第一节　化学反应与能量变化

1、高中化学 必修第二册 人教版第一节化学反应与能量变化1.认识吸热反应与放热反应,能从化学键的断裂和形成角度认识化学反应体系中能量的改变。2.以原电池为例认识化学能可以转化为电能,从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理。3.认识合理利用燃料的重要意义,通过提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池促进环境的改善。 1.放热反应与吸热反应(1)放热反应:释放热量的化学反应,如活泼金属与酸的反应、燃烧反应、中和反应等。(2)吸热反应:吸收热量的化学反应,如氢氧化钡晶体与氯化铵的反应、碳酸钙的分解反应、灼热的炭与二氧化碳的反应。2.从化学键的角度理解化学反应存在能量变化的原因1 |化学反

2、应与热能能量变化反应物、生成物中化学键的键能变化关系反应类型断裂旧化学键吸收的总能量形成新化学键释放的总能量吸热反应链接拓展通常人们把断裂1 mol化学键吸收的能量看作该化学键的键能。3.从物质储存化学能的角度理解化学反应存在能量变化的原因宏观解释放热反应示意图吸热反应示意图4.化学能与热能相互转化的应用(1)化石燃料大量使用造成的社会、环境问题a.短期内不可再生,储量有限,随着能源消费需求的不断增加,能源消费量与储量之间的矛盾日益突显。b.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。(2)有效利用能源的途径a.燃料燃烧阶段:改进锅炉的炉型和燃料空气比、清理积灰等

3、提高燃烧效率。b.能量利用阶段:使用节能灯、改进电动机的材料和结构、余热循环利用等。(3)新能源a.特点:资源丰富、可以再生、对环境无污染。b.常见新能源:太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。1.认识火力发电(1)火力发电原理:首先通过化石燃料燃烧,使化学能转化为热能,加热水使之汽化为高温蒸汽以推动蒸汽轮机,然后由蒸汽轮机带动发电机发电。(2)能量转化过程:化学能 热能 机械能 电能。其中能量转化的关键环节是燃料燃烧(氧化还原反应)。2.原电池(1)概念:是将化学能转化为电能的装置,原电池反应的本质是氧化还原反应。(2)原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)2 |化学反应与电能原电池总反应:Z

4、n+2H+ Zn2+H2。(3)能量转化过程:原电池在工作时,负极失电子,电子通过导线流向正极,被氧化性物质得到,闭合回路中形成电流,化学能转化为电能。3.常见化学电源(1)锌锰干电池a.结构:锌锰干电池是以锌筒为负极,石墨棒为正极,氯化铵糊作电解质溶液。b.原理:锌锰干电池是一次电池,放电之后不能充电,内部的氧化还原反应是不可逆的。负极发生的电极反应为Zn-2e- Zn2+,正极发生的电极反应至今仍存在争议,一种观点认为其电极反应为2MnO2+2N+2e- Mn2O3+2NH3+H2O。(2)充电电池a.充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时又逆向进行,生成物重

5、新转化为反应物,使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中充、放电时能量的转化关系是:电能 化学能。b.常见充电电池:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。4.燃料电池(1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化反应和还原反应,将化学能直接转化为电能的装置。(2)燃料电池与火力发电相比,其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部,而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。判断正误,正确的画“”,错误的画“”。1.火山喷发是一种常见的自然现象,在火山喷发时释放大量的热,这是一种典型的由化学能转变为热能的过程()提示:火山喷发释放的热能主要来自岩

6、浆冷却,不属于化学变化。2.格林太太有两颗假牙,一颗是黄金(Au)的,这是她财富的标志;另一颗是不锈钢的,这是一次车祸留下的痕迹。但自从第二颗假牙安装后,格林太太就一直头疼,医生说是她嘴中形成了原电池,为此医生给格林太太的建议是把其中一颗假牙换成瓷牙,这样就能解决她的头疼问题()提示:原有两颗金属假牙与人体内的电解质组织液会构成原电池,将其中一颗假牙换成瓷牙后,就不会构成原电池,能解决格林太太的头疼问题。3.用导线将铁棒、电流表、碳棒依次相连,并将铁棒和碳棒同时浸入到稀硫酸中,能观察到电流表的指针发生偏转,这说明发生了原电池反应,反应中铁棒溶解,在碳棒表面有H2逸出()4.对于放热反应2H2+

7、O2 2H2O来说,断裂1个HH键和1个OO键所吸收的能量小于形成1个HO键所放出的能量()提示:对于放热反应2H2+O2 2H2O来说,断裂2个HH键和1个OO键所吸收的能量小于形成4个HO键所放出的能量。5.由1 mol O2中的化学键形成时要放出493 kJ的能量和1 mol N2中的化学键形成时要放出946 kJ的能量可得在常温下氮气比氧气稳定()提示:化学键键能越大,物质越稳定。6.HCl+NaOH NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池()提示:HCl+NaOH NaCl+H2O不是氧化还原反应,不能设计成原电池。7.将铜片和锌片用导线连接插入酒精中,电流表指针发生偏转()提

8、示:酒精是非电解质,不导电,没有构成原电池,电流表指针不会发生偏转。8.化学电池中的负极反应一定是电极材料失电子()提示:化学电池中的负极反应不一定是电极材料失电子,如燃料电池。能量有各种不同的形式,它能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体传递给另一个物体,但在转化或传递过程中,能量的总值是保持不变的(这叫能量守恒定律)。化学反应中的热效应一般可通过实验测量的方法进行定性研究。如通过以下实验可帮助我们判断一个反应是吸热反应还是放热反应。以碳酸钠、碳酸氢钠、稀盐酸及蒸馏水为实验试剂,进行以下六组实验,每组实验各进行3次平行实验,取测量的平均值,实验结果记录如下表:1|从宏观和微观的角度探究

9、化学反应中能量变化的原因序号试剂1试剂2混合前温度混合后最高或最低温度35 mL水2.5 g NaHCO3固体20 18.5 35 mL水3.2 g Na2CO3固体20 24.3 35 mL稀盐酸含2.5 g NaHCO3的饱和溶液32.5 mL20 19 35 mL稀盐酸含3.2 g Na2CO3的饱和溶液23.1 mL+10 mL水20 24.2 35 mL稀盐酸2.5 g NaHCO3固体20 16.2 35 mL稀盐酸3.2 g Na2CO3固体20 25.1 问题1.从能量变化的角度分析,化学反应热效应有如下两种模型:模型一:根据上述实验数据分析,碳酸钠饱和溶液与盐酸反应的热效应适

10、用哪一个模型进行说明?从物质总能量的角度分析化学反应中为什么一定存在能量变化?化学反应放热还是吸热取决于什么因素?提示:从实验结果可知,碳酸钠饱和溶液与盐酸的反应为放热反应,可用模型一进行说明。反应物所含有的能量总和不等于生成物所含有的能量总和,根据能量守恒定律可知,在化学反应过程中,一定会出现能量变化,而在化学反应过程中一般以热能的方式呈现。反应的放热与吸热则取决于反应物所含有的能量总和与生成物所含有的能量总和的相对大小,若前者大于后者,则反应放热,反之反应吸热。模型二:2.从上述实验可知,NaHCO3固体与稀盐酸反应的热效应是哪些变化过程的热效应之和?提示:NaHCO3固体与稀盐酸反应的热

11、效应是碳酸氢钠固体溶解、碳酸氢钠跟盐酸反应两个过程的热效应之和。3.如图是氢气与氧气反应的示意图,从化学键的角度分析,为什么化学反应中一定存在能量的变化?提示:根据图中信息可知,化学反应过程中断裂旧化学键所吸收的能量与形成新化学键所释放的能量不相等,因此发生化学反应时一定存在能量的变化。从化学键的角度理解化学反应过程中的能量变化化学反应过程中的能量变化来源于化学反应过程中旧化学键断裂与新化学键形成时的能量变化。(1)若反应物中的化学键断开时吸收的能量高于生成物化学键形成时释放的能量,则该反应吸收能量,吸收的能量=反应物化学键断裂吸收的总能量-生成物化学键形成释放的总能量。(2)若反应物中的化学

12、键断开时吸收的能量低于生成物化学键形成时释放的能量,则该反应放出能量,放出的能量=生成物化学键形成释放的总能量-反应物化学键断裂吸收的总能量。从总能量的角度理解化学反应过程中的能量变化一个确定的化学反应完成后的结果是吸收能量还是放出能量取决于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。具体情况见下表: 放热反应吸热反应能量变化反应物的总能量大于生成物的总能量反应物的总能量小于生成物的总能量图示常见实例金属与水或酸的反应;金属氧化物与水或酸的反应;可燃物的燃烧及缓慢氧化;酸碱中和反应;大部分化合反应大部分分解反应;Ba(OH)28H2O晶体和NH4Cl晶体的反应;高温下焦炭与水的反应;高温下焦炭与

13、CO2生成CO的反应1789年,意大利生理学家伽法尼在一次解剖青蛙时,把铜钩钩着的青蛙腿挂在阳台的铁栏杆上,偶然发现蛙腿每次接触铁栏杆就会抽搐一次。经过研究,伽法尼认为这种肌肉收缩作用是“动物电”引起的。伽法尼的同事意大利物理学家伏打一开始相信这种解释, 还亲自体验了这一过程。他将放在舌尖上的锡箔与一枚银币接触,感觉到满口酸味。由此他猜想:肌肉收缩不一定是由动物电引起的,很可能是受到了电刺激产生的。为了证明自己的猜想,伏打在17921796年多次重复了伽法尼的实验,发现只要两种不同的金属接触,中间隔着湿的硬纸、皮革或其他海绵状物品,不管有没有接触蛙腿都会起电,从而证明伽法尼实验中的青蛙腿只是一

14、种非常灵敏的验电器。2|探究原电池的构成条件、工作原理及应用 问题1.根据所学知识分析蛙腿会发生抽搐的原因是什么?构成原电池需要满足哪些条件?提示:铁栏杆和铜钩与青蛙腿构成了原电池,有电流产生,使蛙腿发生抽搐。构成原电池需要满足的条件是具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)、具有电解质溶液、两电极形成闭合回路。2.1799年伏打发现了用锌片与铜片夹住以盐水浸湿的纸片叠成电堆可产生电流,该装置后来被称为伏打电堆,如图(a)、(b)。伏打还把锌片和铜片放在盛有盐水的杯中,并把许多这样的小杯子串联起来,组成电池组以获得更大电流。 (b)(c)伏打电堆实物与示意图分析伏打电堆的正

15、极和负极材料是什么?伏打电堆工作时电子和离子移动的方向是怎样的?提示:伏打电堆中正极是铜片,负极是锌片。工作时负极失去电子,电子经导线流向正极,溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。3.随着人们的环保意识日益增强,铅、汞等有毒金属的使用受到限制,科研人员在1970年发明了传统铅酸蓄电池的替代者锂电池。某种锂电池的总反应为Li+MnO2 LiMnO2,该电池的电极反应式是怎样的?提示:由总反应+O2 O2可知,Li元素在反应后化合价升高(0+1),Mn元素在反应后化合价降低(+4+3)。Li被氧化,在电池中作负极,电极反应式为Li-e- Li+,MnO2作正极,电极反应式为MnO2+e- Mn。

16、原电池的工作原理(1)反应类型:负极发生氧化反应,正极发生还原反应。(2)电子的移动方向:从负极流出,经导线流向正极。(3)离子的移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。(4)原电池装置的判断四看一看本质:有无自发的氧化还原反应发生;二看电极:两极为导体,且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极);三看溶液:两极插入电解质溶液中;四看回路:形成闭合回路。原电池电极反应式的书写 书写技巧若某电极反应式较难写出,可先写出较易写出的电极反应式,用总反应减去较易写出的电极反应式,即可得出较难写出的电极反应式。如CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池:总反应:CH3OCH3+3O2 2CO2+3H2O正极的电极反应式:3O2+12H+12e- 6H2O负极的电极反应式:CH3OCH3+3H2O-12e- 2CO2+12H+ 原电池原理的应用(1)加快氧化还原反应的反应速率,如实验室用Zn和稀硫酸反应制取氢气时,可滴入几滴硫酸铜