高中化学选择性必修1化学反应原理（苏教版）.pdf

ISBN 978-7-5499-9275-19 787549 992751定价： 10.29元审批号： 苏费核 （2021年） 0245号举报电话： 12315主 编 王祖浩副 主 编 吴 星 刘宝剑 王云生本 册 主 编 王祖浩本册副主编 吴 星 马宏佳亲爱的同学们，欢迎学习高中化学选择性必修课程化学反应原理。初中的化学学习经历，虽然只是化学的启蒙，但大家已经初步了解了化学发展的历程，领略了化学科学的魅力，体验了探究的乐趣。通过高中化学必修课程的学习，我们进一步领悟了化学博大精深的科学思想，理解了化学与人类文明的密切关系，学到了更多有趣、有用的化学知识。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。物质结构决定物质性质，而物质性质直接关系到物质的用途。时至今日，化学家们积累起来的知识虽不能解决与社会发展有关的全部问题，但也结出了丰硕的果实。与人类已知的几百万种生物相比，已知的化合物达上亿种，近年来每年创造的新物质就达数百万种。化学不仅与制药、石油、橡胶、造纸、建材、钢铁、食品、纺织、皮革、化肥等传统行业荣衰与共，还带动了信息、能源、航天、生命等高科技产业的发展。据统计，活跃在全球与化学相关领域中的科学家、工程技术人员，是一支最为庞大的研究队伍。为了保卫地球，化学家们开创了绿色化学时代。“绿色发展”已经成为我国可持续发展的基本国策。我们正在努力并且已经能够做到：使天空更清洁，从源头防治水污染，修复污染的土地，建构清洁低碳、安全高效的能源体系，实现绿色低碳的生活方式我细心观察过今天的高中学生，欣喜地发现，随着时代的进步，同学们的视野更为开阔，思维愈发活跃。教师们常常在为高中生各种新奇的创意与问题惊讶甚至烦恼的同时，不能不叹服他们对化学内涵的深刻理解，以及表现出来的巨大思维潜力。有了如此乐观的学习基础，在高中化学选择性必修课程的学习中，同学们能更多地体验实验探究的乐趣，掌握科学研究的方法，感受化学在解决人类面临的重大挑战时所作出的贡献。依据普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订），我们积极探索化学学习对促进学生核心素养发展的重要影响，从内容、思路和活动等多个方面对化学教材进行了修订，力求体现教材的全面育人功能。化学反应原理作为继化学必修课程之后的选择性必修课程，将从化学反应与能量变化、化学反应速率与化学平衡以及水溶液中的离子反应等方面入手，引导同学们分析化学反应现象，探索化学反应规律，帮助同学们用变化、平衡的观点去分析和解决化学实际问题，为化学学习提供更为扎实的理论基础。教材的主要栏目设置了丰富多彩的学习活动， 帮助同学们在阅读过程中更好地理解化学。【温故知新】在新旧知识之间架起桥梁，引导同学们回顾已有知识和思维经验，寻找与新学知识之间的密切联系，激发探究新知识的欲望。【交流讨论】结合学习目标设置了一系列与内容有关的问题情境，引导同学们展开讨论，为理解知识和深化思维提供基础。【基础实验】要求同学们在学习中同步完成的必做实验，不仅要了解这些实验的基本原理，还要学会动手操作，切实提高自己观察、记录和分析实验现象的能力。【实验探究】引领同学们积极投身更多的实验活动，熟悉实验流程，设计探究方案，独立或合作完成实验操作，记录实验现象，基于实验证据进行推理。【观察思考】教师展示实验现象、模型、图表等，提出相关问题激发同学们思考，尝试解析其中蕴涵的化学原理，帮助同学们开启化学思维。【学以致用】在教材阐述新知识之后插入典型问题，启迪同学们运用所学知识去解决实际问题，提高知识的迁移能力。【方法导引】结合化学内容介绍相关研究的一般方法和特殊方法，帮助同学们认识研究方法对化学发展的重要性，形成思考和解决化学问题的正确思路。【调查研究】通过查阅资料、考察或访谈，收集生活和生产实际中的化学问题，运用已学知识和方法揭示化学现象的本质，体验化学知识应用的价值。【生活向导】运用化学原理解释生活中的一些常见现象，提供相关的学科知识背景，帮助同学们建立合理选择和正确使用物质的意识。【选择决策】请同学们依据所学的知识和方法，对化学、技术与社会等方面的开放性问题进行分析、权衡，提出自己的看法，并作出合理判断。【拓展视野】提供与学习内容相关的更多生动的素材，帮助同学们在完成学习任务之余，进一步开拓视野，领略化学的奇妙和魅力。【科学史话】选取相关的、意义重大的化学史实，生动地还原其发展过程，帮助同学们从科学家的角度去思考问题，感受中外科学家的创新精神。【学科提炼】以简洁的语言介绍与化学核心知识相关的基本原理、思想方法等，尝试探索化学科学的本质特点，揭示化学知识的教育功能。【批判性思维】通过对教材知识涉及的学科问题、科学实验、社会性议题的分析，提升同学们质疑批判和开放性思维的品质。【跨学科链接】运用化学知识解释生物、物理、能源和医学等相关领域的问题，从多角度展现化学科学的价值，提高同学们分析和解决复杂问题的能力。化学，伴随我们一生的科学。在过去的岁月中，我们渴望了解化学，为此我们有过喜悦，也有过失望，但探索的步伐一直没有停歇。今天，当我们以一种新的姿态学习高中化学，你眼中的物质世界将会变得更加绚丽多彩！让我们充满信心，用智慧和勤奋去迎接新的学习任务，探索更多的科学奥秘，攀登更高的科学台阶，创造更加美好的明天！ 王祖浩 2021年3月第一单元 化学反应的热效应 / 2第二单元 化学能与电能的转化 / 15第三单元 金属的腐蚀与防护 / 29专题1化学反应与能量变化1第一单元 弱电解质的电离平衡 / 80第二单元 溶液的酸碱性 / 91第三单元 盐类的水解 / 101第四单元 沉淀溶解平衡 / 110专题3水溶液中的离子反应79第一单元 化学反应速率 / 40第二单元 化学反应的方向与限度 / 54第三单元 化学平衡的移动 / 65专题2化学反应速率与化学平衡39附录中英文名词对照表 / 123附录常见酸、碱和盐的溶解性表（20 ） / 124附录弱电解质在水中的电离平衡常数（25 ） / 125附录难溶电解质的溶度积常数（25 ） / 126元素周期表 化学反应过程中，既有物质的变化，又伴随能量的变化，这些能量变化通常以热能、光能、电能等形式表现出来。研究化学反应中的能量变化对生产、生活有重要的意义。本专题侧重研究化学反应中能量转化所遵循的规律，包括化学能与热能、化学能与电能的转化原理，旨在帮助同学们了解化学对解决人类能源问题所发挥的重要贡献。化学反应的热效应化学能与电能的转化金属的腐蚀与防护化学反应原理2第一单元化学反应的热效应燃烧是人类最早利用的化学反应之一。从古至今，人类一直以燃烧燃料作为获取热能的主要方式。随着人类在科学世界中的不断探索，人们对能量变化的本质有了进一步认识，为研究更科学的能量利用方法奠定了基础。对物质的量确定的体系而言，其中物质的各种能量的总和称为内能，它受温度、压强、物质的聚集状态和组成的影响。物质处于一定的状态，就具有一定的内能；状态发生改变，内能就会发生相应的变化。科学研究表明，物质内能的绝对值无法直接测得，但内能的变化可以通过变化过程中体系吸收（或放出）的热和对内（或对外）所做的功的形式表现出来。焓是与内能有关的物理量，用符号H表示。焓的数值的变化称为焓变，即为H。化学反应过程中既有物质变化，又有能量变化。能量的转换以发生化学变化的物质为基础，遵循能量守恒定律。释放或吸收热是化学反应中能量变化的主要形式之一，释放或吸收热的多少取决于化学反应中反应物的转化量。人们广泛利用化学反应与能量的关系解释生产和生活现象，如生命体中糖类与氧气的反应为机体提供能量，生产、生活中燃料的燃烧等都是化学反应中能量变化的重要应用。图 1-1 化学反应中能量变化的应用目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 认识化学能与热能相互转化的规律，能阐释化学能转化成热能的实际意义及其重要应用；能从化学键的角度说明化学反应中能量变化的本质；能运用盖斯定律计算反应的焓变，能运用焓变的数据合理选择和利用化学反应。 被研究的物质系统称为体系，体系以外的其他部分称为环境或外界。化学反应与能量变化专题13在化学反应过程中，当反应物和生成物具有相同温度时，吸收或释放的热称为化学反应的热效应，也称反应热（heat of reaction）。在化工生产和科学实验中，化学反应通常是在敞口容器中进行的，反应体系的压强与外界压强相等，即反应是在恒压条件下进行的。在恒压的条件下，化学反应过程中吸收或释放的热即为反应的焓变（enthalpy change），用H表示，单位常采用kJmol1。化学反应的焓变请举例说明放热反应和吸热反应，如何表示化学反应中放出或吸收的热？温故知新 严格地讲，焓变是指在恒压的条件下，体系仅做体积功，不做其他功（如电功等）的变化过程中的热效应。如不特别指明，化学反应的反应热就是该反应的焓变。请观察下列表示氢气在氧气中燃烧生成水和水分解为氢气、氧气反应热效应的化学方程式，分析并讨论其在书写上与化学方程式有何不同。2H2(g)O2(g)=2H2O(l) H571.6 kJmol1H2(g)12O2(g)=H2O(l) H285.8 kJmol12H2O(l)=2H2(g)O2(g) H571.6 kJmol1H2O(l) =H2(g)12O2(g) H285.8 kJmol1交流讨论一个化学反应是吸收能量还是释放能量，取决于反应物总能量和生成物总能量之间的相对大小。若反应物的总能量小于生成物的总能量，则反应过程中吸收能量；若反应物的总能量大于生成物的总能量，则反应过程中释放能量。图 1-2 化学反应过程中的能量变化生成物反应过程释放能量反应物反应物反应过程吸收能量生成物总能量总能量化学反应原理4化学反应中的能量变化通常以热等形式表现出来。吸收热的反应称为吸热反应（endothermic reaction），其H0；放出热的反应称为放热反应（exothermic reaction），其H0。能够表示反应热的化学方程式叫做热化学方程式（thermochemical equation）。由于反应的焓变与温度、压强、反应物及生成物的聚集状态等因素有关，因此，在书写热化学方程式时，应标明反应物及生成物的状态、反应温度和压强。若不标明温度和压强，则表示是在25 （即298 K）、101 kPa条件下的焓变。在热化学方程式中，反应物和生成物的聚集状态用英文小写字母在其化学式的后面标注，一般用“g”表示气体（gas）， “l”表示液体（liquid）， “s”表示固体（solid）， “aq”表示水溶液（aqueous solution）。在热化学方程式中，物质化学式前面的化学计量数表示物质的量，可以用整数或简单分数表示。同一化学反应，热化学方程式中的化学计量数不同，H也不同。若一个反应的焓变Ha kJmol1，则其逆反应的焓变Ha kJmol1。发射卫星时可用肼（N2H4）作燃料，已知在298 K、101 kPa时1 g液态肼燃烧生成氮气和液态水，释放19.44 kJ的热量。观察并分析下列肼燃烧反应的热化学方程式，判断这些热化学方程式是否正确。（1）N2H4O2=N22H2OH622.08 kJmol1（2）N2H4(l)O2(g)=N2(g)2H2O(l)H 622.08 kJmol1（3）N2H4(l)O2(g)=N2(g)2H2O(l)H =622.08 kJmol1（4）N2H4(l)O2(g)=N2(g)2H2O(g)H622.08 kJmol1（5）12N2H4(l) 12O2(g) =12N2(g)H2O(l)H311.04 kJmol1交流讨论化学反应与能量变化专题15化学反应过程中为什么会有能量变化呢？我们以氮气与氧气反应生成一氧化氮的反应为例来解释这一问题。【例1】25 、101 kPa时，1 g甲烷气体完全燃烧生成二氧化碳气体和液态水，放出55.64 kJ的热，写出该反应的热化学方程式。解：甲烷燃烧的化学方程式为CH42O2=CO22H2O设1 mol甲烷完全燃烧放出的热为 x，则有1 g55.64 kJ 1 mol16 gmol1x解得x 890.2 kJ则该反应的热化学方程式为CH4(g)2O2(g)=CO2(g)2H2O(l) H890.2 kJmol1答：甲烷气体完全燃烧生成二氧化碳气体和液态水的热化学方程式为CH4(g)2O2(g)=CO2(g)2H2O(l) H890.2 kJmol1方法导引请参考例1，写出下列反应的热化学方程式（反应条件均为25 、101 kPa）。（1）N2(g)与H2(g)反应生成17 g NH3(g)，释放46.2 kJ的热。 （2）1 mol C2H5OH(l)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)，释放1 366.8 kJ的热。 （3）标准状况下，44.8 L C2H2(g)在O2(g)中完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)，释放2 599.2 kJ的热。 （4）12 g C (石墨，s)与适量H2O(g)反应完全转化为CO(g)和H2(g)，吸收131.3 kJ 的热。 学以致用点燃化学反应原理6化学反应N2(g)O2(g)=2NO(g)的反应热应等于断裂反应物分子中的化学键吸收的总能量（946 kJmol1498 kJmol1 1 444 kJmol1）与形成生成物分子中的化学键释放的总能量（1 264 kJmol1）之差，即吸热180 kJmol1。分析结果与实验测定结果很接近。已知断裂1 mol H2(g)中的 HH 键需要吸收436 kJ的能量，断裂1 mol O2(g)中的共价键需要吸收498 kJ的能量，生成 H2O(g)中的1 mol HO键释放463 kJ的能量。试写出O2(g)与H2(g)反应生成H2O(g)的热化学方程式。学以致用化学反应中能量变化的本质化学反应中的能量变化，本质上是由于化学反应中旧化学键断裂时吸收的能量与新化学键形成时释放的能量不同所导致的。因此，化学键的断裂和形成是化学反应过程中伴随能量变化的根本原因。在恒温、恒压条件下，化学反应中的能量变化以热的形式表现出来，这就是反应热，也称化学反应的焓变。学科提炼图 1-3 N2(g)与O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化实验测得，1 mol N2(g)与1 mol O2(g)反应生成2 mol NO(g)时吸收182.6 kJ的热。如图1-3所示，当1 mol N2(g)与1 mol O2(g)反应生成2 mol NO(g)时，1 mol N2分子中的化学键断裂时需吸收946 kJ的能量，1 mol O2分子中的化学键断裂时需吸收498 kJ的能量，而2 mol NO分子中的化学键形成时会释放632 kJmol12 mol1 264 kJ的能量。放出能量2632 kJmol1N2O2NO吸收能量946 kJmol1吸收能量498 kJmol1反应物生成物化学反应与能量变化专题17利用键能数据计算化学反应的反应热，对我们理解化学反应的微观历程有何意义？研究还证明，并非所有反应热的计算结果都能与实验测定值吻合。请提出你的观点并搜集相应的证据。光合作用与能量食物中的化学物质能给人提供能量。这些物质进入人体后，在有氧呼吸过程中被缓慢氧化，生成二氧化碳和水，同时供给人体各项生理活动所需要的能量，保证身体机能的正常运作。尽管我们吃的食物丰富多样，但最主要的是糖类、脂肪、蛋白质三类物质。食物为什么能够为生命体提供能量？科学家的研究表明，这一切要归功于植物的光合作用。含叶绿体的生物体发生光合作用，将光能转化为化学能以糖类物质的形式储存起来。动物食用这些生物体获得生存所需的能量。从本质上看，太阳能是能量之源，植物的光合作用“固定”了太阳能，并将其储存于分子中，使整个食物链中的所有生物均得以存活。因此，光合作用是地球上最重要的化学反应，为地球上的生命活动提供最原始的能量。人的生命活动需要能量，成年男性平均每天约需要12 000 kJ 能量，成年女性平均每天约需要9 000 kJ 能量。人体所需的能量主要依靠三大营养物质糖类、脂肪、蛋白质来提供。表 1-1 三大营养物质的热值物质糖类脂肪蛋白质热值/(kJg1)约17约38约17糖类中只有单糖能直接给人体提供热量，淀粉等多糖进入人体之后，首先在酶的作用下发生水解，生成葡萄糖。葡萄糖在人体内与氧气作用，发生如下反应：C6H12O6(s)6O2(g) = 6H2O(l)6CO2(g) H2 803 kJmol1由于糖氧化产生能量的速率很大，因此，人体内糖类储存很少。当我们摄入的能量满足人体日常的需要之后，剩余的能量就会以脂肪的形式储存下来。批判性思维跨学科链接化学反应原理8不同的化学反应具有不同的反应热，人们可以通过多种方法获得反应热的数据，其中最直接的方法是通过实验进行测定。反应热的测量与计算请按照下列操作步骤用简易量热计测定盐酸与氢氧化钠溶液反应的反应热。（1）用量筒量取50 mL 0.50 molL1 盐酸，倒入简易量热计中，测量并记录盐酸的温度（T1）。（2）另取一量筒量取50 mL 0.50 molL1氢氧化钠溶液，测量并记录氢氧化钠溶液的温度（T2）。（3）将量筒中的氢氧化钠溶液迅速倒入盛有盐酸的简易量热计中，立即盖上盖板，用环形玻璃搅拌棒轻轻搅拌，观察温度计的温度变化，准确读出反应体系的最高温度（T3）并记录。（4）假设溶液的比热与水的比热相等，溶液的密度与水的密度相等，忽略量热计的比热，根据溶液温度升高的数值，计算该反应的反应热并写出热化学方程式。表 1-2 测定反应热的实验记录 盐酸的温度（T1）/ 氢氧化钠溶液的温度（T2）/ 反应体系的最高温度（T3）/ 反应体系的温度变化（TT3T1T22）/ 反应体系的热容C(VHClHClVNaOHNaOH)4.18/(J1) 生成1 mol H2O时的反应热（H CT1030.025）/(kJmol1)（5）如果用同样的方法测定氢氧化钾溶液与盐酸反应、氢氧化钠溶液与硝酸反应的反应热，请预测其反应热是否相同并说明理由。 实验探究图 1-4 简易量热计图 1-5 量热计搅拌器温度计保温层容器 通常情况下，一定量的物质温度升高1 所需吸收的热量称为热容。化学反应与能量变化专题19在科学研究中，科学家常用量热计来测量反应热（图1-5）。目前，科学家已经用实验的方法精确测定了许多反应的反应热。但是，并非所有化学反应的反应热均可用实验直接测定。例如，反应C (s) 12O2(g) = CO(g)的反应热就无法用实验直接测得，因为在反应中总会有 CO2(g)生成。可见，获取那些不易直接测定的反应热，是一项很有意义的工作。在恒压条件下，化学反应的热效应等于焓变（H），而H仅与反应的起始状态和反应的最终状态有关，而与反应的途径无关。由此，盖斯定律就成为必然的结果。可见，在上述条件下，反应热效应的计算就是反应焓变的计算。在众多的化学反应中，有些反应的反应速率很小，有些伴有副反应发生，还有些不易直接进行，测定这些反应的热效应就很困难，运用盖斯定律则可以计算出它们的反应热。1840年，俄国化学家盖斯（G. H. Hess，18021850）在分析了许多化学反应的热效应的基础上，总结出一条规律： “一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，其总的热效应是完全相等的。 ”这个规律被称为盖斯定律（Hesss Law）。科学史话图 1-6 俄国化学家盖斯【例2】已知在298 K 时，C(s)、CO(g) 燃烧的热化学方程式如下：C(s)O2(g)=CO2(g) H1393.5 kJmol1 CO(g)12O2(g)=CO2(g) H2283.0 kJmol1 请运用盖斯定律计算反应C(s) 12O2(g)=CO(g)的焓变 H3。分析：C(s)与O2(g) 生成CO2(g)的反应可以一步完成（反应焓变为H1），也可以分两步完成：先生成 CO(g)（反应焓变为H3），CO(g) 再与O2(g)反应生成CO2(g)（反应焓变方法导引 在热化学方程式中，如不作特别说明，C(s)均指石墨。化学反应原理10一个反应的化学方程式可由另外几个反应的化学方程式相加减而得到，则该反应的焓变亦可以由这几个反应的焓变相加减而得到。为H2） 。根据盖斯定律可以得到H1 H2 H3 （图1-7），则反应C(s) +12O2(g)=CO(g)的焓变H3 H1H2。根据盖斯定律，直接将热化学方程式、左右两边分别相减，也可以求得C(s)与 O2(g) 反应生成 CO(g) 的焓变。解： C(s)O2(g) =CO2(g) H1） CO(g)12O2(g)=CO2(g) H2 C(s) 12O2(g) =CO(g) H3 H1 H2 H3H1 H2 393.5 kJmol1 (283.0 kJmol1) 110.5 kJmol1答：反应C(s)12O2(g)=CO(g)的焓变H3为110.5 kJmol1。请根据下列反应的焓变，计算 C(s)与 H2(g)反应生成1 mol C2H2(g)的焓变。C(s) O2(g)=CO2(g) H1393.5 kJmol1 2H2(g)O2(g)=2H2O(l) H2571.6 kJmol1 2C2H2(g)5O2(g)=4CO2(g)2H2O(l) H32 599.2 kJmol1学以致用能源是指可以提供能量的自然资源，是国民经济和社会发展的重要物质基础，包括化石燃料、阳光、风力、流水、潮汐等。我国目前使用的主要能源仍然是化石燃料，但化石燃料的蕴藏量有限，且不可再生，因此，能源的开源节流是事关人类可持续发展的重大问题之一。能源的充分利用图 1-7 C(s)与O2(g)反应生成CO(g)、CO2(g)的能量变化图C(s)O2(g)CO(g)12O2(g)CO2(g)能量H2H3H1化学反应与能量变化专题111燃料燃烧过程中释放的热能是人类生产和生活所需要能量的重要来源。质量相同、组成不同的燃料，完全燃烧后释放的热不相等。人们通常用标准燃烧热或热值来衡量燃料燃烧时释放的热的多少。在101 kPa下，1 mol 物质完全燃烧的反应热叫做该物质的标准燃烧热，1 g 物质完全燃烧的反应热叫做该物质的热值。物质完全燃烧是指物质中所含有的氮元素转化为 N2(g)，氢元素转化为 H2O(l)，碳元素转化为 CO2(g)。由表1-3所示物质的标准燃烧热可知，在101 kPa下，1 mol H2(g) 与1 mol CO(g)完全燃烧放出的热，分别为285.8 kJ和283.0 kJ，两者非常接近。对气体而言，热值较大的有H2、CH4、C2H6等。通常我们使用的能量的主要形式是热能和电能，热能主要通过燃烧煤、石油、天然气等物质而获得。从节约能源的角度考虑，怎样衡量不同物质的燃烧效率呢？交流讨论表 1-3 一些物质的标准燃烧热（25 ）名称化学式H/(kJmol1)名称化学式H/(kJmol1)氢气H2(g)285.8乙烷C2H6(g)1 559.8一氧化碳CO(g)283.0乙烯C2H4(g)1 411.0甲烷CH4(g)890.3乙炔C2H2(g)1 299.6甲醇CH3OH(l)726.5蔗糖C12H22O11(s)5 640.9乙醇C2H5OH(l)1 366.8苯C6H6(l)3 267.5将煤转化为水煤气是通过化学方法将煤转化为洁净燃料的方法之一。煤转化为水煤气的主要化学反应为：CH2O=COH2C(s)、CO(g) 和 H2(g) 完全燃烧的热化学方程式分别为：C(s)O2(g)=CO2(g) H1393.5 kJmol1H2(g)12O2(g)=H2O(g) H2241.8 kJmol1CO(g)12O2(g)=CO2(g) H3283.0 kJmol1甲同学根据1 mol CO(g)和1 mol H2(g) 燃烧放出的热的总和选择决策化学反应原理12比1 mol C(s) 燃烧放出的热多，认为： “煤炭燃烧时加少量的水，可以使煤炭燃烧放出更多的热。”乙同学根据盖斯定律作出了下列循环图：C(s)H2O(g)O2(g) H1 CO2(g)H2O(g) CO(g)O2(g)H2(g) H2 CO(g)H2O(g) 12O2(g) 乙同学认为： “将煤转化为水煤气再燃烧放出的热与直接燃烧煤放出的热一样多，而将煤转化为水煤气会增加消耗，因此，将煤转化为水煤气得不偿失。”你认为他们的观点正确吗？请将你的想法与同学交流讨论。H4 H3 燃料的选择今天的人类如何选择燃料？这是一个摆在我们面前的严峻话题。过去，我们常用一些高热值的“自然资源”（如煤、石油、天然气等）作为燃料。如19世纪前50年，人类多采用木材作为燃料；19世纪中期开始，煤的使用量逐渐上升；20世纪中期，石油、天然气的使用量占绝对优势。工业和日常生活中选择何种物质作为燃料，不仅取决于其热值大小，还与燃料的稳定性、来源、价格、运输、对环境的影响、使用的安全性等多方面因素有关，应加以综合考虑。在这些因素中，保护环境必须放在首位。化石燃料的大量使用造成的最大问题是环境污染。目前，针对煤燃烧产生硫氧化物和氮氧化物的事实，常对煤进行液化和气化处理，除去有害成分，使之转化为更清洁、更便利的燃料。又如，乙硼烷是一种热值很高的燃料（其热值是煤的2倍多），但它密度小、沸点低、难储存、毒性强，所以，在一般条件下，乙硼烷会被限制用作燃料。B2H6(g)3O2(g)=B2O3(s)3H2O(g) H2 033 kJmol1拓展视野化学反应与能量变化专题1131. 已知：（1）H2(g) 12O2(g)=H2O(g) H1a kJmol1 （2）2H2(g) O2(g)=2H2O(g) H2b kJmol1（3） H2(g) 12O2(g)=H2O(l) H3c kJmol1（4）2H2(g) O2(g)=2H2O(1) H4d kJmol1下列关系式中不正确的是（ ）A. a d C. 2ab D. 2cd 2. 已知完全燃烧7.80 g乙炔气体生成二氧化碳气体和液态水时，释放389.88 kJ的热。下列有关乙炔气体燃烧的热化学方程式中，正确的是（ ）A. 2C2H2(g) 5O2(g)=4CO2(g) 2H2O(1) H389.88 kJmol1 B. 2C2H2(g) 5O2(g)=4CO2(g) 2H2O(1) H2 599.2 kJmol1C. C2H2(g) 52O2(g)=2CO2(g) H2O(g) H1 299.6 kJmol1D. 2C2H2(g) 5O2(g)=4CO2(g) 2H2O(1) H1 299.6 kJmol13. 下表列出了3种化学键的键能：化学键HHClClHCl键能/(kJmol1)436243431请根据以上信息写出氢气在氯气中燃烧生成氯化氢气体的热化学方程式。 理解应用随着人类文明的高速发展，人类对能源的需求量迅猛增长，开发新能源成为当前国际能源研究领域的重要课题，人类理想中的新能源应具有资源丰富、可再生、无污染或少污染等特点，只有这样才能实现人类社会绿色、生态化、可持续的发展。当前，我国大力倡导“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”，降低能耗，努力开发和研究太阳能、氢能、风能、地热能、潮汐能和生物质能等多种形式的能源及其应用。1. 请查阅近年来我国消耗的化石燃料的有关数据，并与其他国家作比较，用你的观点阐述当前发展绿色能源的重要意义。2. 请调查了解本地区厂矿企业及家庭所使用的主要燃料，用所学知识提出提高家用燃料燃烧效率的可行性建议。调查研究化学反应原理144. 已知：C(s) O2(g)=CO2(g) H393.5 kJmol1CaCO3(s)=CaO(s) CO2(g) H178.2 kJmol1若要将1 t 碳酸钙煅烧成生石灰，理论上需用多少千克焦炭？5. 0.3 mol气态高能燃料乙硼烷（B2H6）在氧气中燃烧，生成固态三氧化二硼（B2O3）和液态水，释放609.9 kJ的热。（1）写出反应的热化学方程式。（2）已知H2O(l)转化为H2O(g)的H44 kJmol1，试计算11.2 L（标准状况）气态乙硼烷完全燃烧生成气态水时释放的热。6. 通过下列反应均可获取氢气。 太阳光催化分解水制氢气：2H2O(l)=2H2(g)O2(g) H1571.6 kJmol1 焦炭与水反应制氢气：C(s)H2O(g)=CO(g)H2(g) H2131.3 kJmol1 甲烷与水反应制氢气：CH4(g)H2O(g)=CO(g)3H2(g) H3206.1 kJmol1（1）反应中主要能量转化形式为 能转化为 能。（2）从能量转化角度分析，反应为 反应。（3）反应如果使用催化剂，H3 （填“增大” “减小”或“不变”）。（4）反应CH4(g)=C(s)2H2(g)的H kJmol1。7. 氢气是一种理想的绿色能源，有科学家预言，氢能将成为人类的主要能源。（1）氢能被称为绿色能源的原因是 。（2）请根据表1-3所提供的数据计算氢气、一氧化碳及甲烷的热值，并据此说明氢气作为能源的优点。（3）你认为用氢气作为气体燃料需解决哪些问题？（4）请写出你所知道的制取氢气的反应的化学方程式，选出你认为最适合作为将来大规模制取氢气的方法，并说明理由。8. 有一种观点认为：与燃烧化石燃料相比，以乙醇为燃料不会增加大气中二氧化碳的含量。你认为这种观点是否正确？请说明理由。化学反应与能量变化专题115第二单元化学能与电能的转化能源的利用过程，实质上是能量的转换和传递过程。化学能与电能的相互转化，是能量转化的重要形式之一。这种能量转化形式在生产、生活和科学研究中应用十分广泛，如电解、电镀、电池的应用等。因此，认识和研究化学能与电能相互转化的原理和所遵循的规律具有重要意义。目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 认识化学能可以与电能之间相互转化；分析原电池的构成及工作原理，能设计具有一定功能的简单原电池；能利用电解原理提出物质转化的方案；认识化学能与电能的转化对人类社会可持续发展的重要意义。 原电池的工作原理请回顾铜锌原电池装置的特点，写出电极反应式和电池总反应式。温故知新完成下列实验探究活动，分析锌与硫酸铜溶液反应中的能量转化。【实验1】向一只烧杯中加入1.0 molL1 CuSO4溶液30 mL，再加入适量锌粉，用温度计测量溶液的温度，观察温度的变化。【实验2】如图1-8，向两只烧杯中分别加入30 mL 1.0 molL1 实验探究化学反应原理16CuSO4溶液和30 mL 1.0 molL1 ZnSO4溶液，将用导线与电流计相连接的锌片和铜片分别插入ZnSO4和CuSO4溶液中，将盐桥（注：盐桥中通常是装有含KCl饱和溶液的琼脂，离子在盐桥中能移动）两端分别插入两只烧杯内的电解质溶液中，观察实验现象。取出盐桥，再观察实验现象。1. 分析图1-9，写出实验2中发生反应的化学方程式和离子方程式。 2. 指出实验1和实验2中能量变化的主要形式。 图 1-8 铜锌原电池实验图图 1-9 铜锌原电池构造和原理示意图金属锌与硫酸铜溶液的反应为：Zn(s)Cu2(aq) =Zn2(aq) Cu(s) H=216.81 kJmol1在 通 常 情 况 下 ， 该 反 应 过 程 中 化 学 能 转 化 为 热 能 。 如 果 该 反 应 在 原 电 池（primary battery）中进行，化学能将转化为电能。在如图1-8的铜锌原电池中，锌片为负极，Zn失去电子，被氧化成Zn2进入ZnSO4溶液，锌片逐渐溶解。负极的电极反应式如下：Zn2e= Zn2铜片为正极，锌片上释放的电子经过导线流向铜片，CuSO4溶液中的Cu2从铜片上得到电子，被还原成金属铜并沉积在铜片上。正极的电极反应式如下：Cu22e=Cu在反应中，盐桥中的Cl移向ZnSO4溶液，K移向CuSO4溶液，使两电解质溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行。铜锌原电池中发生的电池总反应式为：eeClZnZnZn2Zn2ZnSO4溶液CuSO4溶液Cu2Cu2CuCuK化学反应与能量变化专题117根据原电池的反应原理，人们设计和生产出了形形色色的化学电源，包括一次电池、二次电池和燃料电池等。它们在生产、生活和国防等诸多领域得到了广泛的应用。在化学电源中，常见的是一次电池。一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用。使用最广泛的一次电池是干电池，如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等。负极：Zn2e=Zn2正极：Cu22e=Cu电池反应：Cu2Zn=CuZn2从上述实验可以看出，原电池由两个半电池组成。半电池包括电极材料和电解质溶液，两个隔离的半电池通过盐桥连接起来。在原电池中，负极上发生氧化反应，给出电子；正极上发生还原反应，得到电子。电流由原电池的正极流向负极，即电子由负极流向正极。根据离子反应Cu2Fe=CuFe2设计一个原电池，并与同学讨论解决下列问题。1. 请在下面的方框中画出原电池构造示意图，并指出正、负极。2. 写出该原电池的电极反应式。负极： 正极： 3. 参考画出的示意图，制作原电池并检测电流。4. 你还能设计其他原电池吗？将你的设计方案与同学交流。实验探究化学电源化学反应原理181. 普通锌锰干电池是最早进入市场的实用电池，其构造如图1-10所示。普通锌锰干电池制作简单、价格便宜，但存在放电时间短、放电后电压下降较快等缺点。碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能优越，它的比能量电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位为（Wh）/kg或（Wh）/L大，能提供较大电流并连续放电。目前，在我国碱性锌锰电池正在逐渐代替普通锌锰干电池。碱性锌锰电池的构造如图1-11所示，其电池总反应式为：2MnO2 Zn 2H2O=2MnOOH Zn(OH)2 氢氧化氧锰请指出该电池的正、负极，并写出该电池的电极反应式。 2. 一种银锌纽扣电池（构造示意图见1-12）的电极分别为 Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，发生氧化还原反应后生成Ag和ZnO，请写出该电池的电极反应式和电池总反应式。 学以致用图 1-10 普通锌锰干电池的构造示意图图 1-12 纽扣式银锌电池的构造示意图金属外壳锌粉浸了KOH溶液的隔板Ag2O石墨棒锌筒二氧化锰、炭黑、氯化铵、氯化锌金属外壳锌粉金属棒二氧化锰氢氧化钾图 1-11 碱性锌锰电池的构造示意图化学反应与能量变化专题119二次电池又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，因此二次电池可以多次重复使用。铅蓄电池是最常见的二次电池。由于铅蓄电池的性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电，所以在生产和生活中使用广泛，如汽车等机动车辆多数使用这种蓄电池。铅蓄电池的缺点是比能量低，废弃后会污染环境等。铅蓄电池由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2，负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸。铅蓄电池的放电反应是原电池反应，其电极反应式和电池总反应式为：负极：PbSO422e=PbSO4正极：PbO2SO42 4H 2e=PbSO42H2O 电池反应：PbPbO24H2SO42=2PbSO42H2O铅蓄电池的充电反应是上述反应的逆过程：阴极：PbSO42e=Pb SO42阳极：PbSO42H2O 2e=PbO24HSO42 总反应：2PbSO42H2O=PbPbO24H2SO42铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示： PbPbO2 2H2SO4 放电充电 2PbSO42H2O铅二氧化铅硫酸图 1-13 铅蓄电池图 1-14 电子设备中常用的锂离子电池由铅蓄电池的电池反应可以看出，随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，人们常常根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电。随着信息技术的发展，为了适应移动通信、便携式电脑和各种电子产品等的广泛使用，科研工作者不断研制出小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。目前已开发出镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等新型二次电池。 在电能转化为化学能的装置中，人们常将发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极。化学反应原理20锂离子电池的构成及工作原理与其他化学电池一样，锂离子电池也是由正极、负极和电解质溶液三部分组成的。正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4，也称磷