放电时,负极反应为Mg-2e-Mg2+
B.放电时,Mo3S4发生氧化反应
C.放电过程中Mg2+向正极迁移
D.放电时,正极反应为Mo3S4+xMg2+MgxMo3S4-2xe-
8.右图装置的电池反应方程式为
负极反应式为
正极反应式为 。
9、铅蓄电池是常用的化学电源,其电极材料是Pb和PbO2,电解液为稀硫酸。工作时该电池总反应式为PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,据此判断:
(1)铅蓄电池的负极材料是________;
(2)工作时,负极电极方程式为 ,当负极质量增加4.8g时,转移电子的个数为
(3)工作时,电解质溶液中阴离子移向________极;
⑷用该电池电解水,当电路转移电子0.2mol时,产生H2在标准状态的体积为 。
10、Ⅰ.在恒温条件下将一定量X和Y的混合气体通入一容积为2 L的密闭容器中,X和Y两物质的浓度随时间变化情况如下图。
(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):______________________。
(2) X物质在 b点和d点时哪个反应速率大?___________。
⑶ 前10min X的反应速率为
Ⅱ.下图是可逆反应X2+3Y22Z在反应过程中的反应速率(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
B.t2时,反应达到限度
C.t2~t3,反应不再发生
D.t2~t3,各物质的浓度不再发生变化
例1B 例2A 有新物质的生成 断键吸收能量,生成键释放能量 反应物总能量与生成物总能量相对大小 稳定 略 略 对应练习1B 对应练习2B 例3(1)2C8H188+25O2=16CO2+18H2O (2)25O2+20CO2+100e-=50CO32- 2C8H188+50CO32--100e-=66CO2+18H2O (3)CO2,CO2可以从电池负极产生气体获得 小结1.CO2和H+ CO32-和H2O 2.H+ H2O H2O OH- CO2 CO32- 3.原子守恒 对应练习3(1)C2H6+18OH--14e-=2CO32-+12H2O O2+2H2O+4e-=4OH- 2C2H6+7O2+8OH-=4CO32-+10H2O (2)CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O O2+2H2O+4e-=4OH- 2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O (3)H2S-2e-=2H++S O2+4H++4e-=2H2O 2H2S+O2=2H2O+2S (4)Al-3e-=Al3+ O2+2H2O+4e-=4OH- 4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3 对应练习4 D 对应练习5D 例4B 讨论交流:一定是 一定是 不一定是 一定是 一定是 不一定是 一定是 一定是 不一定是 一定是 不一定是 一定是 不一定是 一定是 对应练习6A 反馈练习 1.B 2.B 3.B 4.B 5.B 6.C 7.B 8.Cl2+SO2+2H2O=2HCl+H2SO4 SO2+2H2O-2e-=4H++SO42- Cl2+2e-=2Cl- 9.(1)Pb (2) Pb+SO42--2e-=PbSO4 0.1NA (3)负极(Pb) (4)2.24L
10、I (1)Y2X (2)d (3)0.04mol·L-1·min-1 II.BD