化学反应与能量变化（导学案）-高中化学人教版（2019）必修第二册

1、化学反应与能量变化（导学案）：复习巩固学习目标与核心素养学习目标1、通过实验探究认识化学能与电能之间转化的实质。2、理解原电池的概念及工作原理和构成条件。3、了解干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。4、能正确书写简单化学电源的电极反应式。核心素养1、科学探究：认识构成原电池的条件及其原理，判断原电池的正负极。2、创新意识：利用原电池原理能设计原电池。3、宏观辨识与微观探析：会分析物质化学变化中的能量变化与物质微观结构的关系。：新课导入原电池的设计与制作简易电池的设计与制作【目的】根据原电池原理，设计和制作简易电池，体会原电池的构成要素。【用品】水果（苹果、柑橘或柠檬等），食盐水

2、，滤纸，铜片、铁片、铝片等金属片，石墨棒，导线，小型用电器（发光二极管、电子音乐卡或小电动机等），电流表。【实验】（1）水果电池 （2）简易电池常见的化学电源常见的锌锰干电池的构造如图6-10所示。其中，石墨棒作正极，氯化铵糊作电解质溶液，锌筒作负极。在使用过程中，电子由锌筒（负极）流向石墨棒（正极），锌逐渐消耗，二氧化锰不断被还原，电池电压逐渐降低，最后失效。这种电池放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行），属于一次电池。负极(Zn): Zn - 2e- = Zn2+正极(C)： 2MnO2 + 2NH4+2e- = Mn2O3+ 2NH3+H2OZn + 2MnO2 + 2NH4

3、Cl = ZnCl2+ Mn2O3+2NH3+H2O有些电池放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态，从而实现放电（化学能转化为电能）与充电（电能转化为化学能）的循环。这种充电电池属于二次电池。常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前汽车上使用的大多是铅酸蓄电池。负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4氧化反应正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O 还原反应：课堂练习1下列各组材料中，不能组成原电池的是AA BB CC DD2下列说法或表示方法正确的是A等物质的量的硫蒸气和固体硫分别完全

4、燃烧，前者放出热量多B由C(石墨)=C(金刚石) H +1.90 kJ/mol可知，金刚石比石墨稳定C在101kPa时，2g氢气完全燃烧生成液态水，放出285.8kJ热量，则氢气燃烧的热化学方程式表示为：2H2(g)+O2(g)= 2H2O(l)H-285.8kJ/molD2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)H0 反应为熵增反应，任何温度下能自发进行3下列说法正确的是（）A已知：H+(aq)OH-(aq)= H2O(l)H57.3 kJmol1，则H2SO3(aq)2NaOH(aq)= Na2SO3(aq)2H2O(l)H114.6 kJ/molB石油、煤、天然气、可燃冰、植物油都属于化

5、石燃料CNaCl、SO3、蔗糖分别属于强电解质、弱电解质、非电解质D由石墨比金刚石稳定可推知： C(石墨)=C(金刚石)HH2SBAgCl(s)+I-(aq)AgI(s)+Cl-(aq)Ksp(AgCl)SDC(s，石墨)=C(s，金刚石)H=+1.9kJ/mol稳定性：石墨金刚石AABBCCDD11全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的电池，目前钒电池技术已经趋近成熟。如图是钒电池的结构及工作原理示意图：请回答下列问题：(1)硫酸在电池技术和实验室中具有广泛的应用，在传统的铜锌原电池中，硫酸是_，实验室中配制硫酸亚铁时需要加入少量铁粉，铁粉的作用是_。(2)钒电池是以溶解于一定浓度硫酸溶

6、液中的含钒元素的粒子(V2+、V3+、VO2+、VO)为正极和负极反应物的电池，电池总反应为VO2+V3+H2OV2+VO2+2H+。放电时的正极反应为_，充电时的阴极反应为_。放电过程中，电解液的碱性_(填“升高”“降低”或“不变”)。(3)钒电池基本工作原理示意图中“正极电解液”可能是_。a.VO、VO2+混合液b.V3+、V2+混合液c.VO溶液d.VO2+溶液e.V3+溶液f.V2+溶液12I.已知拆开或形成1 mol化学键所吸收或放出的能量叫做该化学键的键能，单位kJmol1。白磷在氧气中燃烧的化学方程式可用结构式表示为如图所示：试根据下表中的化学键键能计算0.1molP4(白磷)在

7、氧气中充分燃烧放出能量_kJ。化学键PPPOO=OP=O键能/kJmol1198360498585.化学能在一定条件下能够转化为电能，构成原电池。（1）根据构成原电池的本质判断，如下反应可以设计成原电池的是_(填序号)。A2FeBr2 + 3Cl2 = 2FeCl3+2Br2BNa2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2C2H2O = 2H2O2DCu2AgNO3 = 2AgCu(NO3)2（2）为了探究化学反应中的能量变化，某同学设计了如下两个实验。有关实验现象，下列说法正确的是：_（填序号）。图中气泡产生在锌棒表面，中产生在铜棒表面图和图的气泡均产生在锌棒表面两图中生

8、成气体的速率几乎一样快图中产生气体的速度比快温度计显示的均为室温图中温度计的示数高于图的示数 图中温度计的示数高于图的示数 图和图中温度计的示数相等，且均高于室温（3）铅蓄电池是最常见的二次电池，放电时的化学方程式为：Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) = 2PbSO4(s) + 2H2O。负极反应式为_，一段时间后，负极增重48克，转移电子_mol。（4）如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：电池的负极反应式为： _。电池工作一段时间后电解质溶液的pH_（填“增大”“减小”或“不变”）。13(1)有、；H2、D2、T2；石墨、金刚石；、；四组微粒或物质。互为同位素

9、的是_(填编号，下同)，互为同素异形体的是_。(2)已知拆开1molHH键、1molNN、1molNH键分别需要吸收的能量为436kJ、946kJ、391kJ。则由氢气和氮气反应生成1molNH3需要_(填“放出”或“吸收”)_kJ能量。(3)肼(N2H4)又称联氨可看成是氨气中的氢原子被氨基取代后的产物，常用作火箭的液体燃料。肼燃料电池的原理如下图所示，则负极发生的电极反应式为_。(4)若锌片、铜片连接后浸入稀硫酸溶液中，构成了原电池，工作一段时间，锌片的质量减少了3.25g，铜表面析出了氢气_L(标准状况)，导线中通过_mol电子。(注：相对原子质量Zn-65)14CH4是天然气主要成分，

10、天然气是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，也是重要的化工原料。(1)CH4除了可以直接燃烧供能外，还可用作燃料电池的燃料，写出如图所示甲烷燃料电池负极的电极反应式_。(2)以CH4为原料制取H2是工业上常用的制氢方法，化学方程式为：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)，该反应为吸热反应。一定温度下，将CH4和H2O(g)各0.11 mol充入2L恒容密闭容器中，50s后达平衡状态：若平衡时压强与初始压强比为21：11，平衡时CH4的浓度为_，50s内用H2表示该反应的平均速率 v(H2)_。以下可作为该反应达平衡状态的标志的是_。A气体总压强保持不变B气体的密度保持不变C单位时

11、间消耗1molCH4的同时生成3molH2 D气体的平均摩尔质量保持不变ECO和H2的分子数之比为1:3(3)与甲烷结构相似的有机物还有很多，它们的碳原子之间都以碳碳单键结合成链状，剩余价键均与氢原子结合，这样的烃称为烷烃。分子式为C7H16，含有三个甲基的的烷烃可能结构有_种烷烃CH3CH(C2H5)C(CH3)3的一氯代物有_种，系统命名为_。15“温室效应”是哥本哈根气候变化大会研究的环境问题之一。CO2是目前大气中含量最高的一种温室气体。因此，控制和治理CO2是解决“温室效应”的有效途径。（1） 其中一种途径是将CO2转化成有机物实现碳循环。如：2CO2(g)2H2O(l) =C2H4

12、(g)3O2(g) H+1411.0 kJ/mol2CO2(g)3H2O(l) = C2H5OH(1)3O2(g) H+1366.8 kJ/mol则由乙烯水化制乙醇反应的热化学方程式为_。（2）在一定条件下，6H2(g) +2CO2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g)。温度（K）CO2转化率（%）5006007008001.545332012260432815383623722根据上表中数据分析： 温度一定时，提高氢碳比n(H2)/n(CO2)，CO2的转化率_（填“增大”“减小”“不变”）。 该反应的正反应为_（填“吸”或“放”）热反应。（3）一定条件下，将3molH2和1molCO

13、2两种气体混合于固定容积为2L的密闭容器中，发生如下反应：3H2（g）+ CO2（g）CH3OH（g）+ H2O（g）。2min末该反应达到平衡，测得CH3OH的浓度为0.2mol/L。下列判断不正确的是_。a. 该条件下此反应的化学平衡常数表达式为b. H2的平均反应速率为0.3mol/(Ls)c. CO2的转化率为60%d. 若混合气体的密度不再改变时，该反应一定达到平衡状态（4）如图是乙醇燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）的结构示意图，则a处通入的是_（填“乙醇”或“氧气”），b处电极上发生的电极反应是：_。（5）CO2在自然界循环时可与CaCO3反应，CaCO3是一种难溶物质，其Ksp

14、=2.8109。CaCl2溶液与Na2CO3溶液混合可形成CaCO3沉淀，现将等体积的CaCl2溶液与Na2CO3溶液混合，若Na2CO3溶液的浓度为2104mo1/L ，则生成沉淀所需CaCl2溶液的最小浓度为大于_。参考答案1C【详解】A、锌片作负极、石墨作正极、稀硫酸作电解质溶液，故A不选；B. 铜片作负极、银片作正极、硝酸银溶液作电解质溶液，故B不选；C. 蔗糖是非电解质，不能构成原电池，故C选；D 锌片作负极、铜片作正极、稀盐酸作电解质溶液，故D不选；故选C。2A【详解】A、硫固体变为气体时需要吸收热量，等物质的量的硫蒸气和固体硫分别完全燃烧，前者放出热量多，选项A正确；B、由C（石

15、墨）C（金刚石）H=+1.90 kJ/mol可知，石墨的能量低于金刚石的能量，所以石墨比金刚石稳定，选项B错误；C、在101kPa时，2g氢气完全燃烧生成液态水，放出285.8kJ热量，热化学方程式中标注的是4g氢气燃烧放出的热量，4g氢气燃烧放出的热量为285.8kJ2=571.6kJ，氢气燃烧的热化学方程式表示为：2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）H=-571.6kJ/mol，选项C错误；D、该反应H0，反应为熵增反应，S0，根据HTS0的反应能自发进行，该反应只有在高温时才能自发进行，选项D错误；答案选A。3A【详解】A在稀溶液中，强酸和强碱反应生成1mol水时放出的热量为中和热，

16、H=-57.3kJ/mol，而亚硫酸为弱电解质，电离需要吸热，故H2SO3(aq)和2molNaOH(aq)反应生成2mol水时，放出的热量小于114.6kJ，则H-114.6kJ/mol，故A正确；B化石燃料包括煤、石油、天然气和可燃冰，植物油属于可再生燃料，故不是化石燃料，故B错误；CSO3在水溶液中能导电，是因为与水反应生成的硫酸能够电离的结果，故SO3为非电解质，不属于弱电解质，故C错误；D物质越稳定，能量越低，石墨比金刚石稳定，故石墨的能量更低，则转化为金刚石要吸热，即H0，故D错误；故选A。4D【详解】A放热反应有的需加热，有的不需加热，如木炭的燃烧是一个放热反应，但需要点燃，点燃

17、的目的是使其达到着火点，再如铝热反应也是，故A错误；B化学反应中能量变化的形式有热能、光能、电能等等，不只是热能，故B错误；C有的放热反应也需要一定条件，如碳的燃烧属于放热反应，但需要点燃，故C错误；D反应物的总能量大于生成物的总能量为放热反应，反应物的总能量小于生成物的总能量为吸热反应，所以反应物和生成物各具有的总能量决定了该反应是放热反应还是吸热反应，故D正确；答案为D。5B【详解】A.根据已知信息a极为正极，材料为不锈钢丝，A错误B. a电极为正极，氧气得电子与水反应生成氢氧根离子，电极反应式 O2+2H2O+4e=4OH，B正确；C. 电子的流向:b极a极，电流与电子相反，C错误；D.

18、 每消耗1molMg，化合价由0价变为+2价，失去2mol电子，则导线中共流过2NA电子，D错误；答案为B6B【详解】A原电池中金属锌做负极，发生氧化反应，所以不选A；B二氧化锰在正极反应，正确，选B；C放电时，外电路电子从锌流向二氧化锰，内电路是离子的定向移动，不选C；D溶液中的阴离子向负极移动，即向锌的电极移动，不选D。7B【详解】A元素C除存在金刚石和石墨外，还存在足球烯（C60）等同素异形体，故A错误；B核外电子层数越多，半径越大，微粒的半径：r(Mg2)r(Mg)，故B正确；C该反应为：2Mg+CO22MgO+C，此反应中二氧化碳为氧化剂，氧化镁为氧化产物，氧化剂的氧化性大于氧化产物

19、的氧化性，即氧化性CO2氧化镁，故C错误；D该反应放出光，即部分化学能转化为光能，且生成物仍具有能量，故D错误；故选B。8B【详解】A根据原电池的工作原理，正极上得电子，发生还原反应，通空气的一极为正极，反应式为O22H2O4e=4OH，pH增大，故A错误；B通肼的一极为负极，反应式为N2H44OH4e=N24H2O，故B正确；C根据原电池的工作原理，电子从负极经外电路流向正极，电流的方向和电子移动的方向相反，即电流从b极经过负载流向a极，故C错误；D根据电极反应式，OH应从正极流向负极，交换膜是阴离子交换膜，故D错误；故答案选B。9C【详解】A. 断键吸热，过程 N2 (g)2N(g)吸收能

20、量，故A错误；B. 形成化学键释放能量，过程 N(g)+3F(g)NF3(g)放出能量，故B错误；C. 反应 N2(g)+3F2 (g)=2NF3(g)，断键吸收的能量是946kJ+154.8kJ3=1410.4 kJ ，成键放出的能量是283 kJ6=1698 kJ，所以该反应为放热反应，故C正确；D.F的非金属性大于N， NF3中元素的化合价：N 为+3价，F 为-1 价，故D错误；选C。10C【详解】A. CuS不溶于水，也不能与硫酸反应，不能利用CuS与H2SO4的反应比较H2SO4、H2S的酸性强弱，A错误；B. 发生沉淀的转化，是由于溶度积大的物质向溶度积小的物质方向移动，则Kap

21、(AgCl)Kap(AgI)，B错误；C. 不同氧化剂与变价金属反应，氧化剂的氧化性越强，就会把变价金属氧化为高价态；氧化性越弱，会把变价金属氧化为低价态，因此生成高价金属化合物对应的元素非金属性强，可知氧化性：氧化性：Cl2S，C正确；D. 石墨变为金刚石吸收热量，石墨的能量比金刚石低，物质含有的能量越低，物质的稳定性就越强，因此物质的稳定性：石墨金刚石，D错误；故合理选项是C。11 电解质溶液 防止Fe2+被氧化 VO+2H+e-VO2+H2O V3+e-V2+ 升高 acd【详解】（1）传统的铜锌原电池中，锌与酸反应生成氢气，故硫酸为电解质溶液；实验室中配制硫酸亚铁时需要加入少量铁粉，铁

22、粉的作用是防止Fe2+被氧化；（2）正极反应是还原反应，由电池总反应可知放电时的正极反应为VO+2H+e-VO2+H2O；充电时，阴极反应为还原反应，故为V3+得电子生成V2+的反应，放电时，消耗H+，溶液pH升高；（3）充电时阳极反应式为VO2+H2O-e-VO2+2H+，故充电完毕的正极电解液为VO2+溶液，而放电完毕的正极电解液为VO2+溶液，故正极电解液可能是选项acd，故答案为：acd。12 298.2 AD AD G Pb +SO42-2e= PbSO4 1 CH410OH8e=CO32-7H2O 减小【详解】I.由题中信息可知，白磷与氧气反应的化学方程式为P4(s)+O2(g)=

23、P4O10(s)，H=反应物的键能总和-生成物的键能总和=198+498-(360)=-2982 kJmol1，mol白磷完全燃烧放出2982kJ热量，所以0.1molP4(白磷)在氧气中充分燃烧放出能量298.2kJ。.(1)原电池的构成条件之一是有自发进行的氧化还原反应发生，从理论上讲，任何一个可以自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。四个反应中只有A和D两个是可以自发进行的氧化还原反应，所以可以设计成原电池的是A和D。（2）图I是化学腐蚀，锌与稀硫酸发生置换反应生成氢气，锌棒表面产生气泡，反应放热，能量变化主要表现为化学能转化为热能，所以温度计能显示出温度升高；图II中锌棒、铜棒、稀

24、硫酸形成了原电池，锌是负极、铜是正极，负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，所以可看到铜棒表面上产生气泡，由于形成原电池可以加快化学反应速率，所以可以看到II中产生气泡的速率明显比I中快，能量变化主要表现为化学能转化为电能，所以II中温度计示数没有I中高。综上所述，有关实验现象正确的是：ADG。(3)铅蓄电池放电时的化学方程式为Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) = 2PbSO4(s) + 2H2O，负极反应式为Pb +SO42-2e= PbSO4 ，一段时间后，负极增重48克，增加的质量就是硫酸根的质量，可以求出硫酸根的物质的量为0.5mol，所以有0.5molPb转

25、化为PbSO4，转移电子的物质的量为1mol。(4）由图可知，此燃料电池中发生的反应为CH4+2O2+2OH- = CO32-+3H2O，正极的电极反应式较简单，可以先写出来：2O2+8e-+4H2O=8OH-，总反应减去正极的电极反应式可得负极的电极反应式，电池的负极反应式为：CH410OH8e=CO32-7H2O。由总反应可知，电池工作一段时间后，由于氢氧根不断减少，反应产物中有水，所以电解质溶液的碱性变弱，pH减小 。式。预判一下哪个电极的反应较简单，从简单处下手，化繁为简，是通常做事的方法。13 放出 46 N2H4-4e+4OH=N2+4H2O 1.12 0.1【详解】(1)同位素是

26、同种元素的不同原子的互称，、都是氧元素的同位素；、都是氢元素的同位素，所以互为同位素的是；同素异形体是同种元素形成的不同单质，石墨、金刚石是碳元素的同素异形体，所以互为同素异形体的是。答案为：答案为：；(2)合成氨反应为N2+3H22NH3，则由氢气和氮气反应生成1molNH3的热量变化为H=(946kJ+436kJ3-391kJ6)=-46kJ，则需要放出46kJ能量。答案为：放出；46；(3)肼(N2H4)中N元素显-2价，生成N2，则肼作还原剂，加入肼的Pt电极为负极，则负极肼失电子产物与OH-反应生成水和N2，发生的电极反应式为N2H4-4e+4OH=N2+4H2O。答案为：N2H4-

27、4e+4OH=N2+4H2O；(4)若锌片、铜片连接后浸入稀硫酸溶液中，构成了原电池，由电池反应可建立如下关系式：Zn2e-H2，n(Zn)=0.05mol，则铜表面析出了氢气的体积为0.05mol 22.4L/mol=1.12L(标准状况)，导线中通过电子的物质的量为0.05mol 2=0.1mol。答案为：1.12；0.1。14 CH4-8e-+10OH-= CO32-+7H2O 0.005mol/L 0.0003mol/(L.s) AD 3 5 2，2，3三甲基戊烷【详解】(1) 碱性甲烷燃料电池中，甲烷作负极，发生氧化反应，生成CO32-，电极反应式为：CH4-8e-+10OH-= C

28、O32-+7H2O，故答案为：CH4-8e-+10OH-= CO32-+7H2O；(2) 恒容时，压强之比等于物质的量之比，则平衡时，气体总物质的量为0.11mol2=0.42mol，设平衡时甲烷的浓度为a则 a+a+(0.11-a)+ (0.11-a)3=0.42mol，a=0.01mol，c(CH4)=，v(H2)=3 v(CH4)=，故答案为：0.005mol/L；0.0003mol/(L.s)；A. 该反应为气体体积增大的反应，容器为恒容，则气体总压强保持不变，说明各组分浓度保持不变，能说明反应达到平衡，故A选；B. 反应前后气体总质量不变，气体体积恒定，则气体的密度始终保持不变，故B

29、不选；C. 单位时间消耗1molCH4的同时生成3molH2都表示正反应方向速率，不能说明反应达到平衡，故C不选；D. 反应正方向为气体物质的量增大的过程，气体的总质量不变，则气体的平均摩尔质量保持不变，能说明反应达到平衡，故D选；E. CO和H2的分子数之比为1:3，并不能说明浓度不在变化，故不能说明反应达到平衡，故E不选，故答案为：AD；(3) 该烃结构式中含有3个甲基，则该烷烃只有1个支链，若支链为-CH3，主链含有6个碳原子，符合条件有：CH3CH(CH3)CH2CH2CH2CH3，CH3CH2CH(CH3)CH2CH2CH3；若支链为-CH2CH3，主链含有5个碳原子，符合条件有：CH3CH2CH(CH2CH3)CH2CH3；支链不可能大于3个碳原子，故符合条件的烷烃有3种，故答案为：3； CH3CH(C2H5)C(CH3)3中有5种不同化学环境的氢，则