课件94张PPT。第六章 化学反应与能量
第一节 化学反应与能量变化
第1课时 化学反应与热能一、 化学反应与能量
1.实验探究:镁条逐渐溶解,有气泡产生,温度计的示数升高变凉木片黏在烧杯上放出热量吸收热量热量的释放和吸收2.放热反应和吸热反应
(1)含义:
①放热反应:_________的化学反应。
②吸热反应:_________的化学反应。释放热量吸收热量(2)实例:
①放热反应:
a.镁条、铝片与盐酸的反应;
b.木炭、氢气、甲烷等在氧气中的燃烧;
c.氢气与氯气的化合。②吸热反应:
a.氢氧化钡与氯化铵的反应;
b.盐酸与碳酸氢钠的反应;
c.灼热的炭与二氧化碳的反应。【微思考】冬季生活中常常采用下列方法获得热量:
①烧炭取暖;
②用电暖器取暖;
③天然气壁挂炉取暖;
④空调取暖;
⑤地下水循环取暖等,都属于放热反应吗?提示:①③属于。发生化学反应时释放热量才是放热反应,①③分别属于煤炭和甲烷的燃烧反应。②④是电能转化为热能;⑤只是热量的交换。二、 化学键与化学反应中能量变化的关系
1.化学反应中能量变化的本质原因:
(1)原因:(2)实例:计算分析:2.多角度分析化学反应的能量变化小于大于大于小于【巧判断】
(1)吸热反应需要加热才能反应。 ( )
提示:×。如氢氧化钡与氯化铵的反应吸热,在常温下就能进行。(2)已知Al与稀盐酸的反应为放热反应,即Al的能量大于H2的能量。 ( )
提示:×。反应放热说明反应物的总能量大于生成物的总能量,即Al与稀盐酸具有的总能量大于AlCl3与H2所具有的总能量,而Al与H2的能量大小无法比较。(3)有能量变化的物质变化一定是化学变化。 ( )
提示:×。有能量变化的物质变化不一定是化学变化,物质发生物理变化时也伴有能量变化。如冰融化、氢氧化钠的溶解等。三、 人类对能源的利用
1.利用的三个阶段:2.化石燃料利用过程中亟待解决的两方面问题
(1)一是其短期内不可再生,储量有限;
(2)二是煤和石油产品燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是大气污染物的主要来源。3.在燃料利用过程中,节能的主要环节:
(1)燃料燃烧阶段——可通过改进锅炉的炉型和燃料空气比、清理积灰等方法提高燃料的燃烧效率;
(2)能量利用阶段——可通过使用节能灯,改进电动机的材料和结构,以及发电厂、钢铁厂余热与城市供热联产等措施促进能源循环利用,有效提高能量利用率。4.新能源
(1)特点:资源丰富、______________________。
(2)人们比较关注的新能源:_____能、___能、地热能、海洋能和___能等。可以再生,对环境无污染太阳风氢【情境·思考】2019中国(山西)国际清洁能源博览会于2019年6月28日上午在太原开幕。本次展会以“清洁低碳、绿色发展”为主题,聚焦煤炭清洁利用、新能源、储能、节能环保等领域,展示新技术新产品新应用,搭建中西部清洁能源及设备供需平台,促进煤改电、煤改气、煤改清洁采暖在中西部的实施,加强雾霾的治理,有效改善呼吸环境。(1)提高燃料的燃烧效率应该从哪些方面考虑?
提示:使燃料与氧气充分接触,如将煤粉碎、液化和气化;通入充足的氧气。(2)日常生产、生活中常常采用下列能源:
①煤;②石油;③天然气;④太阳能;⑤水能;⑥氢能;
⑦核能;⑧风能;⑨地热能等,属于清洁能源的有哪些?提示:④⑤⑥⑦⑧⑨。清洁能源即绿色能源,是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源,它包括核能和可再生能源。可再生能源是指原材料可以再生的能源,如水力发电、风力发电、太阳能、水能、生物能(沼气)、地热能(包括地源和水源)、海潮能等能源。知识点一 放热反应与吸热反应的理解
【重点释疑】
1.放热反应与吸热反应的比较:2.常见的放热反应和吸热反应3.化学反应遵循的两条基本规律
(1)质量守恒定律:自然界的物质发生转化时,总质量保持不变。
(2)能量守恒定律:一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量,但体系包含的总能量不变。【思考·讨论】
(1)做实验时,吸热反应和放热反应都用到酒精灯,怎样判断该反应是吸热反应还是放热反应?放热反应加热的目的是什么?提示:持续用酒精灯加热,撤掉酒精灯反应就停止的反应是吸热反应;开始用酒精灯加热,反应开始后,撤去酒精灯仍能继续反应的是放热反应。放热反应加热的目的一般是引发反应或加快反应速率。(2)放热反应一定容易发生,吸热反应一定难发生吗?
提示:不一定。反应放热和吸热与反应的条件无关,有些放热反应必须加热才能发生,如木炭的燃烧;而有些吸热反应常温下就能发生,如Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应。【案例示范】
【典例】(2019·菏泽高一检测)下列说法正确的
是 ( )
A.Fe与S在加热条件下才能发生反应,所以该反应属于吸热反应
B.HNO3、H2SO4分别与NaOH溶液反应都放出热量C.分解反应都是吸热反应,化合反应都是放热反应
D.合成氨的反应是放热反应,所以N2与其他物质的反应也是放热反应【解题指南】解答本题需注意以下3点:
(1)反应放热还是吸热与反应条件无关。
(2)熟记常见的放热反应和吸热反应类型。
(3)注意知识迁移的合理性。【解析】选B。Fe与S虽然需加热才能发生反应,但反应开始后,停止加热,反应能继续进行,加热只是为了引发反应,所以该反应是放热反应,A错误;中和反应都是放热反应,B正确;分解反应不一定是吸热反应,如H2O2的分解反应就是放热反应,化合反应也不一定是放热反应,如CO2与C的反应就是吸热反应,C错误;与N2反应的物质不同,能量变化也不同,不能根据合成氨反应的能量变化来类推N2与其他物质反应的能量变化,如N2和O2在放电条件下生成NO就是吸热反应,D错误。【母题追问】(1)上题B项含有等物质的量H2SO4的稀硫酸、浓硫酸分别与足量的氢氧化钠溶液反应放出的热量相等吗?
提示:不相等。浓硫酸与足量的氢氧化钠溶液反应放出的热量除了中和反应放出的热量,还有浓硫酸稀释放出的热量。(2)从物质能量的角度解释上题D项合成氨反应放热的原因?
提示:合成氨反应中,参加反应的N2和H2的总能量大于生成的NH3的总能量,故反应放热。【规律方法】放热反应和吸热反应判断“四"方法
(1)依据反应条件判断。通常需要持续加热的反应为吸热反应。
(2)依据能量变化图象判断。反应物的总能量大于生成物的总能量,则反应为放热反应;反之,则为吸热反应。(3)依据断键和成键所吸收和释放的能量数据判断。如果旧键断裂吸收的能量大于新键形成释放的能量,则为吸热反应;反之,为放热反应。
(4)经验判断法:根据常见的放热反应、吸热反应的类型判断。【迁移·应用】
1.(2019·邯郸高一检测)下列说法正确的是( )A.任何化学反应都伴随着能量的变化
B.H2O(g)→H2O(l)该过程放出大量的热,所以该过程是化学变化
C.化学反应中能量的变化都表现为热量的变化
D.对于如图所示的过程,是吸收能量的过程【解析】选A。任何化学反应都有能量的变化,但有能量变化的过程不一定是化学变化,如物质的三态变化,虽然存在能量变化,但不存在旧化学键的断裂与新化学键的形成,故不是化学变化,B项错误;化学反应中能量变化的形式有多种,除热能外,还有光能、电能等,C项错误;由图象知,该过程中反应物的总能量大于生成物的总能量,故该过程中放出能量,D项错误。2.(2019·济南高一检测)已知2SO2+O2 2SO3为放热反应,对该反应的下列说法正确的是 ( )
A.O2的能量一定高于SO2的能量
B.2 mol SO2和1 mol O2的总能量一定高于2 mol SO3的总能量
C.SO2的能量一定高于SO3的能量
D.因该反应为放热反应,故不必加热就可发生【解析】选B。因反应2SO2+O2 2SO3为放热反应,所以2 mol SO2和1 mol O2的能量和一定高于2 mol SO3的能量,A错误,B正确,C错误;化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成,而断键过程需要吸收能量,故放热反应有些也需要一定条件,该反应是放热的,但需要加热才能发生,D错误。【补偿训练】
1. 下列各图中,表示吸热反应的图是 ( )【解析】选A。反应物的总能量小于生成物的总能量则为吸热反应。2.(2019·廊坊高一检测)关于吸热反应的说法正确的是 ( )
A.凡需加热的反应一定是吸热反应
B.只有分解反应才是吸热反应
C.使用催化剂的反应是吸热反应
D.CO2与CaO化合是放热反应,则CaCO3分解是吸热反应【解析】选D。反应放热还是吸热与是否加热无直接的关系,与是否使用催化剂也无直接关系,多数吸热反应需要加热,但有的不需要加热,例如Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应是吸热反应,且该反应属于复分解反应,故A、B、C三项错。放热反应的逆过程一定是吸热反应,D正确。【素养提升】
随着人们生活节奏的加快,市场上出现了多种类型的“即食饭盒”等快速给食物加热的产品。下面让我们探究它们的工作原理。
(1)有一“自热米饭”的广告播得很火,它介绍在食用时,将一无色液体加入一白色固体中,放上装米饭的盒子,过几分钟米饭马上就热气腾腾,可以食用了,非常方便。请你推测其白色固体和无色液体可能是如下哪个组合? ( )
A.硝酸铵和水 B.浓硫酸和水
C.氧化钙和水 D.固体酒精和水提示:选C。硝酸铵溶于水吸热,A选项错误;浓硫酸具有腐蚀性,且操作不方便,B选项错误;氧化钙与水反应放出大量的热,C选项正确;酒精溶于水时热效应不明显,D选项错误。(2)目前市面上有一种新型饭盒“即热饭盒”,其原理是在饭盒底部有两层,一层存放水,另一层存放镁和铁的混合物。使用时打开隔离层,即发生反应:Mg+2H2O====X+H2↑。请根据以上信息回答下列各题:
①该饭盒底部“即热”存在什么能量之间的转化?
提示:化学能转化为热能。 ②已知X是一种碱,则X的化学式是什么?你推断X的化学式的依据是什么?
提示:根据质量守恒(原子守恒)定律可知X的化学式为Mg(OH)2。③上述化学反应属于哪种基本反应类型?由该反应可知化学反应发生时都伴随什么变化?
提示:置换反应。化学反应发生时都伴随着物质的变化和能量的变化。知识点二 利用化学键计算化学反应中的能量变化
【重点释疑】
1.化学键与能量变化的关系:2.计算公式:
用Q(吸)表示反应物分子化学键断裂时吸收的总能量,Q(放)表示生成物分子化学键形成时放出的总能量。
公式:ΔQ=Q(吸)-Q(放)利用化学键形成和断裂时的能量变化计算化学反应中的能量变化:【思考·讨论】
(1)对于放热反应:2H2+O2 2H2O来说,“断裂1个H—H键和1个O＝O键所吸收的能量小于形成1个H—O键所放出的能量”这种说法是否正确?提示:不正确。在反应2H2+O2 2H2O中,每断裂1个O＝O键,同时断裂2个H—H键,形成4个H—O键;正确说法是断裂2个H—H键和1个O＝O键所吸收的能量小于形成4个H—O键所放出的能量。(2)如图是1 mol氢气燃烧的能量变化图,试分析a、b表示的含义。提示:化学反应发生时首先断裂反应物中的化学键,再形成生成物中的化学键,故a表示破坏1 mol H—H键、0.5 mol O＝O键所吸收的能量,b表示形成2 mol H—O键所放出的能量。【案例示范】
【典例】断开1 mol H—H键、1 mol N—H键、
1 mol N≡N键分别需要吸收的能量为436 kJ、
391 kJ、946 kJ。(1)1 mol N2完全反应生成NH3需________(填“吸收”或“放出”)能量________kJ。?
(2)1 mol H2完全反应生成NH3需________(填“吸收”或“放出”)能量________kJ。(不考虑可逆反应)?【思维建模】解答利用键能计算热量的试题思路如下:【解析】本题可以从断键吸收的能量数值与成键放出
的能量数值的相对大小来判断,若E(断键)>E(成键),
则为吸热反应;若E(断键)时要放出6 mol×391 kJ·mol-1=2 346 kJ的能量,拆
开1 mol N≡N键和3 mol H—H键时吸收的总能量为
946 kJ+3 mol×436 kJ·mol-1=2 254 kJ,整个过程中的能量变化为放出能量,为 2 346 kJ-2 254 kJ=
92 kJ。(2)方法一: N2+H2 NH3,生成 mol NH3
即形成2 mol N—H键时,需放出 2 mol×391 kJ·mol-1
=782 kJ的能量,拆开 mol N≡N 键和1 mol H—H键
时吸收的总能量为 mol×946 kJ·mol-1+436 kJ≈
751.33 kJ,整个过程中的能量变化为放出能量,为782 kJ-751.33 kJ=30.67 kJ。方法二:由(1)知
3 mol H2生成NH3需放出能量92 kJ,则1 mol H2生成
NH3需放出能量为92 kJ× ≈30.67 kJ。
答案:(1)放出 92 (2)放出 30.67【误区警示】规避能量计算时“4”个失分点
(1)旧化学键的断裂和新化学键的形成是同时进行的,缺少任何一个过程都不是化学变化。
(2)互为可逆反应的正反应和逆反应的能量变化恰好相反。(3)注意计算共价化合物中的共价键数目,如1 mol H2O中含有2 mol H—O键,1 mol H2O2中含有2 mol H—O键和 1 mol O—O键。
(4)计算时要注意化学计量数与共价键总数的关系,不能按1 mol计算,要根据实际配平的化学方程式计算反应物或生成物的总能量。【迁移·应用】
1.(2019·长沙高一检测)SF6气体已有百年历史,它是法
国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性
气体。六氟化硫具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧
性能,国际上称为“气体绝缘开关设备”。SF6分子结构
中只存在S—F键。已知:1 mol S(固体)转化为气态硫原
子吸收能量280 kJ,断裂1 mol F—F、S—F键需吸收的
能量分别为160 kJ、330 kJ。则S(s)+3F2(g)====SF6(g)(已知s为固体,g为气体)的能量变化为 ( )
A.放出1 780 kJ的能量
B.放出1 220 kJ的能量
C.放出450 kJ的能量
D.吸收430 kJ的能量【解析】选B。由题意得1 mol S(s)和3 mol F2形成
气态硫原子和氟原子共需要吸收能量=280 kJ+3×
160 kJ=760 kJ,而生成1 mol SF6气体时需形成
6 mol S—F键,共放出能量: 6×330 kJ=1 980 kJ,
因此该反应共放出的能量为1 980 kJ-760 kJ=
1 220 kJ。2.(2019·潍坊高一检测)已知断裂1 mol共价键所需
要吸收的能量分别为H—H:436 kJ,I—I:151 kJ,
H—I:299 kJ,下列对H2(g)+I2(g) 2HI(g)的反应
类型判断错误的是 ( )
A.放出能量的反应 B.吸收能量的反应
C.氧化还原反应 D.可逆反应【解析】选B。依题意,断裂1 mol H—H键和
1 mol I—I键吸收的能量为436 kJ+151 kJ=587 kJ,
生成2 mol H—I键放出的能量为299 kJ×2=598 kJ,
因为598 kJ>587 kJ,所以该反应是放出能量的反应;
根据反应式可知该反应是可逆反应,也是氧化还原反应。【补偿训练】
1.(2019·孝感高一检测)化学反应A2+B2====2AB的能量变化如图所示,则下列说法正确的是 ( )A.1 mol A2和1 mol B2完全反应吸收(y-x) kJ热量
B.断裂1 mol A—A键和1 mol B—B键放出x kJ的能量
C.断裂2 mol A—B键需要吸收y kJ的能量
D.2 mol AB的总能量高于1 mol A2和1 mol B2的总能量【解析】选C。从题图可以看出,反应物的总能量高于生成物的总能量,该反应是放热反应,1 mol A2和1 mol B2完全反应放出(y-x) kJ热量,A、D项错误;断键时需要吸收能量,B项错误,C项正确。2.(2019·潍坊高一检测)化学反应可视为旧键断裂和
新键形成的过程。化学键的键能是形成(或断开)1 mol
化学键时释放(或吸收)的能量。已知白磷和P4O6的分
子结构如图所示,现提供断裂(或形成)1 mol以下化学
键的吸收(或放出)的能量(kJ):P—P:198,P—O:360,O
＝O:498,则反应P4(白磷)+3O2====P4O6生成1 mol
P4O6 ( )A.放出1 638 kJ热量 B.吸收1 638 kJ热量
C.放出126 kJ热量 D.吸收126 kJ热量【解析】选A。由反应方程式知,该反应的能量变化包
括1 mol P4、3 mol O2断裂键吸收的能量和1 mol P4O6
形成键放出的能量。由各物质的分子结构知1 mol
P4含6 mol P—P键,3 mol O2含3 mol O＝O键,1 mol
P4O6含12 mol P—O键,故 (198 kJ×6+498 kJ×3)-
360 kJ×12=-1 638 kJ,即放出1 638 kJ热量。【素养提升】
据巴西政府网站公布的消息,巴西国家空间研究所的研发团队开发出了一种可作火箭和卫星引擎推动剂的新型燃料,其原料以低价的乙醇为主,大大压缩发射成本。(1)已知乙醇的结构式为 ,1 mol C2H5OH含有共价键的物质的量是多少?
提示:1 mol 乙醇含有1 mol C—C键、5 mol C—H键、1 mol C—O键、1 mol O—H键,共8 mol。(2)乙醇燃烧是吸热反应还是放热反应?
提示:燃烧均为放热反应。(3)已知断开或生成1 mol化学键的数据如下:则1 mol乙醇与O2完全燃烧生成CO2和H2O放出的能量是多少?提示: C2H5OH(g)+3O2(g)====2CO2(g)+3H2O(g),则断
裂化学键吸收的能量为348 kJ+5×413 kJ+351 kJ+
463 kJ+3×498 kJ=4 721 kJ,生成化学键放出的
能量为2 mol×2×745 kJ·mol-1+3 mol×2×
463 kJ·mol-1=5 758 kJ,整个过程放出能量,能量
变化为5 758 kJ-4 721 kJ=1 037 kJ。【课堂回眸】课件88张PPT。第2课时
化学反应与电能一、 化学能转化为电能
1.化学能间接转化为电能(2)关键——燃烧(氧化还原反应)。【情境·思考】
火力发电是我国主要的发电方式。简单的说就是利用燃料发热,加热水,形成高温高压过热蒸汽,然后蒸汽沿管道进入汽轮机中不断膨胀做功,冲击汽轮机转子高速旋转,带动发电机转子(电磁场)旋转,定子线圈切割磁感线,发出电能。(1)火力发电存在几种形式的能量转化?
提示:化学能转化为热能、热能转化为机械能、机械能转化为电能3种形式。
(2)试分析火力发电有哪些弊端?
提示:①使用的化石燃料属于不可再生资源;②化石燃料的燃烧会产生大量的有害气体(如SO2、CO等)及粉尘,污染环境;③能量经过多次转化,能量利用率低。2.化学能直接转化为电能——原电池
(1)实验探究:锌片上有气泡,铜片上无气泡反应不反应锌片上无气泡,铜片上有气泡锌片上无气泡,铜片上有气泡,电流表指针偏转化学能电能(2)原理分析:(3)原电池:
①定义:把_________________的装置叫原电池。化学能转化为电能②工作原理:(以铜-锌-稀硫酸原电池为例)失电子Zn-2e-====Zn2+氧化反应得电子2H++2e-====H2↑还原反应Zn+2H+====Zn2++H2↑【巧判断】
(1)盐酸与氢氧化钠溶液混合放热,故可以设计原电池反应。 ( )
提示:×。盐酸与氢氧化钠的反应不是氧化还原反应。(2)铜-锌-稀硫酸原电池中,铜换成石墨棒也能产生电流。 ( )
提示:√。原电池中正极材料不参与反应,只起到导电的作用,石墨棒可以导电。二、化学电池——新能源和可再生能源的重要组成部分
1.一次电池——锌锰干电池锌筒石墨棒二氧化锰不能2.二次电池【微思考】
生活中电动车、手机的电池属于一次电池还是二次电池?
提示:电动车、手机的电池都可以反复充电使用,都属于二次电池。3.发展中的燃料电池知识点一 原电池的构成条件及正负极的判断方法
【重点释疑】
1.原电池的构成条件——“两极一液一线一反应”2.原电池的工作原理(1)两反应:正极——还原反应;负极——氧化反应。
(2)三方向:
①电流方向:正极→负极;
②电子流动方向(导线中):负极→正极;
③阴阳离子移动方向(电解质溶液中):
阳离子:负极→正极;
阴离子:正极→负极。3.原电池正负极的判断方法【易错提醒】(1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属,正极材料可以为导电的非金属,例如石墨。两极材料可能参与反应,也可能不参与反应。
(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接,共同插入电解质溶液中不一定构成原电池,必须有一个能自发进行的氧化还原反应。(3)在判断原电池正负极时,既要考虑金属活泼性的强弱,也要考虑电解质溶液性质。如Mg-Al-HCl溶液构成的原电池中,负极为Mg;但是Mg-Al-NaOH溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。【思考·讨论】
(1)原电池内部阴、阳离子如何移动?移动的原因是什么?提示:阴离子要移向负极,阳离子要移向正极。这是因为负极失电子,生成大量阳离子积聚在负极附近,致使该极附近有大量正电荷,所以溶液中的阴离子要移向负极;正极得电子,该极附近的阳离子因得电子生成电中性的物质而使该极附近带负电荷,所以溶液中的阳离子要移向正极。(2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接,共同通入电解质溶液中就能构成原电池吗?
提示:不一定。构成原电池除具备①两种活泼性不同的金属②电解质溶液③形成闭合回路外,还必须有一个能自发进行的氧化还原反应,如图由于Cu、Ag都不能与稀硫酸反应,故不能构成原电池。【案例示范】
【典例】(2019·淄博高一检测)如图所示电流表的指针发生偏转,同时A极的质量减小,B极上有气泡产生,C为电解质溶液,下列说法错误的是 ( )A.B极为原电池的正极
B.A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应【思维建模】解答有关原电池问题的思维流程如下:【解析】选C。原电池中,负极金属失去电子,发生氧化反应,溶解,质量减小,故A极为负极,B极为正极,A、D项正确;A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时,可以构成原电池,且现象符合题意,B项正确;电解质溶液中阳离子移向正极,C项错误。【母题追问】(1)若将“B极上有气泡产生”改为“B极上有金属析出”,答案选什么?
提示:选BC。“B极上有金属析出”说明在正极上电解质溶液中的金属阳离子发生还原反应,B项也错误。(2)将上题B项改为“A、B、C分别为Fe、Cu和浓硝酸”,能否构成原电池?若能,正负极分别是什么?
提示:能构成原电池。由于Fe被浓硝酸钝化,Fe作正极,Cu为负极。【迁移·应用】
1.(2019·汕头高一检测)某小组为研究原电池原理,设
计如图装置。下列叙述正确的是 ( )A.a和b不连接时,铁片上会有H2产生
B.a和b用导线连接时,铁片上发生的反应为
Cu2++2e-====Cu
C.a和b用导线连接时,电子由a流向b
D.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液从蓝色逐渐变成浅绿色【解析】选D。A项,a和b不连接时,铁和Cu2+发生置换反应而析出铜,没有氢气生成,错误;B项,a和b用导线连接时构成原电池,铁是负极,铁片上发生氧化反应:Fe-2e-====Fe2+,错误;C项,Fe比铜活泼,形成原电池反应时Fe为负极,则电子由b流向a,错误;D项,无论a和b是否连接,铁片均会溶解,都生成亚铁离子,溶液由蓝色变为浅绿色,D正确。2.(2019·邯郸高一检测)将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中,经过一段时间后,下列各项叙述正确的是 ( )
A.负极有Cl2逸出,正极有H2逸出
B.负极附近Cl-的浓度减小
C.正极附近Cl-的浓度逐渐增大
D.溶液中Cl-的浓度基本不变【解析】选D。铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中构成原电池,铁作负极,发生反应Fe-2e-====Fe2+,银作正极,发生反应2H++2e-====H2↑,故A错误;溶液中Cl-移向负极,负极附近Cl-的浓度增大,正极附近Cl-的浓度逐渐减小,而溶液中Cl-的浓度基本不变,B、C错误,D正确。【补偿训练】
1. 关于如图所示的装置的叙述中正确的是 ( )
A.铜是正极
B.溶液中的Fe3+向铜棒移动
C.电子从铜片经导线流向碳棒
D.碳棒上有红色铜生成【解析】选C。首先书写此电池中发生的化学反应方程式(电池反应式)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+,在此反应中铜失电子,作原电池负极,电子从铜片经导线流向碳棒,在碳棒上电子与溶液中的Fe3+结合生成Fe2+,所以碳棒作正极,溶液中的阳离子向正极移动,即溶液中的Fe3+向正极碳棒移动。2.(2019·长沙高一检测)下列各组材料中,不能组成原电池的是 ( )【解析】选C。构成原电池的条件是活泼性不同的金属或金属和非金属,导线相连并插入电解质溶液中,则A、B、D均可以构成原电池,C中蔗糖是非电解质,故C不能构成原电池。【素养提升】
近年来野外生存的真人秀节目在各大卫视频繁播放。某节目中野外生存达人用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池用于野外生火。某同学感到好奇自己制作了一个这样的“超级柠檬电池”。(1)该电池的电池反应是什么?
提示:该电池利用了金属锌与酸的反应,离子方程式为Zn+2H+====Zn2++ H2↑。(2)若用铁片代替锌片LED灯能不能亮? 若用铁片代替铜片呢?
提示:若用铁片代替锌片,由于铁能与酸反应,LED灯仍然能亮;若用铁片代替铜片,由于锌比铁活泼,仍然发生反应Zn+2H+====Zn2++ H2↑,LED灯仍然能亮。(3)若用银片代替锌片LED灯能不能亮?
提示:不能。银片代替锌片,银和铜都不能与酸反应,无电流产生,LED灯不亮。(4)由上面分析可知构成原电池的条件有哪些?
提示:①两个活泼性不同的金属电极或金属与石墨;
②电解质溶液;③闭合回路;④自发进行的氧化还原反应。知识点二 原电池原理的应用
【重点释疑】
1.加快化学反应速率
一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池可以加快反应速率。2.比较金属活泼性强弱:
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。3.用于金属保护
将被保护的金属与比其活泼的金属连接。4.设计原电池
(1)依据:已知一个氧化还原反应,首先分析找出氧化剂、还原剂,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。(2)步骤:以Fe+CuSO4====FeSO4+Cu为例。【思考·讨论】
(1)在原电池中,负极材料的金属性一定大于正极材料吗?
提示:一般原电池中负极材料的金属性大于正极材料,在特殊情况下也有特例,如Al-Mg-NaOH原电池中,Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极。(2)如何利用Cu+2AgNO3====Cu(NO3)2+2Ag设计原电池?
提示:该氧化还原反应可拆分为如下两个半反应:
氧化反应(负极反应):Cu-2e-====Cu2+。
还原反应(正极反应):2Ag++2e-====2Ag。故Cu作负极,活泼性比Cu差的材料作正极,如Ag、C等,AgNO3溶液作电解质溶液。如图:【案例示范】
【典例1】(2019·岳阳高一检测) 把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中,用导线两两相连可以组成各种原电池。若A、B相连时,A为负极;C、D相连时,D上有气泡逸出;A、C相连时,A极减轻;B、D相连时,B为正极。则四种金属的活泼性顺序由大到小排列为 ( )A.A>C>D>B B.A>C>B>D
C.B>D>C>A D.A>B>C>D【解题指南】解答本题要注意两点:
(1)原电池中,负极金属的活泼性大于正极金属;
(2)熟练掌握原电池正负极的判断依据。【解析】选A。A、B相连时,A为负极,则说明A与B相比较,A更加活泼;C、D相连,D上有气泡逸出,则C为电源的负极,C比D活泼;A、C相连时,A极减轻,A参与了电极反应,被消耗,应是活泼金属;B、D相连,B为正极,则D是活泼金属,作电源的负极。故有A>C>D>B。【典例2】铁及铁的化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式:
__________________________。?(2)若将(1)中的反应设计成原电池,请在方框内画出原电池的装置图,标出正、负极,并写出电极反应式。
正极反应式:________________________
负极反应式:________________________【思维建模】解答“设计原电池”类试题思维流程如下:【解析】依据反应:2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+。氧化反应为Cu-2e-====Cu2+,还原反应为2Fe3++2e-====2Fe2+,则设计思路明确:原电池组成为Cu是负极,正极材料选用比铜不活泼的铂或导电的非金属如石墨棒,电解质溶液选用FeCl3溶液。答案:(1)2Fe3++Cu====2Fe2++Cu2+
(2)装置图
2Fe3++2e-====2Fe2+ Cu-2e-====Cu2+【误区警示】设计原电池装置的两个易错点
(1)能设计成原电池的反应一般是自发的放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。
(2)设计原电池时,负极材料确定之后,正极材料的选择范围较广,只要合理都可以。【迁移·应用】
1.(2019·菏泽高一检测)过量铁与少量稀硫酸反应,为了加快反应速率,但是又不影响生成氢气的总量,可以采取的措施是 ( )
A.加入适量NaCl溶液 B.加入适量的水
C.加入几滴硫酸铜溶液 D.再加入少量稀硫酸【解析】选C。若加入NaCl溶液或水,会将稀硫酸稀释,c(H+)减小,反应速率减慢;若加入几滴CuSO4溶液,则发生反应Fe+Cu2+====Cu+Fe2+,析出的Cu与Fe、稀硫酸形成原电池,反应速率加快且不影响生成H2的总量;若再加入少量稀硫酸,因Fe过量,则生成H2的总量增大,且反应速率不会改变。2.某原电池的总反应离子方程式为Zn+Cu2+====Zn2++Cu,
则该原电池的正确组成可以是下列的 ( )【解析】选C。该原电池的负极必为锌,正极是比锌稳定的金属或导电的非金属,电解质溶液中含有Cu2+,故选C。【补偿训练】
1.将纯锌片和纯铜片按图示插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是 ( )A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
C.两烧杯中溶液的酸性均减小
D.产生气泡的速率甲比乙慢【解析】选C。A项,甲是原电池,正极铜片上发生还原反应2H++2e-====H2↑,乙装置中在锌片上发生反应Zn+2H+====Zn2++H2↑,铜片上无气体产生,故A错误;B项,甲装置是原电池,铜片作正极,乙装置不是原电池,故B错误;C项,两烧杯中的氢离子发生反应,浓度减少,故C正确;D项,原电池反应加快反应速率,产生气泡的速率甲比乙快,故D错误。2.(2019·宿州高一检测)现有如下两个反应:
(A)NaOH+HCl====NaCl+H2O
(B)Fe+2Fe3+====3Fe2+
(1)根据两反应本质,判断能否设计成原电池____________。?
(2)如果不能,说明其原因_________。?(3)如果可以,则写出正、负极材料、电极反应式、反应类型(“氧化反应”或“还原反应”):【解析】(1)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池,(B)是氧化还原反应且能自发进行。
(2)(A)反应不是氧化还原反应,没有电子转移。
(3)根据电池反应式Fe+2Fe3+====3Fe2+可知,Fe失电子作负极,负极材料是Fe,正极材料应是比Fe活动性弱的金属或能导电的非金属;Fe3+得电子,所以电解质溶液只能为铁盐溶液。答案:(1)(A)不能,(B)可以 (2)(A)不是氧化还原反应,没有电子转移
(3)【素养提升】
7月1日是中国共产党的生日,从2019年起,每年的7月1日还多了一重含义:国际航标协会第13届全会确定,自2019年起将每年的7月1日设立为“世界航标日”,让更多人了解航标在保障船舶安全航行中起到的重要作用。2019年世界航标日的主题是海上航标——成功的航行,可持续发展的地球。青岛庆祝首个“世界航标日”,首次面向全国启动灯塔开放季。我国首创的海洋电池以铝板、铂网作电极,海水为电解质溶液,电池总反应为4Al+3O2+6H2O====4Al(OH)3。可用作灯塔所需的电池。(1)铝板在该电池中作什么极?发生什么变化?
提示:负极逐渐被消耗。根据电池反应可知,铝被氧化,发生氧化反应,是负极,电池工作时铝板逐渐被消耗,转化成氢氧化铝。(2)铂电极作什么极?在该电极上发生反应的物质是什么?
提示:根据电池反应可知,正极发生还原反应的物质是氧气,铂电极作正极,本身不参与反应。
(3)在灯塔的使用过程中存在什么能量的转化?
提示:化学能转化为电能,电能转化为光能。【课堂回眸】温馨提示：
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课堂检测·素养达标
1.新能源的开发利用是人类社会可持续发展的重要课题。
下列属于新能源的是 ( )
A.氢气 B.煤炭 C.天然气 D.石油
【解析】选A。根据能源的分类进行分析,煤、石油、天然气属于不可再生能源,而太阳能、风能、核能、地热能、氢能等属于可再生能源,即新能源,答案选A。
2.下列变化过程中需要吸收能量的是 ( )
A.氢气球发生燃烧爆炸
B.向污染的河水中投入生石灰
C.
D.
【解析】选D。H2的燃烧、CaO与水的反应、氯原子形成氯分子的过程都放出能量;由氢分子变成氢原子的过程需要断裂化学键,吸收能量。
3.白磷、红磷是磷的两种同素异形体。
某温度下1 mol白磷转化为红磷放出29.2 kJ的热量,则下列叙述正确的是 ( )
A.白磷比红磷稳定
B.红磷比白磷稳定
C.1 mol白磷比1 mol红磷含有的总能量低
D.红磷转化为白磷要放热
【解析】选B。1 mol白磷转化为红磷放出29.2 kJ的热量,则1 mol 红磷含有的总能量低,其比白磷稳定,其转化为白磷要吸热,故选B。
4.(2019·聊城高一检测)将铁粉和硫粉混合后加热,待反应一发生即停止加热,反应仍可持续进行,直至反应完全生成新物质硫化亚铁。这现象说明了( )
A.该反应是吸热反应
B.该反应是放热反应
C.铁粉和硫粉在常温下可以发生反应
D.硫化亚铁的总能量高于铁粉和硫粉的总能量
【解析】选B。反应发生后停止加热,反应仍可持续进行说明反应为放热反应,A错误,B正确;反应需要加热才能发生,常温下不能进行,C错误;反应是放热反应,所以反应物的总能量高于生成物的总能量,D错误。
【补偿训练】
下列说法正确的是 ( )
A.对于吸热反应,反应物所具有的总能量总是低于生成物所具有的总能量
B.任何放热反应在常温条件下一定能发生反应
C.形成生成物化学键释放的能量大于破坏反应物化学键所吸收的能量时,反应为吸热反应
D.等量的硫蒸气和硫固体分别完全燃烧,后者放出的热量多
【解析】选A。放热反应在常温下不一定能发生,如煤的燃烧,B错误;形成生成物化学键释放的能量大于破坏反应物化学键所吸收的能量时,反应为放热反应,C错误;等量的硫蒸气和硫固体分别完全燃烧,后者放出的热量少,D错误。
5.如图所示,有关化学反应和能量变化的说法正确的是 ( )
A.图a表示的是吸热反应的能量变化
B.图b中生成物比反应物稳定
C.图b可以表示氯化铵固体与氢氧化钡晶体反应的能量变化
D.图a不需要加热就一定能发生,图b一定需要加热才能发生
【解析】选C。图a中反应物总能量高于生成物总能量,则表示的是放热反应的能量变化,A错误;图b中反应物总能量低于生成物总能量,能量越低越稳定,则反应物比生成物稳定,B错误;图b中反应物总能量低于生成物总能量,属于吸热反应,可以表示氯化铵固体与氢氧化钡晶体反应的能量变化,C正确;反应条件与反应是放热反应还是吸热反应没有关系,D错误。
【补偿训练】
(2019·开封高一检测)氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中,破坏1 mol 氢气中的化学键吸收的能量为Q1 kJ,破坏1 mol氯气中的化学键吸收的能量为Q2 kJ,形成1 mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3 kJ。下列关系式中,正确的是 ( )
A.Q1+Q2>Q3 B.Q1+Q2>2Q3
C.Q1+Q2【解析】选D。H2+Cl22HCl是放热反应,断裂旧化学键吸收的能量小于形成新化学键放出的能量,所以2Q3>Q1+Q2。
6.如图是某同学设计的放热反应的观察装置。
其实验操作步骤如下:
①按图所示将实验装置连接好;
②在U形管内加入少量红墨水(或品红溶液),打开T形管活塞,使U形管内两边的液面处于同一水平面,再关闭T形管活塞;
③在盛有1.0 g氧化钙的小试管里滴入2 mL左右的蒸馏水,观察现象。
试回答:
(1)实验前必须进行的一步实验操作是什么?
(2)实验中观察到什么现象?
(3)CaO、H2O的能量与Ca(OH)2的能量之间的关系如何?
(4)若该实验中CaO换成NaCl,实验还能否观察到相同的现象?
【解析】(1)由于实验要通过装置中气压的变化来确定反应是否为放热反应,所以实验装置要密封,为了确定装置是否密封,实验之前一定要检查装置的气密性。(2)氧化钙和水的反应是放热的,所以试管内温度升高,气体压强增大,将红墨水(或品红溶液)往右边压,故看到的现象为U形管里的红墨水(或品红溶液)会沿开口端上升。(3)氧化钙和水的反应是放热反应,放热反应中反应物的总能量大于生成物的总能量,故CaO和H2O的能量之和大于Ca(OH)2的能量。(4)由于氯化钠和水不反应,混合时能量变化不明显,试管内气体压强变化不明显,故看不到相同的现象。
答案:(1)检查装置的气密性
(2)U形管左端液面下降,右端液面上升
(3)CaO和H2O所具有的总能量高于Ca(OH)2所具有的总能量
(4)否
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课堂检测·素养达标
1.下列关于化学电源的说法正确的是 ( )
A.干电池放电之后还能再充电
B.充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能
C.充电电池可以无限制地反复放电、充电
D.氢氧燃料电池是一种环境友好电池
【解析】选D。A项,干电池是一次性电池,放电之后不能再充电,A错误;B项,充电电池在放电时化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,B错误;C项,充电电池不能无限制地反复放电、充电,C错误;D项,氢氧燃料电池的生成物是水,是一种环境友好电池,D正确。
2.(2019·玉溪高一检测)下列各个装置中能组成原电池的是 ( )
【解析】选B。A中两电极材料相同,不符合题意;C中酒精是非电解质,不符合题意;D中不能构成闭合回路,不符合题意。
【补偿训练】
下列装置中,不能构成原电池的是 ( )
【解析】选B。A、C、D项都具备两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路和自发进行的氧化还原反应的条件,都构成了原电池;B项,蔗糖溶液不是电解质溶液,不能构成原电池。
3.(2019·聊城高一检测)X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X和Y组成原电池时,Y为电池的负极。X、Y、Z三种金属的活动性顺序为 ( )
A.X>Y>Z B.X>Z>Y
C.Y>X>Z D.Y>Z>X
【解析】选C。根据原电池原理,负极的金属比正极活泼,可知Y>X,根据金属活动性顺序和置换反应原理,可知X>Z,故有Y>X>Z。
4.图1是铜锌原电池示意图。图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量,y轴表示 ( )
A.铜棒的质量 B.c(Zn2+)
C.c(H+) D.c(S)
【解析】选C。在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气,铜棒的质量不变,A项错误;由于Zn是负极,不断发生反应Zn-2e-Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)增大,B项错误;由于反应不断消耗H+,所以溶液的c(H+)逐渐降低,C项正确;S不参加反应,其浓度不变,D项错误。
5.等质量的两份锌粉a、b,分别加入两支相同的试管中,然后加入等体积等物质的量浓度且均过量的稀硫酸,同时向a中加入少量CuSO4溶液,则产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系用图象表示如下,其中正确的是 ( )
【解析】选D。等质量的两份锌粉中,加入等体积等物质的量浓度且均过量的稀硫酸,同时向a中加入少量CuSO4溶液,则a中发生的反应有Zn+Cu2+Zn2++Cu,Zn+2H+Zn2++H2↑,由于置换出来的Cu与Zn在稀硫酸中构成原电池,所以,a中的反应速率比b中的反应速率大,即反应完成所需的时间短,但Cu2+消耗了少量的Zn,a中产生的H2比b中产生的H2少。b中只发生反应:Zn+2H+Zn2++H2↑。符合条件的图象是D。
6.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,有一种银锌电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,总反应为Ag2O+ZnZnO+2Ag,其中一个电极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-。
(1)判断正负极的材料。
提示:根据电池总反应可知Zn失电子被氧化而溶解,Ag2O得电子被还原发生还原反应。因此Zn为负极材料,Ag2O为正极材料。
(2)写出另一电极的电极反应式,并判断反应类型。
提示:Zn+2OH--2e-ZnO+H2O,氧化反应。利用总的电池反应减去一极的电极反应式,就可以得到另一极的电极反应式。
(3)判断电池工作时,电子的流动方向和电解质溶液中离子的流动方向。
提示:电池工作时,电子由负极经外电路到正极,即电子从Zn极经外电路到Ag2O极。溶液中的阳离子流向电池的正极(Ag2O极),阴离子流向负极(Zn极)。
(4)在电池使用的过程中,电解质溶液中KOH的物质的量怎样变化?
提示:不变。电池中KOH只起到增强导电的作用,不参与反应,故电池使用过程中KOH的物质的量不变。
(5)当电池工作时通过电路对外提供了1 mol电子,计算消耗的负极的质量。
提示:32.5 g。根据电极反应式1 mol Zn失2 mol电子,因此当通过电路1 mol电子时,负极消耗Zn的物质的量为0.5 mol,其质量为32.5 g。
【补偿训练】
(2017·商丘高一检测)由A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应式是____________。?
(2)装置乙中正极的电极反应式是____________。?
(3)装置丙中溶液的酸性____________(填“增强”“减弱”或“不变”)。?
(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是_______________________。?
【解析】甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活泼性A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活泼性B>C;丙中A上有气体产生,即H2产生,则A为正极,活泼性D>A,随着H+的消耗,酸性减弱。
答案:(1)A-2e-A2+ (2)Cu2++2e-Cu (3)减弱 (4)D>A>B>C
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课时素养评价 九
化学反应与电能
(40分钟 70分)
一、选择题(本题包括8小题,每小题5分,共40分)
1.下列电池中不易造成环境污染的是 ( )
A.镍镉电池 B.锌锰电池
C.铅蓄电池 D.氢氧燃料电池
【解析】选D。镍镉电池、锌锰电池、铅蓄电池中都有重金属,使用时容易造成环境污染;氢氧燃料电池的原料分别是氢气、氧气,最终产物为水,使用时对环境不易造成污染。
【补偿训练】
下列关于充电电池的叙述,不正确的是 ( )
A.充电电池的化学反应原理是氧化还原反应
B.理论上充电电池可以被多次充放电
C.充电和放电属于可逆反应
D.较长时间不使用电池时,最好将电池取出并妥善存放
【解析】选C。充电电池中充电和放电属于可逆过程,但是不属于可逆反应。因为可逆反应要求在同
一条件下向两个反应方向同时进行,而充电过程和放电过程的反应条件不同,C项错误。
2.(2019·周口高一检测)下列装置能形成原电池的是 ( )
A.①②③⑦ B.①②⑤⑥
C.①②③④ D.①②③⑥⑦
【解析】选A。根据构成原电池的“两极一液一线一反应”判断,装置④不能形成闭合回路;装置⑤不具有两个活动性不同的电极,只能发生氧化还原反应;装置⑥中酒精不是电解质溶液。
3.(2019·泰安高一检测)如图,在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y,外电路中电子流向如图所示,关于该装置的下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向为X→外电路→Y
B.若两电极分别为Fe和碳棒,则X为碳棒,Y为Fe
C.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
D.若两电极都是金属,则它们的活动性顺序为X>Y
【解析】选D。外电路的电子流向为X→外电路→Y,电流方向与其相反,A错误;X极失电子,作负极,Y极上发生的是还原反应,X极上发生的是氧化反应。若两电极分别为Fe和碳棒,则Y为碳棒,X为Fe,B、C错误,D正确。
【补偿训练】
1.下列关于原电池的叙述中正确的是 ( )
A.正极和负极必须是两种不同的金属
B.电子流入的一极为正极
C.原电池工作时,正极和负极上发生的都是氧化还原反应
D.锌、铜和盐酸构成的原电池工作时,锌片上有6.5 g锌溶解,正极上就有0.1 g氢气生成
【解析】选B。原电池中电子从负极流出,从正极流入;它的正、负极可以是两种活泼性不同的金属,也可以是金属与非金属;原电池工作时负极上发生氧化反应,正极上发生还原反应;当锌片上有6.5 g锌溶解时,正极上生成0.2 g氢气。
2.为将反应2Al+6H+2Al3++3H2↑的化学能转化为电能,下列装置能达到目的的是(铝条均已除去了氧化膜) ( )
【解析】选B。A、B、C三项中的装置均能将化学能转化为电能,A项中反应为2Al+2OH-+2H2O2Al+3H2↑,A项错误;B项Al与H2SO4反应产生铝盐和H2,B项正确;C项中反应为Al和硝酸反应生成NO,C项错误;D项中两电极全是Al,因而不能构成原电池,即不能将化学能转化为电能,D项错误。
4.(2017·随州高一检测)如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断下表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是( )
选项
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
【解析】选C。该原电池中M棒变粗,N棒变细。说明原电池反应时N棒溶解作负极,溶液中有金属析出在M棒上。M棒作正极,A、B选项中,电解质溶液分别为稀硫酸和稀盐酸,原电池工作时,不会有金属析出且A中M棒变细,C选项正极反应为Ag++e-Ag。而D选项正极反应为Fe3++e-Fe2+,不会有金属析出,是M棒锌溶解变细。
【易错提醒】判断原电池的正负极的特例
(1)Al、Mg和氢氧化钠溶液构成的原电池,Al作负极,Mg作正极。
(2)Fe(或Al)、Cu和浓硝酸构成的原电池,Cu作负极,Fe(或Al)作正极。
5.(2019·日照高一检测)如图所示,杠杆A、B两端分别挂有体积相同、质量相同的空心铜球和空心铁球,调节杠杆使其在水中保持平衡,然后小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液,一段时间后,下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中不考虑铁丝反应及两边浮力的变化) ( )
A.杠杆为导体和绝缘体时,均为A端高B端低
B.杠杆为导体和绝缘体时,均为A端低B端高
C.当杠杆为绝缘体时,A端低B端高;为导体时,A端高B端低
D.当杠杆为绝缘体时,A端高B端低;为导体时,A端低B端高
【解析】选D。根据题意,若杠杆为绝缘体,滴入CuSO4溶液后,在铁球表面析出Cu,铁球质量增大,B端下沉;若杠杆为导体,滴入CuSO4溶液后,形成原电池,在铜球表面析出Cu,A端下沉。
【互动探究】(1)杠杆为导体时,若转移2 mol电子,两极的质量差是多少?
提示:转移2 mol电子时,铁电极溶解1 mol Fe,质量减少56 g,铜电极析出1 mol Cu,质量增加64 g,故两极质量差为120 g。
(2)若将上题CuSO4溶液改为硫酸,应选哪个选项?
提示:选B。若杠杆为绝缘体,滴入硫酸后,铁球溶解,质量减小,A端下沉;若杠杆为导体,滴入硫酸后,形成原电池,铁球溶解,质量减小,铜球质量不变,A端下沉。
6.铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2,电解液为硫酸,工作时的反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。已知PbSO4难溶于水。下列结论正确的是( )
A.Pb为正极,被氧化
B.溶液的pH不断减小
C.S只向PbO2处移动
D.电解液密度不断减小
【解析】选D。分析化学反应可知,反应中Pb失去电子,作负极;PbO2得电子,作正极,反应不断消耗硫酸,溶液的pH不断增大;无论Pb还是PbO2最终都生成PbSO4,所以S既向Pb处移动也向PbO2处移动;PbSO4在电解液中的溶解度很小,所以电解液的密度不断减小。
【补偿训练】
目前,科学家提出了一种理想而且经济的获得氢能源的循环体系(如图)。关于此循环体系,下列说法中错误的是 ( )
A.燃料电池能够使化学反应产生的能量转化为电能
B.燃料电池中通入H2的一极作负极,发生氧化反应
C.在此循环中发生了反应:2H2O2H2↑+O2↑
D.目前化学家急需解决的问题是寻找合适的光照条件下分解水的催化剂
【解析】选C。此循环过程中利用太阳能将H2O分解为H2和O2,然后利用氢氧燃料电池,将化学能转化为电能,循环过程中并没有发生电解水的反应,C项错误。
7.(2019·广州高一检测)某小组为研究原电池原理,设计如图装置,下列叙述正确的是 ( )
A.若X为Fe,Y为Cu,铁为正极
B.若X为Fe,Y为Cu,电子由铜片流向铁片
C.若X为Fe,Y为石墨,石墨棒上有红色固体析出
D.若X为Cu,Y为Zn,锌片发生还原反应
【解析】选C。Fe比Cu活泼,Fe作负极,电子从Fe流向Cu,故A、B错误;若X为Fe,Y为C,电解质为硫酸铜,则正极石墨棒上析出Cu,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn作负极,发生氧化反应,故D错误。
8.将两极质量相同的铜棒和锌棒,用导线相连接后插入CuSO4溶液中,经过一段时间后,取出洗净后干燥并称重,两棒质量相差6.45 g,导线中通过的电子的物质的量为 ( )
A.0.1 mol B.0.2 mol
C.0.3 mol D.0.4 mol
【解析】选A。负极:Zn-2e-Zn2+,Zn失去2 mol电子减重65 g;正极:Cu2++2e-
Cu,Cu2+得到2 mol电子增重64 g。两极质量相差:65 g+64 g=129 g,现在两棒质量相差6.45 g,应转移0.1 mol电子。
【方法规律】解答原电池计算题的方法
(1)根据守恒法计算:其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)根据总反应式计算:先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式计算。
(3)根据关系式计算:根据得失电子守恒关系,在已知量与未知量之间,建立计算所需的关系式。
二、非选择题(本题包括2小题,共30分)
9.(15分)铜锌合金是一种记忆合金,颜色为金黄色 , 俗称黄铜。因其极像黄金 ,不法商贩用来牟取暴利。铜锌也能设计成原电池(如图),该电池以硫酸铜为电解质溶液,
(1)负极材料是什么?发生反应的类型是什么?写出电极反应式。锌片上的现象有哪些?
提示:CuSO4溶液为电解质溶液时,铜锌原电池的负极为锌,发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-Zn2+,所以锌片不断溶解。
(2)正极材料是什么?发生反应的类型是什么?如何书写电极反应式?铜片上的现象有哪些?该原电池总反应的离子方程式是什么?
提示:正极为铜,发生还原反应,电极反应式为Cu2++2e-Cu,所以铜极不断变粗,原电池总反应式为Zn+Cu2+Zn2++Cu。
(3)1 mol Zn完全反应时,通过电解质溶液的电子的数目是多少?通过导线的电子的数目是多少?
提示:0;2NA。电子不经过内电路,故通过电解质溶液的电子的数目是0。1 mol Zn失去2NA个电子,故通过导线的电子的数目是2NA。
【补偿训练】
市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁屑、炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。“热敷袋”启用之前用塑料袋使其与空气隔绝,启用时,打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后,会发现有大量铁锈存在。
(1)“热敷袋”放出的热量是利用铁发生了________反应放出热量。?
(2)炭粉的主要作用是____________________。?
(3)加入氯化钠的主要作用是________________。?
(4)木屑的作用是________________________。?
【解析】由铁屑能在氧气中燃烧同时迅速放出大量的热,可推知铁在潮湿的情况下生锈时也会放出热量,只是比燃烧缓慢一些。日常生活中铁生锈过于缓慢,热量的释放也非常缓慢,难以察觉到。倘若提供适当的条件(如较浓的电解质溶液、导电且不活泼的固体物质)让铁成为原电池的负极材料,铁的氧化速率就会增大。木屑作用是让“热敷袋”产生的热量均匀地向外散失、传递。
答案:(1) 氧化
(2)作为导电的固体物质,让铁成为原电池的负极材料,铁的氧化速率就会增大
(3)提供较浓的电解质溶液,让铁成为原电池的负极材料,铁的氧化速率就会增大
(4)让“热敷袋”产生的热量均匀地向外散失、传递
10.(15分)氢气是未来最理想的能源之一,科学家最近研制出利用太阳能产生激光,并在二氧化钛(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术:2H2O2H2↑+O2↑。制得的氢气可用于燃料电池。试回答下列问题:
(1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现________能转变为________能。水分解时,断裂的化学键为________键,分解海水的反应属于________反应(填“放热”或“吸热”)。?
(2)氢氧燃料电池已用于航天飞机。以30% KOH溶液为电解质溶液的这种电池在使用时的电极反应如下:2H2+4OH--4e-4H2O,O2+2H2O+4e-4OH-,据此作出判断,下列说法中错误的是________。?
A. 供电时的总反应是2H2+O22H2O
B. 产物为无污染的水,属于环境友好型电池
C. 燃料电池的能量转化率可达100%
D. H2在负极发生氧化反应
(3)有人以化学反应:2Zn+O2+4H+2Zn2++2H2O为基础设计出一种原电池,移入人体内作为心脏起搏器的能源,它靠人体内血液中溶有一定浓度的O2、H+进行工作。则原电池的负极材料是________,负极上发生反应的电极反应式为______
__________________________________。?
【解析】(1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现了化学能转变为电能。水分解时,断裂的化学键为共价键,分解海水的反应属于吸热反应。
(2)A、两个电极反应式相加,总电极反应式为2H2+O22H2O,故说法正确;B、根据A选项分析,产物是H2O,对环境无污染,属于环境友好型电池,故说法正确;C、能量转化率不可能达到100%,故说法错误;D、氢气在负极被氧化,故说法正确。
(3)负极发生氧化反应,所以该原电池的负极材料是Zn,电极反应式为Zn-2e-Zn2+。
答案:(1)化学 电 共价 吸热
(2)C
(3)Zn Zn-2e-Zn2+
(20分钟 30分)
一、选择题(本题包括2小题,每小题6分,共12分)
11.(原创题)实验探究是提高学习效果的有力手段。陈颖同学用如图所示装置研究原电池原理,下列说法错误的是 ( )
A.若将图1装置的Zn、Cu下端接触,Zn片逐渐溶解,Cu片上能看到气泡产生
B.图2中H+向Zn片移动
C.若将图2中的Zn片改为Mg片,Cu片上产生气泡的速率加快
D.图2与图3中,Zn片减轻的质量相等时,正极产物的质量比为1∶32
【解析】选B。Zn、Cu直接接触就能构成闭合回路而形成原电池,Zn片逐渐溶解,Cu片上可看到有气泡产生,A项正确;H+带正电荷,应该向正极Cu片移动,B项错误;由于Mg的失电子能力强于Zn,所以将Zn片改为Mg片后,电子转移速率加快,生成H2的速率也加快,C项正确;图2中假设负极消耗65 g Zn,则转移2 mol电子,正极产生2 g H2,而图3中负极消耗65 g Zn,也转移2 mol电子,则正极析出64 g Cu,正极产物的质量比为1∶32,D项正确。
12.某原电池结构如图所示,下列有关该原电池的说法正确的是( )
A.电池反应为Mg+2H+Mg2++H2↑
B.镁棒发生还原反应
C.电子从铜棒经外电路流向镁棒
D.铜棒为负极
【解析】选A。A项,镁比铜活泼,镁作负极,其总电极反应式为Mg+2H+Mg2++
H2↑,故正确;B项,镁失去电子,化合价升高,被氧化,故错误;C项,根据原电池工作原理,电子从镁流向铜,故错误;D项,镁化合价升高,作负极,故错误。
二、非选择题(本题包括1小题,共18分)
13.(2019·揭阳高一检测)某化学兴趣小组的同学为了探究铝电极在电池中的作用,设计并进行了以下一系列实验,实验结果记录如下:
编号
电极材料
电解质溶液
电流计指针
偏转方向
1
Mg、Al
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、C(石墨)
稀盐酸
偏向石墨
4
Mg、Al
氢氧化钠溶液
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
试根据表中的实验现象回答下列问题:
(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)?
(填“相同”或“不相同”)。
(2)对实验3完成下列填空:
①铝为__________极,电极反应式:__?________________。?
②石墨为__________极,电极反应式:__?________________。?
③电池总反应方程式:_ _______________。?
(3)实验4中铝作__________,理由是__________________________。写出铝电极的电极反应式:____________________。?
(4)解释实验5中电流计指针偏向铝的原因_________________________。?
(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素:________
______________。?
【解析】在稀盐酸中,Mg比Al活泼,Mg作原电池的负极,Al作原电池的正极,电流计指针偏向Al;在稀盐酸中,Al比Cu活泼,Al作原电池的负极,Cu作原电池的正极,电流计指针偏向Cu。由此可知,原电池中电流计指针偏向正极。在实验3中电流计指针偏向石墨,由上述规律可知,在该原电池中铝作负极,石墨作正极。铝失去电子被氧化成铝离子,盐酸中的氢离子得到电子被还原为氢气。该实验的设计运用比较法探究铝电极在原电池中的作用。实验1、2、3中电解质溶液相同,电极材料不同;实验1和4比较的是电极材料相同,电解质溶液不同;实验5与其他实验比较的是电极材料和电解质溶液都不同。通过这些结果可以总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素。根据电极材料及电解质溶液的不同以及反应的实验现象作判断,应注意Al可与NaOH溶液反应,Al在浓HNO3中钝化等情况。
答案:(1)不相同
(2)①负 2Al-6e-2Al3+;②正 6H++6e-3H2↑
③2Al+6HCl2AlCl3+3H2↑
(3)负极 铝可以与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应,而镁不与氢氧化钠溶液发生化学反应 Al-3e-+4OH-Al+2H2O
(4)铝在浓硝酸中被钝化,锌在浓硝酸中被氧化,即在浓硝酸中Zn比Al活泼,Zn作原电池的负极,Al作原电池的正极,所以电流计指针偏向铝
(5)另一个电极材料的活泼性和电解质溶液的氧化性
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课时素养评价 八
化学反应与热能
(30分钟 50分)
一、选择题(本题包括3小题,每小题8分,共24分)
1.“能源分类相关图”如图所示,四组选项中全部符合图中阴影部分的能源是
( )
A.煤炭、石油、潮汐能
B.水能、生物能、天然气
C.太阳能、风能、沼气
D.地热能、海洋能、核能
【解析】选C。阴影部分三者共有,既是来自太阳的能源又属于可再生能源和新能源;A.煤炭、石油不是新能源和可再生能源,错误;B.天然气是化石能源,不属于可再生能源、新能源,错误;C.太阳能、风能、沼气符合三者条件,正确;D.核能不是来自太阳的能源,错误。
2.(2019·湛江高一检测)一定条件下,某容器中各微粒在反应前后变化的示意图如下,其中和分别代表不同元素的原子。
关于此反应说法错误的是 ( )
A.一定属于吸热反应
B.一定属于可逆反应
C.一定属于氧化还原反应
D.一定属于分解反应
【解析】选A。观察示意图知该反应的反应物是一种,生成物是两种,该物质发生分解反应,一般的分解反应是吸热反应,但也有分解反应如(2H2O22H2O+O2↑)是放热反应,A项错误,D项正确;根据图示可知有一部分反应物未参加反应,所以该反应是可逆反应,B项正确;该反应中反应物为化合物,生成物中有单质,元素化合价有变化,属于氧化还原反应,C项正确。
【补偿训练】
(2019·衡阳高一检测)将盛有NH4HCO3粉末的小烧杯放入盛有少量醋酸的大烧杯中。然后向小烧杯中加入盐酸,反应剧烈,醋酸逐渐凝固。由此可知
( )
A.NH4HCO3和盐酸的反应是放热反应
B.该反应中,热能转化为产物内部的能量
C.反应物的总能量高于生成物的总能量
D.反应物中化学键断裂吸收的能量少
【解析】选B。醋酸逐渐凝固,说明NH4HCO3与盐酸反应使醋酸的温度降低,因此该反应为吸热反应,反应物中化学键断裂吸收的热量多于生成物中化学键形成放出的热量,A、D错误;吸热反应中反应物吸收能量,得到的生成物内能增加,B正确;反应物的总能量低于生成物的总能量,C错误。
3.根据下列信息判断氢气燃烧生成水时的热量变化,其中一定正确的是 ( )
A.H2O分解为H2与O2时放出热量
B.生成1 mol H2O时吸收热量245 kJ
C.甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小关系为乙>甲>丙
D.氢气和氧气的总能量小于水的能量
【解析】选C。根据能量变化可知,1 mol H2与 mol O2断键时吸收685 kJ能量,而生成1 mol H2O放出930 kJ能量,所以H2燃烧生成H2O的反应是放热反应,则H2O的分解是吸热反应,A、B错误;由断键吸热,成键放热可知C正确;D项,未指明物质的具体量,错误。
【补偿训练】
1.(2019·邢台高一检测)我国空间站将在2022年前后建成,其可承载试验能力大幅提高,而且长期连续运行。为此,需要提前造好飞船,根据空间站航天员乘组更换要求和货物运输需求,按需发射,“有点像航空公司的航班”。航天飞船可用肼(N2H4)作动力源。
已知1 g液态肼和足量的液态过氧化氢反应生成N2和水蒸气时放出20.05 kJ热量,化学方程式为:N2H4+2H2O2N2↑+4H2O。下列说法中错误的是( )
A.该反应中肼作还原剂
B.此情况下,液态肼反应生成1 mol N2时放出的热量为641.6 kJ
C.肼(N2H4)分子中只存在极性共价键
D.该反应的反应物总能量高于生成物的总能量
【解析】选C。由反应可知,N2H4中-2价的氮元素被氧化成N2,N2H4在反应中作还原剂,A项正确;生成1 mol N2需要1 mol N2H4即32 g N2H4,此时共放热20.05 kJ×32=641.6 kJ,B项正确;在N2H4中既存在N—H极性键又存在N—N非极性键,C项不正确;该反应为放热反应,说明反应物总能量高于生成物总能量,D项正确。
2.科学家用X射线激光技术观察到CO与O在催化剂表面形成化学键的过程。反应过程的示意图如下:
下列说法正确的是 ( )
A.CO和O生成CO2是吸热反应
B.在该过程中,CO断键形成C和O
C.CO和O生成了具有极性共价键的CO2
D.状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O2反应的过程
【解析】选C。分析图象知状态Ⅰ的能量比状态Ⅲ的高,因此是放热反应,A错误;从反应历程看反应过程中化学键没有断裂,B错误;CO2的结构是OCO,含极性共价键,C正确;状态Ⅰ→状态Ⅲ是CO与O的反应,D错误。
二、非选择题(本题包括1小题,共10分)
4.汽车尾气是城市污染的一种,在汽车尾气装置中加入适当的催化剂可以实现汽车尾气的无害治理。
如图是NO和CO反应生成CO2和N2过程中的能量变化示意图,说明这个反应是________(填“吸热”或“放热”)反应,NO和CO的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)CO2和N2的总能量。?
【解析】根据图象可知,反应物的总能量大于生成物的总能量,反应放热。
答案:放热 大于
一、选择题(本题包括1小题,共6分)
5.在瓷盘中用细沙堆成一座小山,山顶留一个坩埚大小的圆坑,在坑中堆放高锰酸钾粉末5 g,顶上压一小槽,在高锰酸钾的周围,堆放研细的10克重铬酸铵粉末,用滴管滴1～2滴甘油在高锰酸钾的小槽里,片刻就能看到紫红色的火焰喷出,接着又有许多绿色的“火山灰”喷出来,形象逼真,宛如火山爆发。
下列有关上述反应中的能量变化认识错误的是 ( )
A.高锰酸钾和甘油发生反应并放出大量的热
B.重铬酸铵受热分解产生的气体受热膨胀喷射出来
C.高锰酸钾和甘油发生反应的能量变化如图
D.放热反应一定不需要加热就能进行
【解析】选D。放热反应可能需要加热才能进行。
【补偿训练】
下列分析正确的是 ( )
A.将氯气通入H2O2和NaOH的混合溶液中,发出红光,说明反应物的总能量低于生成物的总能量,放出热量
B.1 mol H2在氯气中完全燃烧,放出180 kJ热量,则键能(E)的关系为E(H—H)
=180 kJ+2E(H—Cl)-E(Cl—Cl)
C.干燥的碘粉与铝粉混合无明显现象,滴上一滴水会冉冉升起紫色的碘蒸气,最后得到白色AlI3。说明碘和铝发生的反应是放热反应
D.精确实验测得H2O在常温下也能微弱电离:H2OH++OH-,该过程是放热过程
【解析】选C。A项,反应物的总能量应该高于生成物的总能量;B项,正确的关系式是E(H—H)=2E(H—Cl)-E(Cl—Cl)-180 kJ,注意是键能和能量的关系;D项,电离是吸热的。
二、非选择题(本题包括1小题,共10分)
6.为了探究化学能与热能的转化,某实验小组设计了如图所示的三套实验装置:
(1)上述3个装置中,不能验证“铜与浓硝酸的反应是吸热反应还是放热反应”的装置是________(填装置序号)。?
(2)某同学选用装置Ⅰ进行实验(实验前U形管里液面左右相平),在甲试管中加入适量Ba(OH)2溶液与稀硫酸,U形管中可观察到的现象是_______________
_______,说明该反应属于________(填“吸热”或“放热”)反应。?
(3)为探究固体M溶于水的热效应,选择装置Ⅱ进行实验(反应在丙试管中进行)。
①若M为钠,则实验过程中烧杯中可观察到的现象是____________________
______________。?
②若观察到烧杯中产生气泡,则说明M溶于水?
(填“一定是放热反应”“一定是吸热反应”或“可能是放热反应”),理由是________________________。?
【解析】(1)装置Ⅰ可通过U形管中红墨水液面的变化判断铜与浓硝酸的反应是放热反应还是吸热反应;装置Ⅱ可通过烧杯中是否产生气泡判断铜与浓硝酸的反应是放热反应还是吸热反应;装置Ⅲ只是一个铜与浓硝酸反应并将生成的气体用水吸收的装置,不能验证该反应是放热反应还是吸热反应。
(2)Ba(OH)2溶液与稀硫酸的反应属于中和反应,中和反应都是放热反应。
(3)②NaOH固体、硝酸铵等溶于水时有热量的变化,但发生的是物理变化,不属于化学反应,故不是放热或吸热反应。
答案:(1)Ⅲ
(2)左端液面降低,右端液面升高 放热
(3)①产生气泡,反应完毕后,冷却至室温,烧杯中的导管内形成一段水柱 ②可能是放热反应 某些物质(如NaOH固体)溶于水放热,但不是放热反应
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