2017-2018学年同步学习讲义之高一化学苏教浙江专版必修2：专题2化学反应与能量变化 本专题重难点突破

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精本专题重难点突破一、化学反应速率影响因素探究北京故宫的“云龙陛石”上曾经雕刻有精美的蟠龙图案，近些年来,这些浮雕遭到严重的损坏。而以前几百年这种腐蚀都是很慢的，那为什么近些年来的腐蚀就加快了呢？这就要从影响化学反应速率的因素来分析了。1．内因决定化学反应速率大小的主要因素是反应物的性质,而不是外界条件.2．外因影响化学反应速率的外界条件很多，如浓度、压强、温度、催化剂等。另外，形成原电池也可以加快反应速率。影响化学反应速率的因素规律内因反应物的性质在其他条件相同时，反应物的性质越活泼，化学反应速率越快；反应物的化学性质越不活泼，化学反应速率越慢外因反应物的浓度在其他条件相同时，增加反应物的浓度，可使反应速率加快反应温度在其他条件相同时，升高温度，可加快化学反应速率反应时的压强对有气体参加的反应,在其他条件相同时，增大压强,可加快化学反应速率催化剂在其他条件相同时，使用正催化剂，可极大地加快化学反应速率固体反应物的表面积在其他条件相同时，增大固体反应物的表面积，即固体反应物的颗粒越小，化学反应速率越快其他光波、超声波、磁场、溶剂等也能改变某些反应的速率注意①对于有固体或纯液体参加的化学反应，改变它们的量不会引起浓度的变化,对它们的反应速率无影响。例如：C（s）＋CO2(g)eq\o（=，\s\up7(高温)）2CO(g)，增加C的量，对此反应的反应速率无影响。②压强只对有气体参加或生成的化学反应的速率有影响，若一个化学反应的反应物、生成物中均无气体,则压强对此反应的反应速率无影响。压强对反应速率的影响关键是看改变压强是否改变相关物质的浓度。对于有气体参加的反应体系，压强改变的实质是气体物质浓度的改变。有以下几种情况：A．恒温：增大压强→体积减小→浓度增大→反应速率加快B．恒容：充入气体反应物→浓度增大→反应速率加快充入稀有气体→总压增大,但各物质浓度不变→反应速率不变C．恒压：充入稀有气体→体积增大→各反应物浓度减小→反应速率减慢③多个因素影响反应速率变化要看主要因素例如：锌与稀硫酸反应的图像如图，由图像可知氢气的生成速率随时间先由慢到快，然后又由快到慢.反应体系中硫酸所提供的氢离子浓度是由高到低，若氢气的生成速率由其决定,速率的变化趋势也应由快到慢，所以反应前半程速率增大的原因是温度所致，锌与硫酸反应时放热体系温度逐渐升高，温度对反应速率的影响占主导地位。一定时间后，硫酸的浓度下降占据主导地位，因而氢气的生成速率随时间先由慢到快，然后又由快到慢。【例1】等质量的铁与过量的盐酸在不同的实验条件下进行反应,测定在不同时间t产生气体体积V的数据，根据数据绘制得到下图，则曲线a、b、c、d所对应的实验组别是（)组别c(HCl)/mol·L－1温度/℃状态12。025块状22。530块状32.550块状42。550粉末状A.4－3－2－1 B．1－2－3－4C．3－4－2－1 D．1－2－4－3解析化学反应速率与温度、浓度和固体物质的表面积大小有关，实验1的盐酸的浓度最小,反应的温度最低，所以化学反应速率最小；物质状态相同时由于实验3的反应温度比实验2的反应温度高，所以反应速率实验3的大于实验2的；而实验4和实验3盐酸的浓度相同，反应的温度也相同，但物质的状态不相同，所以实验4的反应速率大于实验3的。答案A【例2】反应E＋F=G在温度T1下进行,反应M＋N=K在温度T2下进行，已知：T1>T2,且E和F的浓度均大于M和N的浓度，则两者的反应速率（）A．前者大 B．后者大C．一样大 D．无法判断解析因为这两个反应是不同的反应，而决定反应速率的主要因素是内因（反应物本身的性质)，故尽管前者的反应温度高、浓度大,但反应速率不一定大于后者，如合成氨反应在高温、高压且有催化剂的条件下进行，其速率也不如低温下的酸碱中和反应的速率大。故两者的反应速率快慢无法比较。答案D易错警示本题很容易错选A，因为教材中用较多的篇幅介绍了温度、浓度、催化剂等外界因素对化学反应速率的影响，而忽视了内因才是决定化学反应速率的关键；外界因素在内因相同的情况下（即反应相同时）才会决定反应速率的大小，在进行分析判断反应速率大小时应遵循以下思路：①先看内因；②内因相同者,再看外界因素（温度、浓度、压强、催化剂等）。二、化学反应速率及平衡图像问题的分析方法化学反应速率及化学平衡的图像,能直观描述反应进行的快慢、反应进行的程度等问题。图像题是化学中常见的一种题目，做这类题既要读文字内容,又要读图。解答化学反应速率图像题三部曲：“一看”“二想”“三判断”.“一看”——看图像①看坐标轴:弄清纵、横坐标表示的含义；②看线：弄清线的走向、趋势；③看点：弄清曲线上点的含义，特别是一些特殊点，如曲线的折点、交点、最高点与最低点等；④看量的变化：弄清是物质的量的变化、浓度的变化还是转化率的变化等。“二想”——想规律如各物质的转化量之比与化学计量数之比的关系、各物质的速率之比与化学计量数之比的关系等.“三判断”—-通过对比分析，作出正确判断.【例3】(1)在恒温条件下将一定量X和Y的混合气体通入容积为2L的密闭容器中,X和Y两物质的浓度随时间的变化情况如图1所示.①该反应的化学方程式为（反应物或生成物用符号X、Y表示）：___________________。②a、b、c、d四个点中，表示化学反应处于平衡状态的点是________________________________________________________________________。（2）如图2所示是可逆反应X2＋3Y22Z的反应速率（v）与时间（t）的关系曲线，下列叙述正确的是________。图2A．t1时，只有正方向反应在进行B．t2时，反应达到最大限度C．t2～t3，反应不再进行D．t2~t3，各物质的浓度不再发生变化解析（1)从浓度变化趋势来看，X为生成物，Y为反应物。15min时X增加了0。4mol·L－1，Y减小了0。2mol·L－1，故X、Y的化学计量数之比为2∶1,10～25min内，X、Y的浓度不发生变化，达到化学平衡状态，则该反应为可逆反应,反应方程式为Y2X。b、d两点处于化学平衡状态。(2)对于可逆反应,反应开始后的任何时刻,正、逆反应均在进行。根据图像可知0～t2反应处于非平衡状态,t2后，正、逆反应速率相等，但不等于0;处于平衡状态时，各物质的浓度不再发生变化，故B、D正确.答案(1）①Y2X②bd(2）BD【例4】在密闭容器中充入一定量NO2,发生反应2NO2（g)N2O4（g）ΔH＝－57kJ·mol－1。在温度为T1、T2时，平衡体系中NO2的体积分数随压强变化的曲线如图所示。下列说法正确的是()A．a、c两点的反应速率:a〉cB．a、b两点NO2的转化率：a<bC．a、c两点气体的颜色：a深，c浅D．由a点到b点，可以用加热的方法解析由图像可知,a、c两点都在等温线上，c的压强大，则a、c两点的反应速率：a〈c，A项错误；a、b两点压强相同,但温度不同，a点二氧化氮的体积分数较大，说明a点的转化率较小，即a<b，B项正确；NO2为红棕色气体，由图像可知，a、c两点都在等温线上，c的压强大，NO2气体的浓度较大，混合气体颜色较深,C项错误；升高温度，化学平衡向着逆向移动，NO2的体积分数增大,a点到b点二氧化氮体积分数减少，说明是降低了温度，所以不能用加热的方法实现由a点到b点的转变，D项错误.答案B三、化学平衡状态的特征及其判断方法1．化学平衡的特征化学平衡状态是一个动态平衡,化学反应并没有停止，不过反应物、生成物浓度不再改变,即反应混合物的百分组成不变的状态。其特征是（1)动:动态平衡,正逆反应仍在进行,v正＝v逆≠0。（2）定:反应混合物中各组分的浓度保持一定，各组分的含量保持不变。（3）变：条件改变，原平衡被破坏，在新的条件下建立新的平衡。2．判断化学反应达到平衡的标志（1)根本性标志：v正＝v逆≠0。①正逆反应的描述：同一物质的消耗和生成速率相等，或反应物和生成物的消耗或生成按化学计量数成比例，即必须体现出双方向的变化.②速率相等：同一物质速率的数值相等，不同物质速率比等于化学方程式中的化学计量数之比.（2）等价标志:在其他条件一定的情况下,下列物理量不变可以说明反应达平衡.①混合气体中各组分的体积百分含量不变(或体积比不变）；②某物质的转化率不变或某物质的质量或物质的量不变；③体系中含有色物质时,颜色不随时间的变化而变化；④同种物质化学键的断裂与化学键的形成的物质的量相等，若以化学键或浓度表示,则必须对应反应物和生成物且要按反应方程式计量数关系成比例。(3)特殊标志：①若反应前后气体的总分子数不相等,总压强不变或总物质的量不变或平均分子量不变，可以说明反应达到了平衡状态。②若反应前后气体的总分子数相等时，若反应物或生成物中有一个是非气体,平均相对分子量不变，可以说明反应达到了平衡状态。③当给定的是密度不变时，要考虑容器体积和气体总质量变化,若二者都不变，则不能说明反应达到了平衡状态。【例5】某温度下，在2L密闭容器中X、Y、Z三种物质（均为气态)间进行反应,其物质的量随时间的变化曲线如图.依图回答：(1)该反应的化学方程式可表示为________________________________________________。（2）反应起始至t1min（设t1＝5），Y的平均反应速率是________________________________________________________________________。（3)在t1min时,该反应达到了________状态，下列可判断反应已达到该状态的是________（填字母）。A．X、Y、Z的反应速率相等B．X、Y的反应速率比为2∶3C．混合气体的密度不变D．生成1molZ的同时生成2molXE．X、Y、Z物质的量之比等于化学方程式中计量数之比F．混合气体的总压强不再发生改变解析(1)观察图像可得X的物质的量减少2.4mol－1。6mol＝0.8mol，X为反应物,Y的物质的量增加1.2mol，Z的物质的量增加0.4mol，Y、Z的物质的量增加，可判断Y、Z为生成物，在相同时间内，同一容器中，其速率之比等于化学方程式中计量数之比,等于物质的量变化之比，即v(X）∶v(Y）∶v（Z)＝0.8mol∶1.2mol∶0.4mol，反应达到t1时刻后，X、Y、Z共存,其物质的量不变可判断该反应为可逆反应，t1时刻达到了化学平衡，该反应的化学方程式为2X（g)3Y(g)＋Z（g).(2）v(Y）＝eq\f（1.2mol,2L×5min）＝0。12mol·L－1·min－1.(3）由反应方程式可知，达平衡时X、Y、Z的反应速率不相等；反应进行中,无论是否达到平衡X、Y的速率之比始终为2∶3；X、Y、Z均为气体,反应前后气体的质量不变，体积也不变，密度不变，根据密度不能判断反应是否达到平衡;生成1molZ是正反应方向，生成2molX是逆反应方向,v正＝v逆，反应达到平衡；X、Y、Z物质的量之比与计量数比不等；根据反应方程式可知，该反应前后压强有变化,当压强不变时，反应达到了平衡。答案(1）2X(g)3Y（g）＋Z(g）（2)0.12mol·L－1·min－1（3）化学平衡DF四、详析化学反应中热量的变化我们在做化学实验时，经常会感受到有热量的变化，比如钠与水的反应等，其实在化学反应中，不仅有物质的变化，即新物质的生成，而且还伴随着能量的变化，有的反应是吸热的，有的反应是放热的。而化学反应中物质变化的实质是旧化学键断裂和新化学键形成。化学反应是化学科学研究的核心，化学反应过程中的物质变化要遵循质量守恒定律，而能量变化要遵循能量守恒定律。在化学反应过程中一定存在着能量的变化，而这些能量变化大多数表现为热量的变化，这就实现了化学能与热能的转化。1．从化学键的角度理解在化学变化前后，参加反应的原子的种类和个数并没有改变，只是进行了原子之间的重组和整合；原子进行重组、整合的过程,实际上就是反应物中化学键断裂和生成物中化学键形成的过程。由于反应物中化学键的断裂要消耗能量，而生成物中化学键的形成要释放能量，因此我们将化学反应中能量变化表示为反应物eq\o（→，\s\up7(旧化学键断裂吸收能量），\s\do5(新化学键形成释放能量）)生成物这样,当反应中吸收的能量大于释放的能量时，反应表现为吸收能量,该反应为吸热反应；当反应中吸收的能量小于释放的能量时，反应表现为放出能量，该反应为放热反应。【例6】已知：①1molH2分子中化学键断裂时需吸收436kJ的能量；②1molCl2分子中化学键断裂时需吸收243kJ的能量;③由氢原子和氯原子形成1molHCl分子时释放431kJ的能量.则1molH2和1molCl2反应生成氯化氢气体时的能量变化为()A．放出能量183kJ B．吸收能量183kJC．吸收能量248kJ D．吸收能量862kJ解析根据反应的化学方程式：H2＋Cl2eq\o(=,\s\up7(点燃））2HCl，可知在反应过程中,断裂1molH—H键、1molCl—Cl键,同时形成2molH-Cl键。计算可知生成2molHCl气体时，吸收的热量为436kJ＋243kJ＝679kJ，放出的热量为431kJ×2＝862kJ,故反应中放出的热量为862kJ－679kJ＝183kJ,A对。答案A特别提示从化学键的角度看能量变化时，首先要明确物质内部的化学键的数目。要是对物质中化学键的数目认识错误,就会导致错误的计算结果,比如每个水分子中含有的H-O键的数目为2个。2．从化学能的角度理解自然界中存在着成千上万种物质，但不同的物质能量不同，因此在化学反应前后反应物和生成物所具有的能量也是不同的.我们还可以从化学能的角度，也就是从反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小来看一个化学反应的能量变化。若反应物的总能量〉生成物的总能量,则化学反应放出能量,该反应为放热反应；若反应物的总能量〈生成物的总能量，则化学反应吸收能量，该反应为吸热反应。3．化学反应中能量变化的计算(1)用E(反应物)表示反应物的总能量，E（生成物)表示生成物的总能量,ΔQ表示能量变化，则:ΔQ＝E(生成物）－E(反应物）。(2)用Q（吸）表示反应物分子断裂时吸收的总能量，Q（放)表示生成物分子成键时放出的总能量,ΔQ表示能量变化,则：ΔQ＝Q（吸）－Q（放）。【例7】下列有关化学反应中能量变化的理解，正确的是(）A．凡是伴随能量变化的过程都是化学变化B．在化学反应过程中总是伴随着能量的变化C．在确定的化学反应中反应物的总能量一定等于生成物的总能量D．在确定的化学反应中反应物的总能量总是高于生成物的总能量解析在化学变化中，既有物质的变化又有能量的变化，但是有能量变化的过程不一定就是化学变化，如水的三态变化.在确定的化学反应中，反应物的总能量不等于生成物的总能量，当反应物的总能量大于生成物的总能量时,反应放热;当反应物的总能量小于生成物的总能量时，反应吸热。答案B五、从氧化还原反应原理分析原电池原电池是把化学能转化为电能的装置。构成原电池的条件有哪些？是不是所有的化学反应均可以设计成原电池呢？在学习过程中，这些问题可能一直使同学们感到困惑，下面我们一起来分析，解开困惑.1．原电池与氧化还原反应的关系我们在学习氧化还原反应时，经常用单线桥或双线桥标注电子转移的方向和数目，如：氧化还原反应中存在电子的得失,在该反应中，线桥仿佛是一根导线,假如电子能在导线上流动，就会由电子的转移变成电子的定向移动，也就形成了电流。因此，并不是所有的反应均可以设计成原电池,只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。从单线桥上看，可将导线一端连接在锌极上，另一端当然不可能直接放在溶液中,因此可将另一端连接在一个能导电的电极上，如石墨电极.这样连接后，在整个装置中就会出现与原来不同的实验现象：氢气在石墨电极上大量产生.为什么会出现这样的现象呢?原因在于：当锌片直接放入硫酸溶液中时,锌失去的电子集中在锌片表面，溶液中的H＋在锌的表面获得电子生成氢气。而当锌、石墨共同放入硫酸溶液并用导线连接时，电子就会沿导线流向石墨电极，这样在石墨电极表面聚集了大量电子,溶液中的H＋移向石墨电极并获得这些电子生成氢气。在这个过程中，电子在导线中实现了定向移动，即形成了电流。这样，化学反应的化学能就转变成了电能,这样的装置我们称之为原电池。2．原电池的构成从以上分析可以看出,原电池是由两个活动性不同的电极、电解质溶液构成的闭合回路，也就是说原电池的构造是：①两个活动性不同的电极；②电解质溶液;③闭合回路，如下图。在原电池中，科学上规定把电子流出的一极称为负极(较活泼的金属);把电子流入的一极(较不活泼的金属或惰性电极）称为正极.在上面的原电池中，锌为负极,发生氧化反应：Zn－2e－=Zn2＋，石墨为正极，发生还原反应：2H＋＋2e－=H2↑,这两个半反应恰好是氧化还原反应中的两个线桥。也就是说，原电池实质上是将氧化反应和还原反应分到了两个电极上进行，使其分别成为一个“半反应”，因此，根据氧化还原反应方程式可以很容易地设计原电池装置.【例8】有甲、乙两位同学，他们一起做了下图所示的水果电池实验,测得数据如下：实验次数电极材料水果品种电极间距/cm电压/mV1锌铜菠萝39002锌铜苹果36503锌铜柑橘38504锌铜西红柿37505锌铝菠萝36506锌铝苹果3450甲同学提出的问题，乙同学解释不正确的是()①甲:实验6中的负极反应如何写？乙：铝为负极：Al－3e－=Al3＋②甲：实验1、5电流方向为什么相反？乙：实验1中锌为负极，电流由铜经导线流向锌;实验5中铝为负极，铝失去电子，电流由锌经导线流向铝③甲：水果电池的电压与哪些因素有关？乙：只跟水果的品种有关.A．③ B．①C．①②③ D．②③解析由原电池的原理判断知①②都正确；决定水果电池电压的因素是构成原电池的两种电极材料及水果的品种,所以不正确的是③.答案A3．电子的流向及离子的流向整个原电池装置是一个闭合回路,在外电路中(导线)是靠电子的定向移动导电，在溶液中则是靠阴、阳离子的定向移动导电。在外电路中,电子是由负极流向正极，电流的方向与电子移动的方向相反，由正极流向负极。在溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，这里我们只需记住:阳离子一定移向发生还原反应的极,即阳离子一定是为获得电子而奔去.原电池的工作原理（以铜锌原电池为例)如下图所示：4．电子的得失守恒电子守恒法是依据氧化还原反应中氧化剂得到的电子总数与还原剂失去的电子总数相等这一原则进行计算的。电子守恒法是氧化还原反应计算的最基本的方法,而原电池反应就是一种典型的氧化还原反应，只不过氧化反应和还原反应在负极和正极分别发生.因此可以利用电子守恒法来处理原电池的有关计算。具体来说就是正极得到的电子总数与负极失去的电子总数相等。【例9】(1）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流表。锌片上发生的电极反应为___________________________________________________。银片上发生的电极反应为_____________________________________________________.(2）若该电池中两电极的总质量为60g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重,总质量为47g，试计算：①产生氢气的体积(标准状况);②通过导线的电量。(已知NA＝6.02×1023mol－1，电子的电荷量为1.60×10－19C）解析（1)在锌片、银片、稀硫酸组成的原电池中，锌片作负极，其电极反应为Zn－2e－=Zn2＋;银片作正极,其电极反应为2H＋＋2e－=H2↑;则电池总反应式为Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。（2）根据电极反应式找出已知量与电量之间的定量关系进行计算。①电极减少的质量等于生成氢气所消耗的锌的质量，设产生的氢气体积为x，则：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑65g22。4L60g－47g＝13gxx＝13g×22。4L÷65g＝4。48L。②反应消耗的锌的物质的量为13g÷65g·mol－1＝0。2mol。1molZn变为Zn2＋时，转移2mole－,则通过的电量为0。2mol×2×6。02×1023mol－1×1.60×10－19C≈3。85×104C。答案(1)Zn－2e－=Zn2＋2H＋＋2e－=H2↑（2）①4。48L②3。85×104C六、原电池正极和负极的判断方法1．根据电极材料判断一般是活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极.2．根据电流方向或电子流动方向判断电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。3．根据原电池里电解质溶液中离子的移动方向在原电池的电解质溶液中，阳离子移向的极为正极，阴离子移向的极为负极.4．根据原电池两极发生的变化判断原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应。5．根据现象判断溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。特别提示在判断原电池正、负极时,不要只根据金属活动性的相对强弱，有时还与电解质溶液有关,如Mg－Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应,虽然金属性Mg〉Al，但在该条件下是Al作负极。因此要根据具体情况来判断正、负极。【例10】根据反应：2Ag＋＋Cu=Cu2＋＋2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是（)A．X可以是银或石墨B．Y是硫酸铜溶液C．电子从铜电极经外电路流向X电极D．X极上的电极反应式为Ag＋＋e－=Ag解析由电池反应2Ag＋＋Cu=2Ag＋Cu2＋可知，铜作负极，电极反应为Cu－2e－=Cu2＋;X为正极，可以是比铜不活泼的银或石墨等，电极反应为Ag＋＋e－=Ag；电解质溶液中需含有Ag＋，故B说法错误。答案B七、原电池的电极反应及其书写方法电极上物质的变化情况以及电子的转移情况可用电极反应式来表明。在原电池中,氧化反应和还原反应是分别在两个电极上进行的，每个电极上只发生一个方向的电子转移，相当于氧化还原反应的一半,常称为半反应。这种在电极上进行的半反应叫做电极反应。电极反应总是涉及含有同一元素但价态不同的两种物质,一种处于较高价态，另一种处于较低价态。以Cu－Zn(H2SO4)原电池为例：负极反应：Zn－2e－=Zn2＋(氧化反应）,正极反应:2H＋＋2e－=H2↑(还原反应）。而电池总反应则为电池中正、负极反应式在电量相等情况下的加和式,一般是一个自发的、完整的氧化还原反应.例如原电池的电池总反应：Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑(化学方程式)，Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑（离子方程式)。【例11】钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2=2Fe（OH）2.以下说法正确的是()A．负极发生的反应为Fe－2e－=Fe2＋B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－=4OH－C．原电池是将电能转变为化学能的装置D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀解析选项正误理由A√负极发生的反应为Fe－2e－=Fe2＋，Fe作负极，C作正极B×正极发生的反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－C×原电池是将化学能转变为电能的装置D×水下部分溶解氧的浓度比交界处小,因而腐蚀比交界处慢答案A1．电极反应式书写的几种情况(1)可充电电池电极反应式的书写在书写可充电电池的电极反应式时,由于电极都参加反应,且正方向、逆方向反应都能进行，所以要明确电池和电极,放电时为原电池，充电时为电解池。原电池的负极反应为放电方向的氧化反应;原电池的正极反应为放电方向的还原反应。(2）根据给出电极反应式书写总