化学反应与能量

必修第二册 第六章 化学反应与能量变化　从热量变化深入到能量的来源：用化学键的断裂与形成解释吸热和放热，再把氧化还原反应分在两极进行，使化学能直接转化为电能。

第一节 化学反应与能量变化　放热反应：释放热量，如燃烧、镁与盐酸的反应。　吸热反应：吸收热量，如氢氧化钡与氯化铵的反应。　化学键与能量变化：断键吸收能量，成键放出能量。　反应物与生成物的总能量：反应物总能量高于生成物时放热。　能源消费构成：化石能源占近九成，须节能、开发新能源。　火力发电：化学能经多次转化，间接变为电能。　原电池：把化学能直接转化为电能的装置。　负极与正极：电子流出的一极为负极，流入的为正极。　一次电池：放电后不能充电，如锌锰干电池。　二次电池：放电与充电可以循环进行。　燃料电池：反应物从外部供给，能量转化率高。

实验 化学能转化成电能　两极直接接触：没有电解质溶液，指针不偏转。　锌片插入稀硫酸：锌片上有气泡，铜片上没有。　锌片与石墨棒：石墨棒上产生气泡，指针偏转。　铜片与石墨棒：铜不与稀硫酸反应，指针不偏转。　用铁片代替锌片：铁比铜活泼，也能与稀硫酸反应。　水果电池：果汁相当于电解质溶液。

常见题型 放热反应与吸热反应。　下列反应中属于吸热反应的是 ______（填序号）：① 镁条与盐酸　② 甲烷燃烧　③ 氢氧化钡晶体与氯化铵　④ 氢气与氯气化合　灼热的炭与二氧化碳的反应属于 ______（填「放热」或「吸热」）反应。　需要加热才能发生的反应 ______（填「一定」或「不一定」）是吸热反应。　化学反应中能量变化的主要原因是 ______ 的断裂与形成。

常见题型 已知 25 ℃、101 kPa 下，断开 1 mol H₂、1 mol Cl₂ 中的化学键分别吸收 436 kJ、243 kJ 的能量，形成 1 mol HCl 中的化学键放出 431 kJ 的能量。　1 mol H₂ 与 1 mol Cl₂ 反应时，断键共吸收 ______ kJ 的能量。　生成 2 mol HCl 时，成键共放出 ______ kJ 的能量。　该反应 ______（填「放出」或「吸收」）______ kJ 的能量。　反应物的总能量 ______（填「高于」或「低于」）生成物的总能量。

常见题型 一定条件下，石墨转化为金刚石要吸收能量。　该反应属于 ______（填「放热」或「吸热」）反应。　1 mol 金刚石的总能量比 1 mol 石墨的 ______（填「高」或「低」）。　石墨和金刚石中，更稳定的是 ______。　等质量的金刚石和石墨完全燃烧，放出热量较多的是 ______。

常见题型 图中装置的电极为锌片和铜片，电解质溶液为稀硫酸。　负极是 ______ 片，发生 ______ 反应。　正极上的电极反应式为 ______。　电子由 ______ 片经导线流向 ______ 片。　反应一段时间后，溶液中 H⁺ 的浓度 ______（填「增大」「减小」或「不变」）。

常见题型 原电池与化学电源。　原电池是把 ______ 能直接转化为 ______ 能的装置。　锌锰干电池中，锌筒作 ______ 极。　铅酸蓄电池属于 ______（填「一次」或「二次」）电池。　燃料电池与干电池的主要差别是，反应物不储存在电池内部，而是 ______。

常见题型 能源的利用。　火力发电中，化学能先转化为 ______ 能，再转化为机械能，最后转化为电能。　理想的新能源应具有资源丰富、______、对环境无污染等特点。　氢氧燃料电池的总反应为 ______，产物对环境无污染。　节能不是简单地减少能源的使用，更重要的是要 ______ 地利用能源。

拓展提高 把 a、b、c、d 四种金属浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池：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 的质量减少；b、d 相连时 b 为正极。　a、b 中较活泼的是 ______。　c、d 相连时，负极是 ______。　b、d 中较活泼的是 ______。　四种金属的活动性由强到弱的顺序为 ______。

拓展提高 某小组研究铝电极在原电池中的作用，实验记录如图中表格所示（电流表指针偏向正极）。　实验 1 中铝作 ______ 极。　实验 2 中铝作 ______ 极。　实验 4 中铝作负极，原因是 ______。　由此可知，较活泼的金属作正极还是负极，还与 ______ 有关。

拓展提高 几位同学以相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池，实验数据如图中表格所示。　该实验探究水果种类和 ______ 对水果电池电流的影响。　该装置中负极的材料是 ______。　能表明水果种类对电流有影响的是实验 ______ 和实验 ______。　比较实验 1、2，其他条件相同时，电极间距离越大，电流越 ______。

拓展提高 1 mol C、1 mol CO 分别按下式燃烧：C(s) + ½O₂(g) = CO(g)，放热 110.5 kJ；CO(g) + ½O₂(g) = CO₂(g)，放热 283.0 kJ；C(s) + O₂(g) = CO₂(g)，放热 393.5 kJ。　1 mol C 燃烧只生成 CO 时，放出的热量约为完全燃烧的 ______%（保留整数）。　110.5 kJ 与 283.0 kJ 之和为 ______ kJ，与 1 mol C 完全燃烧放出的热量 ______。　煤炭燃烧不充分时会产生有毒的 ______ 气体。　由此说明，使煤炭充分燃烧既能 ______，又能减少对环境的污染。

拓展提高 冷敷袋在生活中有降温、保鲜和镇痛等用途，常见的三种分别装有：① 冰　② 硝酸铵和水　③ 硝酸铵和十水合碳酸钠。　制作冷敷袋，利用的是 ______（填「放热」或「吸热」）的变化。　① 中冰的融化属于 ______（填「物理」或「化学」）变化。　② 中硝酸铵溶于水使温度降低，属于 ______ 变化。　③ 中的反应吸收热量，说明反应物的总能量 ______（填「高于」或「低于」）生成物的总能量。

选择性必修 1 · 化学反应原理 第一章 反应热与盖斯定律　从定性的吸热、放热走向定量的焓变：用量热计测定反应热，用热化学方程式表示它，再用盖斯定律计算无法直接测定的反应热。　必修阶段只区分放热与吸热，本章用焓变定量描述反应热：用量热计测定，用热化学方程式表示，再用盖斯定律计算无法直接测定的反应热。

第一节 反应热　体系与环境：发生反应的物质为体系，其余为环境。　反应热：等温条件下体系释放或吸收的热量。　中和反应反应热的测定：取反应后体系的最高温度计算温度差。　中和反应的反应热：强酸、强碱稀溶液生成 1 mol 水放热 57.3 kJ。　焓变：等压条件下的反应热，符号为 ΔH。　ΔH 的正负：放热时 ΔH 为负值，吸热时为正值。　反应热的实质：断键吸收与成键释放的能量之差。　热化学方程式：既表明物质变化，也表明能量变化。　聚集状态：状态不同，焓也不同，必须注明。　化学计量数：可以是分数，ΔH 与之一一对应。　燃烧热：101 kPa 下 1 mol 纯物质完全燃烧。　指定产物：各元素完全燃烧后的产物有规定。

第二节 反应热的计算　盖斯定律：反应热只与体系的始态和终态有关。　登山的类比：势能变化只取决于起点和终点的高度差。　逆反应的焓变：数值相等，符号相反。　方程式相加减：ΔH 随之相加减，求出未知反应热。　由热化学方程式计算热量：放出的热量与反应物的物质的量成正比。

常见题型 依据事实，写出下列反应的热化学方程式。　1 mol C₂H₄(g) 与适量 O₂(g) 反应生成 CO₂(g) 和 H₂O(l)，放出 1 411.0 kJ 的热量：______。　1 mol C(s) 与适量 H₂O(g) 反应生成 CO(g) 和 H₂(g)，吸收 131.5 kJ 的热量：______。　1 mol Cu(s) 与适量 O₂(g) 反应生成 CuO(s)，放出 157.3 kJ 的热量：______。　4 g 硫粉在 O₂ 中完全燃烧生成 SO₂ 气体，放出 37 kJ 的热量：______。

常见题型 已知 25 ℃、101 kPa 下：① H₂(g) + Cl₂(g) = 2HCl(g)　ΔH = −184.6 kJ/mol；② C(s) + H₂O(g) = CO(g) + H₂(g)　ΔH = +131.5 kJ/mol。　两个反应中属于吸热反应的是 ______（填序号）。　反应 ① 中，反应物的总焓 ______（填「高于」或「低于」）生成物的总焓。　½H₂(g) + ½Cl₂(g) = HCl(g) 的 ΔH = ______ kJ/mol。　2HCl(g) = H₂(g) + Cl₂(g) 的 ΔH = ______ kJ/mol。

常见题型 已知 N₂(g) + 3H₂(g) = 2NH₃(g)　ΔH = −92.4 kJ/mol；断开 1 mol H—H 键、1 mol N—H 键分别需要吸收 436 kJ、391 kJ 的能量。　生成 2 mol NH₃ 时，形成 ______ mol N—H 键。　形成这些 N—H 键共释放 ______ kJ 的能量。　断开 3 mol H—H 键共吸收 ______ kJ 的能量。　断开 1 mol N≡N 键需要吸收 ______ kJ 的能量。

常见题型 已知 25 ℃、101 kPa 下：H₂(g) + ½O₂(g) = H₂O(l)　ΔH = −285.8 kJ/mol；H₂(g) + ½O₂(g) = H₂O(g)　ΔH = −241.8 kJ/mol。　H₂ 的燃烧热为 ______ kJ/mol。　1 mol H₂O(g) 变为 H₂O(l) 时 ______（填「放出」或「吸收」）______ kJ 的热量。　2 mol H₂ 完全燃烧生成液态水，放出 ______ kJ 的热量。　表示 CH₄ 燃烧热的热化学方程式中，H₂O 应为 ______（填「液态」或「气态」）。

常见题型 用图中的简易量热计测定中和反应的反应热：取 50 mL 0.50 mol/L 盐酸与 50 mL 0.55 mol/L NaOH 溶液进行实验。　仪器 a 的名称是 ______。　隔热层 b 的作用是 ______。　应将反应后体系的 ______ 温度记为 t₂。　若三次实验温度差的平均值为 3.4 ℃，生成 1 mol H₂O 时放出的热量约为 ______ kJ（溶液的密度、比热容近似取水的值，c = 4.18 J/(g·℃)，保留一位小数）。

常见题型 已知：① C(s) + ½O₂(g) = CO(g)　ΔH₁ = −110.5 kJ/mol　② H₂(g) + ½O₂(g) = H₂O(g)　ΔH₂ = −241.8 kJ/mol　③ C(s) + O₂(g) = CO₂(g)　ΔH₃ = −393.5 kJ/mol　由 ③ − ① 得到 CO(g) + ½O₂(g) = CO₂(g)，其 ΔH = ______ kJ/mol。　将反应 ② 反写，H₂O(g) = H₂(g) + ½O₂(g) 的 ΔH = ______ kJ/mol。　CO(g) + H₂O(g) = CO₂(g) + H₂(g) 的 ΔH = ______ kJ/mol。　该反应 ______（填「放出」或「吸收」）热量。

拓展提高 火箭发射时可用液态肼（N₂H₄）作燃料、NO₂ 作氧化剂，二者反应生成 N₂ 和水蒸气。已知：① N₂(g) + 2O₂(g) = 2NO₂(g)　ΔH₁ = +66.4 kJ/mol　② N₂H₄(l) + O₂(g) = N₂(g) + 2H₂O(g)　ΔH₂ = −534 kJ/mol　将反应 ② 乘以 ______ 再减去反应 ①，可得 N₂H₄(l) 与 NO₂(g) 反应的化学方程式。　2N₂H₄(l) + 2NO₂(g) = 3N₂(g) + 4H₂O(g) 的 ΔH = ______ kJ/mol。　1 mol N₂H₄(l) 与 NO₂(g) 完全反应，放出 ______ kJ 的热量。　从环境保护的角度看，这一反应的优点是产物 ______。

拓展提高 丙烷（C₃H₈）脱氢可得到丙烯（C₃H₆）。有关反应的关系如图所示，其中 ΔH₁ = +255.7 kJ/mol，ΔH₂ = +131.5 kJ/mol。　根据盖斯定律，ΔH = ΔH₁ ______ ΔH₂（填「+」或「−」）。　C₃H₈(g) = C₃H₆(g) + H₂(g) 的 ΔH = ______ kJ/mol。　丙烷脱氢属于 ______（填「放热」或「吸热」）反应。　1 mol C₃H₈(g) 的总焓比 1 mol C₃H₆(g) 与 1 mol H₂(g) 的总焓 ______（填「高」或「低」）。

拓展提高 已知：① C(s) + O₂(g) = CO₂(g)　ΔH₁ = −393.5 kJ/mol　② 2Mg(s) + O₂(g) = 2MgO(s)　ΔH₂ = −1 203.4 kJ/mol　2Mg(s) + CO₂(g) = 2MgO(s) + C(s) 的 ΔH = ______ kJ/mol。　该反应 ______（填「放出」或「吸收」）热量。　48 g Mg 与足量 CO₂ 完全反应，放出 ______ kJ 的热量。　金属镁着火时，______（填「能」或「不能」）用二氧化碳灭火器灭火。

拓展提高 已知：① H₂(g) + ½O₂(g) = H₂O(l)　ΔH₁ = −285.8 kJ/mol　② C₃H₈(g) + 5O₂(g) = 3CO₂(g) + 4H₂O(l)　ΔH₂ = −2 219.9 kJ/mol。25 ℃、101 kPa 下，5 mol H₂ 和 C₃H₈ 的混合气体完全燃烧生成 CO₂ 和液态水，放出 6 264.2 kJ 的热量。　设混合气体中 H₂ 为 x mol，则 C₃H₈ 为 ______ mol。　由放出的热量列方程，解得 x = ______。　混合气体中 H₂ 与 C₃H₈ 的体积比为 ______。　已知 H₂O(l) = H₂O(g)　ΔH = +44.0 kJ/mol，1 mol C₃H₈(g) 完全燃烧生成 CO₂(g) 和水蒸气时，ΔH = ______ kJ/mol。

拓展提高 25 ℃、101 kPa 时，H₂、CH₄、C₂H₅OH 的燃烧热分别为 285.8 kJ/mol、890.3 kJ/mol、1 366.8 kJ/mol。比较相同质量的三种燃料完全燃烧放出的热量。　1 g H₂ 完全燃烧放出 ______ kJ 的热量。　1 g CH₄ 完全燃烧放出约 ______ kJ 的热量（保留一位小数）。　1 g C₂H₅OH 完全燃烧放出约 ______ kJ 的热量（保留一位小数）。　相同质量的三种燃料完全燃烧，放出热量最多的是 ______。

选择性必修 1 · 化学反应原理 第四章 原电池与电解池　化学能与电能的相互转化分成两个方向：用盐桥把氧化与还原彻底分开得到持续的电流，再外接电源让电能驱动反应，最后用这两种原理防止金属腐蚀。　必修阶段的原电池只有一只烧杯，本章用盐桥把氧化反应与还原反应完全分开；再外接电源，使电能驱动氧化还原反应，并用这两种原理防止金属的腐蚀。

第一节 原电池　单液原电池的不足：锌与稀硫酸直接接触，电流逐渐衰减。　盐桥：装有含 KCl 饱和溶液的琼脂。　盐桥的作用：连通两个半电池，使反应持续进行。　电极反应：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。　离子的迁移：盐桥中的阳离子移向正极一侧。　设计原电池：自发的氧化还原反应可以设计成原电池。　化学电源：方便携带，能量转化效率较高。　碱性锌锰电池：比能量和可储存时间都比普通锌锰电池高。　铅酸蓄电池：电压稳定、价格低廉，但比能量低、笨重。　锂离子电池：充电、放电时，锂离子在两极之间往返。　氢氧燃料电池：能量转化率超过 80%，远高于火力发电。

第二节 电解池　电解：电流通过电解质溶液而引起氧化还原反应。　阳极与阴极：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。　离子的定向运动：通电后，自由运动的离子改作定向运动。　放电：离子在电极上失去或得到电子。　电解饱和食盐水：工业上在离子交换膜电解槽中进行。　电镀：镀件作阴极，镀层金属作阳极。　电解精炼铜：杂质中的金、银等沉积为阳极泥。　电冶金：冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属。

第三节 金属的腐蚀与防护　金属腐蚀：金属与周围的气体或液体反应而损耗。　化学腐蚀：与 O₂、Cl₂ 等物质直接反应而腐蚀。　电化学腐蚀：不纯的金属发生原电池反应而腐蚀。　析氢腐蚀：酸性环境中，正极上放出氢气。　吸氧腐蚀：水膜呈中性时，氧气在正极得到电子。　铁锈：疏松地覆盖在表面，不能阻止腐蚀。　改变金属材料的组成：如在普通钢中加入铬、镍制成不锈钢。　覆盖保护层：把金属制品与周围的物质隔开。　镀层破损时：镀锌层破损后，铁仍受到保护。　牺牲阳极法：更活泼的金属作负极，不断被腐蚀。　外加电流法：被保护的钢铁接电源负极，作阴极。

实验 简单的电镀实验　镀件的预处理：打磨后依次除去油污和铁锈。　两极的连接：铁制镀件接电源负极，铜片接正极。　电镀液：含有镀层金属的离子 Cu²⁺。　镀件的变化：表面覆盖上一层红色的铜。　电镀液的浓度：阳极溶解的铜补充了析出的铜。　两极接反时：铁件溶解，铜片上析出铜。

实验 制作简单的燃料电池　电解水：两根石墨棒上分别产生氢气和氧气。　酚酞变红：阴极附近生成 OH⁻，溶液显碱性。　构成燃料电池：断开 K₁、闭合 K₂，电流表指针偏转。　两极的判断：吸附 H₂ 的石墨棒作负极。　与电解水比较：两个过程的能量转化方向相反。

常见题型 锌铜原电池的装置如图所示，盐桥中装有含 KCl 饱和溶液的琼脂。　负极是 ______ 片，电极反应式为 ______。　正极的电极反应式为 ______。　盐桥中的 K⁺ 移向 ______ 溶液。　取出盐桥后，电流表的指针 ______。

常见题型 化学电源。　碱性锌锰电池中，作负极的是 ______。　铅酸蓄电池放电时，正极上的 PbO₂ 转化为 ______。　铅酸蓄电池放电时，电解质溶液中 H₂SO₄ 的浓度 ______（填「增大」「减小」或「不变」）。　以酸性溶液为电解质的氢氧燃料电池，正极的电极反应式为 ______。

常见题型 用石墨作电极电解 CuCl₂ 溶液，装置如图所示。　a 极是 ______ 极，电极反应式为 ______。　b 极上可以观察到的现象是 ______。　检验 a 极的产物，可用湿润的 ______ 试纸。　电路中通过 0.2 mol 电子时，b 极增重 ______ g。

常见题型 电解原理的应用。　电解饱和食盐水时，阴极产生的气体是 ______。　电镀时，待镀的金属制品应与电源的 ______ 极相连。　电解精炼铜时，粗铜作 ______ 极。　工业上冶炼金属钠，电解的是 ______（填「饱和食盐水」或「熔融 NaCl」）。

常见题型 炒菜用的铸铁锅不用时会因腐蚀而出现红褐色锈斑。　铁锅的锈蚀主要是 ______ 腐蚀。　负极的电极反应式为 ______。　正极的电极反应式为 ______。　铁锈的主要成分是 ______。

常见题型 金属的防护。　在锅炉内壁焊上锌片，这种防护方法叫做 ______ 法。　用外加电流法保护海港的钢制管桩时，管桩应与直流电源的 ______ 极相连。　白铁皮（镀锌）与马口铁（镀锡）表面破损后，铁更易被腐蚀的是 ______。　不锈钢是在普通钢中加入铬、镍等制成的，这是通过改变金属材料的 ______ 来防止腐蚀。

拓展提高 Mg–AgCl 电池是一种可被海水激活的贮备电池，放电时 Mg 转化为 Mg²⁺，AgCl 转化为 Ag。　该电池的负极材料是 ______。　正极的电极反应式为 ______。　放电时，Cl⁻ 由 ______ 极向 ______ 极迁移。　负极会发生副反应：Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + ______。

拓展提高 根据甲醇在酸性电解质溶液中与氧气生成二氧化碳和水的反应，设计一种燃料电池。　负极通入的物质是 ______。　负极的电极反应式为 ______。　正极的电极反应式为 ______。　每消耗 1 mol CH₃OH，电路中转移 ______ mol 电子。

拓展提高 用铂作电极电解某金属氯化物（MCl₂）的溶液，阳极收集到 1.12 L 氯气（标准状况）时，阴极增重 3.2 g。　生成 Cl₂ 的物质的量为 ______ mol。　电路中通过电子的物质的量为 ______ mol。　阴极上析出 M 的物质的量为 ______ mol。　金属 M 的相对原子质量为 ______。

拓展提高 锌–空气电池可用作电动车的动力电源，电解质溶液为 KOH 溶液，总反应为 2Zn + O₂ + 4OH⁻ + 2H₂O = 2[Zn(OH)₄]²⁻。　放电时，负极的电极反应式为 ______。　放电时，正极的电极反应式为 ______。　充电时，Zn 电极应与外电源的 ______ 极相连。　放电时电路中通过 2 mol 电子，消耗标准状况下的 O₂ ______ L。

拓展提高 在含有酚酞溶液和 K₃[Fe(CN)₆] 溶液的饱和食盐水琼脂中，分别放入裹有锌皮的铁钉（a）和缠有铜丝的铁钉（b），如图所示。已知 Fe²⁺ 与 K₃[Fe(CN)₆] 溶液反应生成带有特征蓝色的沉淀。　a 中被腐蚀的金属是 ______。　b 中铁钉附近出现 ______ 色。　b 中铜丝附近的琼脂变红，是因为生成了 ______。　a 中的铁钉受到保护，这种方法叫做 ______ 法。