化学反应与能量综合

高一下第六章超详解导图，内容有化学反应与热能、化学反应与电能、化学反应速率及限度，复习备考专用。

化学反应与能量

• 化学反应与热能
  • 两个实验
    • 镁与稀盐酸
      • ①开始时反应进行缓慢，产生少量气泡 ②过一会儿反应逐渐加快，气泡增多 ③温度计读数上升 Mg+2HCl ══MgCl₂+H₂↑
    • 氢氧化钡晶体和氯化铵晶体
      • ①有刺激性气味气体产生 ②用手摸烧杯底部有冰凉感觉 ③用手拿起烧杯，玻璃片黏结到烧杯的 底部 ④烧杯内反应物呈糊状 该反应吸收热 量，有氨气生 成Ba(OH)₂· 8H₂O+2NH₄Cl ===BaCl₂+ 2NH₃↑+10H₂O
    • 实验(2)成功的关键是短时间内反应充分进行，使体系温度快速降低，玻璃片上的水凝固。
    • 解释
      • ①Ba(OH)₂·8H₂O晶体要研磨成粉末,以使其与NH₄Cl晶体充分接触。
      • ②固相反应固体与固体之间的反应，需要手动搅拌才能使反应物充分混合 加快反应速率。因此，一定要在晶体混合后立即用玻璃棒快速搅拌混合物，以使它们快速发生反应。
      • ③反应放出的NH₃有刺激性气味，对环境有一定的污染，应注意对氨气的处理。
  • 吸/放热反应
    • 状态分析
      • E反>E生→放热反应
      • E生<E反→吸热反应
      • △E=断吸一成放or成放一断吸
    • 化学键分析
      • 断键吸能<成键放能→放热反应
      • 断键吸能>成键放能→吸热反应
    • 内能分析
      • 物质都具有内能，内能越高，物质越不稳定，当反应物的内能总和大于生成物的内能总和时，就表现为放热反应，反之为吸热反应。
    • 图示
      • 例
        • 放热①一切燃烧反应 ②活泼金属与酸或水的反应 ③酸碱中和反应 ④大多数化合反应 ⑤物质的缓慢氧化 ⑥铝热反应
        • 吸热①大多数分解反应CaCO3=高温=CaO+CO2↑ ②铵盐与碱的反应，如 2NH₄Cl+Ba(OH)₂· 8H₂O══BaCl₂+2NH₃↑+10H₂O ③C+CO₂高温2CO ④C、H₂、COC+H2O(g)=CO+H2与氧化物发生的氧化还原 反应⑤电离
    • 解释
      • ①吸热反应和放热反应均是化学反应。
      • ②若正反应为吸热反应，则逆反应为放热反应，如分解H₂O为吸热反应，H₂与O₂化合为H₂O为放热反应。 
      • ③化学反应的本质是旧键断裂与新键形成，原子重新组合的过程
      • 物质具有的能量越低物质越稳定，参加反应时，化学键断裂时吸收的能量就越多，而形成该物质时放出的能量也越多。反之，物质具有的能量越高物质越不稳定，参加反应时，化学键断裂时吸收的能量就越少，而形成该物质时放出的能量就越少。
• 化学反应与电能
  • 原电池
    • 工作原理
      • 负失阴正还阳
    • 能量转化
      • 化学能→电能
    • 粒子流向
      • 电子：负→正
      • 离子：阴负阳正
    • 守恒量
      • 内电路：得失电子相同
      • 外电路：电荷守恒
      • 生气加↑，生固不加↓
    • 构成条件无外接电源
      • 自发进行氧化还原
      • 电极浸在电解质溶液同介质或用盐桥相连不同介质
      • 形成闭合回路
      • 两个活动性不同的电极
    • 应用
      • 用于金属的防护
        • 使被保护的金属制品做原电池正极而得到保护。
        • 例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌做原电池的负极。
      • 加快氧化还原反应的速率
        • 　(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中的粒子运动时相互间干扰减小，使反应速率增大。
        • (2)应用：实验室用Zn和稀H₂SO₄(或稀盐酸)反应制 H₂时，常用粗锌，它产生H₂的速率快。原因是粗锌中的杂质和锌、稀H₂SO₄形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H₂的速率加快。
      • 比较金属的活动性强弱
        • (1)原理：原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。
        • (2)应用：有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活动性：A>B。
      • 设计原电池
        • (1)首先将已知氧化还原反应拆分为电极反应式。 氧化反应：还原剂-ne⁻===氧化产物(负极反应式)； 还原反应：氧化剂+ne⁻===还原产物(正极反应式)； 正极反应式+负极反应式=电池的总反应式。 (2)根据原电池的反应特点，结合电极反应式找出正、负极材料及电解质溶液。 　①电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。 　②电极材料的选择：在原电池中，一般选择活泼性较强的金属作为负极，活泼性较弱的金属或能导电的惰性材料作为正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化，氧化性物质在正极上得到电子被还原。
    • 拓：有盐桥的原电池
      • 盐桥的组成和作用
        • a.盐桥中装有饱和的KCl、KNO₃等溶液和琼胶制成的胶冻。
        • b.盐桥的作用：1.连接内电路，形成闭合回路；.平衡电荷，使原电池不断产生电流。
      • 优点
        • 电池断开后，反应仍能持续进行，得到平稳的电流，电池电压比较稳定。
  • 干电池不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进)，属于一次电池。
    • 普通锌锰电池 碱性锌锰电池 负极材料 锌 锌 正极材料 石墨 MnO₂ 电解质 NH₄Cl KOH 负极反应式 Zn-2e⁻══Zn²⁺ Zn-2e⁻+20H⁻═Zn(OH)₂ 正极反应式 2MnO₂+2NH⁺₄+2e⁻══2MnO(OH)+2NH₃ "2MnO₂+2e⁻+2H₂O═2MnO(OH)+ 20H⁻"
    • 银锌干电池 Zn+Ag₂O+H₂O═Zn(OH)₂+2Ag Zn、Ag₂O、浸了KOH溶液的隔板、金属外壳。 负极(锌):⁻⁻₂Zn+2OH⁻−2e⁻=Zn(OH)₂ 失去电子，发生氧化反应。 正极₂₂₂⁻⁻(Ag₂O):Ag₂O+H₂O+2e⁻=2Ag+2OH⁻ 得到电子，发生还原反应。
  • 充电电池
    • 铅酸蓄电池二次电池的放电和充电两个过程刚好相反/消耗电极和电解质溶液
      • 电池总反应式： Pb+PbO2+2H2SO4→放←充2PbSO4+2H2O Pb、PbO₂、浓硫酸。 (1)放电——原电池原理 负极(Pb): Pb+SO42−−2e−=PbSO4失去电子，发生氧化反应。 正极 (PbO2):PbO2+4H++SO42−+2e−=PbSO4+2H2O〕 得到电子，发生还原反应。 总反应式： Pb+PbO₂+2H₂SO₄══2PbSO₄+2H₂O (2)充电——电解池原理 阳极： PbSO4+2H2O−2e−=PbO2+4H++SO42−失去电子，发生氧化反应，与电源正极相连阴极： PbSO4+2e−=Pb+SO42−得到电子，发生还原反应，与电源负极相连。 总反应式： 2PbSO₄+2H₂O═Pb+PbO₂+2H₂SO₄
    • 镍氢电池
      • 正极：NiO(OH)
      • 负极：Cd
      • 电解质：KOH
    • 锂离子电池
    • 燃料电池
      • 氢氧燃料电池电池总反应式： 2H₂+O₂═2H₂O H₂、O₂、Pt电极。 (1)酸性电解质溶液 电池总反应式： 2H₂+O₂═2H₂O 负极：H₂−2e⁻=2H⁺ 正极：O₂+4H⁺+4e⁻=2H₂O (2)碱性电解质溶液  负极：H₂+2OH⁻−2e⁻=2H₂O 正极：O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻ 电池总反应式： 2H₂+O₂═2H₂O
      • 甲烷燃料电池 碱性 负极：CH₄-8e⁻+10OH⁻==CO²⁻+7H₂O 正极： 2O₂+4H₂O+8e⁻══8OH⁻ 电池总反应CH₄+2O₂+2NaOH═Na₂CO₃+3H₂O CH₄+2O₂+2OH⁻═CO₃⁻+3H₂O酸性负极：₄CH₄+2H₂O−8e⁻=CO₂+8H⁺  正极：2O₂+8H⁺+8e⁻=4H₂O 电池总反应式： CH₄+2O₂═CO₂+2H₂O
      • 甲醇燃料电池(1)碱性电解质溶液(NaOH溶液) 负极: CH3OH+8OH−=6e−=CO32−+6H2O 正极：O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻ 电池总反应式： 2CH₃OH+3O₂+4NaOH==2Na₂CO₃+6H₂O 2CH3OH+3O2+4OH−=2CO32−+6H2O (2)酸性电解质溶液(稀H₂SO₄溶液)  负极：CH₃OH+H₂O−6e⁻=CO₂+6H⁺ 正极：O₂+4H⁺+4e⁻=2H₂O 电池总反应式： 2CH₃OH+3O₂═2CO₂+4H₂O
      • 丁烷熔融碳酸盐燃料电池以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以熔融的 K₂CO₃(其中不含²⁻O²⁻和 HCO3−)为电解质，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。负极： 2C4H10+26CO32−−52e−=34CO2+10H2O 正极： 13O2+26CO2+52e−=26CO32- 总反应式：2C₄H₁₀+13O₂=8CO₂+10H₂O
      • CO固体氧化场燃料电池电池总反应式： 2CO+O₂===2CO₂ 负极：CO−2e⁻+O²⁻=CO₂ 正极：O2+4e-=2O2-
      • 盐桥型
• 化学反应速率及限度
  • 速率
    • 表示
      • 单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量(均取正值)来表示。
    • 计算（三段式）
    • 影响因素及判断
      • 因素
        • 内因
          • 反应物本身
        • 外因
          • 浓度
            • 固体浓度视为常数，只与表面积及生成物扩散速率有关与用量多少无关
          • 温度
            • 吸放热反应升温均加快速率
          • 催化剂
            • ①催化剂是指能改变化学反应的速率，但本身的组成、化学性质和质量在反应前后不变的物质。
            • ②催化剂只有在一定温度下才能最大限度地显示其催化作用，不同的催化剂对温度的要求不一定相同。
            • ③使用催化剂能同等程度地改变化学反应速率。催化剂还具有选择性，某催化剂对某一反应可能是活性很强的催化剂，但对其他反应就不一定具有催化作用。
          • 压强
            • 增大压强(减小容器容积)相当于增大反应物的浓度，化学反应速率增大；减小压强(增大容器容积)相当于减小反应物的浓度，化学反应速率减小。气体
          • 固体颗粒表面积
            • 一般来说，固体颗粒越小，与其他物质的接触面积越大，反应速率越快。
          • 反应物状态
            • 一般来说，配制成溶液或使反应物成为气体，都能增大反应物之间的接触机会，有利于加快化学反应速率。
          • …
        • 判断题技巧压强对速率影响实质是浓度对反应速率的改变
          • • ①若参加反应的物质为固体或液体，由于压强的变化对它们的浓度几乎无影响，因此可以认为化学反应速率不变。
            • ②对于有气体参加的反应，改变压强，影响化学反应速率的根本原因是气体浓度的改变。因此讨论压强对反应速率的影响时，应区分引起压强改变的原因，这种改变对反应体系的浓度产生何种影响，由此判断出对反应速率有何影响。
            • 压强的改变对化学反应速率的影响有以下几个方面：
            • a.恒温时：缩小气体体积引起，浓度增大引起，速率加快。
            • b.恒容时：充入气体反应物引起，浓度增大引起，总压增大引起，速率加快。
            • c.恒容时：充入不参与反应的气体引起总压增大，但各物质浓度不变，速率不变。
            • d.恒压时：充入不参与反应的气体引起体积增大引起，各反应物浓度减小引起，速率减慢。
  • 限度
    • 可逆反应特点
      • 双向双同(条件)共存互逆
    • 化学平衡特征
      • 逆等动定浓度变
      • 决定反应物在该条件下最大转化率
    • 化学反应条件控制
      • 　(1)控制反应速率
      • 　(2)提高转化率
        • 工业上合成NH₃时，为了提高反应物的利用率，常采取的措施是增大压强、循环利用反应物H₂和N₂。
        • 工业上制取SO₃时，为了提高SO₂的利用率(或转化率)，常采取的措施为增大压强、通入过量的空气。
      • (3)控制副反应的发生
    • 拓：极端假设法确定各物质浓度范围
      • 对于可逆反应在某时刻各物质的浓度可采用极端假设法判断，即“一边倒”法则，假设反应正向或逆向进行到底，求出各物质浓度的最大值和最小值，从而确定它们的浓度范围。 设 X₂、Y₂、Z的起始浓度分别为⁻¹、⁻¹0.1mol⋅L⁻¹、0.3mol⋅L⁻¹和⁻¹。0.2mol⋅L⁻¹。假设反应正向进行到底： X₂(g)+Y₂(g)═2Z(g) 起始浓度(mol⋅L⁻¹)0.1 0.3 0.2 改变浓度(mol⋅L⁻¹)0.1 0.1 0.2 终态浓度(mol⋅L⁻¹)O 0.2 0.4 假设反应逆向进行到底： X₂(g)+Y₂(g)═2Z(g) 起始浓度(mol⋅L⁻¹)0.1 0.3 0.2 改变浓度(mol⋅L⁻¹)0.1 0.1 0.2 终态浓度(mol⋅L⁻¹)0.2 0.4 O 则平衡体系中各物质的浓度范围为 0<c(X₂)<0.2mol⋅L⁻¹,0.2mol⋅L⁻¹<c(Y₂)<0.4mol⋅L⁻¹,0<c(Z)<0.4mol⋅L⁻¹。
• 辨析综合
  • NaOH 固体溶于水、浓H₂SO₄的稀释属于放热反应w放热过程
  • NH₄NO₃固体溶于水，升华、蒸发属于吸热反应。w吸热过程
  • 需要加热的反应一定是吸热反应w一个化学反应是吸热还是放热，只与反应物总能量和生成物总能量的相对大小有关，而与反应开始前是否需要加热无关，吸热反应也可能不需要加热，放热反应也可能需要在高温条件下才能进行。 
  • 开始时需要加热，停止加热后继续进行的反应不一定是放热反应w如Fe与S反应、NH₃的催化氧化等。 
  • 有化学键断裂的过程一定是化学反应w，如氯化钠的熔化、氯化氢的溶解过程等。 
  • 化学反应一定伴随能量变化R，有能量变化的过程也一定是化学反应w，如物质的三态变化
  • 加入催化剂同时增大正反应速率与逆反应速率，反应物与生成物的百分含量均没有变化，平衡不移动。R
• 功夫一：原电极正负极判断
  • 判断依据 负极 正极 电极材料 一般是活动性较强的金属 活动性较弱的金属或能导电的非金属 电流方向 电流流入的极 电流流出的极 电子流动方向 电子流出的极 电子流入的极 电解质溶液中离子定向移动方向 阴离子移向的极 阳离子移向的极 发生的反应 氧化反应 还原反应 反应现象 电极溶解 电极增重或有气体放出
• 功夫二：二次电池电极反应式书写
  • 其电极反应式的书写步骤为： (1)看清充、放电方向，确定原电池正、负极 PbO₂和Pb反应而“放电”，所以正、负极出现在总反应式的左边。 (2)放电时(原电池)的电极反应式 ①由化合价的升降判断正、负极的反应物  负极:Pb 正极:PbO₂ ②由化合价升降确定电子得失的数目  负极：失⁻2e⁻正极：得⁻2e ③电极反应关系  负极：Pb−2e⁻→PbSO₄ 正极：PbO₂+2e⁻→PbSO₄ ④考虑电解质溶液，再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式 负极： Pb−2e−+SO42−=PbSO4 正极： PbO2+2e−+4H++SO42−=PbSO4+2H2O
• 功夫三：车用能源选
  • (1)不同燃料发生能量转化时涉及的主要化学反应 H2+1/2O2=点燃=H2O 2CH4+2O2=点燃CO2+2H2O 3C8H18+25/2O2=点燃=8CO2+9H2OⅡC2H5OH+3O2=点燃=2CO2+3H2O
  • 不同燃料的优劣 ①氢气是清洁能源，环保、无污染。但是常温常压下氢的储存及运输是一个有待解决的问题。 ②天然气作为燃料较为环保，具有价格优势。气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一般行驶距离较汽油车短。在同样的汽缸工作容积下，用天然气做燃料时做的功少，会出现爬坡没劲、加速响应慢等现象。 ③辛烷作为燃料较易储存，单位质量的辛烷燃烧放出的热量也较多。 ④乙醇作为汽车燃料燃烧热值高，抗爆性好。车用乙醇汽油的使用可有效地降低汽车尾气排放，改善能源结构。乙醇在燃烧过程中会产生乙酸，对汽车金属特别是铜有腐蚀 　作用，必须添加有效的腐蚀抑止剂。乙醇汽油动力足，会增加发动机油耗。 蒸汽机、内燃机、燃料电池的能量转化 　(1)蒸汽机是将煤储存的化学能转化成蒸汽的内能，化为机械能。 (2)内燃机是将内能转化为机械能。 (3)燃料电池是将内能转化为化学能。
• 功夫四：电极反应式书写
  • 一般电极反应式书写的“三步骤” 列物质标得失负极发生氧化反应 正极发生还原反应→参加反应的微粒和得失电子数" 看环境配守恒 在电解质溶液的环境中要生成稳定的电极产物,即判断H⁺、OH⁻、H₂O等是否参加反应，再根据电荷守恒、质量守恒、电子守恒配平电极反应式 两式加验总式两电极反应式相加，与总反应式对照验证 书写电极反反应式的三个原则" ①共存原则：因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO₂不可能存在，也不可能有H⁺ 参加反应；当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH⁻参加反应或生成。 ②得氧失氧原则：得氧时，在反应物中加H₂O(电解质溶液为酸性时)或OH⁻ (电解质溶液为碱性或中性时)；失氧时，在反应物中加H₂O(电解质溶液为碱性或中性时)或H⁺ (电解质溶液为酸性时)。 ③中性吸氧反应成碱原则：在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。
• 功夫五：电化学计算
  • 有关原电池的计算本质上就是有关氧化还原反应的计算，计算时要注意把握流经导线的电子数目，在同一时间内，负极流出的电子数等于正极流入的电子数，不能将两极上的电子数相加。 有关原电池的计算的主要类型包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏伽德罗常数测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量的计算等。 解题的主要方法： (1)根据电子守恒法计算，用于串联电路中，阴、阳两极产物，正、负两极产物，电荷量等的计算，其依据是电路中转移的电子数与电极得失电子数相等。 (2)根据总反应式计算，先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。 (3)根据关系式计算，由得失电子守恒定律关系建立已知量与未知量之间的桥梁，列出计算所需的关系式。 (4)利用电荷量 Q=It、1个电子的电荷量(⁻¹⁹(1.60×10⁻¹⁹C)及阿伏伽德罗常数.NA解决相关的综合问题。
• 功夫六：速率比较及图象十速率写方程式
  • (1)归一法：将同一反应中用不同物质表示的反应速率换算成用同一物质、同一单位表示，再比较数值大小。 　　(2)除以式前系数法：对于同一化学反应，将用不同物质表示的反应速率除以化学方程式中对应物质的化学计量数，然后比较大小，比值大者反应速率快。如反应 mA+nB=pC+qD, 若vA/m>vB/n,则反应速率:A>B。
  • (1)看清纵、横坐标所表示的意义。 　　计算物质的化学反应速率时，要看清图像中纵坐标所表示的是物质的量的变化还是物质的量浓度的变化。 (2)看清曲线的变化趋势  　　书写化学方程式时，首先根据曲线的变化趋势可判断是反应物还是生成物。图像中物质的量(浓度)减小的物质是反应物，物质的量(浓度)增大的物质是生成物。 (3)结合化学反应速率的计算得出结论 　　依据同一化学反应方程式中不同物质的化学计量数与对应的各物质所表示的反应速率成正比，与对应的各物质的物质的量的改变量(或各物质的物质的量浓度变化量)成正比，推断出化学方程式中各物质前面的化学计量数，从而写出对应的化学方程式。
• 功夫七：平衡态标志
  • 可逆反应达到化学平衡状态有两个主要特征：一是正反应速率和逆反应速率相等；二是反应混合物中各组分的百分含量保持不变。
  • (1)直接特征:底追v底=v追,，即正、逆反应速率大小相等。 沸高～＝系数 ①速率特征：指“等”，即正追。v正=v追。对于同一物质而言，该物质的生成速率等于它。 的消耗速率；对于不同物质而言，速率之比等于化学方程式中的化学计量数之比，但必须是不同方向的速率。
  • (2)间接特征：所表述的内容并非直接，而是间接反映“等”和“定”的意义。  ①反应物的转化率保持不变。 ②产物的产率保持不变。 ③有颜色的物质参与反应时，平衡体系的颜色保持不变。 ④绝热的恒容反应体系中的温度保持不变
  • (3)“特殊”特征：所表述的内容并不能表明所有反应均已达到平衡状态，只有在某些特定的情况下才能表示反应已经达到平衡状态。 ①体系中气体物质的总质量保持不变。 ②体系中气体物质的总物质的量(或总体积或总分子个数)保持不变。 ③体系中气体物质的平均相对分子质量保持不变。 ④气体的总压强不再发生变化。 ⑤体系中气体的密度不再发生变化。
  • 对反应前后气体物质Δn≠0 的可逆反应,如mA(g)+nB(g)═pC(g)+qD(g),其中m+n≠p+q，以上五项中除①外均可作为反应达到平衡的特征。但对于反应前后气体物质Δn=0的可逆反应,如mA(g)+nB(g)=pC(g)+qD(g),其中m+n=p+q，以上五项均不能作为反应达到平衡的特征。