化学反应与能量转化

【学习目标】

1．通过了解化学反应中能量变化的实质，学会从微观的角度认识化学反应。

2．通过生产生活中的实例，了解化学能与热能的相互转化。

3．了解原电池的工作原理。

4．能写出电极反应式和电池反应方程式。

5．学会设计简单原电池装置。

【学习重难点】

重点：学会从微观的角度认识化学反应；了解原电池的工作原理。

难点：了解化学能与热能的相互转化；能写出电极反应式和电池反应方程式。

【学习过程】

第一课时

【自主预习】

1．在化学反应过程中，破坏旧化学键，需要____________一定的能量来克服原子（离子）间的相互作用；形成新化学键时，又要____________一定的能量。因此，在化学反应中，不仅有________________________，而且还伴随着________________________。

2．思考：你所知道的能量类型有哪几种？

【合作学习 自主探究】

1．从化学键的角度分析，一个化学反应满足什么条件时吸收能量（释放能量）？

2．化学反应中的能量变化通常主要表现为____________。常见放热反应有哪些类型？试举例说明。

3．化学反应中____________（填“一定”或“不一定”，下同）有新物质生成，____________有能量的变化，____________有化学键的变化。释放能量的反应____________不需要外界条件，吸收能量的反应____________需要外界条件。化学反应中生成物“储存”的能量____________比反应物“储存”的能量高。离子键在形成过程中____________有电子的得失，共价键在形成过程中____________发生共用电子对的偏移，共价化合物中____________不含离子键，离子化合物中____________不含共价键。

4．多角度认识化学反应过程

（1）从原子与分子角度：________________________________________________。

（2）从化学键的角度：化学反应是____________________________________。

（3）从能量变化的角度：化学反应总是伴随着____________________________________。

【典题解悟】

例1．下列说法中正确的是（    ）

A．物质发生化学反应都伴随着能量变化

B．伴有能量变化的物质变化都是化学变化

C．在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量与生成物的总能量一定不同

D．一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量总是高于生成物的总能量

答案：AC

分析：物质发生化学反应都伴随着能量的变化，伴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、核变化（如原子弹的爆炸）也都伴有能量变化。在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量（设为x）与生成物的总能量（设为y）之间的关系为：①x>y，化学反应为放热反应；②x<y，化学反应为放热反应；③ x≠y

点评：本题主要考查对化学反应中物质变化和能量变化的理解和使用。

例2．下列反应中属于吸热反应的是（    ）

① 液态水汽化

②将明矾加热变为白色粉末

③ 浓硫酸稀释

④ 氯酸钾分解制氧气

⑤ 生石灰跟水反应生成熟石灰

A．①④

B．②③

C．①④⑤

D．②④

答案：D

分析：放热反应⑤ ，吸热反应②④ ，液态水汽化是物理过程；浓硫酸稀释是物理过程。

点评：放热反应和吸热反应都必须是化学反应。

【精练反馈】

1．对于ⅣA族元素，下列叙述中不正确的是（    ）

A．SiO₂和CO₂中Si和O，C和O之间都是共价键

B．C、Si、Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8

C．CO₂和SiO₂都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应

D．该族元素的主要化合价是－4和＋2

2．已知反应2H    H₂可放出437.6 kJ的热量，下列说法正确的是（    ）

A．氢分子内每个氢原子都达到了8电子稳定结构

B．氢分子能量比氢原子能量低

C．1 mol氢气理解成2 mol氢原子要放出437.6 kJ的热量

D．氢原子还原性比氢分子弱

3．下列说法不正确的是（    ）

A．任何化学反应都伴随能量变化

B．化学反应中的能量变化都表现为热量的变化

C．反应物的总能量高于生成物的总能量，则反应释放出能量

D．若化学键形成时释放的能量小于破坏旧化学键所需要吸收的能量，则反应吸收能量

4．天然气（CH₄），液化石油气（C₃H₈）燃烧的化学方程式为CH₄＋2O₂      CO₂＋2H₂O

C₃H₈＋5O₂＝3CO₂＋4H₂O，现在有一套以天然气为燃料的灶具，欲改为燃烧液化石油气，应采取的正确措施是（    ）

A．减少空气进入量，增大石油气进入量

B．增大空气进入量，减少石油气进入量

C．增大空气进入量，也增大石油气进入量

D．增大空气进入量，或减少石油气进入量

5．下列结构中有离子键的是（    ）

A．干冰

B．NH₄Cl

C．Na₂O₂

D．HI

6．下列说法正确的是（    ）

A．两个非金属原子之间不可能形成离子键

B．非金属原子之间不可能形成离子键

C．离子化合物中可能有共价键

D．共价化合物中可能有离子键

7．下列物质中，既含有离子键，又含有共价键的是（    ）

A．H₂O

B．CaCl₂

C．NaOH

D．Cl₂

8．下列性质中，可以证明某化合物内一定存在离子键的是（    ）

A．可溶于水

B．具有较高的熔点

C．水溶液能导电

D．熔融状态能导电 

9．下列电子式书写正确的是（    ）

10．（2007重庆）已知1 g氢气完全燃烧生成水蒸气时放出热量121 kJ，且氧气中1 molO=O键完全断裂时吸收热量496 kJ，水蒸气中1 molH—O键形成时放出热量463 kJ，则氢气中1 molH—H键断裂时吸收热量为（    ）

A．920 kJ

B．557 kJ

C．436 kJ

D．188 kJ

11．（2006上海）下列反应中生成物总能量高于反应物总能量的是（    ）

A．碳酸钙受热分解

B．乙醇燃烧

C．铝粉与氧化铁粉末反应

D．氧化钙溶于水

12．已知25 ℃、10l kPa条件下：

由此得出的正确结论是（    ）

A．等质量的O₂比O₃能量低，由O₂变O₃为吸热反应

B．等质量的O₂比O₃能量低，由O₂变O₃为放热反应

C．O₃比O₂稳定，由O₂变O₃为吸热反应

D．O₂比O₃稳定，由O₂变O₃为放热反应

13．下列反应属于吸热反应的是（    ）

A．Ba（OH）₂与HCl的中和反应

B．葡萄糖在人体内氧化分解

C．Ba（OH）₂·8H₂0与NH₄Cl反应

D．锌粒与稀H₂S0₄反应制取H₂

14．化学键的断裂和形成的观点不能用于解释下列化学事实中的（    ）

A．氧化还原反应

B．化学反应的能量变化

C．加成反应

D．化学反应过程的本质

15．下列叙述正确的是（    ）

A．物质燃烧不一定是放热反应

B．放热反应不需要从外界吸收任何能量就能发生

C．在一个确定的化学反应中，反应物总能量总是高于生成物总能量

D．化学反应除了生成新的物质外，还伴随着能量的变化

16．下列物质中：N₂、H₂O、Na₂O₂、CaCl₂、KOH、NaF，只含有共价键的物质是_______；只含有离子键的物质是_______；既含有离子键又含有共价键的物质是_______。

17．在H、Na、O、Cl四种元素中，由两种元素组成的离子化合物有_______、_______、_______、_______；由两种元素组成的共价化合物有_______、_______、_______。

18．有下列物质：①金属铜  ②NaOH  ③I₂  ④MgCl₂  ⑤Na₂O₂  ⑥氩气  回答下列问题：

（1）不存在化学键的是____________________________

（2）存在金属键的是____________________________

（3）只存在非极性键的是____________________________

（4）只存在离子键的是____________________________

（5）既存在离子键又存在极性键的是____________________________

（6）既存在离子键又存在非极性键的是____________________________

【参考答案】

1．B

2．B

3．B

4．D

5．BC

6．AC

7．C

8．D

9．B

10．C

11．A

12．A

13．C

14．A

15．D

16-18．略

第二课时

【教材整理】

铜锌原电池实验：

1．实验装置

2．实验现象及分析

原电池工作原理：

1．原电池

（1）定义：能将化学能转化为电能的装置。

（2）电极名称及电极反应。

①负极：电子流出的一极，发生氧化反应。

②正极：电子流入的一极，发生还原反应。

（3）原电池的构成条件。

①两个活泼性不同的电极（两种金属或一种金属和一种能导电的非金属）。

②电解质溶液。

③构成闭合回路。

④能自发发生的氧化还原反应。

2．工作原理

外电路中电子由负极流向正极；内电路（电解质溶液）中阴离子移向负极，阳离子移向正极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。

1799年，意大利科学家伏特发明了世界上最早的电池——伏特电池。

1836年，英国科学家丹尼尔对“伏特电池”进行了改良，制造了一个能稳定工作的铜锌原电池，称为“丹尼尔电池”。其基本构造如图所示。

问题思考：

（1）该装置中电子移动方向如何？溶液中的SO4(2－)通过盐桥移向锌极吗？

【提示】该原电池中负极是锌，正极是铜，电子由锌极流向铜极，盐桥中的K^＋向正极移动，Cl^－向负极移动，从而平衡电荷，溶液中的SO4(2－)不会通过盐桥移向锌极。

（2）取出盐桥，检流计指针还会偏转吗？

【提示】取出盐桥，不能构成闭合回路，检流计指针不会偏转。

（3）将盐桥改为铜导线连接两种溶液，检流计指针还能偏转吗？

【提示】将盐桥改为铜导线连接两种溶液，不能构成原电池，检流计指针不发生偏转。

（4）根据以上现象分析，盐桥起了什么作用？

【提示】盐桥起到了使整个装置构成闭合回路的作用，同时能阻止反应物的直接接触。盐桥中Cl^－向ZnSO₄溶液迁移，K^＋向CuSO₄溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。

原电池中的几个判断：

1．原电池正负极的判断依据

（1）依据电极材料的活泼性判断

负极：活泼性相对强的一极；

正极：活泼性相对弱的一极。

（2）依据电子流向或电流流向判断

负极：电子流出或电流流入的一极；

正极：电子流入或电流流出的一极。

（3）依据溶液中离子移动的方向判断

负极：阴离子移向的一极；

正极：阳离子移向的一极。

（4）依据两极的反应类型判断

负极：发生氧化反应的一极；

正极：发生还原反应的一极。

（5）依据电极反应的现象判断

负极：溶解或减轻的一极；

正极：增重或生成气体的一极。

【特别提醒】正极的作用是导体及产生电势差，它不参与化学反应。负极反应不一定是负极材料本身的反应，有的原电池的负极既是导体又是负极反应物，有的原电池负极的作用是导体，它不参与反应。

原电池原理的应用：

1．加快氧化还原反应的速率

①实验室用粗锌和稀盐酸或稀硫酸反应制H₂，加快反应速率；

②如果用纯锌和稀盐酸或稀硫酸反应制H₂，可加入少量的CuSO₄溶液加快反应速率。

2．比较金属的活动性强弱

原电池中，负极的金属活动性＞正极的金属活动性。

3．设计原电池

①将已知氧化还原反应拆分为两个半反应；

②根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料及电解质溶液。

【精练反馈】

题组1原电池原理

1．如图所示的装置能构成原电池产生电流的是（    ）

【解析】A项中的电极相同；C项中未构成闭合回路；D项中酒精是非电解质。

【答案】B

2．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（    ）

图1          图2

A．铜棒的质量

B．c（Zn^2＋）

C．c（H^＋）

D．c（SO4(2－)）

【解析】该装置构成原电池，Zn是负极，Cu是正极。A．在正极Cu上溶液中的H^＋获得电子变为氢气，Cu棒的质量不变，错误；B．由于Zn是负极，不断发生反应Zn－2e^－===Zn^2＋，所以溶液中c（Zn^2＋）增大，错误；C．由于反应不断消耗H^＋，所以溶液的c（H^＋）逐渐降低，正确；D．SO4(2＋)不参加反应，其浓度不变，错误。

【答案】C

3．锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（    ）

A．铜电极上发生氧化反应

B．电池工作一段时间后，甲池的c（SO4(2－)）减小

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

【解析】A．Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B．电池工作过程中，SO4(2－)不参加电极反应，故甲池的c（SO4(2－)）基本不变；C．电池工作时，甲池反应为Zn－2e^－===Zn^2＋，乙池反应为Cu^2＋＋2e^－===Cu，甲池中Zn^2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64 g Cu析出，则进入乙池的Zn^2＋为65 g，溶液总质量略有增加，正确；D．由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。

【答案】C

题组2正负极判断

4．原电池的正极一定是（    ）

A．化学性质较活泼的金属

B．化学性质较不活泼的金属

C．电子流出的一极

D．电子流入的一极

【解析】正极的判断方法：（1）外电路电流流出，电子流入的一极；（2）发生还原反应；（3）化学性质较不活泼的金属或惰性电极；（4）阳离子移向的一极；（5）常见有气泡冒出或有金属析出的电极。

【答案】D

5．在如图所示的水果电池中，外电路上的电流从X电极流向Y电极。若X为铁，则Y可能是（    ）

A．锌 B．石墨 C．银 D．铜

【解析】电流的方向与电子的移动方向相反，由已知条件知电子由Y电极流向X电极，因此Y电极的金属活动性强于铁，故Y电极只能为选项中的锌。

【答案】A

6．某原电池，将两金属X、Y用导线连接，同时插入相应的电解质溶液中，发现Y电极质量增加，则可能是下列情况中的（    ）

A．X是负极，电解质溶液为CuSO₄溶液

B．X是负极，电解质溶液为稀H₂SO₄溶液

C．X是正极，电解质溶液为CuSO₄溶液

D．X是正极，电解质溶液为稀H₂SO₄溶液

【解析】Y电极质量增加，说明溶液中的阳离子得电子而在Y极（正极）上析出金属形成的。

【答案】A

题组3原电池原理的应用

7．把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，外电路电流由d到c；a、c相连时，c上产生大量气泡；b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性由强到弱的顺序为（    ）

A．a>b>c>d B．a>c>d>b

C．c>a>b>d D．b>d>c>a

【解析】在金属与稀硫酸组成的原电池中活泼金属作负极。所以有a＞b，c＞d，a＞c，d＞b。

【答案】B

8．将纯锌片和纯铜片按图示方式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pH均增大

D．产生气泡的速度甲比乙慢

【解析】由题目所给图示可知，甲为原电池，铜作正极，发生反应：2H^＋＋2e^－===H₂↑，反应速率加快；乙不能构成原电池（无闭合回路），只在锌片上发生反应：Zn＋2H^＋===Zn^2＋＋H₂↑，二者都消耗H^＋，故溶液的pH都增大。

【答案】C

9．依据氧化还原反应：2Ag^＋（aq）＋Cu（s）===Cu^2＋（aq）＋2Ag（s）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，发生的电极反应为_____________；X电极上发生的电极反应为_______________________________________________。

（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。

【解析】由题给反应可知以下信息

则X为Cu，Y为AgNO₃溶液。

【答案】（1）铜    AgNO₃溶液

（2）正    Ag^＋＋e^－===Ag    Cu－2e^－===Cu^2＋

（3）铜    银