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第六章　化学反应与能量
知识体系构建
一、化学反应与能量变化
1．化学反应与热能
2．化学反应与电能——原电池
二、化学反应速率与限度
高考真题体验
1.[2024·湖南卷改编]近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，判断下列说法正误。
(1)理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点(　　)
(2)氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点(　　)
(3)太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置(　　)
2. [2024·北京卷]酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理，下列说法正确的是(　　)
A．石墨作电池的负极材料
B．电池工作时向负极方向移动
C．MnO2发生氧化反应
D．锌筒发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2+
3．[2024·江苏卷]碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A．电池工作时，MnO2发生氧化反应
B．电池工作时，OH－通过隔膜向正极移动
C．环境温度过低，不利于电池放电
D．反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为2×6.02×1023
4．[2023·广东卷]负载有Pt和Ag的活性炭，可选择性去除Cl－实现废酸的纯化，其工作原理如图。下列说法正确的是(　　)
A．Ag作原电池正极
B．电子由Ag经活性炭流向Pt
C．Pt表面发生的电极反应
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．每消耗标准状况下11.2 L的O2，最多去除1 mol Cl－
5．[2024·甘肃卷改编]下列措施对化学反应速率的影响是
(1)催化氧化氨制备硝酸时加入铂________________________。
(2)锌粉和盐酸反应时加水稀释________________________。
(3) 石墨合成金刚石时增大压强________________________。
6．[2024·黑、吉、辽卷]异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品，150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示，15 h后异山梨醇浓度不再变化。判断下列说法正误。
(1)3 h时，反应②正、逆反应速率相等(　　)
(2)0～3 h平均速率(异山梨醇)＝0．014 mol·kg-1·h-1(　　)
7．[2024·安徽卷]室温下，为探究纳米铁去除水样中的影响因素，测得不同条件下浓度随时间变化关系如图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是(　　)
A．实验①中，0～2小时内平均反应速率＝2.0 mol·L-1·h-1
B．实验③中，反应的离子方程式为
2Fe＋＋8H＋===2Fe3+＋Se＋4H2O
C．其他条件相同时，适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D．其他条件相同时，水样初始pH越小的去除效果越好
8．[2022·浙江1月卷]在恒温恒容条件下，发生反应A(s)＋2B(g) 3X(g)，c(B)随时间的变化如图中曲线甲所示。下列说法不正确的是(　　)
A．从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率
B．从b点切线的斜率可求得该化学反应在反应开始时的瞬时速率
C．在不同时刻都存在关系2v(B)＝3v(X)
D．维持温度、容积、反应物起始的量不变，向反应体系中加入催化剂，c(B)随时间变化关系如图中曲线乙所示
学科素养提升
提升一　计算化学反应能量变化的公式
1．反应的能量变化＝生成物能量之和－反应物能量之和。
2．反应的能量变化＝反应物断键吸收的能量之和－生成物成键放出的能量之和。
即学即练
1．已知反应A＋B===C＋D的能量变化如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A．该反应为放热反应
B．该反应吸收的能量为E1－E2
C．反应物的总能量高于生成物的总能量
D．该反应只有在加热条件下才能进行
2．氮的固定一直是科学家研究的重要课题，合成氨是人工固氮比较成熟的技术，其原理为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。已知破坏1 mol有关化学键需要的能量如表所示：
H—H N—H N—N N≡N
436 kJ 390.8 kJ 192.8 kJ 945.8 kJ
则反应生成1 mol NH3(g)所释放出的热量为________ kJ。
提升二　变量控制实验题的解答步骤
1．确定变量：解答这类题目时首先要认真审题，找出影响实验探究结果的因素。
2．定多变一：在探究时，应先控制其他的因素不变，只改变一种因素，探究这种因素与题给问题的关系，然后按此方法依次分析其他因素与所探究问题的关系。
3．数据有效：解答时注意选择的数据(或设置实验)要有效，且变量统一，否则无法做出正确判断。
即学即练
1．为了探究温度对化学反应速率的影响，下列实验方案可行的是(　　)
2．草酸与高锰酸钾在酸性条件下发生反应＋5H2C2O4＋6H＋===2Mn2+＋10CO2↑＋8H2O。用4 mL 0.001 mol·L-1 KMnO4溶液与2 mL 0.01 mol·L-1 H2C2O4溶液，研究反应的温度、反应物的浓度与催化剂等因素对化学反应速率的影响。改变的条件如表所示：
组别 10%硫酸体积/mL 温度/℃ 其他物质
Ⅰ 2 20
Ⅱ 2 20 10滴饱和MnSO4溶液
Ⅲ 2 30
Ⅳ 1 20 1 mL蒸馏水
(1)实验Ⅰ和实验Ⅱ可得出的结论：影响化学反应速率的因素是________ ；如果研究温度对化学反应速率的影响，使用实验Ⅰ和 ________(用Ⅰ～Ⅳ表示)。
(2)实验Ⅳ中加入1 mL蒸馏水的目的是 ________________________________________________________________。
提升三　计算化学反应速率及平衡的方法——三段式法
解答有关化学反应速率和化学平衡的计算题时，一般需要写出化学方程式，列出起始量、变化量及平衡量，再根据题设其他条件和定律列方程求解。如mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，令A、B起始物质的量分别为a mol、b mol，达到平衡后消耗A的物质的量为mx mol。
　　　 　mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)
起始量/mol a b 0 0
变化量/mol mx nx px qx
平衡量/mol a－mx b－nx px qx
注意　(1)a、b也可指浓度或气体的体积、压强等。
(2)明确三个量的关系
①同一反应物：起始量－变化量＝平衡量。
②同一生成物：起始量＋变化量＝平衡量。
③各变化量之比＝各物质的化学计量数之比。
即学即练
1．一定温度下，在2 L的恒容密闭容器中发生反应A(g)＋2B(g) 3C(g)。反应过程中的部分数据如表所示：
n/mol t/min n(A) n(B) n(C)
0 2.0 2.4 0
5 0.9
10 1.6
15 1.6
下列说法正确的是(　　)
A.0～5 min用A表示的平均反应速率为0.09 mol·L-1·min-1
B．该反应在10 min后才达到平衡
C．平衡状态时，c(C)＝0.6 mol·L-1
D．物质B的平衡转化率为20%
2．恒温恒容下，将2 mol A气体和4 mol B气体通入体积为2 L的密闭容器中发生反应2A(g)＋B(g) xC(g)＋2D(s)，2 min达到平衡，测得平衡时A的物质的量为1.2 mol，C的浓度为0.8 mol·L-1。
(1)从开始反应至达到平衡状态，生成C的平均反应速率为______________________。
(2)x＝________。
(3)A的转化率与B的转化率之比为________。
(4)下列各项可作为该反应达到平衡状态的标志的是________(填字母)。
A．压强不再变化
B．气体密度不再变化
C．气体的平均相对分子质量不再变化
D．A的消耗速率与B的消耗速率之比为2∶1
章末综合提升
高考真题体验
1．解析：(1)理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，故正确。(2)氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，故正确。(3)太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，故错误。
答案：(1)√　(2)√　(3)×
2．解析：酸性锌锰干电池，锌筒为负极，石墨棒为正极，故A错误；原电池工作时，阳离子向正极(石墨棒)方向移动，故B错误；MnO2发生得电子的还原反应，故C错误；锌筒为负极，负极发生失电子的氧化反应Zn－2e－===Zn2+，故D正确。
答案：D
3．解析：Zn为负极，电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，MnO2为正极，电极反应式为MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－。电池工作时，MnO2为正极，得到电子，发生还原反应，故A错误；电池工作时，OH－通过隔膜向负极移动，故B错误；环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，故C正确；由电极反应式MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－可知，反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为6.02×1023，故D错误。
答案：C
4．解析：由题图分析可知，Cl－在Ag极失去电子发生氧化反应，Ag为负极，A错误；电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt，B正确；溶液为酸性，故Pt表面发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，C错误；每消耗标准状况下11.2 L的O2，转移2 mol电子，最多去除2 mol Cl－，D错误。
答案：B
5．解析：(1)催化剂可以改变化学反应速率，一般来说，催化剂可以用来加快化学反应速率，故催化氧化氨制备硝酸时加入铂可以加快化学反应速率。(2)锌粉和盐酸反应时加水稀释会降低盐酸的浓度，会降低化学反应速率。(3)石墨合成金刚石，该反应中没有气体参与，增大压强不会改变化学反应速率。
答案：(1)加快反应速率　(2)降低化学反应速率　(3)无影响
6．解析：由图可知，3小时后异山梨醇浓度继续增大，15 h后异山梨醇浓度才不再变化，所以3 h时，反应②未达到平衡状态，即正、逆反应速率不相等，故(1)错误；由图可知，在0～3 h内异山梨醇的浓度变化量为0.042 mol·kg-1，所以平均速率(异山梨醇)＝＝h-1，故(2)正确。
答案：(1)×　(2)√
7．解析：实验①中，0～2小时内平均反应速率＝＝2.0×10-5 mol·L-1·h-1，A不正确；实验③中水样初始pH＝8，溶液显碱性，发生反应的离子方程式中不能用H＋配电荷守恒，B不正确；综合分析实验①和②可知，在相同时间内，实验①中浓度的变化量大，因此，其他条件相同时，适当增加纳米铁质量可加快反应速率，C正确；当初始pH太小时，H＋浓度太大，纳米铁与H＋反应速率加快，会导致与反应的纳米铁减少，因此，初始pH越小的去除效果不一定越好，D不正确。
答案：C
8．解析：图像中可以得到单位时间内的浓度变化，反应速率是单位时间内物质的浓度变化计算得到，从a、c两点坐标可求得从a到c时间间隔内该化学反应的平均速率，A正确；b点处切线的斜率是此时刻物质浓度除以此时刻时间，为反应物B的瞬时速率，B正确；由化学反应速率之比等于化学方程式中化学计量数之比分析，3v(B)＝2v(X)，C不正确；维持温度、容积、反应物起始的量不变，向反应体系中加入催化剂，反应速率增大，D正确。
答案：C
学科素养提升
提升一
即学即练
1．解析：由图像可知反应物的总能量低于生成物的总能量，该反应是吸热反应，A、C项错误；该反应吸收的总能量＝断键吸收的总能量－成键放出的总能量＝E1－E2，B项正确；某些吸热反应不需要加热也可能发生，如Ba(OH)2·8H2O和NH4Cl发生的吸热反应，D项错误。
答案：B
2．解析：根据表中数据可计算出破坏3 mol H—H吸收的能量为1 308 kJ，破坏1 mol N≡N吸收的能量为945.8 kJ，化学键被破坏吸收的总能量为2 253.8 kJ，形成6 mol N—H放出能量2 344.8 kJ，反应生成2 mol NH3(g)释放出的热量为2 344.8 kJ－2 253.8 kJ＝91 kJ，则反应生成1 mol NH3(g)释放出的热量为45.5 kJ。
答案：45.5
提升二
即学即练
1．解析：没有对比实验，A错误；催化剂不同，温度不同，无法比较，B错误；前者没有催化剂，后者有催化剂，且温度不同，无法比较，C错误；只有温度不同，其他条件都相同，该方案可行，D正确。
答案：D
2．解析：(1)实验Ⅰ和实验Ⅱ中温度、浓度相同，研究了催化剂对化学反应速率的影响；研究温度对化学反应速率的影响，应保证浓度相同，且不使用催化剂，则选实验Ⅰ和实验Ⅲ。(2)实验Ⅰ和实验Ⅳ中，硫酸的浓度不同，可研究浓度对化学反应速率的影响，加1 mL蒸馏水可确保两实验中其他各物质的浓度和总体积相等。
答案：(1)催化剂　实验Ⅲ　(2)确保所有实验中c(KMnO4)、c(H2C2O4)不变和总体积不变，实验Ⅳ中c(H＋)不同
提升三
即学即练
1．解析：根据化学方程式及题表中数据可知，达到平衡时消耗0.4 mol A，消耗0.8 mol B，生成1.2 mol C，则平衡时C的物质的量为1.2 mol，其物质的量浓度为0.6 mol·L-1，C正确；由反应的化学方程式及题表中数据可算出0～5 min内，消耗0.3 mol A，用A表示的平均反应速率为0.03 mol·L-1·min-1，A错误；根据题表中数据可知，0～10 min内消耗0.8 mol B，此时剩余1.6 mol B，则在10 min时反应已达到平衡，B错误；平衡时消耗0.8 mol B，则其平衡转化率为×100%≈33.3%，D错误。
答案：C
2．解析：(1)根据2 min达平衡时C的浓度为0.8 mol·L-1，可知v(C)＝＝0.4 mol·L-1·min-1。
(2)根据三段式：2A(g)＋B(g) xC(g)＋2D(s)
起始/mol 2 4 0
转化/mol 0.8 0.4 2×0.8
平衡/mol 1.2 3.6 1.6
即Δn(A)∶Δn(C)＝0.8 mol∶1.6 mol＝2∶x，解得x＝4。
(3)A的转化率与B的转化率之比为∶＝4∶1。
(4)反应前后气体总体积不同，当压强不再变化时，达到平衡状态，A正确；反应有固体生成，当气体密度不变时达到平衡状态，B正确；反应前后气体体积不同，当气体的平均相对分子质量不再变化时，达到平衡状态，C正确；A和B的消耗速率均表示正反应速率，不能由此判断反应达到平衡状态，D错误。
答案：(1)0.4 mol·L-1·min-1　(2)4　(3)4∶1　(4)ABC

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