第二章化学反应与能量.docx
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第二章化学反应与能量
第二章化学反应与能量
第一节化学能与热能
【化学键与化学反应中能量变化的关系】
1、从化学键的角度看,化学反应的实质是旧化学键断裂、新化学键形成的过程。
当物质发生化学反应时,断开反应物中的化学键要吸收能量,而形成生成物中的化学键要放出能量,化学键的断裂和形成是物质在化学反应中发生能量变化的主要原因。
所以,物质的化学反应与体系的能量变化是同时发生的
2、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,决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小
【化学能与热能的相互转化】
1、质量守恒定律:
在化学反应中,参加反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。
又称物质不灭定律
能量守恒定律:
能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变
2、化学反应中的能量变化,通常主要表现为热量的变化——吸热或者放热
3、吸热反应:
吸收热量的化学反应叫做吸热反应;表现为体系温度的降低,必
须持续供给必要的热量,反应才能持续进行。
常见的吸热反应:
a.大多数分解反应
b.2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)=BaCl2+2NH3↑+10H2O
c.以C、H、CO为还原剂的氧化还原反应
◆吸热反应液可以自发进行:
如固体Ba(OH)2·8H2O和固体NH4Cl之间
的反应,在两固体混合后用玻璃棒搅拌,反应即可发生。
反应能否自发进行,
主要看在通常条件下是否能达到该反应发生的条件
4、放热反应:
放出热量的化学反应叫做放热反应;表现为反应体系温度的升高,
一旦发生反应,通常放出的热量足以维持反应所需的温度,不需要
外界持续提供能量。
常见的放热反应有:
a.所有的燃烧反应(如氢气、木炭的燃烧)
b.酸与碱的中和反应
c.大多数化合反应
d.铝热反应
e.活泼金属与H2O或酸的反应
◆放热反应往往也需要加热,一个反应的发生往往需要达到它所需求的最低条
件才能进行,如氢气和氧气的反应,点燃为反应的发生提供了必要的条件
★一些物质溶于水,也会有吸热和放热现象。
如浓H2SO4、NaOH(s)等溶于水要放热;NH4NO3(s)、KNO3(s)、NH4Cl(s)等溶于水要吸热;NaCl、酒精等溶于水则热效应不大。
5、中和热:
在稀溶液中,酸与碱发生中和反应生成1molH2O(l)时所释放的热量
(1中和热不包括离子在水溶液中的生成热、物质的溶解热、电解质电离所伴随的热效应,中学阶段只讨论强酸与强碱在稀溶液中反应的中和热
(2中和反应的实质是H+与OH-化合生成H2O,若反应过程中有其他物质生成,这部分反应热也不在中和热内
(3中和热必须指生成1mol液态水放出的热量,可表示为:
H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l);△H=-57.3KJ/mol
6、化学能与热能相互转化的应用
(1化学物质中的化学能通过化学反应转化为热能,是人类生存和发展的动力之源,如化石燃料的燃烧、炸药开山、发射火箭等
(2热能转化为化学能是人们进行化学研究,创造新物质不可或缺的条件和途径,如高温冶炼金属、分解化合物等
7、人类利用能源的三个阶段
(1柴草时期:
该时期从火的发现至18世纪产业革命,以树枝杂草为主要能源
(2化石能源时期:
从18世纪中期到现在,以煤、石油、天然气为主要能源
(3多能源结构时期:
以可再生能源和清洁能源(绿色能源)为主要能源,主要包括太阳能、氢能、核能、生物质能、地热能等
第二节化学能与电能
【一次能源和二次能源】
1、一次能源:
直接从自然界获得的能源,包括风力、流水、潮汐、地热、原煤、石油、天然气、天然铀矿等
2、二次能源:
一次能源经过加工、转换得到的能源,如电力、氢能、沼气、水煤气、蒸气等
【火电的原理】
1、
(1该过程虽能实现化学能与电能的转化,但是过程繁琐、复杂且能耗大
(2燃烧(氧化还原反应)是使化学能转化为电能的关键
2、电能:
通过电荷流动产生的能源
电能的特点:
应用最广泛、使用最方便、污染最小
【原电池】
概念:
将化学能转化为电能的装置称为原电池
构成前提:
能自发地发生氧化还原反应
构成条件:
a.两个活动性不同的电极
b.电解质溶液(在两极发生化学反应)
c.形成闭合回路
反应本质:
化学电池的反应本质是氧化还原反应
(1电荷流向、电流流向
外电路:
电子由负极流向正极,电流由正极流向负极
内电路:
阴离子移向负极,阳离子移向正极,电流由负极流向正极
(2闭合回路的理解
形成闭合回路的方式有多种,可以是导线连接两个电极,也可以是两个电极接触
【原电池两极判断方法】
1、依据原电池的电极材料判断
当两种金属(或一种金属与一种非金属)作电极时,若只有一种金属能与电解质溶液(包括其中溶解的O2)发生氧化还原反应,则该金属无论强弱一定作负极;若两种金属都能与电解质溶液反应,则相对较活泼的金属作原电池的负极
2、依据电流方向或电子流动方向判断
在外电路,电流总是由正极流向负极,电子总是由负极流向正极
3、依据电解质溶液里离子的移动方向判断
在电解质溶液里,阳离子总是流向原电池的正极,阴离子总是流向原电池的负极
4、依据两极发生的反应判断
原电池的负极总是失去电子发生氧化反应,正极总是得到电子发生还原反应
5、依据电极质量的变化判断
原电池工作一段时间后,若某电极的质量增加,说明溶液中的金属阳离子在该电极上放电,则该电极的活泼性较弱为正极;反之,若某电极的质量减小,说明该金属溶解,在该电极的活泼性较强为负极
6、依据原电池反应式判断
原电池反应是氧化还原反应。
在原电池反应式中,应先判断出氧化剂和还原剂,则总是还原剂在负极上发生失电子的反应,氧化剂在正极上发生得电子的反应
7、依据电极上有气泡产生判断
原电池工作时,若某电极上有气泡产生是因为该电极上有H2析出,说明溶液中的H+在该极上得电子,发生还原反应,该极为正极
8、依据电极上通入的气体判断
燃料电池的电极材料一般相同,多为铂或石墨,一般不参与化学反应,只起传导电子的作用,故可根据向两极上通入的气体成分来判断两极的正、负。
燃料电池的负极通入的气体一定是可燃性的气体(还原剂),正极通入的气体一定是助燃性气体(氧化剂)
★★★★
活泼金属不一定都作原电池的负极,在判断原电池的正、负极时,既要看金属活动性顺序,又要看电解质溶液性质,具体问题具体分析
【电极反应式的书写规律】
1、根据原电池的装置书写
★★——负极
(1若负极材料本身被氧化,其电极反应式有两种情况
一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液的成分反应,此时的电极反应可表示为M–ne-=Mn+
另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液的成分反应,此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液反应叠加在一起书写,如铅蓄电池的负极反应为:
Pb+SO42--2e-=PbSO4
(2若负极材料本身不反应,如燃料电池,在书写负极反应式时,要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液的反应叠加在一起书写,如H2-O2(KOH溶液)电池的负极反应为:
H2+2OH--2e-=2H2O
★★——正极
首先判断在正极发生反应的物质
(1当负极材料与电解质溶液能自发地发生化学反应时,在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒
(2当负极材料与电解质溶液不能自发地发生化学反应时,在正极上发生反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2
然后再根据具体情况写出正极反应式,在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题,若反应也要书写叠加式
2、根据原电池反应书写电极反应式
(1找出发生氧化反应和还原反应的物质,确定正、负极的产物
(2利用电荷守恒分别写出电极反应式
(3验证:
两电极反应式相加所得电池反应式和原化学方程式相同,则书写正确
3、原电池反应式的书写
两电极反应式,得失电子数相等,将两电极反应式相加即得原电池反应式
★★★
在正极上,若是电解质溶液中的某种离子被还原,无论该离子是强电解质提供的,还是弱电解质提供的,一律写离子符号;而在原电池反应中,要遵循离子方程式的书写规则,只有易溶的强电解质用离子符号表示
【原电池原理的应用】
1、加快氧化还原反应的速率
如实验室中用Zn和稀硫酸反应制H2,常用粗锌,它产生H2的速率快。
因为粗锌中的杂质、锌和稀硫酸形成原电池,加快了锌的腐蚀,使产生H2的速率加快
如果用纯Zn,可以在稀硫酸溶液中加入少量的CuSO4溶液,也同样会加快产生H2的速率,原因是Cu2++Zn=Cu+Zn2+,生成的Cu和Zn在稀硫酸的溶液中形成原电池,也加快了锌的腐蚀,产生H2的速率加快
2、比较金属活动性强弱
如有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,根据电极现象判断出A是负极,B是正极;由原电池原理可知,金属活动性A>B,即原电池中,活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极
3、设计原电池
如:
利用Cu+2FeCl3=2FeCl2+Cu2+的氧化还原反应设计原电池,由反应式可知:
Cu失去电子作负极,FeCl3(Fe3+)在正极上得到电子,且作电解质溶液,正极为活泼性比Cu弱的金属或导电的非金属等。
电极反应式为:
负极(Cu):
Cu–2e-=Cu2+(氧化反应)
正极(C):
2Fe3++2e-=2Fe2+(还原反应)
4、金属的腐蚀(从理论上揭示钢铁腐蚀的主要原因)
金属腐蚀的本质是:
,发生氧化反应,氧化金属(如Fe)的最主要的氧化剂是空气中的O2,其次是酸性电解质溶液中的H+
(1原电池腐蚀中,两金属活动性相差越大,活泼金属腐蚀越快
(2对同样的电极,强电解质引起的腐蚀>弱电解质引起的腐蚀>非电解质引起的腐蚀
【发展中的化学电源】
1、干电池
常见的干电池是锌锰干电池,是一次性电池,用锌制圆筒形外壳作负极,位于中央的顶盖有铜帽的石墨做电极。
在石墨周围填充NH4Cl和淀粉糊作电解质,还填有MnO2和炭黑,属于一次电源
负极:
Zn–2e-=Zn2+
正极:
2NH4+2e-=2NH3+H2
◆为防止漏液,改良后的碱性锌锰电池将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH,并在构造上做了改进,可以延长电池寿命并提高其性能
◆干电池在使用过程中锌不断被溶解,最后糊状酸性电解质会泄露出来腐蚀电器。
干电池即使不用,放置过久,也会因Zn与酸性电解质溶液发生反应而造成漏液。
因此需注意:
a.使用完毕要及时从用电器中取出;b.不可久置;c.应保存在阴凉、干燥处
2、锌银电池
银锌纽扣电池——以Zn和Ag2O为电极材料,KOH溶液为电解质溶液,属于一次电池
负极:
Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O
正极:
Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
总反应:
Zn+Ag2O=2Ag+ZnO
3、充电电池
充电电池又称二次电池,它在放电时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。
充电电池可以实现化学能转变为电能(放电)、再由电能转变为化学能(充电)的循环
★★——铅蓄电池
最早使用的充电电池是铅蓄电池,它是用含锑5%-8%的铅锑合金铸成隔板,在隔板上分别填充PbO2和Pb做正极和负极,二者交替排列而成。
在电极之间充有密度为1.25g/cm3-1.28g/cm3的H2SO4溶液
负极:
Pb+SO42--2e-=PbSO4
正极:
PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O
总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
★★——镍镉电池
镍镉电池是可充电电池,体积小,寿命长,在生活中被广泛应用(用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等),但废旧的镍镉电池如不回收,会严重污染环境
负极:
Cd+2OH--2e-=Cd(OH)2
正极:
2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-
总反应:
Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2
★★——锂电池
锂离子电池是新一代可充电的绿色电池,已成为笔记本电脑、移动电话、数码照相机、摄像机等低耗电器的主流电源
锂电池是用金属锂做负极,石墨做正极,非水溶液做电解质溶液。
放电时负极(Li)反应为:
Li–e-=Li+
4、燃料电池
燃料电池是利用电池的工作原理将燃料和氧化剂(如O2)反应所放出的化学能直接转化为电能的装置。
它是一种高效、环境友好的发电装置。
如氢氧燃料电池,用石墨做电极,电解质溶液一般用40%的KOH溶液
负极:
2H2+4OH--4e-=2H2O
正极:
O2+2H2O+4e-=4OH-
总反应:
2H2+O2=2H2O
◆电极判断:
一般通入燃料的一极是负极,通入O2(空气、氯气等)的一极是正极
◆电极反应:
负极发生氧化反应,正极发生还原反应,要结合电解质溶液来书写电极反应。
若用硫酸做电解质溶液,则电极反应式为:
负极:
2H2–4e-=4H+
正极:
O2+4H++4e-=2H2O
◆总反应一般是燃料的燃烧反应
★★——甲烷燃料电池
该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极,在两极上分别通入甲烷和氧气
负极:
CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
正极:
2O2+4H2O+8e-=8OH-
总反应:
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
★★——甲醇燃料电池
负极:
2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H2O
正极:
3O2+6H2O+12e-=12OH-
总反应:
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
【废旧电池的主要危害】
我们日常所用的普通干电池,主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类,它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等。
重金属对环境造成严重污染,威胁着人类的健康
锰——过量的锰蓄积于体内引起神经性功能障碍,早期表现为综合性功能紊乱。
较严重者出现两腿发麻,语言单调,表情呆板,感情冷漠,常伴有精神症状
锌——锌盐能使蛋白质沉淀,对皮肤黏膜有刺激作用。
当在水中浓度超过10-50mg/L时有致癌危险,可能引发化学性肺炎
铅——铅主要作用于神经系统、活血系统、消化系统和肝、肾等器官。
能抑制血红蛋白的合成代谢,还能直接作用于成熟红细胞,对婴幼儿影响甚大,它会导致儿童发育迟缓,慢性铅中毒可导致儿童智力低下
镍——镍粉溶解于血液,参加体内循环,有较强的毒性,能损害中枢神经系统,引起血管变异,严重者导致癌症
汞——汞是重金属污染物中最需要注意的,对人的危害,确实不浅。
长期以来,我国在生产干电池时,加入了这种有毒的物质——汞或汞的化合物,其中碱性干电池汞的含量达到了1%-5%,中性干电池为0.025%。
汞具有明显的神经毒性,此外对内分泌系统、免疫系统等也有不良的影响。
1953年,发生在日本九州岛的震惊世界的水吴病事件,给人类敲响了汞污染的警钟
镉——是人体不需要的元素,人体中镉是出生后从外界环境经呼吸道和消化道摄取而蓄积的。
慢性中毒的临床表现为肺气肿、骨质改变和贫血。
日本发现某些地区由于长期食用被污染的、含镉量很高的米和水而发生疼痛病(骨痛病),主要病变为骨软化,疼痛始于下肢,后遍及全身直至卧床不起
【废旧电池的回收利用】
干电池中有Zn、Cu、C、MnO2、ZnCl2、NH4Cl、炭黑、石墨等单质和化合物。
通过一系列的基本操作,可回收上述物质,用以补充部分化学实验的试剂
1、Zn——用剪刀除去废电池的外皮,洗净后剪碎晾干,可用于实验室制H2。
如想得到锌粒,可将锌片放入铁坩埚中加强热使之熔化(Zn熔点410.60C),熔化时会有少量ZnO白烟生成,熔化后除去浮渣,倒出冷却。
依上法再熔化一次。
倒在铁板上,在其凝固过程中将其割碎,即得锌粒
2、铜片——把废旧电池上的铜帽取下砸扁,用煮沸的稀硫酸洗涤,用水洗净晾干,得紫红色铜片
3、碳棒——从废旧电池中取出,洗净即可。
可用作电解池的电极
4、氯化铵——洗涤干电池中黑色糊状物时,其不溶于水的物质基本上是MnO2,氯化铵则溶于水中,将溶液过滤得澄清溶液,加热、蒸发、浓酸、结晶,即得氯化铵晶体
第三节化学反应速率与限度
化学反应的四大特征:
物质变化、能量变化、化学反应的快慢、化学反应的方向和限度
【化学反应速率】
1、概念
化学反应速率是用来衡量化学反应快慢的物理量,通常用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。
2、化学反应速率的计算
v=Δc/Δt
浓度:
mol/L时间:
min或s
化学反应速率:
mol/(L▪min)或mol/(L▪s)
3、化学反应速率的特点
(1在化学反应中,固体或纯液体的浓度可视为常数,因而不用固体或纯液体来表示化学反应速率
(2化学反应速率是平均速率,且均取正值
(3同一反应用不同物质表示,化学反应速率的数值可能不同,所以,必须注明物质;但它们表示的意义是相同的。
且同一反应各物质的反应速率之比等于化学反应计量数之比,如:
2A(g)+3B(g)=C(g)+4D(g)
v(A):
v(B):
v(C):
v(D)=2:
3:
1:
4
(4不同的化学反应比较反应速率的快慢时必须用同一单位进行比较
4、影响化学反应速率的因素
◆内因(主要因素)
反应物自身的性质是影响化学反应速率的决定因素
◆外因(次要因素)
(1温度:
其他条件不变,升高温度会使分子内能增大,分子运动的速率加快,因而分子之间的碰撞几率增大,分子间的有效碰撞(可使分子发生化学反应的碰撞)几率增大,化学反应速率加快,通常每升高100C,反应速率变为原来的2~4倍;反之,降低温度会使反应速率减慢
温度对反应速率影响的规律对吸热反应、放热反应都适用,且不受反应物状态的影响;一般地,温度对化学反应速率的影响比浓度、压强对化学反应速率的影响要大,也易于调控,是实验室常用的控制化学反应速率的方法
(2浓度:
其他条件不变,增大反应物浓度,可以使分子之间的碰撞几率增大,反应速率加快,反之,减少反应物的浓度会使反应速率减慢
(3压强:
压强对固体或液体以及溶液的影响一般不大,故这里只针对有气体参加的反应而言
对有气体参加的化学反应,压强的变化是否会对反应速率造成影响以及影响的情况如何,应该利用上面所介绍的“浓度”这一因素来分析。
例如:
在定温定容条件下,若充入反应气体,造成气体压强增大,反应气体的浓度增大,反应速率加快;若充入不反应气体或稀有气体,压强虽然增大,但反应气体的浓度不变,因而反应速率不变
(4催化剂:
催化剂能够成千上万倍地改变化学反应速率。
催化剂能加快化学反应速率是因为它能改变反应的路径,使发生反应所需的活化能降低,增大了分子间的有效碰撞几率,从而提高化学反应的反应速率
催化剂有正(加快)、负(减慢)之分,如无特别说明,一般指正催化剂;催化剂具有高度的选择性(专一性);酶是一种高效的生物催化剂
(5影响化学反应速率的其他因素
a.固体表面积:
一般颗粒越小与其他物质的接触面积越大,反应速率越快
b.物质的状态:
一般来说,配成溶液或反应物是气体,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
c.其他的如光、电磁波、超声波等也能影响物质的化学反应速率
d.形成原电池的电化学腐蚀要比化学腐蚀快得多
【化学反应的限度】
1、可逆反应
概念:
在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的化学反应称为可逆反应
前提条件:
反应物和生成物必须同时存在于同一反应体系中,而且在相同条件下,正、逆反应都能自发进行
表示方法:
在可逆反应的化学方程式中,用
代替=
特点:
由正反应和逆反应2个反应组成,分别用v(正)和v(逆)来衡量各自反应进行的快慢;反应物和生成物共存;若条件保持一定,最终都会建立一个化学平衡状态
(1在可逆反应中,把由反应物到生成物的反应较正反应,由生成物到反应物的反应叫逆反应,即向右进行的反应是正反应,向左进行的反应是逆反应
(2在同一条件下,不能同时向两个方向进行的反应叫不可逆反应。
不可逆反应是相对的,可逆反应是绝对的
(3可逆反应永远不能进行到底,存在平衡状态
2、化学平衡状态
定义:
在一定条件下,当反应进行懂啊一定程度时,正、逆反应速率相等,反应物的浓度和生成物的浓度不再改变,达到一种表面静止的状态,称为“化学平衡状态”
(1“动”:
化学平衡是动态平衡,达到平衡状态时,正逆反应仍在不断进行,只是v(正)=v(逆)而已
(2“定”:
达到平衡状态时,各组分的浓度保持一定,各组成成分的含量保持一定
(3“逆”:
化学平衡研究的对象是可逆反应
(4“等”:
达到平衡状态时,v(正)=v(逆)≠0
(5“变”:
化学平衡是有条件的、暂时的和相对的,改变影响化学平衡的条件,平衡就会被打破,发生移动,最终达成新的平衡
(6“同”:
在相同条件下,无论从正反应方向开始还是从逆反应方向开始,都能达到相同的平衡状态
3、化学反应限度
(1化学反应限度:
可逆反应所能达到的最大限度
(2化学平衡状态是在给定条件下反应所能达到的或完成的最大限度,即该反应进行的限度,化学反应的限度决定了反应物在该条件下的最大转化率
(3化学反应限度首先决定于反应物的化学性质,其次受温度、浓度、压强(气体参加的反应)等条件的影响
【化学反应条件的控制】
1、化学反应条件的选择
由于化学反应的速率受反应物自身的性质、温度、浓度、气体压强、催化剂、固体表面积等条件的影响,因此人们通常从上述方面考虑,选取适当的条件既可以控制化学反应速率,又可以提高化学反应的限度
2、燃料充分燃烧条件的选择
燃料燃烧的条件:
(1燃料与空气接触
(2温度达到燃烧的着火点
燃料充分燃烧的条件:
(1要有足够的空气或氧气(助燃剂)
(2燃料与空气或氧气要有足够大的接触面积
燃料充分燃烧的意义:
(1使有限的能量发挥最大的作用,节约能源
(2降低污染的程度
3、提高燃料燃烧效率的措施
(1尽可能使燃料充分燃烧,提高能量的转化率。
关键是燃料与空气或氧气要尽可能充分接触且空气或氧气要适当过量
(2尽可能充分利用燃料燃烧所放出的能量,提高热能的利用率
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- 第二章 化学反应与能量 第二 化学反应 能量