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第二讲　原电池　化学电源
考点一　原电池的工作原理及应用(命题指数★★★★★)
1.原电池的概念、构成及反应本质:
(1)把化学能转化为电能的装置,其本质是发生了氧化还原反应。
(2)构成条件。
①有两个活泼性不同的电极(常见为金属或石墨)。
②将电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
③两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
④能自发发生氧化还原反应。
2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例):
电极名称
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
电极反应
Zn-2e-Zn2+
Cu2++2e-Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
电子流向
由Zn片沿导线流向Cu片
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液,K+移向正极,Cl-移向负极
3.原电池原理的应用:
(1)设计制作化学电源。
(2)加快化学反应速率。
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量
CuSO4
溶液构成原电池,反应速率增大。?
(3)比较金属的活动性强弱。
原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或非金属导体)作正极。
(4)用于金属的防护。
使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如:要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。
(　　)?
提示:√。氧化反应是失去电子的反应,因此在原电池中一定为负极上的反应。
(2)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生。
(　　)?
提示:×。电子不经过电解质溶液。
(3)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。
(　　)?
提示:×。阳离子向正极移动,阴离子移向负极。
(4)某原电池反应为Cu+2AgNO3Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含琼脂的KCl饱和溶液。
(　　)?
提示:×。琼脂中少量的Cl-会进入AgNO3溶液和银离子反应。
(5)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定作负极。
(　　)?
提示:×。活泼金属不一定作负极,铝-NaOH溶液-镁电池中铝作负极。
(6)把锌片和铜片用导线连起来,浸入食盐水中,不能形成原电池。
(　　)?
提示:×。发生了吸氧腐蚀形成原电池。
2.设计原电池装置证明Fe3+的氧化性比Cu2+强。
(1)写出能说明氧化性Fe3+大于Cu2+的离子方程式:?_____________。?
(2)若要将上述反应设计成原电池,电极反应式分别是
①负极:
_____________。
②正极:?_____________。
(3)在表中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
①不含盐桥
②含盐桥
答案:(1)2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+
(2)①Cu-2e-Cu2+　②2Fe3++2e-2Fe2+?
(3)
①不含盐桥
②含盐桥
命题角度1:原电池的工作原理
【典例1】(2020·全国Ⅲ卷)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)-空气电池如图所示,其中在VB2电极发生反应:VB2+16OH--11e-V+2B(OH+4H2O。该电池工作时,下列说法错误的是
(　　)?
A.负载通过0.04
mol电子时,有0.224
L(标准状况)O2参与反应?
B.正极区溶液的pH降低,负极区溶液的pH升高
C.电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH+4V
D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
【解析】选B。该电池中O2在正极发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH-
,所以负载通过0.04
mol电子时,有0.224
L(标准状况)O2参与反应,A正确;根据正负极电极反应式可知使用过程中负极区溶液的pH降低、正极区溶液的pH升高,B错误;根据两极电极反应式可知电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH+4V,C正确;VB2电极和复合碳电极分别为电池的负极、正极,根据物理学知识可知电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极,D正确。?
【思维升级·母题延伸】(1)(变化观念与平衡思想)分析电池工作原理,判断装置中的离子交换膜是阳离子交换膜还是阴离子交换膜??
提示:阴离子交换膜。该电池中复合碳电极发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH-,产生OH-,而VB2电极上发生的反应消耗OH-,因此离子交换膜应为阴离子交换膜。
(2)(宏观辨识与微观探析)有同学认为:本电池工作时电子从VB2电极出发沿导线到达复合碳电极,再经KOH溶液回到VB2电极,从而构成闭合回路的。此同学的认识是否正确?为什么?
提示:不正确。电子不能经过电解质溶液,在电解质溶液中是阴阳离子的定向移动构成闭合回路的。
【备选例题】?
下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的,下列有关叙述错误的是(　　)?
A.①中锌电极发生氧化反应
B.②中电子由a电极经导线流向b电极
C.③中外电路中电流由A电极流向B电极
D.④中LixC6作负极
【解析】选C。在原电池中阴离子移向负极,所以③中A电极为负极,则外电路中电流应由B电极流向A电极。
命题角度2:原电池的工作原理应用
【典例2】选择合适的图象,将序号填在相应横线上:
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是?
_____________。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是_____________。
(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液,其他条件不变,则图象是_____________。
【以图析题·培养关键能力】?
【解析】(1)当加入少量CuSO4溶液,Zn可以置换Cu,构成原电池,速率加快,但由于部分Zn参与置换Cu的反应,H2的量减少,故选A。?
(2)Zn与CuSO4溶液反应置换Cu,Zn、Cu、H2SO4构成原电池,加快反应速率,但由于Zn足量,n(H+)不变,H2的量不变,故选B。
(3)加入CH3COONa,c(H+)减少,但n(H+)不变,故速率减慢,产生H2的量一样多,故选C。
答案:(1)A　(2)B　(3)C?
【备选例题】?
(2021·淮安模拟)某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液、KI溶液;其他用品任选。回答下列问题:?
(1)画出设计的原电池装置图,并标出电极材料、电极名称及电解质溶液________________________________________________。
(2)发生氧化反应的电极反应式为____________________。?
(3)反应达到平衡时,外电路导线中　　　　(填“有”或“无”)电流通过。?
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中的电极变为　　　　(填“正”或“负”)极。?
【解析】(1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定电极材料和正、负极区的电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极,负极上I-失电子变成I2。(3)反应达到平衡时,无电子移动,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,该溶液中的电极变成负极。
答案:(1)如下图(答案合理即可)?
(2)2I--2e-I2　(3)无　(4)负?
1.原电池的工作原理简图:
注意:①若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
②若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过交换膜移向正极。
2.判断原电池正、负极的五种方法:
命题点1:原电池的工作原理分析(基础性考点)
1.(双选)某小组为研究原电池原理,设计如图装置,下列叙述正确的是
(
)?
A.若X为Fe,Y为Cu,铁为正极
B.若X为Fe,Y为Cu,电子由铜片流向铁片
C.若X为Fe,Y为C,碳棒上有红色固体析出
D.若X为Cu,Y为Zn,铜离子发生还原反应
【解析】选C、D。Fe比Cu活泼,Fe作负极,电子从Fe流向Cu,故A、B错误;若X为Fe,Y为C,电解质为硫酸铜,则正极C上析出Cu,故C正确;Zn比Cu活泼,Cu作正极,Cu2+发生还原反应,故D正确。
2.(2021·福州模拟)原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是
(　　)?
A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-H2↑
【解析】选B。①中Mg作负极;②中Al作负极;③中铜作负极;④是铁的吸氧腐蚀,Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
命题点2:原电池原理的应用(综合性考点)
3.(2021·成都模拟)有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验装置
部分实验现象
a极质量减少;b极质量增加
b极有气体产生;c极无变化
d极溶解;c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动顺序是
(　　)?
A.a>b>c>d　　　　　　
B.b>c>d>a?
C.d>a>b>c
D.a>b>d>c
【解析】选C。把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④,则由实验①可知,a作原电池负极,b作原电池正极,金属活动性:a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则活动性:b>c;由实验③可知,d极溶解,则d作原电池负极,c作正极,活动性:d>c;由实验④可知,电流从a极流向d极,则d极为原电池负极,a极为原电池正极,活动性:d>a。综上所述可知活动性:d>a>b>c。
命题点3:聚焦“盐桥”原电池(应用性考点)
4.(双选)将镉(Cd)浸在氯化钴(CoCl2)溶液中,发生反应的离子方程式为Co2+(aq)+Cd(s)Co(s)+Cd2+(aq),如将该反应设计为如图的原电池,则下列说法一定错误的是(
)?
A.Cd作负极,Co作正极
B.原电池工作时,电子从正极沿导线流向负极
C.根据阴阳相吸原理,盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动
D.甲池中盛放的是CdCl2溶液,乙池中盛放的是CoCl2溶液
【解析】选B、C。将该反应设计为原电池时,Cd作负极,电极反应为Cd-2e-Cd2+;Co作正极,电极反应为Co2++2e-Co,盐桥中的阳离子向正极(乙池)移动。
【知识拓展】盐桥?
1.制作方法:在烧杯中加入2
g琼脂和60
mL饱和KCl溶液,使用水浴加热法将琼脂加热至完全溶解,然后趁热将此混合溶液加入U形玻璃管中,静置待琼脂凝固后便可使用。?
2.作用:盐桥在原电池中起导电作用,使整个装置形成闭合回路,盐桥导电利用的是阴、阳离子的定向移动,使电解质溶液保持电中性,从而使原电池能相对持续、稳定产生电流。盐桥不能用导线代替。
【加固训练—拔高】?
1.根据下图,判断下列说法正确的是
(　　)?
A.装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe-2e-Fe2+
B.装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2+2H2O+4e-4OH-
C.装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动
D.放电过程中,装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大
【解析】选D。装置Ⅰ中,由于Zn比Fe活泼,所以Zn作原电池的负极,电极反应式为Zn-2e-Zn2+;Fe作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,由于正极有OH-生成,因此溶液的pH增大。装置Ⅱ中,Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+;Cu作正极,电极反应式为2H++2e-H2↑,正极由于不断消耗H+,所以溶液的pH逐渐增大,据此可知A、B均错误,D正确。在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,所以C错误。
2.全钒电池以惰性材料作电极,在电解质溶液中发生的原电池反应为V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)。
下列说法正确的是
(　　)?
A.正极反应为V+2H++e-VO2++H2O
B.负极附近的溶液由紫色逐渐变为蓝色
C.反应每生成1
mol
H2O时转移电子的物质的量为0.5
mol?
D.原电池使用过程中溶液的pH逐渐减小
【解析】选A。由电池总反应V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)可得,V为正极的活性物质,V2+为负极的活性物质,所以左室为正极室,右室为负极室。正极反应为V+2H++e-VO2++H2O,A项正确;负极反应为V2+-e-V3+,所以负极附近溶液的颜色由紫色逐渐变为绿色,B项错误;由电极反应V+2H++e-VO2++H2O可知,反应每生成1
mol
H2O时转移电子的物质的量为1
mol,C项错误;由原电池总反应可知,反应过程中H+被不断消耗,所以溶液的pH逐渐增大,D项错误。?
3.根据下图,下列判断中正确的是
(　　)?
A.烧杯a中的溶液pH降低
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H++2e-H2↑
D.烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
【解析】选B。由题给原电池装置可知,电子经过导线,由Zn电极流向Fe电极,则O2在Fe电极发生还原反应:O2+2H2O+4e-4OH-,烧杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高;烧杯b中,Zn发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+。
考点二　常见的化学电源(命题指数★★★★★)学生用书P138?
1.一次电池:只能使用一次,不能充电复原继续使用
(1)碱性锌锰电池。
碱性锌锰电池的负极是Zn,正极是MnO2,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极:2MnO2+2H2O+2e-2MnO(OH)+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2。
(2)银锌电池。
银锌电池的负极是Zn,正极是Ag2O,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极:Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-;
总反应:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。
(3)锂电池。
锂电池是用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下:
负极:8Li-8e-8Li+;
正极:3SOCl2+8e-6Cl-+S+2S;
总反应:8Li+3SOCl26LiCl+Li2SO3+2S。
2.二次电池:放电后能充电复原继续使用
铅蓄电池是最常见的二次电池,总反应为
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
3.燃料电池:
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO等,燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
介质
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-4H+
2H2+4OH--4e-4H2O
正极反应式
O2+4H++4e-2H2O
O2+2H2O+4e-4OH-
电池总反应式
2H2+O22H2O
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)碱性锌锰电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。
(　　)?
提示:×。碱性锌锰电池MnO2是氧化剂参与电极反应。
(2)二次电池充电时,充电器的正极连接二次电池的正极。
(　　)?
提示:√。充电时正极连接电源的正极,作阳极发生氧化反应。
(3)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后将热能转化为电能。
(　　)?
提示:×。燃料电池直接将化学能转化为电能。
(4)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。
(　　)?
提示:√。铅蓄电池放电时,负极铅、正极二氧化铅均转变为硫酸铅,质量均增加。
(5)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从正极区向负极区迁移。
(　　)?
提示:×。在原电池中阳离子在电解质溶液中移向正极。
2.电子表和电子计算器中所用的是纽扣式的微型银锌电池,其电极分别为Ag2O和Zn,电解液为KOH溶液。工作时电池总反应为Ag2O+Zn+H2O2Ag+Zn(OH)2
(1)工作时电流从　　　　极流向　　　　极(两空均选填“Ag2O”或“Zn”)。
?
(2)负极的电极反应式为　。?
(3)工作时电池正极区的pH　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
?
(4)外电路中每通过0.2
mol电子,锌的质量理论上减少　　　　g。
?
提示:(1)Ag2O　Zn?
(2)Zn+2OH--2e-Zn(OH)2　(3)增大　(4)6.5?
命题角度1:新型二次电池
【典例1】科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图,电极为金属锌和选择性催化材料,放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是
(　　)?
A.放电时,负极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH
B.放电时,1
mol
CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2
mol?
C.充电时,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
【解析】选D。由题可知,放电时,CO2转化为HCOOH,即CO2发生还原反应,故放电时右侧电极为正极,左侧电极为负极,Zn发生氧化反应生成Zn(OH;充电时,右侧为阳极,H2O发生氧化反应生成O2,左侧为阴极,Zn(OH发生还原反应生成Zn。放电时,负极上Zn发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,故A正确,不选;放电时,CO2转化为HCOOH,C元素化合价降低2,则1
mol
CO2转化为HCOOH时,转移电子数为2
mol,故B正确,不选;充电时,阳极上H2O转化为O2,负极上Zn(OH转化为Zn,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,故C正确,不选;充电时,正极即为阳极,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,溶液中H+浓度增大,溶液中c(H+)·c(OH-)=Kw,温度不变时,Kw不变,因此溶液中OH-浓度降低,故D错误,符合题意。?
在题干条件不变的情况下,下列说法正确的是
(　　)?
A.电解质溶液1和电解质溶液2可以同为KOH溶液
B.放电时,CO2在电极上的反应可能为CO2-2e-+2H+HCOOH
C.充电时,Zn电极的电极反应式为Zn(OH+2e-Zn+4OH-
D.充电时,外接电源的负极接右侧电极
【解析】选C。从题目给出的图示中可知左侧电极生成Zn(OH,故电解质溶液1应为碱溶液,而右侧电极上CO2生成的HCOOH为一种酸,因此电解质溶液2不可能为碱性溶液,故A项错误;放电时CO2在正极反应为得电子的反应,故B项错误;根据图示可以判断充电时Zn电极的电极反应式为Zn(OH+2e-Zn+4OH-,故C项正确;充电时,电池的正极要接外接电源的正极,负极接外接电源的负极,故D项错误。
【讲台挥洒一刻】?
命题角度2:新型燃料电池
【典例2】(2019·全国Ⅰ卷)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是
(　　)?
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能
B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H++2MV+
C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【解析】选B。相比现有工业合成氨,该方法选用酶作催化剂,条件温和,同时利用MV+和MV2+的相互转化,化学能转化为电能,故可提供电能,故A正确;左室为负极区,MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+,电极反应式为MV+-e-MV2+,放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+,反应的方程式为H2+2MV2+2H++2MV+,故B错误;右室为正极区,MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+,电极反应式为MV2++e-MV+,放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+,故C正确;电池工作时,氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动,故D正确。
(1)(变化观念与平衡思想)分析电池工作原理,判断电池中间的交换膜是何种类?
提示:质子交换膜或阳离子交换膜。因为在负极区H2通过氢化酶的作用生成H+,而在正极区N2通过固氮酶生成NH3需要H+,因此需要将负极区生成的H+移动至正极区。
(2)(证据推理与模型认知)写出正极区在固氮酶作用下N2发生反应的电极方程式。
提示:N2+6H++6MV+2NH3+6MV2+。
(3)(宏观辨识与微观探析)当电路中通过3
mol电子时,可产生氨气的体积(标准状况下)为　　　　　L;正极区中n(H+)　　　　　(填“增加”“减少”或“不变”)。?
提示:22.4;不变。负极区氢气在氢化酶作用下发生氧化反应,反应式为H2+2MV2+2H++2MV+,正极区得电子发生还原反应,生成NH3,发生反应:N2+6H++6MV+2NH3+6MV2+,根据反应可知转移6
mol电子时生成2
mol
NH3,负极区产生6
mol
H+进入正极区,同时正极区消耗6
mol
H+,故正极区H+总量不变,当电路中通过3
mol电子时,可产生氨气的体积(标准状况下)为22.4
L,正极区n(H+)不变。?
【备选例题】?
某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是
(　　)?
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-xLi++C6
C.充电时,若转移1
mol
e-,石墨(C6)电极将增重7x
g?
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
【解析】选C。放电时,负极反应为LixC6-xe-xLi++C6,正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2,A、B正确;充电时,阴极反应为xLi++C6+xe-LixC6,转移1
mol
e-时,石墨C6电极将增重
7
g,C项错误;充电时,阳极反应为放电时正极反应的逆反应:
LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。?
1.二次电池的充电:
(1)充电时电极的连接:充电的目的是使电池恢复其供电能力,因此负极应与电源的负极相连以获得电子,可简记为负接负后作阴极,正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式:同一电极上的电极反应式,在充电与放电时,形式上恰好是相反的;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
2.燃料电池题目的一般分析思路:
3.化学电源中电极反应式书写的一般方法:
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物:根据负极氧化、正极还原,明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物:根据介质环境和共存原则,找出参与的介质粒子,确定最终产物。
(4)配平:根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意:①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境中结合H2O,生成OH-;③若已知总反应式时,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即得到较难写出的另一极的电极反应式。
命题点1:一次电池与二次电池的工作原理分析(基础性考点)
1.纸电池是一种有广泛应用的“软电池”,某种碱性纸电池采用薄层纸片作为载体和传导体,纸的两面分别附着锌和二氧化锰。下列有关该纸电池的说法不合理的是
(　　)?
A.Zn为负极,发生氧化反应
B.电池工作时,电子由MnO2流向Zn
C.正极反应:MnO2+e-+H2OMnO(OH)+OH-
D.电池总反应:Zn+2MnO2+2H2OZn(OH)2+2MnO(OH)
【解析】选B。类似于碱性锌锰电池,MnO2在正极上得电子被还原生成MnO(OH),则正极的电极反应式为MnO2+H2O+e-MnO(OH)+OH-,C正确;负极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,结合正、负极反应式及得失电子守恒可知,该电池的总反应式为Zn+2MnO2+2H2OZn(OH)2+2MnO(OH),D正确。
2.(双选)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+
2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是
(
)?
A.充电时阳极反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向负极移动
【解析】选A、D。放电时Cd的化合价升高,Cd作负极,Ni的化合价降低,NiOOH作正极,则充电时Cd(OH)2作阴极,Ni(OH)2作阳极,阳极电极反应式为Ni(OH)2+
OH--e-NiOOH+H2O,A项正确;充电过程是电能转化为化学能的过程,B项错误;放电时负极电极反应式为Cd+2OH--2e-Cd(OH)2,Cd电极周围OH-的浓度减小,C项错误;放电时OH-向负极移动,D项正确。
命题点2:各类燃料电池的工作原理分析(综合性考点)
3.(2021年湖北适应性测试)研究发现,在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸,可使电池持续大电流放电,其工作原理如下图所示。
下列说法错误的是
(　　)?
A.加入HNO3降低了正极反应的活化能
B.电池工作时正极区溶液的pH降低
C.1
mol
CH3CH2OH被完全氧化时有3
mol
O2被还原?
D.负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2+12H+
【解析】选B。该电池的负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2↑+12H+,H+向右移动通过质子交换膜,正极反应为O2+4e-+4H+2H2O。硝酸作正极反应的催化剂,加入催化剂可以降低正极反应的活化能,故A正确;正极反应虽然消耗H+,但负极区生成的H+移向正极区,负极区H+的物质的量不变,由于生成了水,电池工作时正极区溶液的pH升高,故B错误;根据正负极电极反应式可知,1
mol
CH3CH2OH被完全氧化时有3
mol
O2被还原,故C正确;负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2↑+12H+,故D正确。?
4.(2021·长沙模拟)中科院科学家设计出一套利用SO2和太阳能综合制氢的方案,其基本工作原理如图所示。下列说法错误的是
(　　)?
A.该电化学装置中,Pt电极的电势高于BiVO4电极的电势
B.该装置中的能量转化形式为光能→化学能→电能
C.电子流向:BiVO4电极→外电路→Pt电极
D.BiVO4电极上的反应式为S-2e-+2OH-S+H2O
【解析】选B。该电化学装置中,Pt电极为正极,BiVO4为负极,故Pt电势高于BiVO4电极的电势,A正确;该装置中的能量转化形式为化学能→电能,B错误;据分析,电子流向:BiVO4电极→外电路→Pt电极,C正确;BiVO4为负极,电极上发生氧化反应,则电极反应式为S-2e-+2OH-S+H2O,D正确。
命题点3:原电池原理在实际生活中的应用(应用性考点)
5.十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。下列说法正确的是
(　　)?
A.该电池放电时质子从电极b移向电极a
B.电极a附近发生的电极反应为SO2+2H2O-2e-H2SO4+2H+
C.电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+2H2O4OH-
D.相同条件下,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
【解析】选D。A项,放电时为原电池,质子向正极移动,电极a为负极,则该电池放电时质子从电极a移向电极b,错误;B项,电极a为负极,发生氧化反应,电极反应为SO2+2H2O-2e-S+4H+,硫酸应当拆为离子形式,错误;C项,酸性条件下,氧气得电子与氢离子反应生成水,电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+4H+2H2O,错误;D项,由总反应式2SO2+O2+2H2O2S+4H+可知,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1,正确。
【加固训练—拔高】?
1.某新型可充电电池构造如图所示,工作时(需先引发铁和氯酸钾的反应,从而使LiCl-KCl共晶盐熔化)某电极(记为X)的反应式之一为xLi++xe-+LiV3O8Li1+xV3O8。下列说法正确的是
(　　)?
A.放电时,正极上的电极反应式为Li-e-Li+
B.放电时,总反应式为xLi+LiV3O8Li1+xV3O8
C.充电时,X电极与电源负极相连
D.充电时,X电极的质量增加?
【解析】选B。由题干所给电极反应式可知X电极发生得电子的还原反应,故X电极是正极,结合题图知,X电极是LiV3O8,则Li-Si合金是负极,负极的电极反应式为Li-e-Li+,结合X电极的电极反应式可知放电时总反应式为xLi+LiV3O8Li1+xV3O8,A项错误,B项正确;充电时,X电极应与电源正极相连,C项错误;充电时,X电极的电极反应是放电时X电极的电极反应的逆过程,则充电时X电极的质量减轻,D项错误。
2.环境监察局常用“定电位”NOx传感器来监测化工厂的氮氧化物气体是否达到排放标准,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是
(　　)?
A.对电极是负极
B.工作电极上发生的电极反应为NO2+2e-+2H+NO+H2O
C.对电极的材料可能为锌
D.传感器工作时H+由工作电极移向对电极
【解析】选D。A.由NO2NO知,工作电极发生还原反应,作正极,则对电极是负极,正确;B.工作电极是正极,电极反应式为NO2+2e-+2H+NO+H2O,正
确;C.对电极是负极,发生氧化反应,则对电极的材料可能为活泼金属锌,正确;D.阳离子向正极移动,所以传感器工作时H+由对电极移向工作电极,错误。
3.车用尿素的学名是柴油机尾气处理液,是一种无色、透明、清澈的液体,用于还原氮氧化合物。目前使用的车用尿素溶液一般由32.5%高纯尿素和67.5%的去离子水组成。某学习小组利用图示装置探究车用尿素对尾气中氮的氧化物的转化,下列说法正确的是
(　　)?
A.a极为电源的正极
B.电子从a极经固体电解质流向b极
C.该装置工作时,NO2
在
b
电极上的电极反应式为2NO2+8e-4O2-+N2?
D.若反应中转移1
mol电子,则生成5.6
L(标准状况)
N2?
【解析】选C。电池a极发生氧化反应,b极发生还原反应,则a为负极,b为正极,故A错误;电子从负极经导线流向正极,故B错误;根据图中信息得出NO2在b电极变为氮气,其电极反应式为2NO2+8e-?4O2-+N2,故C正确;反应中转移1
mol电子时,若全为NO2参与电极反应,根据2NO2+8e-4O2-+N2知,生成N2的体积为2.8
L(标准状况),若全为NO参与电极反应,则生成N2的体积为5.6
L(标准状况),故D错误。?
1.(2020·天津等级考)熔融钠-硫电池性能优良,是具有应用前景的储能电池。如图中的电池反应为2Na+xSNa2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是
(　　)?
A.Na2S4的电子式为Na+]2-Na+
B.放电时正极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx
C.Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极
D.该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池
【解析】选C。Na2S4为离子化合物,构成离子为Na+、,电子式为Na+]2-Na+,A项正确;根据电池总反应,放电时正极上S发生还原反应,且Na+向正极移动参与反应,电极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx,B项正确;Na为电池的负极,S为电池的正极,C项错误;根据电池总反应及示意图,可知该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池,D项正确。
2.(2019·全国Ⅲ卷)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是
(　　)?
A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高
B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l)
C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l)
D.
放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区?
【解析】选D。Zn作负极被氧化生成ZnO,三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,沉积的ZnO分散度高,A正确。充电时阳极发生氧化反应,根据电池反应的充电过程可知,阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l),B正确。放电时负极发生氧化反应,根据电池反应的放电过程可知,负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l),C正确。放电时,电池内部阳离子由负极移向正极,阴离子由正极移向负极,D错误。
【加固训练—拔高】?
1.(2019·天津高考)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池,其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液,提高电池的容量。下列叙述不正确的是
(　　)?
A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e-2I-+Br-
B.放电时,溶液中离子的数目增大
C.充电时,b电极每增重0.65
g,溶液中有0.02
mol
I-被氧化?
D.充电时,a电极接外电源负极
【解析】选D。Zn2+移向左侧,a极是正极,充电时,接外电源的正极,放电时电极反应式为I2Br-+2e-2I-+Br-,A正确、D错误;放电时,负极Zn-2e-Zn2+,负极、正极的离子数目都增多,B正确;充电时,b极的电极反应式为Zn2++2e-Zn,每增重0.65
g,转移电子0.02
mol,则有0.02
mol
I-被氧化,C正确。?
2.(2018·全国Ⅲ卷)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2(x=0或1)。下列说法正确的是
(　　)?
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li22Li+(1-)O2
【解析】选D。结合题中所给信息及装置图,可知放电时Li作负极,负极反应为2Li-2e-2Li+,多孔碳材料作正极,正极反应为(1-)O2+2Li++2e-Li2O2-x,故A错误;B项电子从Li电极流向多孔碳材料,故B错误;C项充电时多孔碳材料作阳极,Li+应移向锂电极,故C错误;D项结合放电时的正负极反应式可知正确。
3.(2018·全国Ⅱ卷)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将
NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为:3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是
(　　)?
A.放电时,向负极移动
B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2
C.放电时,正极反应为:3CO2+4e-2C+C
D.充电时,正极反应为:Na++e-Na
【解析】选D。放电时为原电池,而溶液中的阴离子移向电池的负极,故A项正确;由题干中的信息可以得出Na为电池的负极材料,因电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C,则电池放电时吸收CO2,充电时放出CO2,故B项正确;放电时CO2在正极放电,而充电时会在正极生成CO2,Na在电池的负极参与反应,在充电时又会在电池的负极生成,故C项正确,D项错误。
1.原电池实质的2个方面:
(1)反应本质:氧化还原反应。
(2)能量转化:化学能转化为电能。
2.原电池中应注意的
3个“方向”:?
(1)外电路中电子移动方向:负极→正极,电流方向:正极→负极。
(2)电池内部离子移动方向:阴离子移向负极,阳离子移向正极。
(3)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:K+移向正极,Cl-移向负极。
3.原电池电极判断的6种方法:
(1)负极:较活泼金属、氧化反应、电子流出、电流流入、阴离子移向的一极、不断溶解。
(2)正极:不活泼金属或非金属、还原反应、电子流入、电流流出、阳离子移向的一极、电极增重。
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-第三讲　电解池及其工作原理　金属的腐蚀与防护
考点一　电解原理(命题指数★★★★★)
1.电解:
使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
2.电解池(也叫电解槽):
(1)概念:把电能转变为化学能的装置。
(2)构成条件
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融盐)。
③形成闭合回路。
(3)电极名称及电极反应式(以用惰性电极电解CuCl2溶液为例)
总反应方程式:CuCl2Cu+Cl2↑。
(4)电子和离子移动方向
①电子:从电源的负极流向电解池的阴极;从电解池的阳极流向电源的正极。
②离子:阳离子移向电解池的阴极;阴离子移向电解池的阳极。
3.阴、阳两极上的放电顺序:
阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电。离子的放电顺序取决于离子本身的性质即离子得失电子的能力,另外也与离子的浓度及电极材料有关。
(1)阴极:阴极上放电的总是溶液中的阳离子,与电极材料无关。阳离子放电顺序为Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+
。(在溶液中Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+等是不会在阴极上放电的,但在熔融状态下的物质中会放电)?
(2)阳极:若是活性电极作阳极,则活性电极首先失电子,发生氧化反应。若是惰性电极作阳极,则仅是溶液中的阴离子放电,常见离子的放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极。
(　　)?
提示:×。电解时电子从电源负极流向电解池阴极。
(2)电解CuCl2溶液,阳极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。
(　　)?
提示:√。电解CuCl2溶液时,在阳极Cl-失电子变为Cl2。
(3)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大。
(　　)?
提示:×。电解H2SO4溶液时,实际是电解H2O的过程,故溶液中c(H+)增大,pH减小。
(4)电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应。
(　　)?
提示:×。电解时,阳离子移向阴极。
(5)用惰性电极电解饱和食盐水一段时间后,加入盐酸可使电解质溶液恢复到电解前的状态。
(　　)?
提示:×。电解饱和食盐水,两极产生H2和Cl2,因此通入HCl气体即可使电解质溶液恢复到电解前的状态。
2.如图所示为一电解池装置,
A、B都是惰性电极,电解质溶液c是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在U形管两边各滴入几滴酚酞试剂,试判断:?
①a电极是　　　　极(填“正”或“负”),B电极是　?
极(填“阴”或“阳”),　　　　极(填“A”或“B”)酚酞试液显红色。?
②A电极上的电极反应式为　
,?
B电极上的电极反应式为　
;?
③检验A电极上产物的方法是　
。?
提示:①正　阴　B?
②2Cl--2e-Cl2↑
2H2O+2e-H2↑+2OH-
③把湿润的淀粉碘化钾试纸放在A电极附近,试纸变蓝,则证明A电极上的产物为氯气
命题角度1:单一电解池的工作原理
【典例1】(2020·山东等级考)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是
(　　)?
A.阳极反应为2H2O-4e-4H++O2↑
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
【解析】选D。a极析出氧气,氧元素的化合价升高,作电解池的阳极,b极通入氧气,生成过氧化氢,氧元素的化合价降低,被还原,作电解池的阴极。a极是阳极,属于放氧生酸性型的电解,所以阳极的反应式是2H2O-4e-4H++O2↑,故A正确;电解时阳极产生氢离子,氢离子是阳离子,通过质子交换膜移向阴极,所以电解一段时间后,阳极室的pH不变,故B正确;电解过程中,阳离子移向阴极,H+由a极区向b极区迁移,C正确;电解时,阳极的反应为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的反应为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,要消耗氧气,即是a极生成的氧气小于b极消耗的氧气,故D错误。
在题干条件不变的情况下,下列说法错误的是
(　　)?
A.a为阳极
B.通入氧气的电极反应式为O2+2e-+2H+H2O2
C.电解一段时间后,右侧溶液pH降低
D.若生成17
g双氧水,则有1
mol
H+从左侧向右侧迁移?
【解析】选C。依据分析a极是阳极,b极是阴极,阳极的反应式是2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的反应式为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,故A、B正确;电解时阳极产生氢离子通过质子交换膜移向阴极,H+在阴极发生O2+2e-+2H+H2O2而被消耗,所以电解一段时间后,阴极室的pH不变,C错误;电解时总反应为O2+2H2O2H2O2,
若生成17
g双氧水,转移1
mol电子,则有1
mol
H+从左侧向右侧迁移,故D正确。?
命题角度2:与原电池相连的电解池电解
【典例2】(双选)
(2021·湖南模拟)在某种光电池中,当光照在表面涂有氯化银的银片上时,发生反应:AgCl(s)Ag(s)+Cl(AgCl)[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着发生反应:Cl(AgCl)+e-Cl-(aq)+AgCl(s)。如图为用该光电池电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图,下列叙述正确的是
(　　)?
A.光电池工作时,Ag极为电流流出极,发生氧化反应
B.制氢装置溶液中K+移向B极
C.光电池工作时,Ag电极发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
D.制氢装置工作时,A极的电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-C+N2↑+6H2O
【解析】选B、D。得电子的电极发生还原反应,左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则Ag电极发生还原反应,故A错误;左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则连接Ag的电极为阳极、连接Pt的电极为阴极,制取氢气装置溶液中阳离子向阴极移动,所以K+移向B电极,故B正确;光电池工作时,Ag电极上AgCl得电子生成Ag,电极反应式为AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-,故C错误;制取氢气装置工作时,A电极为阳极,尿素失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和氮气、水,电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-C+N2↑+6H2O,故D正确。
(1)(变化观念与平衡思想)光电池工作时,Cl-的迁移方向是怎样的?电解池中,溶液中的OH-迁移方向是怎样的?
提示:Ag电极作正极、Pt作负极,Cl-从左侧透过膜迁移至右侧;电解池中OH-从右侧透过膜迁移至左侧。
(2)(证据推理与模型认知)若在B极生成标准状况下224
mL
H2,则消耗尿素多少克??
提示:0.2
g。由电子守恒得CO(NH2)2～3H2,生成H2
0.01
mol,尿素为0.2
g。?
【讲台挥洒一刻】?
“串联”类装置的解题流程
【备选例题】?
科学家设计了一种可以循环利用人体呼出的CO2并提供O2的装置,总反应方程式为2CO22CO+O2,下列说法不正确的是
(　　)?
A.由图分析N电极为负极
B.OH-通过离子交换膜迁向右室
C.反应完毕,该装置中电解质溶液的碱性增强
D.阴极的电极反应式为CO2+H2O+2e-CO+2OH-
【解析】选C。电池内部,电子向负极迁移,结合图可知,N电极为负极,P电极为正极,A正确;右边的装置与太阳能电池相连,为电解池,左边Pt电极与电池负极相连,为阴极,右边Pt电极与电池正极相连,为阳极,电解池中,阴离子向阳极移动,故OH-通过离子交换膜迁向右室,B正确;总反应方程式为2CO22CO+O2,电解质溶液pH不变,碱性不变,C错误;CO2在阴极得电子生成CO,结合电解质、电荷守恒、原子守恒可写出阴极反应式为CO2+H2O+2e-CO+2OH-,D正确。?
1.图解电解池工作原理(阳极为惰性电极):
2.明确电解池的电极反应及其放电顺序:
3.对比掌握电解规律(阳极为惰性电极):
电解类型
电解质实例
溶液复原物质
电解水
NaOH、H2SO4或Na2SO4
水
电解电解质
HCl或CuCl2
原电解质
放氢生碱型
NaCl
HCl气体
放氧生酸型
CuSO4或AgNO3
CuO或Ag2O
4.电解计算中常用的三种方法:
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
如以通过4
mol
e-为桥梁可构建如下关系式:?
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
1.用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次为升高、不变、降低的是(　　)?
A.AgNO3　CuCl2　Cu(NO3)2?
B.KCl　Na2SO4　CuSO4?
C.CaCl2　KOH　NaNO3?
D.HCl　HNO3　K2SO4?
【解析】选B。由电解电解质溶液的四种类型可知:
类型
化学物质
pH变化
放O2生酸型
CuSO4、AgNO3、Cu(NO3)2
降低
放H2生碱型
KCl、CaCl2
升高
电解电解质型
CuCl2
HCl
升高
电解H2O型
NaNO3、Na2SO4、K2SO4
不变
KOH
升高
HNO3
降低
2.用石墨作电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是
(　　)?
A.相同条件下,逸出气体的体积:A电极B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出有刺激性气味气体
C.A电极附近呈红色,B电极附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
【解析】选D。S、OH-移向B电极,在B电极上OH-放电产生O2,B电极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极上H+放电产生H2,A电极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误;相同条件下,A电极产生的气体体积大于B电极,A项错误;两种气体均为无色无味的气体,B项错误;用惰性电极电解Na2SO4溶液的实质是电解水,电解后的溶液全部转移到同一烧杯中,充分搅拌后,溶质仍为Na2SO4,溶液呈中性,D项正确。
3.两个惰性电极插入500
mL
AgNO3溶液中,通电电解。当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解过程中阴极没有H2放出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略不计),电极上析出银的质量最大为
(　　)?
A.27
mg　　B.54
mg　　C.106
mg　　D.216
mg?
【解析】选B。两极反应:阳极2H2O-4e-O2↑+4H+;阴极4Ag++4e-4Ag,电解的总反应式为4AgNO3+2H2O4Ag+O2↑+4HNO3。由电解的总反应式可知,电解过程中生成的n(Ag)=n(HNO3)=n(H+)=(10-3
mol·L-1-10-6
mol·L-1)×0.5
L≈5×10-4
mol,
m(Ag)=5×10-4
mol×108
g·mol-1=0.054
g=54
mg。?
4.(2021年辽宁适应性测试)在N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)介质中,可实现醇向醛的转化,原理如图。下列说法错误的是
(　　)?
A.理论上NHPI的总量在反应前后不变
B.海绵Ni电极作阳极
C.总反应为+H2↑
D.每消耗1
mmol苯甲醇,产生22.4
mL氢气?
【解析】选D。NHPI与PINO是循环的,所以理论上NHPI的总量在反应前后不变,A正确;海绵Ni电极上是Ni2+Ni3+失电子是阳极,B正确;从反应流程图分析总反应式甲醇电解生成甲醛和氢气的反应,C正确;没有说明标准状况,不能确定氢气的体积,D错误。
【加固训练—拔高】?
1.某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,下列说法正确的是
(　　)?
A.电流方向:电极
Ⅳ→→电极Ⅰ?
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-Cu
【解析】选A。带盐桥的①、②装置构成原电池,Ⅰ为负极,Ⅱ为正极,装置③为电解池。A项,电子移动方向:电极Ⅰ→→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,正确;B项,原电池负极在工作中发生氧化反应,错误;C项,原电池正极上发生还原反应,Cu2+在电极Ⅱ上得电子,生成Cu,该电极质量逐渐增大,错误;D项,电解池中阳极为活性电极时,电极本身被氧化,生成的离子进入溶液中,因为电极Ⅱ为正极,因此电极Ⅲ为电解池的阳极,其电极反应式为Cu-2e-Cu2+,错误。
2.电-Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,其反应原理如图所示(酸性介质)。其中电解产生的H2O2与Fe2+发生Fenton反应:Fe2++H2O2
Fe3++OH-+·OH,生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法不正确的是
(　　)?
A.电源的B极是正极
B.电解时阴极周围溶液的pH增大
C.阴极上发生的电极反应为O2+2e-+2H+H2O2
D.若产生4
mol羟基自由基(·OH),则消耗22.4
L
O2?
【解析】选D。O2在电解池的左侧得电子生成H2O2,所以A极为负极,B极为正极,A项正确;阴极上O2+2e-+2H+H2O2,电解质溶液的pH增大,B、C项正确;D项,没有指明温度和压强,不能确定氧气的体积,D项错误。
3.(2021·河南豫南九校模拟)如图所示,在一定电压下用惰性电极电解由等物质的量浓度的FeCl2、HCl组成的混合溶液。已知在此电压下,阴、阳离子根据放电顺序,都可能在阳极放电,下列分析正确的是
(　　)?
A.C1电极上的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑
B.C1电极处溶液首先变棕黄色
C.C2电极上可依次发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+、2Cl--2e-Cl2↑
D.当C1电极上有2
g物质生成时,就会有2NA个电子通过溶液发生转移?
【解析】选C。C1电极与电源的负极相连,作阴极,溶液中的H+在阴极放电,电极反应式为2H++2e-H2↑,A错误;C1电极上H+放电生成H2,C2电极与电源的正极相连,作阳极,Fe2+的还原性强于Cl-,则依次发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+、2Cl--2e-Cl2↑,故C2电极处溶液首先变棕黄色,B错误,C正确;电子只能通过导线传递,不能通过溶液传递,D错误。
考点二　电解原理的应用(命题指数★★★★★)
1.氯碱工业:
(1)电极反应
阳极:2Cl--2e-Cl2↑(氧化反应);
阴极:2H++2e-H2↑(还原反应)。
(2)总反应方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(3)生产流程图
2.电镀和电解精炼铜:
电镀(Fe表面镀Cu)
电解精炼铜
阳极
电极材料
镀层金属铜
粗铜(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质)
电极反应
Cu-2e-Cu2+
Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+、Cu-2e-Cu2+
阴极
电极材料
待镀金属铁
纯铜
电极反应
Cu2++2e-Cu
电解质溶液
含Cu2+的盐溶液
注:电解精炼铜时,粗铜中的Ag、Au等不反应,沉积在电解池底部形成阳极泥
3.电冶金:
利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
(1)冶炼钠
2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑
阳极反应式:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极反应式:2Na++2e-2Na。
(2)冶炼镁
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
阳极反应式:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极反应式:Mg2++2e-Mg。
(3)冶炼铝
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
阳极反应式:6O2--12e-3O2↑;
阴极反应式:4A+12e-
4Al。?
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中的c(Cu2+)均保持不变。
(　　)?
提示:×。电解精炼铜时,当开始电解时杂质Zn、Fe、Ni等活泼金属失电子,电解质溶液中Cu2+得电子,造成溶液中c(Cu2+)减小。
(2)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可电解MgO和AlCl3。
(　　)?
提示:×。不采用电解MgO制金属镁,因为MgO熔点高、耗能大、不经济,不能用电解AlCl3制金属铝,因为熔融AlCl3不导电。
(3)若把Cu+H2SO4CuSO4+H2↑设计成电解池,应用Cu作阴极。
(　　)?
提示:×。Cu被氧化为Cu2+,应作阳极。
(4)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。(　　)?
提示:×。电解饱和食盐水时,阴极可以用金属材料作电极。
(5)在镀件上电镀铜时,待镀件应连接电源的负极。
(　　)?
提示:√。电镀铜时,铜应连接电源的正极作阳极,待镀件连接电源的负极作阴极。
2.完成下列各小题:
(1)电解饱和食盐水过程中,阳离子交换膜的作用为
。?
(2)电解过程中A中CuSO4溶液浓度　　　　　　,而B中CuSO4溶液浓度　　　　　　。?
提示:(1)只允许阳离子通过,阻碍Cl2与H2混合,防止Cl2和NaOH反应　(2)逐渐减小　基本不变?
命题角度1:电解原理在工业中的基本应用
【典例1】氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:
依据上图,完成下列填空:
(1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为___
_______________________________,与电源负极相连的电极附近,溶液pH___
__________________
(选填“不变”“升高”或“下降”)。?
(2)为有效除去工业食盐中含Ca2+、Mg2+、S杂质,加入试剂的合理顺序为__
___________
(多选)。?
A.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂
B.先加NaOH,后加钡试剂,再加Na2CO3
C.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3
(3)若采用无隔膜法电解冷的食盐水,Cl2与NaOH充分接触,得到的产物为NaClO和H2,则与该反应相应的化学方程式为____________________________。?
【解析】(1)电解饱和食盐水,与电源正极相连的电极为阳极,电极反应式是2Cl--2e-Cl2↑;与电源负极相连的电极为阴极,电极反应式是2H++2e-H2↑,消耗H+,产生OH-,所以溶液的pH升高。
(2)除去杂质时加入Ba2+和OH-,无先后之分,但Na2CO3一定要在最后加入,因为C还要除去多余的Ba2+,过滤沉淀后即认为NaCl被提纯,选B、C。
(3)将2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑和Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O合并,即可得出答案。
答案:(1)2Cl--2e-Cl2↑　升高?
(2)B、C　(3)NaCl+H2ONaClO+H2↑?
利用食盐水制取ClO2的工业流程如图所示,装置①中的反应:NaCl+3H2O
NaClO3+3H2↑,装置②中的反应:2NaClO3+4HCl2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O。下列关于该流程说法不正确的是
(　　)?
A.该流程中Cl2、NaCl都可以循环利用
B.装置①中H2是阴极产物
C.装置②发生的反应中,Cl2是氧化产物,NaCl是还原产物
D.为了使H2完全转化为HCl,需要向装置③中补充Cl2
【解析】选C。电解食盐水得到氢气和NaClO3,氢气和氯气反应生成氯化氢得到浓盐酸,2NaClO3+4HCl2ClO2↑+Cl2↑+2H2O+2NaCl,该流程中Cl2、NaCl都可以循环利用,故A正确;装置①是电解食盐水,溶液中氢离子在阴极得到电子生成氢气,是阴极产物,故B正确;2NaClO3+4HCl2NaCl+2ClO2↑+Cl2↑+2H2O,氯气是氧化产物,ClO2是还原产物,故C错误。
【思维升华】?
两题均考查了电解食盐水的知识,不同的是电解条件不同,对应的电解产物也不相同,体现了变化观念与平衡思想的学科素养。解答时要根据题目的相关信息,利用电解原理分析电解过程,正确判断电极产物及电极反应方程式。?
命题角度2:电解原理的拓展应用
【典例2】(双选)
(2021·重庆模拟)用铁和石墨作电极电解酸性废水,可将废水中的P以FePO4(不溶于水)的形式除去,其装置如图所示。
下列说法中正确的是
(　　)?
A.若X、Y电极材料连接反了,则仍可将废水中的P除去
B.X极为石墨,该电极上发生氧化反应
C.电解过程中Y极周围溶液的pH增大
D.电解时废水中会发生反应:4Fe2++O2+4H++4P4FePO4↓+2H2O
【解析】选C、D。根据题意分析,X电极材料为铁,Y电极材料为石墨,若X、Y电极材料连接反了,铁就不能失电子变为离子,也就不能生成FePO4,A项错误;Y电极材料为石墨,该电极发生还原反应,B项错误;电解过程中Y极上发生的反应为2H++2e-H2↑,氢离子浓度减小,溶液的pH变大,C项正确;铁在阳极失电子变为Fe2+,通入的氧气把Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+与P反应生成FePO4,D项正确。
(1)(宏观辨识与微观探析)根据题目分析电解除磷时为什么用铁作阳极?
提示:阳极在直流电源作用下电解产生Fe2+,Fe2+可进一步被氧化生成Fe3+,提供能与磷酸根结合生成沉淀的阳离子。
(2)(证据推理与模型认知)用铁作电极,利用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9～10,CN-与阳极产生的ClO-反应生成无污染的气体。思考在该装置中铁应该作什么电极?
提示:阳极产生ClO-,发生的反应为Cl-+2OH--2e-ClO-+H2O,所以铁电极作阴极。
【备选例题】?
利用电化学原理还原CO2制取ZnC2O4的装置如图所示?
(电解液不参加反应),下列说法正确的是
(　　)?
A.可用H2SO4溶液作电解液
B.阳离子交换膜的主要作用是增强导电性
C.工作电路中每流过0.02
mol电子,Zn电极质量减重0.65
g?
D.Pb电极的电极反应式是2CO2-2e-C2
【解析】选C。如果用H2SO4溶液作电解液,溶液中氢离子会在正极得电子生成氢气,影响2CO2+2e-C2反应的发生,A错误;用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开,它具有选择透过性,它只允许阳离子透过,其他离子难以透过,B错误;Zn电极为负极,发生氧化反应,Zn-2e-Zn2+,当电路中每流过0.02
mol电子,消耗锌0.01
mol,质量为0.65
g,C正确;Pb电极为正极,发生还原反应,2CO2+2e-
C2,D错误。?
电解原理应用的注意事项
(1)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例),只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能防止H2和Cl2混合发生爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱的质量。?
(2)电解或电镀时,电极质量减少的电极必为阳极;电极质量增加的电极必为阴极,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
(3)电解精炼铜时,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液,其他活泼性弱于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
(4)电镀时,阳极(镀层金属)失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等,因此电镀液中电解质的浓度保持不变。
命题点1:电解原理的常规应用(基础性考点)
1.(2021年重庆适应性测试)双极膜在电渗析中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是
(　　)?
A.出口2的产物为HBr溶液
B.出口5的产物为硫酸溶液
C.Br-可从盐室最终进入阳极液中
D.阴极电极反应式为2H++2e-H2↑
【解析】选D。钠离子通过阳极膜进入交换室1和双极膜产生的氢氧根形成氢氧化钠,所以出口2的产物是氢氧化钠溶液,A错误;溴离子通过阴离子交换膜进入交换室2和双极膜产生的氢离子形成溴化氢溶液,出口4产物为HBr溶液,钠离子不能通过双极膜,出口5不是硫酸,则Br-不会从盐室最终进入阳极液中,B、C错误;电解硫酸钠溶液阴极是氢离子得电子变为氢气,D正确。
2.(双选)金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述错误的是(已知:氧化性Fe2+(
)?
A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2++2e-Ni
B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量相等
C.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有Cu和Pt
D.电解后,溶液中存在的金属阳离子有Fe2+、Zn2+和Ni2+
【解析】选A、B。电解法制备高纯度的镍,粗镍作为阳极,金属按还原性顺序Zn>Fe>Ni>Cu>Pt发生氧化反应,电极反应依次为Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+,A项错误;电解过程中,阳极Zn、Fe、Ni溶解,Cu、Pt沉积到电解槽底部,阴极只析出Ni,结合两极转移的电子数相等,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等,B项错误;Cu和Pt还原性比Ni弱,不能失去电子,以沉淀的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥,C项正确;电解后,溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,D项正确。
命题点2:电解原理在物质制备方面的应用(应用性考点)
3.O3是一种常见的绿色氧化剂,可由臭氧发生器电解稀硫酸制得,原理如图所示。下列说法错误的是
(　　)?
A.电极a为阴极
B.a极的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O
C.电解一段时间后b极周围溶液的pH下降
D.标准状况下,当有5.6
L
O2反应时,收集到O2和O3混合气体4.48
L,O3的体积分数为80%
?
【解析】选D。电极b上生成O2和O3,则电极b上发生失电子的氧化反应,则电极b为阳极,电极a为阴极,A项正确;电极a的电极反应式为O2+4e-+4H+
2H2O,B项正确;电极b上H2O失去电子,发生氧化反应生成O2、O3和H+,故电解一段时间后b极周围溶液的pH下降,C项正确;标准状况下,当有5.6
L氧气参加反应时,转移电子1
mol,设收集到氧气为x
mol,臭氧为y
mol,则有x+y=0.2,4x+6y=1,解得x=y=0.1,故O3的体积分数为50%,D项错误。?
4.常温下,NCl3是一种黄色黏稠状液体,是制备新型水消毒剂ClO2的原料,可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说法正确的是
(　　)?
A.每生成1
mol
NCl3,理论上有4
mol
H+经质子交换膜从右侧向左侧迁移?
B.可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M
C.石墨极的电极反应式为N+3Cl--6e-NCl3+4H+
D.电解过程中,质子交换膜右侧溶液的pH会减小
【解析】选C。A项,每生成1
mol
NCl3,转移6
mol
e-,理论上有6
mol
H+经质子交换膜从右侧向左侧迁移,A错误;B项,M为H2,不能用湿润的淀粉KI试纸检验,B错误;D项,右侧pH会增大,D错误。?
命题点3:电解原理在环境治理方面的应用(应用性考点)
5.
(双选)化学在环境保护中起着十分重要的作用,电化学降解N的原理如图所示。下列说法不正确的是
(　　)?
A.A为电源的负极
B.溶液中H+从阳极向阴极迁移
C.Ag-Pt电极的电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O
D.电解过程中,每转移2
mol电子,则左侧电极就产生32
g
O2?
【解析】选A、D。根据题给电解装置图可知,Ag-Pt电极上N转化为N2,发生还原反应:2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,则Ag-Pt电极作阴极,B为电源的负极,故A为电源的正极,
A错误、C正确;在电解池中阳离子向阴极移动,所以溶液中H+从阳极向阴极迁移,B项正确;左侧电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,则每转移2
mol电子,左侧电极产生16
g
O2,D项错误。?
【加固训练—拔高】?
1.采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法。如图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。下列说法中正确的是
(　　)?
A.Zn与电源的负极相连
B.ZnC2O4在交换膜右侧生成
C.电解的总反应为2CO2+ZnZnC2O4
D.通入11.2
L
CO2时,转移0.5
mol电子?
【解析】选C。电解过程中Zn被氧化,作阳极,所以Zn与电源的正极相连,A错误;Zn2+透过阳离子交换膜到达左侧与生成的C2形成ZnC2O4,B错误;没有给出气体所处的温度和压强,D错误。
2.SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是
(　　)?
A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生还原反应
B.阴极得到2
mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2
mol?
C.吸收池中发生反应的离子方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS
D.阳极发生的反应式为SO2+2e-+2H2OS+4H+
【解析】选D。A项,阴极发生还原反应,亚硫酸氢根离子得电子生成S2,a是直流电源的负极,正确;B项,阴极发生还原反应,电极反应式为2HS+2e-+2H+S2+2H2O,阴极得到2
mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2
mol,正确;C项,S2与一氧化氮发生氧化还原反应,生成氮气,离子反应方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS,正确;D项,阳极发生失去电子的氧化反应,错误。?
3.如图为直流电源,为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,为电镀槽,接通电路后发现上的c点显红色,为实现铁上镀锌,接通后,使c、d两点短路。下列叙述正确的是
(　　)?
A.a为直流电源的负极
B.c极发生的反应为2H++2e-H2↑
C.f电极为锌板
D.e极发生还原反应
【解析】选B。为直流电源,为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,为电镀槽,接通电路后发现上的c点显红色,则c极为电解池阴极,d为阳极,c电极上氢离子放电生成氢气,d电极上氯离子放电生成氯气,则a是直流电源正极,b是直流电源负极;为实现铁上镀锌,接通K后,使c、d两点短路,e是电解池阳极,f是阴极,电镀时,镀层作阳极,待镀件作阴极。A项,a是直流电源正极,错误;B项,接通前,c极为电解池阴极,d为阳极,c电极上氢离子放电生成氢气,则c极发生的反应为2H++2e-H2↑,正确;C项,为实现铁上镀锌,锌作阳极,铁作阴极,所以e电极为锌板,错误;D项,e电极是阳极,阳极上失电子发生氧化反应,错误。
4.(2021·齐齐哈尔模拟)电解合成1,2-二氯乙烷的实验装置如图所示。下列说法中正确的是
(　　)?
A.该装置工作时,化学能转变为电能
B.CuCl2能将C2H4还原为1,
2-二氯乙烷?
C.X、Y依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜
D.该装置总反应为CH2CH2+2H2O+2NaClH2+2NaOH+ClCH2CH2Cl
【解析】选D。该装置为电解池,则工作时,电能转变为化学能,A项错误;C2H4中C元素化合价为-2价,ClCH2CH2Cl中C元素化合价为-1价,则CuCl2能将C2H4氧化为1,2-二氯乙烷,故B项错误;该电解池中,阳极发生的电极反应式为CuCl-e-+Cl-
CuCl2,阳极区需要氯离子参与,则X为阴离子交换膜,而阴极区发生的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,有阴离子生成,为保持电中性,需要电解质溶液中的钠离子,则Y为阳离子交换膜,故C项错误;装置中阳极首先发生反应:CuCl-e-
+Cl-CuCl2,生成的CuCl2再继续与C2H4反应生成1,2-二氯乙烷和CuCl,在阳极区循环利用,而阴极水中的氢离子放电生成氢气,其总反应方程式为CH2CH2
+2H2O+2NaClH2+2NaOH+ClCH2CH2Cl,故D项正确。
5.[Fe(CN)6]3-可将气态废弃物中的硫化氢氧化为可利用的硫,自身被还原为[Fe(CN)6]4-。工业上常采用如图所示的电解装置,通电电解,然后通入H2S加以处理。下列说法不正确的是
(　　)?
A.电解时,阳极反应式为[Fe(CN)6]4--e-[Fe(CN)6]3-
B.电解时,阴极反应式为2HC+2e-H2↑+2C
C.当电解过程中有标准状况下22.4
L
H2生成时,溶液中有32
g
S析出(溶解忽略不计)?
D.整个过程中需要不断补充K4[Fe(CN)6]与KHCO3
【解析】选D。电解时,阳极上[Fe(CN)6]4-失去电子,阳极的电极反应式为[Fe(CN)6]4--e-[Fe(CN)6]3-,A正确;阴极上HC放电,发生还原反应,阴极反应式为2HC+2e-H2↑+2C,B正确;标准状况下22.4
L
H2的物质的量为1
mol,则转移2
mol电子。H2S失去2
mol电子,生成1
mol单质S,即析出32
g
S,C正确;根据以上分析可知,反应的结果相当于是H2S被电解生成H2和S,所以不需要补充K4[Fe(CN)6]和KHCO3,D错误。?
考点三　电极反应式的书写与判断(命题指数★★★★★)
1.原电池电极反应式的书写:
书写电极反应式时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有
(1)拆分法。
①写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个电极反应,注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个电极反应:
正极:2Fe3++2e-2Fe2+
负极:Cu-2e-Cu2+
(2)加减法。
①写出总反应,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②写出其中容易写出的一个电极反应(正极或负极),如Li-e-Li+(负极)。
③利用总反应式与上述的一极反应式相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正极)。
2.燃料电池电极反应式的书写:
第一步:写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2CO2+2H2O①
CO2+2NaOHNa2CO3+H2O②
①式+②式得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOHNa2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
①酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-2H2O;
②碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-4OH-;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-2O2-;
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-2C。
第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式,电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
3.电解池电极反应式的书写:
(1)步骤
(2)注意事项
①书写电解池的电极反应式时,可以用实际放电的离子表示,但书写电解池的总反应时,H2O要写成分子式。如用惰性电极电解食盐水时,阴极反应式为2H++2e-H2↑(或2H2O+2e-H2↑+2OH-),总反应式为2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑。
②阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。
③电解水溶液时,K+～Al3+不可能在阴极放电,即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)用石墨作电极电解CuSO4溶液的方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。
(　　)?
提示:√。溶液中Cu2+和OH-生成Cu和O2。
(2)在Mg-NaOH(aq)-Al电池中负极反应为Al-3e-+4OH-Al+2H2O。
(　　)?
提示:√。碱性条件下,Al与NaOH溶液发生反应,作负极。
(3)用铜作阳极、石墨作阴极电解CuCl2溶液时,阳极电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑。
(　　)?
提示:×。活性金属作阳极时,金属首先失电子被氧化,故阳极反应为Cu-2e-Cu2+。
(4)甲烷燃料电池在碱性环境下负极的反应式为CH4-8e-+2H2OCO2+8H+。
(　　)?
提示:×。碱性电解质溶液环境下电极反应式为CH4+10OH--8e-C+7H2O。
(5)以Fe为阳极,电解处理含Cr2的废水,铬最终以Cr(OH)3沉淀除去,则阳极反应为Fe-3e-Fe3+。
(　　)?
提示:×。阳极反应为Fe-2e-Fe2+,Cr2与Fe2+发生氧化还原反应生成Cr3+和Fe3+,Cr3+和Fe3+与阴极区放电生成的OH-反应生成氢氧化物沉淀。
2.按要求书写电极反应式
(1)用惰性电极电解NaCl溶液:
①阳极:____________________________________________。?
②阴极:
____________________________________________。?
(2)用惰性电极电解CuSO4溶液:
①阳极:
____________________________________________。?
②阴极:
____________________________________________。?
(3)用惰性电极电解熔融MgCl2:
①阳极:
____________________________________________。?
②阴极:
____________________________________________。?
(4)铁作阳极,石墨作阴极电解NaOH溶液:
①阳极:
____________________________________________。?
②阴极:
____________________________________________。?
提示:(1)①2Cl--2e-Cl2↑
②2H++2e-H2↑
(2)①4OH--4e-2H2O+O2↑(或2H2O-4e-O2↑+4H+)
②2Cu2++4e-2Cu
(3)①2Cl--2e-Cl2↑
②Mg2++2e-Mg
(4)①Fe-2e-+2OH-Fe(OH)2
②2H2O+2e-H2↑+2OH-
命题角度1:原电池电极反应式的书写与判断
【典例1】2019
年
5
月,香港理工大学宣布研发出超柔软高效能织物[柔性S/
HPCNF
(分级多孔碳纳米纤维)]锂空气二次电池,在
S/
HPCNF
织物上均匀地沉积铜和镍,取代一般锂电池表面的金属箔,
以提高柔软度,电池的工作原理如图:?
按要求书写电极反应式:
①放电时,Li发生的电极反应为?_____________________________________。?
②充电时,阳极的电极反应为?_______________________________________。?
【解析】①由图示可知放电时,Li失去电子生成Li+,电极反应为Li-e-Li+。
②充电时,阳极发生氧化反应,电极反应为放电反应的逆过程,即Li2O2-2e-O2↑+2Li+。
答案:①Li-e-Li+
②Li2O2-2e-O2↑+2Li+
在题干条件不变的情况下,下列有关说法错误的是
(　　)?
A.放电时,O2发生还原反应
B.沉积铜和镍是为了增强织物的导电性
C.充电时,Li+移向金属锂一极
D.电池工作时,电子的流向为金属锂电极→有机电解质溶液→柔性S/HPCNF电极
【解析】选D。放电时,氧原子得电子,化合价降低,发生还原反应,故A正确;铜和镍是金属,属于导体,沉积铜和镍是为了增强织物的导电性,故B正确;充电时,阳离子移向阴极,Li+移向金属锂一极,故C正确;电子不能在有机电解质溶液中移动,故D错误。
【备选例题】?
硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。由硫化氢获得硫单质有多种方法。将用烧碱吸收H2S后所得的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解。电解过程中阳极区发生如下反应:?
S2--2e-S　(n-1)S+S2-?
①写出电解时阴极的电极反应式:
____________________________________。?
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成?
____________________________________________。?
【解析】①电解时,阴极区溶液中的阳离子放电,即水溶液中的H+放电生成H2。②由题给反应可知,阳极区生成了,可以理解为(n-1)S+S2-,加入稀硫酸生成S单质和H2S气体。
答案:①2H2O+2e-H2↑+2OH-
②+2H+(n-1)S↓+H2S↑
命题角度2:电解池电极反应式的书写
【典例2】(2021年广东适应性测试)环氧乙烷(C2H4O)常用于医用消毒,一种制备方法为:使用惰性电极电解KCl溶液,用Cl-交换膜将电解液分为阴极区和阳极区,其中一区持续通入乙烯;电解结束,移出交换膜,两区混合反应:HOCH2CH2Cl+OH-Cl-+H2O+C2H4O。下列说法错误的是
(　　)?
A.乙烯应通入阴极区
B.移出交换膜前存在反应Cl2+H2OHCl+HClO
C.使用Cl-交换膜阻止OH-通过,可使Cl2生成区的pH逐渐减小
D.制备过程的总反应为:H2CCH2+H2OH2↑+C2H4O
【解析】选A。根据题意,电解时两区分别生成HOCH2CH2Cl、OH-,可推知,阴极区反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑,C2H4则在阳极区反应,生成HOCH2CH2Cl,A错误;阳极区涉及反应包括:2Cl--2e-Cl2↑,Cl2+H2OHCl+HClO,HClO+C2H4HOCH2CH2Cl,B正确;由于Cl-交换膜的存在,Cl2与OH-不相互接触,阳极区总反应为2Cl--2e-+H2O+C2H4HOCH2CH2Cl+HCl,因此pH下降,C正确;由阳极区总反应、阴极反应以及两极混合反应,三个反应相加,可得总反应为C2H4+H2OH2↑+C2H4O。
1.可充电电池电极反应式的书写技巧:
书写可充电电池电极反应式时,一般都是先书写放电时的电极反应式。书写放电时的电极反应式时,一般要有三个步骤:
第一,先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,找出参与负极和正极反应的物质;
第二,写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液反应);
第三,在电子守恒的基础上,利用总反应式减去写出的电极反应式即可得到另一电极反应式。
2.“信息型”电解池电极反应式的书写技巧:
①仔细分析“文字”信息或“图片”信息,找出阴、阳极及电解质溶液。
②可利用阴、阳离子在阳极、阴极的放电顺序或题目信息确定电极产物,利用电荷守恒思想配平。
命题点1:基本电极反应式的书写(基础性考点)
1.以甲醇为燃料,写出下列介质中的电极反应式
(1)酸性溶液
正极:
____________________________________________;?
负极:
____________________________________________。?
(2)碱性溶液
正极:
____________________________________________;?
负极:
____________________________________________。?
(3)固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动)
正极:
____________________________________________;?
负极:
____________________________________________。?
(4)熔融碳酸盐(C)
正极通入CO2:
____________________________________________;?
负极:
____________________________________________。?
答案:(1)正极:O2+6e-+6H+3H2O
负极:CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+
(2)正极:O2+6e-+3H2O6OH-
负极:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
(3)正极:O2+6e-3O2-
负极:CH3OH-6e-+3O2-CO2+2H2O
(4)正极:O2+6e-+3CO23C
负极:CH3OH-6e-+3C4CO2+2H2O
2.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:
____________________________________________;?
阴极反应式:
____________________________________________;?
总反应离子方程式:
____________________________________________。?
(2)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式:
____________________________________________;?
阴极反应式:
____________________________________________;?
总反应离子方程式:
____________________________________________。?
答案:(1)2Cl--2e-Cl2↑
Mg2++2H2O+2e-H2↑+Mg(OH)2↓
Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+
6H++6e-3H2↑
2Al+3H2OAl2O3+3H2↑
命题点2:“信息型”电极反应式的书写与判断(应用性考点)
3.(1)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂,KOH作电解质。
负极反应式为____________________________________________;?
正极反应式为____________________________________________。?
(2)Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池,电池反应方程式为2AgCl+MgMg2++2Ag+2Cl-。
①负极反应式为____________________________________________;?
②正极反应式为____________________________________________。?
【解析】根据装置可知N2H4→N2为氧化反应,在负极上发生反应。
答案:(1)N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O
O2+4e-+2H2O4OH-
(2)①Mg-2e-Mg2+
②2AgCl+2e-2Ag+2Cl-
【加固训练—拔高】?
1.我国科学家发明了一种“可固氮”的镁-氮二次电池,其装置如图所示,下列说法不正确的是
(　　)?
A.固氮时,电池的总反应为3Mg+N2Mg3N2
B.脱氮时,钌复合电极的电极反应式为Mg3N2-6e-3Mg2++N2↑
C.固氮时,外电路中电子由钌复合电极流向镁电极
D.当无水LiCl-MgCl2混合物受热熔融后电池才能工作
【解析】选C。固氮时该装置为原电池装置,镁为活泼金属,作负极,被氧化成Mg2+,钌复合电极为正极,氮气在电极上发生还原反应生成N3-,与熔融电解质中镁离子生成Mg3N2,所以总反应为3Mg+N2Mg3N2,故A正确;脱氮时,-3价的氮要被氧化,
钌复合电极应发生氧化反应,Mg3N2失电子发生氧化反应生成氮气,电极反应:Mg3N2-6e-3Mg2++N2↑,故B正确;固氮时,镁电极为负极,外电路中电子由负极镁电极流向钌复合电极,故C错误;无水LiCl-MgCl2混合物常温下为固体,无自由移动离子,不能导电,受热熔融后产生自由移动离子导电,电池才能工作,故D正确。?
2.(2021年全国高考冲刺压轴卷)我国科学家设计二氧化碳熔盐捕获及电化学转化装置,其示意图如下:
下列说法正确的是
(　　)?
A.b为电源的负极,d为电解池的阳极
B.过程①②中捕获CO2时碳的化合价发生了变化
C.a极的电极反应式为2C2-4e-4CO2↑+O2↑
D.上述装置中总反应的化学方程式为C+O2CO2
【解析】选C。a电极为C2失去电子,发生氧化反应生成氧气,d电极为碳酸根离子得到电子,发生还原反应生成碳,总反应为CO2C+O2。a电极发生氧化反应,是电解池的阳极,连接的为正极,即b为正极,A错误;
过程①捕获CO2时生成的C2的碳元素的化合价是+4价,②捕获CO2时生成的C的碳元素的化合价是+4价,碳的化合价均未发生变化,B错误;由电解装置可知,
a极的电极反应式为2C2-4e-4CO2↑+O2↑,C正确;
由电解装置可知,a电极生成氧气,d电极生成碳单质,电解总反应为CO2C+O2,D错误。?
3.按要求书写电极反应式
(1)电解装置如图,电解槽内装有KI及淀粉溶液,中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电,发现左侧溶液变蓝色,一段时间后,蓝色逐渐变浅。
已知:3I2+6OH-I+5I-+3H2O
①阳极:
____________________________________________。?
②阴极:
____________________________________________。?
(2)可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO2,当吸收液失去吸收能力时,可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极),并生成化工原料硫酸。其工作示意图如下。
①阳极:
____________________________________________。?
②阴极:
____________________________________________。?
答案:(1)①2I--2e-I2
②2H2O+2e-H2↑+2OH-
(2)①HS-2e-+H2O3H++S
②2H++2e-H2↑(或2H2O+2e-H2↑+2OH-)
考点四　金属的腐蚀与防护(命题指数★★★★)
1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较:
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟干燥气体或非电解质液体接触
不纯金属或合金跟电解质溶液接触
现象
无电流产生
有微弱电流产生
本质
金属被氧化
较活泼金属被氧化
联系
两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍
2.析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较:
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强
水膜酸性很弱或呈中性
电极反应
负极
Fe-2e-Fe2+
正极
2H++2e-H2↑
O2+2H2O+4e-4OH-
总反应式
Fe+2H+Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普遍
铁锈的形成:4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O。
3.金属的防护:
(1)电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理
a.负极:比被保护金属活泼的金属;
b.正极:被保护的金属设备。
②外加电流的阴极保护法——电解原理
a.阴极:被保护的金属设备;
b.阳极:惰性金属。
(2)改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。
(3)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)纯银器在空气中因电化学腐蚀表面渐渐变暗。(　　)?
提示:×。Ag与O2直接接触发生化学反应而使表面渐渐变暗。
(2)金属的化学腐蚀比电化学腐蚀更普遍。
(　　)?
提示:×。金属的电化学腐蚀更普遍。
(3)生铁浸泡在食盐水中发生析氢腐蚀。
(　　)?
提示:×。食盐水为中性溶液,生铁发生吸氧腐蚀。
(4)当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用。
(　　)?
提示:×。由于铁比锡活泼,锡层破损后,形成原电池,铁作负极,腐蚀加快。
(5)牺牲阳极的阴极保护法是利用电解原理防腐蚀。(　　)?
提示:×。牺牲阳极的阴极保护法是利用原电池原理防腐。
(6)将水库中的水闸(钢板)与外加直流电源的负极相连,可防止水闸被腐蚀。
(　　)?
提示:√。外加电流的阴极保护法是把被保护的器件作阴极,与外加电源负极相连。
2.如图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。
(1)该电化学腐蚀是哪种类型的腐蚀?
(2)图中A、B、C、D四个区域,生成铁锈最多的是哪个区域?
提示:(1)吸氧腐蚀　(2)B?
命题角度1:金属的腐蚀
【典例1】深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌作用下,能被硫酸根腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示,下列与此原理有关说法错误的是
(　　)?
A.正极反应为S+5H2O+8e-HS-+9OH-
B.输送暖气的管道不易发生此类腐蚀
C.这种情况下,Fe腐蚀的最终产物为Fe2O3·xH2O
D.管道上刷富锌油漆可以延缓管道的腐蚀
【以图析题·培养关键能力】?
【解析】选C。原电池的正极发生还原反应,由题图可知,发生的电极反应为S+5H2O+8e-HS-+9OH-,故A正确;硫酸盐还原菌是蛋白质,在高温下易变性,失去催化作用,则输送暖气的管道不易发生此类腐蚀,故B正确;由题图可知,Fe腐蚀的最终产物为Fe2+,故C错误;管道上刷富锌油漆,形成Zn-Fe原电池,Fe为正极被保护,可以延缓管道的腐蚀,故D正确。?
【备选例题】?
(2021·金华模拟)如图所示装置,均盛有等体积等浓度的稀硫酸,工作相同的时间后测得均通过n
mol
e-。下列叙述错误的是(不考虑溶液体积的变化)
(　　)?
A.铁棒的腐蚀程度:甲<乙
B.石墨电极上发生反应的电极反应式相同
C.溶液的pH:甲减小,乙增大
D.甲、乙产生气体的体积(相同条件)比为3∶2
【解析】选B。A.甲中Fe作阴极,被保护,乙中铁作负极被腐蚀,所以铁棒的腐蚀程度:甲<乙,故A正确;B.甲中石墨电极上氢氧根离子放电生成氧气,乙中石墨电极上氢离子放电生成氢气,所以二者电极反应式不同,故B错误;C.甲中电池反应式为2H2O2H2↑+O2↑,乙中电池反应式为Fe+2H+H2↑+Fe2+,甲中硫酸浓度增大、乙中硫酸浓度减小,所以溶液的pH:甲减小,乙增大,故C正确;D.假设都转移4
mol电子,甲中生成气体的物质的量为3
mol、乙中生成气体的物质的量为2
mol,所以相同条件下气体的体积之比为3∶2,故D正确。?
命题角度2:金属的防护
【典例2】(2020·江苏高考)将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中,下列有关说法正确的是
(　　)?
A.阴极的电极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.金属M的活动性比Fe的活动性弱
C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
【解析】选C。A项,该装置为原电池,阴极处为正极,参与电极反应的可能是O2或是溶液中的H+,错误;B项,M比Fe活泼,M将电子转移至Fe处,错误;C项,Fe表面有M传过来的电子,则O2或H+得到的电子不是Fe失去的电子,故Fe被保护,正确;D项,海水中存在电解质溶液,所以更容易发生电化学腐蚀,错误。
人教版选修4教材P86:牺牲阳极法示意图如图:
教材描述牺牲阳极法通常是在被保护的钢铁设备上安装若干镁合金或锌块,镁、锌比铁活泼,它们就成为原电池的负极,不断遭受腐蚀,而作为正极的钢铁设备就被保护起来。
(1)为了减小某水库的铁闸门被腐蚀的速率,连接在铁闸门上的固体材料可以采用　　　　(填写字母序号)。
?
A.铜　　　　B.钠　　　　C.锌　　　　D.石墨?
(2)如图所示的方案也可以减小铁闸门的腐蚀速率,其中铁闸门应该连接在直流电源的　　　　极。
?
(3)在海洋工程上,通常用铝合金(Al-Zn-Cd)保护海底钢铁设施,其中负极发生的电极反应为?____________________________________________;?
在实际应用中,用铝合金而不选用纯铝,纯铝不能很好地起到保护作用,其原因是?____________________________________________。?
【解析】Fe发生吸氧腐蚀,常见保护方法有牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
答案:(1)C　(2)负　(3)Al-3e-Al3+　铝表面易被氧化,生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,使金属铝呈现“惰性”?
判断金属腐蚀快慢的方法
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢:电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。?
(2)对同一金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(浓度相同)
(3)活泼性不同的两种金属,活泼性差异越大,腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀速率越快。
命题点1:金属腐蚀与防护(基础性考点)
1.(双选)泰山站是中国在南极建设的第四个科学考察站。为了延长科学考察站基础设施使用寿命,钢铁设备表面镶嵌一些金属块(M)。下列说法正确的是
(
)?
A.金属块M可能是铜,发生氧化反应
B.这种保护方法叫牺牲阳极的阴极保护法
C.科学考察站里的设备在潮湿空气中主要发生化学腐蚀
D.若采用外加电流的阴极保护法,设备与电源负极相连
【解析】选B、D。如果金属块M是铜,铜与钢铁设备构成原电池时,铁为负极,腐蚀速率加快,故A错误;为了延长科学考察站基础设施使用寿命,钢铁设备表面镶嵌一些金属块(M),M应该充当原电池的负极,这种保护方法叫牺牲阳极的阴极保护法,故B正确;科学考察站里的设备在潮湿空气中主要发生电化学腐蚀,故C错误;若采用外加电流的阴极保护法,钢铁设备应该与电源负极相连,充当电解池的阴极,被保护,故D正确。
2.高压直流电线路的瓷绝缘子经日晒雨淋容易出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽腐蚀,防护原理如图所示。下列说法错误的是
(　　)?
A.通电时,锌环是阳极,发生氧化反应
B.通电时,阴极上的电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.断电时,锌环上的电极反应为Zn2++2e-Zn
D.断电时,仍能防止铁帽被腐蚀
【解析】选C。通电时,锌环与电源正极相连,作阳极,发生氧化反应,A项正确;通电时,铁帽为阴极,发生还原反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,B项正确;断电时,形成原电池,锌环为负极,发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+,C项错误;断电时,形成原电池,铁帽为正极,此为牺牲阳极的阴极保护法,仍能防止铁帽被腐蚀,D项正确。
命题点2:金属的腐蚀试验探究(综合性考点)
3.某化学小组通过手持技术探究铁钉在4种溶液中的吸氧腐蚀实验,相关数据如表所示。
实验装置
实验编号
浸泡液
pH
氧气体积分数随时间的变化
①
1.0
mol·L-1NH4Cl
5
②
0.5
mol·L-1(NH4)2SO4
5
③
1.0
mol·L-1NaCl
7
④
0.5
mol·L-1Na2SO4
7
已知铁在负极被氧化的过程由3个步骤构成:①Fe+H2O-e-Fe(OH)ads(吸附物)+H+;②Fe(OH)ads(吸附物)-e-FeOH+;③FeOH++H+Fe2++H2O。下列说法错误的是
(　　)?
A.铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.上述实验的正极反应式均为O2+4e-+4H+2H2O
C.300
min内,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液>中性溶液?
D.曲线先陡后平可能是由于溶液碱性增强促进氢氧化物生成,阻碍反应继续进行
【解析】选B。由题给信息知,铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+,故A正确;吸氧腐蚀是在中性或弱酸性环境中发生的,故正极反应式均为O2+4e-+2H2O4OH-,故B错误;①②溶液显酸性,③④溶液显中性,根据图象可知,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液大于中性溶液,故C正确;氧气体积分数下降曲线先陡后平,一方面是由于氧气体积分数降低后使腐蚀速率变慢,另一方面也可能是由于溶液碱性增强促进氢氧化物的生成,氢氧化物覆盖在铁钉表面阻碍反应继续进行,故D正确。
1.(2020·全国Ⅱ卷)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。如图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色,对于该变化过程,下列叙述错误的是
(　　)?
A.Ag为阳极
B.Ag+由银电极向变色层迁移
C.W元素的化合价升高
D.总反应为:WO3+xAgAgxWO3
【解析】选C。由外加电源可知该装置为电解装置。由“通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3”可知,Ag为阳极,Ag+由银电极向变色层(阴极)迁移,A、B正确;WO3生成AgxWO3,W的化合价降低x价,C错误;阳极电极反应式为xAg-xe-
xAg+,阴极电极反应式为WO3+xe-+xAg+AgxWO3,两极电极反应式相加得总反应式为WO3+xAgAgxWO3。
2.(2020·浙江7月选考)电解高浓度RCOONa(羧酸钠)的NaOH溶液,在阳极RCOO-放电可得到R—R(烷烃)。下列说法不正确的是
(　　)?
A.电解总反应方程式:2RCOONa+2H2OR—R+2CO2↑+H2↑+2NaOH
B.RCOO-在阳极放电,发生氧化反应
C.阴极的电极反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑
D.电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷
【解析】选A。因为阳极RCOO-放电可得到R—R(烷烃)和生成CO2,在强碱性环境中,CO2会与OH-反应生成C和H2O,故阳极的电极反应式为2RCOO--2e-+4OH-
R—R+2C+2H2O,阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH-,阴极的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,因而电解总反应方程式为2RCOONa+2NaOH
R—R+2Na2CO3+H2↑,A说法不正确;RCOO-在阳极放电,电极反应式为2RCOO-
-2e-+4OH-R—R+2C+2H2O,—COO-中碳元素的化合价由+3价升高为+4价,发生氧化反应,烃基—R中元素的化合价没有发生变化,B说法正确;阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH-,阴极的电极反应为2H2O+2e-2OH-+H2↑,C说法正确;根据题中信息,由上述电解总反应方程式可以确定下列反应能够发生:2CH3COONa+2NaOHCH3—CH3+2Na2CO3+H2↑,2CH3CH2COONa+2NaOHCH3CH2—CH2CH3+2Na2CO3+H2↑,CH3COONa+CH3CH2COONa+2NaOHCH3—CH2CH3+2Na2CO3+H2↑。因此,电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷,D说法正确。
3.(2019·全国Ⅲ卷)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:
负极区发生的反应有_________________________________(写反应方程式)。?
电路中转移1
mol电子,需消耗氧气　　　　L(标准状况)。?
【解析】根据示意图中H+的流动方向可以判断电源的正负极情况,左侧为负极,右侧为正极。根据示意图中负极区物质的转化可以写出相应的方程式:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O。在反应中,1
mol
O2得到4
mol电子,所以转移1
mol电子时消耗氧气0.25
mol,在标准状况下的体积为5.6
L。?
答案:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O　5.6?
【加固训练—拔高】?
1.(2018·北京高考)验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的
3%
NaCl
溶液)。?
①
②
③
在Fe表面生成蓝色沉淀
试管内无明显变化
试管内生成蓝色沉淀
下列说法不正确的是
(　　)?
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
【解析】选D。根据实验②的现象可知,在酸化的3%NaCl溶液中Fe电极未溶解,根据实验③的现象可知,Fe在酸化的3%NaCl溶液生成了Fe2+,两者对照,可以判定Zn保护了Fe,A正确;根据实验②取出Fe附近的溶液,滴加K3[Fe(CN)6]溶液,无明显变化,可知Fe电极附近未生成Fe2+,而实验①中Fe表面变蓝,说明K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化,B、C正确;将Zn换成Cu,用①的方法K3[Fe(CN)6]可将Fe氧化,Fe表面也会生成蓝色沉淀,不能根据电化学原理判断Fe比Cu活泼。
2.(1)(2019·全国Ⅱ卷)环戊二烯()可用于制备二茂铁(Fe(C5H5)2,结构简式为),后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。
该电解池的阳极为__________________________________________,?总反应为__________________________________________________。电解制备需要在无水条件下进行,原因为____________________________。?
(2)(2019·北京高考)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。
①制H2时,连接　　　　。产生H2的电极反应式是________________。?
②改变开关连接方式,可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式,说明电极3的作用:_________。?
【解析】(1)由原理图可知,Fe电极的铁生成Fe2+,发生氧化反应,Fe电极为电解池的阳极;由图可知有H2生成,电解池的总反应为Fe+2+H2↑。中间物Na能与水反应,且水会电解生成OH-,与Fe2+反应生成Fe(OH)2,故电解制备需要在无水条件下进行。
(2)①电极生成H2时,根据电极放电规律可知H+得到电子变为氢气,因而电极须连接负极,因而制取H2时,连接K1,该电池在碱性溶液中,由H2O提供H+,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用。
答案:(1)Fe电极　Fe+2+H2↑(Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑)?
水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2
(2)①K1　2H2O+2e-H2↑+2OH-?
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用
1.电解池组成“3条件”:
(1)外接电源;(2)电解质溶液;(3)闭合回路。
2.离子放电“2顺序”(惰性电极):
(1)阳极:S2->I->Br->Cl->OH-。
(2)阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(H2O)>Al3+。
3.电解池阴、阳极“4特点”:
(1)阳极:外接直流电源正极——流出电子——发生氧化反应——阴离子移向。
(2)阴极:外接直流电源负极——流入电子——发生还原反应——阳离子移向。
4.电解原理应用的“4方面”:
(1)电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(2)电镀时,待镀的金属制品作阴极,镀层金属作阳极,用含镀层金属离子的溶液作电镀液。
(3)电解精炼铜时,用纯铜作阴极,粗铜作阳极,用CuSO4溶液作电解液。
(4)电解熔融Al2O3制取铝,电解熔融氯化钠制取钠,电解熔融MgCl2制取镁。
5.金属的2种腐蚀与3种保护:
(1)两种腐蚀:析氢腐蚀、吸氧腐蚀(关键在于电解液的pH)。
(2)三种保护:电镀保护、牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法。
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-第一讲　化学反应与能量的变化
考点一　焓变　反应热(命题指数★★★★★)
1.化学反应的实质与特征:
(1)实质:反应物中化学键的断裂和生成物中化学键的形成。
(2)特征:既有物质变化,又伴有能量变化,通常主要表现为热量的变化。
2.反应热和焓变:
(1)反应热:化学反应中放出或吸收的热量。
(2)焓变:在恒压条件下化学反应的热效应,其符号为ΔH,单位是kJ/mol(或kJ·mol-1)。
3.吸热反应和放热反应:
(1)从反应物和生成物的总能量相对大小的角度分析。
(2)从化学键的变化角度分析。
(3)常见放热反应。
①可燃物的燃烧;②酸碱中和反应;③大多数化合反应;④金属跟酸的置换反应;⑤物质的缓慢氧化。
(4)常见吸热反应。
①大多数分解反应;②Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应;③碳和水蒸气、C和CO2的反应。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)物质发生化学变化都伴有能量的变化。
(　　)?
提示:√。任何化学反应均有化学键的断裂和形成,断键吸热,成键放热,所以一定伴随着能量变化。
(2)放热反应不需要加热就能反应,吸热反应不加热就不能反应。
(　　)?
提示:×。化学反应是吸热还是放热与反应条件没有必然联系。
(3)NH4NO3固体溶于水时吸热,属于吸热反应。
(　　)?
提示:×。NH4NO3固体溶于水是物理变化,不属于吸热反应。
(4)同温同压下,反应H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)在光照和点燃条件下的ΔH不同。
(　　)?
提示:×。焓变与反应条件无关,此反应在光照和点燃条件下的ΔH相同。
(5)活化能越大,表明反应断裂旧化学键需要克服的能量越大。
(　　)?
提示:√。断裂旧化学键所需要克服的能量总和就等于该反应的活化能,故说法正确。
2.H2O2分解反应过程能量变化如图所示:
(1)该反应是　　　　(填“吸热”或“放热”)反应,2H2O2(l)2H2O(l)+O2(g)　ΔH=　　　　。?
(2)使用MnO2催化剂,E3将　　　　(填“升高”“降低”或“不变”)。?
提示:(1)放热　2(E1-E2)?
(2)降低。根据图示可知,该反应是放热反应;根据图中数据,2H2O2(l)2H2O(l)+O2(g)　ΔH=2(E1-E2);使用催化剂,能降低反应的活化能。?
命题角度1:反应热与能量变化的关系
【典例1】
某反应使用催化剂后,其反应过程中能量变化如图所示,下列说法错误的是
(　　)?
A.总反应为放热反应
B.使用催化剂后,活化能不变
C.反应①是吸热反应,反应②是放热反应
D.ΔH=ΔH1+ΔH2
【解析】选B。由题图可知,反应①是吸热反应,反应②是放热反应,总反应是放热反应,且ΔH=ΔH1+ΔH2,A、C、D项正确;催化剂能降低反应的活化能,B项错误。
已知反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4
kJ·mol-1,在催化剂存在时反应过程中的能量变化如图所示。下列叙述正确的是
(　　)?
A.反应的ΔH=E4-E3+E2-E1
B.加入催化剂,ΔH不变,活化能降低,反应速率加快
C.加入催化剂后反应经过两步完成,其中第一步决定反应速率
D.向密闭容器中充入1
mol
N2和3
mol
H2发生反应达平衡时,放出92.4
kJ热量?
【解析】选B。A.①A→B的反应焓变为E1-E2,②B→C的反应焓变为E3-E4,①+②可得:A→C,结合盖斯定律A→C的反应焓变为E1-E2+E3-E4,故A错误;B.加入催化剂可以改变反应历程,降低反应活化能,加快反应速率,但是不改变始终态,所以焓变不变,故B正确;C.由图可知加入催化剂后反应经过两步完成,第一步反应的活化能E1小于第二步反应的活化能E3,所以第二步反应较慢,其决定总反应速率,故C错误;D.由3H2(g)+N2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4
kJ·mol-1可知,若消耗3
mol
H2和1
mol
N2,会放出92.4
kJ热量,但向密闭容器中充入3
mol
H2和1
mol
N2,由于该反应是可逆反应,无法完全反应,所以反应放出热量小于92.4
kJ,故D错误。?
【思维升华】?
两道试题均考查了化学反应的催化历程中能量的变化。解答此类问题时需注意:?
(1)分析能量示意图时,要明确反应物、中间产物、生成物,根据物质能量的高低判断反应过程中的能量变化,注意催化剂的加入可降低反应的活化能,但不会改变反应的焓变。
(2)若题目中出现粒子构成时,要观察粒子结构的变化,分析不同反应阶段化学键的断裂或形成情况,最终确定反应过程中的能量变化。
【备选例题】?
中国学者在水煤气变换[CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　ΔH]中突破了低温下高转化率与高反应速率不能兼得的难题,该过程是基于双功能催化剂(能吸附不同粒子)催化实现的。反应过程示意图如下:?
下列说法正确的是
(　　)?
A.过程Ⅰ、过程Ⅲ均为放热过程
B.过程Ⅲ生成了具有极性共价键的H2、CO2
C.使用催化剂降低了水煤气变换反应的ΔH
D.图示过程中的H2O均参与了反应过程
【解析】选D。根据反应过程示意图,过程Ⅰ是水分子中的化学键断裂的过程,为吸热过程,故A错误;过程Ⅲ中CO、氢氧原子团和氢原子形成了二氧化碳、水和氢气,H2中的化学键为非极性键,故B错误;催化剂不能改变反应的ΔH,故C错误;根据反应过程示意图,过程Ⅰ中水分子中的化学键断裂,过程Ⅱ也是水分子中的化学键断裂的过程,过程Ⅲ中形成了水分子,因此H2O均参与了反应过程,故D正确。
命题角度2:利用键能计算ΔH
【典例2】工业上,在一定条件下利用乙烯和水蒸气反应制备乙醇,化学原理为CH2CH2(g)+H2O(g)CH3CH2OH(g)　ΔH。已知几种共价键的键能如表所示:?
化学键
C—H
CC
H—O
C—C
C—O
键能/(kJ·mol-1)
413
615
463
348
351
则上述反应式中,ΔH=　　　　。?
【解析】题述反应式中,ΔH=615
kJ·mol-1+413
kJ·mol-1×4+463
kJ·mol-1×2-348
kJ·mol-1-413
kJ·mol-1×5-463
kJ·mol-1-351
kJ·mol-1=-34
kJ·mol-1。?
答案:-34
kJ·mol-1?
在题干条件不变的情况下,下列说法中错误的是
(　　)?
A.碳碳双键的键能小于碳碳单键的键能的2倍
B.相同时间段内,反应中用三种物质表示的反应速率相等
C.上述合成乙醇的反应是放热反应
D.CH3CH2OH(g)CH2CH2(g)+H2O(g)　ΔH=-96
kJ·mol-1?
【解析】选D。由题中数据可知,碳碳双键的键能小于碳碳单键的键能的2倍,A正确;反应混合物中,各物质的化学计量数相同,所以相同时间段内,反应中用三种物质表示的反应速率相等,B正确;上述反应式中,ΔH=615
kJ·mol-1+413
kJ·mol-1×4+463
kJ·mol-1×2-348
kJ·mol-1-413
kJ·mol-1×5-463
kJ·mol-1-351
kJ·mol-1=-34
kJ·mol-1,ΔH<0,所以此反应为放热反应,C正确;反应CH3CH2OH(g)CH2CH2(g)+H2O(g)与合成乙醇的反应方向相反,可知其ΔH=+34
kJ·mol-1,D错误。?
【备选例题】?
N4分子结构为正四面体形(如图所示)。已知:断裂N4(g)中
1
mol
N—N键吸收193
kJ能量,形成N2(g)中1
mol
N≡N
放出941
kJ能量。下列说法正确的是
(　　)?
A.形成1
mol
N4(g)中的化学键放出193
kJ的能量?
B.N4(g)比N2(g)更稳定
C.1
mol
N2(g)完全转化为N4(g),体系的能量增加362
kJ?
D.N4(g)2N2(g)　ΔH=+724
kJ·mol-1?
【解析】选C。从结构图中可看出,一个N4分子中含有6个
N—N键,形成1
mol
N4(g)中的化学键放出6×193
kJ
的能量,A项错误;从结构图中可看出,一个N4分子中含有6个N—N键,根据N4(g)2N2(g)可知ΔH=6×193
kJ·mol-1-2×941
kJ·mol-1=-724
kJ·mol-1,这说明
N2(g)的总能量小于N4(g),因此N2(g)比N4(g)更稳定,B项错误;根据B选项中分析可知1
mol
N2(g)完全转化为
N4(g),体系的能量增加
362
kJ,C项正确;由B项分析可知,D项错误。?
1.图解反应热与活化能的关系:
(1)注意活化能在图示中的意义。
①从反应物至最高点的能量数值表示正反应的活化能(E1);
②从最高点至生成物的能量数值表示逆反应的活化能(E2);
③ΔH=E1-E2。
(2)催化剂只影响正、逆反应的活化能,而不影响反应的焓变。
(3)涉及反应热的有关计算时,要特别注意图示中反应物和生成物的物质的量。
2.利用键能计算ΔH的方法:
(1)计算公式:ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能。
(2)常见1
mol物质中的化学键数目。?
物质
CO2(CO)
CH4(C—H)
P4(P—P)
SiO2(Si—O)
键数
2
4
6
4
物质
石墨
金刚石
S8(S—S)
Si
键数
1.5
2
8
2
命题点1:反应热过程中的能量变化(基础性考点)
1.
(双选)根据如图所示的反应,判断下列说法中错误的是
(　　)?
A.CO2(g)和CaO(s)的总能量大于CaCO3(s)的总能量
B.该反应的焓变小于零
C.该反应中既有离子键断裂也有共价键断裂,化学键断裂吸收能量,化学键生成放出能量
D.由该反应可推出凡是需要加热才发生的反应均为吸热反应
【解析】选B、D。因为碳酸钙受热分解是吸热反应,所以CO2(g)和CaO(s)的总能量大于CaCO3(s)的总能量,焓变大于零,A项正确,B项错误;在CaCO3中,Ca2+和C之间存在离子键,C中C与O之间存在共价键,故反应中既有离子键断裂也有共价键断裂,断键吸收能量,成键放出能量,C项正确;需要加热才发生的反应不一定为吸热反应,如碳的燃烧反应就是放热反应,D项错误。
2.关于2NO(g)+O22NO2(g)
的反应历程与能量变化关系如图所示,下列叙述正确的是
(　　)?
A.第Ⅱ步反应物的活化能高于第Ⅰ步
B.使用合适的催化剂可以减小E1、E2和E3
C.第Ⅰ步和第Ⅱ步反应均为吸热反应
D.NO3为反应的最终产物之一
【解析】选A。第Ⅱ步反应物的活化能高于第Ⅰ步,A正确;使用合适的催化剂只能减小反应的活化能,E3为反应的ΔH,不能改变,B错误;第Ⅱ步反应是放热反应,C错误;NO3为反应的中间产物,D错误。
命题点2:与ΔH相关的基本计算(综合性考点)
3.用Cl2生产某些含氯有机物时会产生副产物HCl。利用如下反应,可实现氯的循环利用:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)　ΔH=-115.6
kJ·mol-1。下列说法正确的是
(　　)?
A.该反应的活化能为115.6
kJ·mol-1?
B.使用催化剂能使该反应的焓变增大
C.该反应的正反应活化能比逆反应活化能大
D.断裂H2O(g)中1
mol
H—O键比断裂HCl(g)中1
mol
H—Cl键所需能量多?
【解析】选D。A项,活化能不等于反应热,错误。B项,催化剂对反应焓变的大小无影响,错误。C项,ΔH=正反应活化能-逆反应活化能<0,故正反应活化能比逆反应活化能小,错误。D项,4×E(H—Cl)+498
kJ·mol-1-[2×243
kJ·mol-1+4×E(H—O)]=-115.6
kJ·mol-1,整理得E(H—O)-E(H—Cl)=31.9
kJ·mol-1,故断开1
mol
H—O键比断开1
mol
H—Cl键所需能量多,正确。?
4.根据如图能量关系示意图,下列说法正确的是
(　　)?
A.1
mol
C(s)与1
mol
O2(g)的能量之和为393.5
kJ?
B.反应2CO(g)+O2(g)2CO2(g)中,生成物的总能量大于反应物的总能量
C.由C(s)→CO(g)的热化学方程式为2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-221.2
kJ·mol-1?
D.热值指一定条件下单位质量的物质完全燃烧所放出的热量,则CO热值为-10.1
kJ·mol-1?
【解析】选C。A项,由图可知1
mol
C(s)与1
mol
O2(g)的能量比1
mol
CO2(g)能量高393.5
kJ,错误;B项,2CO(g)+O2(g)2CO2(g)为放热反应,生成物的总能量小于反应物的总能量,错误;C项,由图可知1
mol
C(s)与O2(g)生成1
mol
CO(g)放出热量为393.5
kJ-282.9
kJ=110.6
kJ,且物质的量与热量成正比,焓变为负,则热化学方程式为2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-221.2
kJ·mol-1,正确;D项,若热值指一定条件下单位质量的物质完全燃烧所放出的热量,则CO的热值为≈10.1
kJ·g-1,错误。?
命题点3:活化能与能量变化的图示分析(应用性考点)
5.(2021年湖南适应性测试)活泼自由基与氧气的反应一直是关注的热点。HNO自由基与O2反应过程的能量变化如图所示:
下列说法正确的是
(　　)?
A.该反应为吸热反应
B.产物的稳定性:P1>P2
C.该历程中最大正反应的活化能E正=186.19
kJ·mol-1?
D.相同条件下,由中间产物Z转化为产物的速率:v(P1)【解析】选C。A项:由题图可以看出,反应物的能量高于产物P1、P2的能量,反应为放热反应,故A项错误;B项:能量越低越稳定,P1能量高于P2,所以稳定性P2>P1,故B项错误;C项:由图示可知中间产物Z到过渡态Ⅳ所需的活化能最大,则E正=-18.92
kJ·mol-1-(-205.11
kJ·mol-1)=186.19
kJ·mol-1,所以C项正确;D项:由图示可知,由Z到产物P1所需的活化能低于由Z到产物P2所需的活化能,则由中间产物Z转化为产物的速率:v(P1)>v(P2),故D项错误。?
【加固训练—拔高】?
1.研究表明N2O与CO在Fe+作用下发生反应的能量变化及反应历程如图所示,下列说法错误的是
(　　)?
A.反应总过程ΔH<0
B.Fe+使反应的活化能减小
C.FeO+也是该反应的催化剂
D.Fe++N2OFeO++N2、FeO++COFe++CO2两步反应均为放热反应
【解析】选C。A项,反应总过程为N2O+CON2+CO2,根据图示可知,反应物总能量高于生成物总能量,为放热反应,ΔH<0,正确;B项,根据反应历程,Fe+为催化剂,能够降低反应的活化能,正确;C项,FeO+为中间产物,而不是催化剂,错误;D项,根据图示,Fe++N2OFeO++N2、FeO++COFe++CO2两反应中反应物总能量均高于生成物总能量,均为放热反应,正确。
2.(2021·广州模拟)多相催化反应是在催化剂表面通过吸附、解吸过程进行的。如图,我国学者发现T
℃时,甲醇(CH3OH)在铜基催化剂上的反应机理如下:?
反应Ⅰ:
CH3OH(g)CO(g)+2H2
(g)　ΔH1=a
kJ·mol-1?
反应Ⅱ:
CO(g)+H2O(g)CO2
(g)+H2
(g)　ΔH2=-b
kJ·mol-1　(b>0)?
总反应:
CH3OH(g)+H2O(g)CO2
(g)+3H2(g)　ΔH3=c
kJ·mol-1?
下列有关说法中正确的是
(　　)?
A.反应Ⅰ是放热反应
B.1
mol
CH3OH(g)和H2O(g)的总能量大于1
mol
CO2(g)和3
mol
H2(g)的总能量?
C.c>0
　D.优良的催化剂降低了反应的活化能,并减少ΔH3,节约了能源?
【解析】选C。根据图象可知反应Ⅰ生成物能量大于反应物能量,因此为吸热反应,故A错误;根据图象可知1
mol
CH3OH(g)和H2O(g)的总能量小于1
mol
CO2(g)和3
mol
H2(g)的总能量,故B错误;1
mol
CH3OH(g)和H2O(g)的总能量小于1
mol
CO2(g)和3
mol
H2(g)的总能量,是吸热反应,因此c>0,故C正确;优良的催化剂降低了反应的活化能,焓变不变,焓变只能由反应物和生成物总能量决定,故D错误。?
3.某反应过程中体系的能量变化如图所示,下列说法错误的是
(　　)?
A.反应过程可表示为
B.E1为反应物的总能量与过渡态的能量差,称为正反应的活化能
C.正反应的热效应ΔH=E1-E2<0,所以正反应为放热反应
D.此图中逆反应的热效应ΔH=E1-E2<0,所以逆反应为放热反应
【解析】选D。由图可知,正反应放热,ΔH为负值;逆反应吸热,ΔH为正值,D错误。
考点二　热化学方程式(命题指数★★★★★)学生用书P129?
1.概念:
表示参与化学反应的物质的物质的量和反应热的关系的化学方程式。
2.意义:
表明了化学反应中的物质变化和能量变化。例如:2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH=-571.6
kJ·mol-1,表示25
℃,101
kPa下,2
mol氢气和1
mol氧气反应生成2
mol液态水时放出571.6
kJ的热量。?
3.书写热化学方程式注意事项:
(1)注明反应条件:反应热与测定条件(温度、压强等)有关。绝大多数反应是在25
℃、101
kPa下进行的,可不注明。?
(2)注明物质状态:常用s、l、g、aq分别表示固体、液体、气体、溶液。
(3)注意符号、单位:ΔH应包括“+”或“-”、数值和单位(kJ·mol-1)。
(4)区别于普通方程式:一般不注“↑”“↓”以及“点燃”“加热”等。
(5)注意热化学方程式的化学计量数:热化学方程式中各物质化学式前面的化学计量数仅表示该物质的物质的量,可以是整数,也可以是分数。且化学计量数必须与ΔH相对应,如果化学计量数加倍,则ΔH也要加倍。
(6)同素异形体转化的热化学方程式除了注明状态外,还要注明名称。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)热化学方程式仅能表示化学反应中的能量变化。
(　　)?
提示:×。热化学方程式既能表示化学反应中的能量变化也能表示物质变化。
(2)热化学方程式H2(g)+O2(g)?H2O(g)　ΔH=-241.8
kJ·mol-1表示的意义:发生上述反应生成1
mol
H2O(g)时放出241.8
kJ的热量。
(　　)?
提示:√。该热化学方程式表示1
mol
H2(g)与
mol
O2(g)完全反应生成1
mol
H2O(g)时放出热量241.8
kJ。?
(3)H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH1和2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH2中的ΔH1=ΔH2。
(　　)?
提示:×。依据ΔH的数值与系数成正比,故ΔH2=2ΔH1。
(4)已知相同条件下2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH1,反应2SO2(s)+O2(g)2SO3(g)　ΔH2,则ΔH1>ΔH2。
(　　)?
提示:×。由于固体转化为气体需要吸收能量,故第二个反应放出的热量小于第一个反应放出的热量,但因为ΔH<0,故ΔH1<ΔH2。
2.(1)25
℃、101
kPa时,1
mol
CH4完全燃烧生成液态水和CO2气体,放出
890.3
kJ的热量,表示其反应热的化学方程式为　?
。?
(2)已知化学反应A2(g)+B2(g)2AB(g)的能量变化如图所示,请写出该反应的热化学方程式:?
　。?
【解析】(2)由图可知,生成物总能量高于反应物总能量,故该反应为吸热反应,ΔH=+(a-b)
kJ·mol-1。?
答案:(1)CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-890.3
kJ·mol-1?
(2)A2(g)+B2(g)2AB(g)
ΔH=+(a-b)kJ·mol-1
命题角度1:热化学方程式的正误判断
【典例1】已知:25
℃、101
kPa时1
mol辛烷完全燃烧生成液态水时放出热量为5
518
kJ;强酸和强碱在稀溶液中发生反应生成1
mol
H2O时放出的热量为57.3
kJ,则下列热化学方程式书写正确的是
(　　)?
①2C8H18(l)+25O2(g)16CO2(g)+18H2O(g)
ΔH=-5
518
kJ·mol-1?
②2C8H18(l)+25O2(g)16CO2(g)+18H2O(l)
ΔH=-11
036
kJ·mol-1?
③H++OH-H2O
ΔH=-57.3
kJ·mol-1?
④2NaOH(aq)+H2SO4(aq)Na2SO4(aq)+2H2O(l)
ΔH=-114.6
kJ·mol-1?
A.①③　　
B.②③　　
C.②④　　D
只有②?
【解析】选C。判断热化学方程式的书写时,要注意状态、ΔH单位、符号以及数值是否与前面的化学计量数相对应。①中水的状态应为液态且焓变数值与方程式的化学计量数不对应,故错误;③错在没有标出是在水溶液中的反应,正确的热化学方程式为H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)　ΔH=-57.3
kJ·mo。?
(1)(证据推理与模型认知)根据题意,能否认为101
kPa时,辛烷的燃烧热为
5
518
kJ·mol-1??
提示:能。题意中1
mol
辛烷完全燃烧,且产物中的水为液态水,符合燃烧热的定义。?
(2)(变化观念与平衡思想)由已知条件,热化学方程式2H+(aq)+S(aq)+Ba2+(aq)+2OH-(aq)BaSO4(s)+2H2O(l)　ΔH=-114.6
kJ·mol-1书写是否正确??
提示:错误。当有BaSO4沉淀生成时,反应放出的热量会增加,上述反应放出的热量大于生成2
mol
H2O(l)时放出的热量,大于114.6
kJ。?
【备选例题】?
根据能量变化示意图,下列热化学方程式正确的是
(　　)?
A.N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH=-(b-a)
kJ·mol-1?
B.N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
ΔH=-(a-b)
kJ·mol-1?
C.2NH3(l)N2(g)+3H2(g)
ΔH=2(a+b-c)
kJ·mol-1?
D.2NH3(l)N2(g)+3H2(g)
ΔH=2(b+c-a)
kJ·mol-1?
【解析】选D。根据图象可知,合成氨反应的反应物的能量和大于生成物的能量和,所以该反应为放热反应,ΔH<0,则生成1
mol
NH3(g)的ΔH=-(b-a)
kJ·mol-1,生成1
mol
NH3(l)的ΔH=-(b+c-a)
kJ·mol-1,只有D项正确。?
命题角度2:热化学方程式的书写
【典例2】一定条件下,在水溶液中1
mol
Cl-、Cl(x=1,2,3,4)的能量(kJ)相对大小如图所示。?
BA+C反应的热化学方程式为?
(用离子符号表示)。?
【解析】根据化合价可知,A为Cl-,B为ClO-,C为Cl,D为Cl。BA+C的热化学方程式为3ClO-(aq)2Cl-(aq)+Cl(aq)　ΔH=(2×0+63-3×60)
kJ·mol-1=-117
kJ·mol-1。?
答案:3ClO-(aq)2Cl-(aq)+Cl(aq)
ΔH=-117
kJ·mol-1?
在题干条件不变的情况下,回答下列问题:
(1)A、B、C、D四种离子中最稳定的是　　　　(填写离子符号)。?
(2)若能量最高的点对应的离子为E(+3,100),EB+C反应的热化学方程式为
_______________________________(用离子符号表示)。?
【解析】(1)能量越低越稳定,所以最稳定的为A,即Cl-。
(2)EB+C的热化学方程式为2Cl(aq)Cl(aq)+ClO-(aq)　ΔH=(63+60-2×100)
kJ·mol-1=-77
kJ·mol-1。?
答案:(1)Cl-
(2)2Cl(aq)Cl(aq)+ClO-(aq)
ΔH=-77
kJ·mol-1?
书写热化学方程式的程序
命题点1:热化学方程式的正误判断(基础性考点)
1.已知1
g物质完全燃烧时的反应热叫作该物质的热值。有以下能量转化图,下列说法不正确的是
(　　)?
A.转化Ⅰ的热化学方程式为:C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH=-393.5
kJ·mo?
B.转化Ⅱ的热化学方程式为:2CO(g)+O2(g)2CO2(g)　ΔH=-565.8
kJ·mo?
C.由C→CO的热化学方程式为:2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-110.6
kJ·mo?
D.CO的热值为-10.1
kJ·?
【解析】选C。由题给物质能量转化图可得:转化Ⅰ是C→CO2,热化学方程式为:C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH=-393.5
kJ·mo,A正确;转化Ⅱ是CO→CO2,热化学方程式为CO(g)+O2(g)CO2(g)　ΔH=-282.9
kJ·mol-1,B正确;C→CO的热化学方程式为:C(s)+O2(g)CO(g)　ΔH=-(393.5
kJ·mol-1-282.9
kJ·mol-1)=-110.6
kJ·mo,即:2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-221.2
kJ·mol-1,C错误;由热值的定义结合能量转化图可知,CO的热值为-=-10.1
kJ·,D正确。?
2.下列热化学方程式正确的是
(　　)?
选项
已知条件
热化学方程式
A
H2的燃烧热为a
kJ·mol-1
H2+Cl22HCl　ΔH=-a
kJ·mol-1
B
1
mol
SO2、0.5
mol
O2完全反应,放出热量98.3
kJ
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-98.3
kJ·mol-1
C
H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)　ΔH=-57.3
kJ·mol-1
H2SO4(aq)+Ba(OH)2(aq)BaSO4(s)+2H2O(l)　ΔH=-114.6
kJ·mol-1
D
31
g白磷比31
g红磷能量多b
kJ
P4(白磷,s)4P(红磷,s)　ΔH=-4b
kJ·mol-1
【解析】选D。选项A中符合已知条件的应是H2和O2反应,A错;ΔH应为-196.6
kJ·mol-1,B错;选项C中由于生成BaSO4沉淀,放出的热量大于114.6
kJ,C错。?
命题点2:根据信息书写热化学方程式(应用性考点)
3.依据事实写出下列反应的热化学方程式。
(1)SiH4是一种无色气体,遇到空气能发生爆炸性自燃,生成SiO2和液态H2O。已知室温下2
g
SiH4自燃放出热量89.2
kJ。SiH4自燃的热化学方程式为　?
______________________________________________。?
(2)CuCl(s)与O2反应生成CuCl2(s)和一种黑色固体。在25
℃、101
kPa下,已知该反应每消耗1
mol
CuCl(s),放热44.4
kJ,该反应的热化学方程式是　?
______________________________________________。?
(3)如图1是1
mol
NO2和1
mol
CO反应生成CO2和NO过程中能量变化示意图,请写出NO2和CO反应的热化学方程式:__________________________。?
(4)化学反应N2+3H22NH3的能量变化如图2所示(假设该反应反应完全)。
试写出N2(g)和H2(g)反应生成NH3(l)的热化学方程式:____________________。?
答案:(1)SiH4(g)+2O2(g)SiO2(s)+2H2O(l)
ΔH=-1
427.2
kJ·mol-1?
(2)4CuCl(s)+O2(g)2CuCl2(s)+2CuO(s)
ΔH=-177.6
kJ·mol-1?
(3)NO2(g)+CO(g)CO2(g)+NO(g)
ΔH=-234
kJ·mol-1?
(4)N2(g)+3H2(g)2NH3(l)
ΔH=-2(c+b-a)
kJ·mol-1?
【加固训练—拔高】?
1.写出下列反应的热化学方程式。?
(1)
0.1
mol
Cl2与焦炭、TiO2完全反应,生成一种还原性气体和一种易水解成TiO2·xH2O的液态化合物,放热4.28
kJ,该反应的热化学方程式为__________。?
(2)
Si与Cl两元素的单质反应生成
1
mol
Si的最高价化合物,恢复至室温,放热687
kJ,已知该化合物的熔、沸点分别为-69
℃和58
℃。写出该反应的热化学方程式:____________。?
(3)化合物AX3和单质X2在一定条件下反应可生成化合物AX5。已知AX3的熔点和沸点分别为-93.6
℃和76
℃,AX5的熔点为167
℃。室温时AX3与气体X2反应生成1
mol
AX5,放出热量123.8
kJ。该反应的热化学方程式为____________。?
【解析】(1)该还原性气体为CO,易水解生成
TiO2·xH2O
的液态化合物为TiCl4,反应的化学方程式为2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)TiCl4(l)+2CO(g)　ΔH=-×2=-85.6
kJ·mol-1。(2)Si与Cl2反应生成SiCl4,因其熔、沸点分别为-69
℃和58
℃,故室温下,SiCl4的状态为液态。反应的热化学方程式为Si(s)+2Cl2(g)SiCl4(l)　ΔH=-687
kJ·mol-1。(3)由AX3和AX5的熔、沸点可知室温下?AX3为液态,AX5为固态,反应的热化学方程式为AX3(l)+X2(g)AX5(s)　ΔH=-123.8
kJ·mol-1。?
答案:(1)2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)
TiCl4(l)+2CO(g)　ΔH=-85.6
kJ·mol-1?
(2)Si(s)+2Cl2(g)SiCl4(l)
ΔH=-687
kJ·mol-1?
(3)AX3(l)+X2(g)AX5(s)
ΔH=-123.8
kJ·mol-1?
2.(1)已知
1
L
1
mol·L-1
(NH4)2CO3
溶液与
2
L
1
mol·L-1Ba(OH)2溶液加热充分反应,放出100
kJ的热量,写出该反应的热化学方程式　。?
(2)在一定条件下,S8(s)和O2(g)发生反应依次转化为SO2(g)和SO3(g)。反应过程和能量关系可用如图简单表示(图中的ΔH表示生成1
mol产物的数据)
。?
①写出表示S8燃烧热的热化学方程式:
________________________________。?
②写出SO3分解生成SO2和O2的热化学方程式:
____________________。
【解析】(1)根据(NH4)2CO3溶液与Ba(OH)2的用量可知Ba(OH)2过量,所以应该由(NH4)2CO3的物质的量进行反应热的计算,另外注意各物质的状态的确定:气体为g,沉淀为s;水为l;溶于水的物质为aq;
(2)①S8(s)和O2(g)发生反应转化为SO2(g)时放热为燃烧热,由图可知生成1
mol
SO2(g)放出热量为a
kJ,则燃烧热的热化学方程式为S8(s)+8O2(g)8SO2(g)　ΔH=-8a
kJ·mol-1,②依据图象分析结合反应能量变化,写出化学方程式,标注物质聚集状态和反应热,SO3分解生成SO2和O2的热化学方程式为SO3(g)SO2(g)+O2(g)　ΔH=b
kJ·mol-1。?
答案:
(1)(NH4)2CO3(aq)+Ba(OH)2(aq)BaCO3(s)+2H2O(l)+2NH3(g)　ΔH=-100
kJ·mol-1?
(2)①S8(s)+8O2(g)8SO2(g)
ΔH=-8a
kJ·mol-1?
②SO3(g)SO2(g)+O2(g)　
ΔH=+b
kJ·mol-1?
考点三　燃烧热　中和热　能源(命题指数★★★★)学生用书P131?
1.燃烧热和中和热的比较:
燃烧热
中和热
相同点
能量变化
放热
ΔH及其单位
ΔH<0,单位均为kJ·mol-1
不同点
反应物的量
1
mol
不一定为1
mol
生成物的量
不确定
生成物水为1
mol
反应热含义
101
kPa
时,1
mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量
在稀溶液里,酸与碱发生中和反应生成1
mol水时所放出的热量
表示方法
燃烧热为ΔH=-a
kJ·mol-1(a>0)
强酸与强碱在稀溶液中反应的中和热为57.3
kJ·mol-1或ΔH=-57.3
kJ·mol-1
2.中和热的测定:
(1)装置(请在横线上填写仪器名称)
(2)计算公式:ΔH=-
kJ·mol-1
(t1——起始温度,t2——终止温度)?
(3)注意事项。
①泡沫塑料板(或硬纸板)和碎泡沫塑料(或纸条)的作用是保温隔热,减少实验过程中的热量损失。
②为保证酸完全中和,采取的措施是碱稍过量。
③因为弱酸或弱碱存在电离平衡,电离过程需要吸热,实验中若使用弱酸或弱碱则测得的反应热数值偏小。
3.能源:
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)向汽油中添加甲醇后,该混合燃料的热值不变。
(　　)?
提示:×。反应热不同,等质量时放出的热量不同,热值不同。
(2)1
mol
H2燃烧放出的热量为H2的燃烧热。
(　　)?
提示:×。1
mol
H2完全燃烧(即生成1
mol液态H2O)放出的热量为H2的燃烧热。?
(3)甲烷的燃烧热ΔH=-890.3
kJ·mol-1,则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-890.3
kJ·mol-1。
(　　)?
提示:×。应生成液态水。
(4)已知H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)　ΔH=-57.3
kJ·mol-1,则Ca(OH)2和HCl反应的反应热ΔH=2×(-57.3)
kJ·mol-1。
(　　)?
提示:×。Ca(OH)2和HCl的状态及物质的量未确定。
(5)氢气的燃烧热为285.5
kJ·mol-1,则电解水的热化学方程式为2H2O(l)2H2(g)+O2(g)　ΔH=+285.5
kJ·mol-1。
(　　)?
提示:×。燃烧热规定可燃物必须是1
mol,正确的是2H2O(l)2H2(g)+O2(g)
ΔH=+571
kJ·mol-1。?
2.三油酸甘油酯(相对分子质量884)在体内代谢时可发生如下反应:
C57H104O6(s)+80O2(g)57CO2(g)+52H2O(l)
已知燃烧1
kg该化合物释放出热量3.8×104
kJ。三油酸甘油酯的燃烧热为　　　　。?
【解析】燃烧1
kg三油酸甘油酯释放出热量3.8×104
kJ,燃烧1
mol
三油酸甘油酯释放出热量为×3.8×104
kJ≈3.4×104
kJ,则三油酸甘油酯的燃烧热为3.4×104
kJ·mol-1。?
答案:3.4×104
kJ·mol-1?
命题角度1:对燃烧热的认识
【典例1】(双选)一些烷烃的燃烧热如下表:
化合物
燃烧热/(kJ·mol-1)
化合物
燃烧热/(kJ·mol-1)
甲烷
890.3
正丁烷
2
878.0
乙烷
1
560.8
异丁烷
2
869.6
丙烷
2
221.5
2-甲基丁烷
3
531.3
下列说法正确的是
(
)?
A.乙烷燃烧的热化学方程式为2C2H6(g)+7O2(g)4CO2(g)+6H2O(g)
ΔH=-1
560.8
kJ·mol-1?
B.稳定性:正丁烷<异丁烷
C.正戊烷的燃烧热大于3
531.3
kJ·mol-1?
D.相同质量的烷烃,碳的质量分数越大,燃烧放出的热量越多
【解析】选B、C。表示乙烷燃烧的热化学方程式中,H2O应为液态,且该反应的ΔH=-3
121.6
kJ·mol-1,A错误;由表中燃烧热数据可知,1
mol正丁烷、异丁烷分别完全燃烧时,正丁烷放出的热量多,说明等量的两种物质,正丁烷具有的能量高于异丁烷,则异丁烷更稳定,B正确;2-甲基丁烷的稳定性强于正戊烷,由于2-甲基丁烷的燃烧热为3
531.3
kJ·mol-1,故正戊烷的燃烧热大于
3
531.3
kJ·mol-1,C正确;由表中数据分析可知,相同质量的烷烃,碳的质量分数越大,燃烧放出的热量越少,D错误。?
(1)(科学态度与社会责任)热气球燃烧器的燃料通常为石油液化气,其成分为丙烷和丁烷,根据表中数据,试写出丙烷燃烧的热化学方程式。
提示:C3H8(g)+5O2(g)3CO2(g)+4H2O(l)　ΔH=-2
221.5
kJ·mol-1。?
(2)(科学探究与创新意识)已知氢气燃烧的热化学方程式为2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH=-571.6
kJ·mol-1,试比较同质量的氢气和丙烷燃烧,产生的热量比值约为多少?氢气是未来的能源,除产生的热量大之外,还具有哪些优点??
提示:同质量的氢气与丙烷燃烧,44
g丙烷产生热量为2
221.5
kJ,44
g氢气产生热量为571.6×11=6
287.6
kJ。故比值为≈2.83∶1。氢气原料资源丰富,产物无污染等。?
【备选例题】?
25
℃、101
kPa下,碳、氢气、甲烷和葡萄糖的燃烧热依次是393.5
kJ·mol-1、285.8
kJ·mol-1、890.3
kJ·mol-1、2
800
kJ·mol-1,则下列热化学方程式正确的是
(　　)?
A.C(s)+O2(g)CO(g)
ΔH=-393.5
kJ·mol-1?
B.2H2(g)+O2(g)2H2O(l)
ΔH=+571.6
kJ·mol-1?
C.CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)
ΔH=-890.3
kJ·mol-1?
D.C6H12O6(s)+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)
ΔH=-2
800
kJ·mol-1?
【解析】选D。A中碳未完全燃烧;B中应为放热反应ΔH=-571.6
kJ·mol-1;C中H2O应为液态。?
命题角度2:中和热的实验测定
【典例2】利用如图所示装置测定中和热的实验步骤如下:
①用量筒量取50
mL
0.50
mol·L-1盐酸倒入小烧杯中,测出盐酸温度;?
②用另一量筒量取50
mL
0.55
mol·L-1
NaOH溶液,并用同一温度计测出其温度;?
③将NaOH溶液倒入小烧杯中,设法使之混合均匀,测定混合液最高温度。
回答下列问题:
(1)写出该反应的热化学方程式[生成1
mol
H2O(l)时的反应热为-57.3
kJ·mol-1]:　　　　　　　　　。?
(2)为什么所用NaOH溶液要稍过量?　。?
(3)倒入NaOH溶液的正确操作是　　　　(填字母)。?
A.沿玻璃棒缓慢倒入　　　B.分三次倒入?
C.一次迅速倒入
(4)使盐酸与NaOH溶液混合均匀的正确操作是　　　　(填字母)。?
A.用温度计小心搅拌
B.揭开泡沫塑料板用玻璃棒搅拌
C.轻轻地振荡烧杯
D.用套在温度计上的环形玻璃搅拌棒上下轻轻地搅动
(5)假设盐酸和氢氧化钠溶液的密度都是1
g·cm-3,又知中和反应后生成溶液的比热容c=4.18
J·g-1·℃-1。为了计算中和热,某学生实验记录数据如下:?
实验序号
起始温度t1/℃
终止温度t2/℃
盐酸
氢氧化钠溶液
混合溶液
1
20.0
20.1
23.2
2
20.2
20.4
23.4
3
20.5
20.6
23.6
依据该学生的实验数据计算,该实验测得的中和热ΔH=　　　　(结果保留一位小数)。?
【解析】(2)在中和热的测定实验中为了确保一种反应物被完全中和,常常使加入的另一种反应物稍微过量。(3)为了减少热量损失,NaOH溶液应该一次迅速倒入。(4)使盐酸与NaOH溶液混合均匀的正确操作是用套在温度计上的环形玻璃搅拌棒上下轻轻地搅动。(5)取三次实验的平均值代入公式计算即可。
答案:(1)HCl(aq)+NaOH(aq)NaCl(aq)+H2O(l)
ΔH=-57.3
kJ·mol-1?
(2)确保盐酸被完全中和　(3)C　(4)D?
(5)-51.8
kJ·mol-1?
在题干条件不变的情况下,回答下列问题:
(1)上述实验数值结果与-57.3
kJ·mol-1有偏差,产生偏差的原因不可能是
　　　　(填字母)。?
a.实验装置保温、隔热效果差
b.量取盐酸的体积时仰视读数
c.分多次把NaOH溶液倒入盛有盐酸的小烧杯中
d.用温度计测定盐酸起始温度后直接测定NaOH溶液的温度
(2)若将一定量的稀氢氧化钠溶液、稀氢氧化钙溶液、稀氨水分别和1
L
1
mol·L-1的稀盐酸恰好完全反应,其反应热分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3,则ΔH1、ΔH2、ΔH3的大小关系为　　　　　　　　　。?
【解析】(1)放出的热量小可能是散热、多次加入碱或起始温度读得较高等原因。(2)稀氢氧化钠溶液和稀氢氧化钙溶液中溶质都完全电离,它们的ΔH相同,稀氨水中的溶质是弱电解质,它与盐酸反应时,一水合氨的电离要吸收热量,故反应放出的热量要少一些(比较大小时,注意ΔH的正负号)。
答案:(1)b　(2)ΔH1=ΔH2<ΔH3?
【讲台挥洒一刻】?
测定中和热的易错细节?
(1)使用两只量筒分别量取酸和碱。
(2)使用同一支温度计,分别先后测量酸、碱及混合液的最高温度,测完一种溶液后,必须用水冲洗干净并用滤纸擦干。
(3)取多次实验t1、t2的平均值代入公式计算,而不是结果的平均值,计算时应注意单位的统一。
【备选例题】?
将V1
mL
1.0
mol·L-1
HCl溶液和V2
mL?
未知浓度的NaOH溶液混合均匀后测量并记录溶液温度,实验结果如图所示(实验中始终保持V1+V2=50)。下列叙述正确的是
(　　)?
A.做该实验时环境温度为22
℃?
B.该实验表明化学能可转化为热能
C.NaOH溶液的浓度约为1.0
mol·L-1?
D.该实验表明有水生成的反应都是放热反应
【解析】选B。中和反应为放热反应,B对;中和反应有水生成,但有水生成的反应不一定是放热反应,如NH4HCO3NH3↑+CO2↑+H2O是吸热反应,D错;从表中分析可知当加入HCl溶液5
mL、NaOH溶液45
mL反应后温度为22
℃,故实验时环境温度低于22
℃,A错;加入HCl溶液30
mL反应放热最多,应是酸碱正好中和,故c(NaOH)=1.0
mol·L-1×30
mL/20
mL=1.5
mol·L-1,C错。?
1.理解燃烧热时的注意事项:
(1)燃烧热定义中的“完全燃烧”是指物质中元素完全转变成稳定的氧化物。
(2)燃烧热是以1
mol物质完全燃烧所放出的热量来定义的,因此在书写它的热化学方程式时,应以燃烧1
mol物质为标准来配平其余物质的化学计量数。例如:C8H18(l)+O2(g)8CO2(g)+9H2O(l)　ΔH=-5
518
kJ·mol-1,即C8H18的燃烧热ΔH=-5
518
kJ·mol-1。?
2.理解中和热时的注意事项:
(1)有关中和热的判断,一看是否以生成1
mol
H2O为标准,二看酸碱的强弱和浓度,应充分考虑弱酸、弱碱,电离吸热,浓的酸碱稀释放热等因素。?
(2)强酸和弱碱或弱酸和强碱的稀溶液发生反应,中和热一般小于57.3
kJ·mol-1,因为弱电解质的电离是吸热的。?
(3)中和反应的实质是H+和OH-结合生成H2O。若反应过程中有其他物质生成(如生成不溶性物质、难电离物质等),这部分反应热不在中和热之内。
命题点1:对燃烧热、中和热含义的理解(基础性考点)
1.已知反应:①101
kPa时,2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-221
kJ·mol-1;②稀溶液中,H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)　ΔH=-57.3
kJ·mol-1。下列结论正确的是
(　　)?
A.碳的燃烧热大于110.5
kJ·mol-1?
B.①的反应热为221
kJ·mol-1?
C.稀硫酸与稀NaOH溶液反应的中和热ΔH=-2×57.3
kJ·mol-1?
D.稀醋酸和稀NaOH溶液反应生成1
mol
H2O,放出57.3
kJ的热量?
【解析】选A。由于2C(s)+O2(g)2CO(g)生成的CO不是稳定的氧化物,因此=110.5
kJ·mol-1不是碳的燃烧热,由于CO转化为CO2放出热量,故碳的燃烧热大于110.5
kJ·mol-1,A正确;反应热的表示包含三部分:“符号”“数值”和“单位”,而B项中没有表示出符号,B错误;强酸、强碱的稀溶液发生中和反应生成1
mol
H2O的中和热ΔH=-57.3
kJ·mol-1,C错误;由于稀醋酸是弱电解质,电离时吸收热量,故稀醋酸与稀NaOH溶液反应生成1
mol
H2O时放出的热量小于57.3
kJ,D错误。?
命题点2:中和热测定误差分析和数据处理(综合性考点)
2.(双选)在如图所示的量热计中,将100
mL
0.50
mol·L-1
CH3COOH溶液与100
mL
0.55
mol·L-1NaOH溶液混合,温度从25.0
℃升高到27.7
℃。下列说法错误的是
(
)?
A.若量热计的保温瓶绝热效果不好,则所测ΔH偏小
B.搅拌器一般选用导热性差的玻璃搅拌器
C.若选用同浓度同体积的盐酸,则溶液温度将升高至不超过27.7
℃?
D.所加NaOH溶液过量,目的是保证CH3COOH溶液完全被中和
【解析】选A、C。若量热计的保温瓶绝热效果不好,则会损失一部分热量,则测出放出热量偏少,因为ΔH为负值,则所测ΔH偏大,故A错误;搅拌选用导热性差的玻璃搅拌器,故B正确;若选用盐酸,则放出的热量将更多,所以温度升高将超过27.7
℃,故C错误;
酸和碱反应测中和热时,为了保证一方完全反应,往往需要另一方试剂稍稍过量,减少实验误差,所以加NaOH溶液过量的目的是保证CH3COOH溶液完全被中和,故D正确。?
命题点3:能源的开发和利用(应用性考点)
3.一种生产和利用氢能的途径如图所示。下列说法中错误的是
(　　)?
A.氢能属于二次能源
B.图中能量转化的方式至少有6种
C.太阳能电池的供电原理与燃料电池相同
D.太阳能、风能、氢能都属于新能源
【解析】选C。氢能属于二次能源,A项正确;图中涉及的能量转化方式有太阳能、风能、水能转化为电能,电能转化为化学能、光能,化学能转化为电能等,B项正确;太阳能电池的供电原理是将太阳能转化为电能,而燃料电池的供电原理是将化学能转化为电能,所以二者供电原理不相同,C项错误;太阳能、风能、氢能都属于新能源,D项正确。
【加固训练—拔高】?
1.雷诺汽车梅甘娜(Megane)使用了与生物燃料(生物乙醇和生物柴油)兼容的引擎。乙醇燃料是一种清洁的能源燃料,298
K时,燃烧a
g乙醇(液态)生成CO2气体和液态H2O,放出热量为Q
kJ,经测定a
g乙醇与足量钠反应能生成H2
5.6
L(标准状况),则乙醇燃烧的热化学方程式表示正确的是
(　　)?
A.C2H5OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+3H2O(l)
ΔH=-Q
kJ·mol-1?
B.C2H5OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+3H2O(l)
ΔH=-Q
kJ·mol-1?
C.C2H5OH(l)+O2(g)CO2(g)+H2O(l)
ΔH=+Q
kJ·mol-1?
D.C2H5OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+3H2O(l)
ΔH=-2Q
kJ·mol-1?
【解析】选D。据化学方程式:
2C2H5OH
+2Na2C2H5ONa+H2↑?
2
mol
22.4
L?
n(C2H5OH)
5.6
L?
n(C2H5OH)=0.5
mol。0.5
mol
C2H5OH完全燃烧生成CO2和H2O的反应热为ΔH=-Q
kJ·mol-1。所以该热化学方程式可写为C2H5OH(l)+O2(g)CO2(g)+H2O(l)　ΔH=-Q
kJ·mol-1,将上述热化学方程式同乘以2,得D项。?
2.下列示意图表示正确的是
(　　)?
A.甲图表示Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)
　ΔH=26.7
kJ·mol-1反应的能量变化?
B.乙图表示碳的燃烧热
C.丙图表示实验的环境温度20
℃,将物质的量浓度相等、体积分别为V1、V2的H2SO4、NaOH溶液混合,测量混合液温度,结果如图(已知V1+V2=60
mL)?
D.丁图已知稳定性顺序:B【解析】选D。A项,图象表示的物质能量变化为反应物能量高于生成物能量的放热反应,反应Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)　ΔH=26.7
kJ·mol-1为吸热反应,错误;B项,图象表示的热化学方程式为2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH,生成的氧化物不是最稳定的氧化物,不符合燃烧热概念,错误;C项,如图,V2为20
mL时温度最高,说明此时酸碱已经反应完毕,又实验中始终保持V1+V2=60
mL,所以V1为40
mL,由酸碱中和关系式:2NaOH~H2SO4,硫酸和氢氧化钠溶液浓度不同,和题干将物质的量浓度相等、体积分别为V1、V2的H2SO4、NaOH溶液混合不符合,错误。?
3.(2021·乌鲁木齐模拟)下列热化学方程式正确的是
(　　)?
A.CH4的燃烧热为890
kJ·mol-1:CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-890
kJ·mol-1?
B.中和热ΔH=-57.3
kJ·mol-1:CH3COOH(aq)+NaOH(aq)H2O(l)+CH3COONa(aq)　ΔH=-57.3
kJ·mol-1?
C.一定条件下,0.5
mol
N2与1.5
mol
H2充分反应后放出35.5
kJ的热量:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-71
kJ·mol-1?
D.96
g
O2的能量比96
g
O3的能量低b
kJ:3O2(g)2O3(g)　ΔH=+b
kJ·mol-1?
【解析】选D。表示燃烧热时,生成的水必须为液态,
A错误;强酸强碱的稀溶液反应只生成1
mol液态水时放出的热量叫中和热,醋酸为弱酸,
B错误;可逆反应不能彻底,0.5
mol
N2与1.5
mol
H2充分反应后放出35.5
kJ的热量,则1
mol
N2与3
mol
H2充分反应后放出的热量不一定加倍,C错误;反应热与化学计量数成正比关系,反应物总能量比生成物低则为吸热反应,3O2(g)2O3(g)　ΔH=+b
kJ·mol-1,
D正确。?
4.为了测量某酸碱反应的中和热,计算时至少需要的数据有
(　　)?
①酸的浓度和体积　②碱的浓度和体积　③比热容?
④反应后溶液的质量　⑤生成水的物质的量　⑥反应前后温度变化　⑦操作所需的时间
?
A.①②③④　B.①③④⑤　C.③④⑤⑥　D.全部?
【解析】选C。在测量并计算反应放出的热量时用到的公式为Q=mcΔt,理解各符号表示的物理意义即可:m表示④反应后溶液的质量,c表示③比热容,Δt表示⑥反应前后温度变化,C正确。
5.(2021·黄冈模拟)以太阳能为热源分解Fe3O4,经热化学铁氧化合物循环分解水制H2的过程如图所示。下列叙述不正确的是
(　　)?
A.过程Ⅰ中的能量转化形式是太阳能→化学能
B.过程Ⅰ中每消耗116
g
Fe3O4转移2
mol电子?
C.过程Ⅱ的化学方程式为3FeO+H2OFe3O4+H2↑
D.铁氧化合物循环制H2具有节约能源、产物易分离等优点
【解析】选B。过程Ⅰ利用太阳能将四氧化三铁转化为氧气和氧化亚铁,实现的能量转化形式是太阳能→化学能,
A正确;过程Ⅰ中四氧化三铁转化为氧气和氧化亚铁,每消耗116
g
Fe3O4即0.5
mol,2×0.5
mol=1
mol
Fe由+3价变为+2价,转移1
mol电子,
B错误;过程Ⅱ实现了氧化亚铁与水反应生成四氧化三铁和氢气的转化,反应的化学方程式为3FeO+H2OFe3O4+H2↑,C正确;根据流程信息可知,铁氧化合物循环制H2具有节约能源、产物易分离等优点,
D正确。?
考点四　盖斯定律及反应热的计算与比较(命题指数★★★★★)
1.盖斯定律:
(1)内容:对于一个化学反应,无论是一步完成还是分几步完成,其反应热是相同的。即:化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关,而与反应的途径无关。
(2)意义:间接计算某些反应的反应热。
2.反应热的计算:
(1)利用热化学方程式进行有关计算。
可以把反应热当作“产物”,根据已知的热化学方程式、已知的反应物或生成物反应吸收或放出的热量,计算反应放出或吸收的热量。
(2)根据燃烧热数据,计算反应放出的热量。
计算公式:Q=燃烧热×n(可燃物的物质的量)
(3)根据旧键断裂和新键形成过程中的能量差计算焓变。
若反应物旧化学键断裂吸收能量E1,生成物新化学键形成放出能量E2,则反应的ΔH=E1-E2。
(4)利用盖斯定律计算反应热。
①热化学方程式相加或相减,如:
Ⅰ.C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1;?
Ⅱ.C(s)+O2(g)CO(g)　ΔH2;?
Ⅰ-Ⅱ可得CO(g)+O2(g)CO2(g)
ΔH=ΔH1-ΔH2。
②合理设计反应途径,如:
顺时针方向和逆时针方向变化反应热代数和相等,即ΔH=ΔH1+ΔH2。
3.反应热的比较:
(1)利用盖斯定律比较。
如比较ΔH1与ΔH2的大小的方法。因ΔH1<0,ΔH2<0,ΔH3<0(均为放热反应),依据盖斯定律得ΔH1=ΔH2+ΔH3,即|ΔH1|>|ΔH2|,所以ΔH1<ΔH2。
(2)同一反应的生成物状态不同时,如
A(g)+B(g)C(g)　ΔH1,?
A(g)+B(g)C(l)　ΔH2,?
则ΔH1>ΔH2。
(3)同一反应物状态不同时,如
A(s)+B(g)C(g)　ΔH1,?
A(g)+B(g)C(g)　ΔH2,?
则ΔH1>ΔH2。
(4)两个有联系的反应相比较时,如
C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1①,?
C(s)+O2(g)CO(g)　ΔH2②。?
则①-②可得CO(g)+O2(g)CO2(g)　ΔH3=ΔH1-ΔH2<0,即ΔH1<ΔH2。?
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)化学反应的反应热不仅与反应体系的始态和终态有关,也与反应的途径有关。
(　　)?
提示:×。化学反应的反应热与反应的途径无关。
(2)盖斯定律遵守能量守恒定律。
(　　)?
提示:√。反应物和生成物能量一定,变化过程中能量变化是依据能量守恒的分析体现。盖斯定律是能量守恒定律的具体体现。
(3)已知:CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)　ΔH1?
CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)　ΔH2?
则ΔH1>ΔH2(　　)?
提示:×。比较ΔH时,应包括符号,CH4燃烧为放热反应,热值越大,ΔH越小。
(4)已知:O3+ClClO+O2　ΔH1?
ClO+OCl+O2　ΔH2?
则反应O3+O2O2的ΔH=ΔH1+ΔH2。
(　　)?
提示:√。根据盖斯定律可得:ΔH=ΔH1+ΔH2。
2.TiO2与Cl2难以直接反应,加碳生成CO和CO2可使反应得以进行。
已知:TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g)　ΔH1=+175.4
kJ·mol-1?
2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH2=-220.9
kJ·mol-1?
沸腾炉中加碳氯化生成TiCl4(g)和CO(g)的热化学方程式:?_______________。?
【解析】根据盖斯定律,将已知的两个热化学方程式相加即可得到所求热化学方程式。
答案:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g)　ΔH=-45.5
kJ·mol-1?
命题角度1:盖斯定律
【典例1】(2020·全国Ⅰ卷节选)硫酸是一种重要的基本化工产品,接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化:
SO2(g)+O2(g)SO3(g)
ΔH=-98
kJ·mol-1。回答下列问题:?
钒催化剂参与反应的能量变化如图所示,V2O5(s)与SO2(g)反应生成VOSO4(s)和V2O4(s)的热化学方程式为:
_______________。?
【解析】由题中信息可知:
①SO2(g)+O2(g)SO3(g)
ΔH=-98
kJ·mol-1?
②V2O4(s)+
SO3(g)V2O5(s)+SO2(g)?
ΔH2=-24
kJ·mol-1?
③V2O4(s)+
2SO3(g)2VOSO4(s)　ΔH1=-399
kJ·mol-1;根据盖斯定律可知,③-②×2得?
2V2O5(s)+
2SO2(g)2VOSO4(s)+V2O4(s),则ΔH=ΔH1-2ΔH2=(-399
kJ·mol-1)-(-24
kJ·mol-1)×2=-351
kJ·mol-1,所以该反应的热化学方程式为2V2O5(s)+
2SO2(g)2VOSO4(s)+
V2O4(s)　ΔH=-351
kJ·mol-1。?
答案:2V2O5(s)+2SO2(g)2VOSO4(s)+V2O4(s)
ΔH=-351
kJ·mol-1?
在题干条件不变的情况下,
反应2VOSO4(s)+
V2O4(s)+O2(g)2V2O5(s)+
2SO3(g)的ΔH=　　　　kJ·mol-1。?
【解析】根据盖斯定律可知,①×2+②×2-③得2VOSO4(s)+
V2O4(s)+O2(g)2V2O5(s)+
2SO3(g),则ΔH=(-98
kJ·mol-1)×2+(-24
kJ·mol-1)×2-(-399
kJ·mol-1)=+155
kJ·mol-1,所以该反应的ΔH=+155
kJ·mol-1。?
答案:
+155?
【讲台挥洒一刻】?
利用盖斯定律时需注意:?
(1)热化学方程式乘以某一个数时,反应热的数值必须也乘上该数。
(2)热化学方程式相加减时,物质之间相加减,反应热也必须相加减。
(3)将一个热化学方程式左右颠倒时,ΔH的“+”“-”随之改变,但数值不变。
(4)同一物质的三态变化(固、液、气),状态由固→液→气变化时,会吸热;反之会放热。
命题角度2:反应热的比较
【典例2】下列各组中两个反应的反应热,其中ΔH1>ΔH2的是
(　　)?
A.2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　ΔH1?
2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH2?
B.S(g)+O2(g)SO2(g)　ΔH1?
S(s)+O2(g)SO2(g)　ΔH2?
C.2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH1?
2SO3(g)O2(g)+2SO2(g)　ΔH2?
D.已知反应:C(s,金刚石)C(s,石墨)　ΔH<0,?
C(s,金刚石)+O2(g)CO2(g)　ΔH1?
C(s,石墨)+O2(g)CO2(g)　ΔH2?
【解析】选A。A项:,由于H2O(l)H2O(g)　ΔH>0,则ΔH2+ΔH=ΔH1,ΔH1-ΔH2=ΔH>0,故ΔH1>ΔH2,正确。?
B项:,由于S(s)S(g)　ΔH>0,则ΔH+ΔH1=ΔH2,ΔH2-ΔH1=ΔH>0,故ΔH2>ΔH1,错误。?
C项:SO2被氧化成SO3是放热反应,ΔH1<0,SO3分解成SO2是吸热反应,ΔH2>0,故ΔH2>ΔH1,错误。
D项:,根据盖斯定律ΔH1=ΔH+ΔH2,ΔH1-ΔH2=ΔH<0,则ΔH1<ΔH2,错误。
(证据推理与模型认知)同一反应,生成物状态不同时
A(g)+B(g)C(g)　ΔH1?
A(g)+B(g)C(l)　ΔH2?
若反应放热,则ΔH1　　　　(填“>”“<”或“=”,下同)ΔH2。若反应吸热,则ΔH1　　　　ΔH2。?
提示:>　
>?
【备选例题】?
已知:①2CH3OH(g)+3O2(g)2CO2(g)+4H2O(l)　ΔH1?
②2CO(g)+O2(g)2CO2(g)　ΔH2?
③2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH3?
④2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　ΔH4?
⑤CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH5?
下列关于上述反应焓变的判断正确的是
(　　)?
A.ΔH1>0,ΔH2<0
B.ΔH3>ΔH4
C.ΔH1=ΔH2+2ΔH3-ΔH5
D.2ΔH5+ΔH1<0
【解析】选D。A项,甲醇燃烧是放热反应,ΔH1<0,错误;B项,H2O(g)H2O(l)放出热量,反应③放出的热量多,ΔH小,故ΔH3<ΔH4,错误;C项,根据盖斯定律,ΔH1=ΔH2+2ΔH3-2ΔH5,错误;D项,根据盖斯定律,由反应⑤×2+反应①得2CO(g)+4H2(g)+3O2(g)2CO2(g)+4H2O(l)　ΔH=2ΔH5+ΔH1,相当于CO、H2的燃烧,均为放热反应,故2ΔH5+ΔH1<0,正确。?
1.“三步”确定热化学方程式或ΔH:
2.比较反应热的常用方法:
方法一:利用盖斯定律进行比较。
如①2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　ΔH1?
②2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH2?
由①-②可得2H2O(l)2H2O(g)　ΔH=ΔH1-ΔH2>0,则ΔH1>ΔH2。?
方法二:利用能量变化图进行比较。
由图象可以看出放出或吸收热量的多少,若是放热反应,放出的热量越多,ΔH越小;若是吸热反应,吸收的热量越多,ΔH越大,故ΔH1>ΔH2。
命题点1:利用盖斯定律计算反应热或书写热化学方程式(综合性考点)
1.(2021年河北适应性测试)已知25
℃、101
kPa下,1
mol水蒸发为水蒸气需要吸热44.01
kJ?
2H2O(l)2H2(g)+O2(g)　　ΔH=+571.66
kJ·mol-1?
C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)　ΔH=+131.29
kJ·mol-1?
则反应C(s)+
O2(g)CO(g)的反应热为
(　　)?
A.ΔH=-396.36
kJ·mol-1?
B.ΔH=-198.55
kJ·mol-1?
C.ΔH=-154.54
kJ·mol-1?
D.ΔH=-110.53
kJ·mol-1?
【解析】选D。已知25
℃、101
kPa下,1
mol水蒸发为水蒸气需要吸热44.01
kJ,则H2O(l)H2O(g)　ΔH=+44.01
kJ·mol-1
Ⅰ、2H2O(l)2H2(g)+O2(g)　ΔH=+571.66
kJ·mol-1
Ⅱ、C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)　ΔH=+131.29
kJ·mol-1
Ⅲ、根据盖斯定律Ⅲ-×Ⅱ+Ⅰ得C(s)+O2(g)CO(g)　ΔH=+131.29
kJ·mol-1-×571.66
kJ·mol-1+44.01
kJ·mol-1=-110.53
kJ·mol-1,则反应C(s)+O2(g)CO(g)的反应热为　ΔH=-110.53
kJ·mol-1,故D正确。?
2.根据已知信息,按要求写出指定反应的热化学方程式
(1)LiH可作飞船的燃料,已知下列反应:
①2Li(s)+H2(g)2LiH(s)　ΔH=-182
kJ·mol-1?
②2H2(g)+O2(g)2H2O(l)
ΔH=-572
kJ·mol-1?
③4Li(s)+O2(g)2Li2O(s)
ΔH=-1
196
kJ·mol-1?
试写出LiH在O2中燃烧的热化学方程式?_______________。?
(2)饮用水中的N主要来自于N。已知在微生物的作用下,N经过两步反应被氧化成N。两步反应的能量变化示意图如下:
1
mol
N全部被氧化成N的热化学方程式为_______________。
【解析】(1)
2LiH(s)2Li(s)+H2(g)?
ΔH=182
kJ·mol-1?
2Li(s)+O2(g)Li2O(s)　ΔH=-598
kJ·mol-1?
H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH=-286
kJ·mol-1?
上述三式相加得:2LiH(s)+O2(g)Li2O(s)+H2O(l)
ΔH=-702
kJ·mol-1。?
(2)第一步的热化学方程式为N(aq)+1.5O2(g)N(aq)+2H+(aq)+H2O(l)　ΔH=-273
kJ·mol-1,第二步的热化学方程式为N(aq)+0.5O2(g)N(aq)　ΔH=-73
kJ·mol-1,根据盖斯定律则N(aq)+2O2(g)2H+(aq)+H2O(l)+N(aq)　ΔH=-346
kJ·mol-1。?
答案:(1)2LiH(s)+O2(g)Li2O(s)+H2O(l)
ΔH=-702
kJ·mol-1?
(2)N(aq)+2O2(g)N(aq)+2H+(aq)+H2O(l)　ΔH=-346
kJ·mol-1?
【加固训练—拔高】?
1.在25
℃、101
kPa时,C(s)、H2(g)、CH3COOH(l)的燃烧热分别为393.5
kJ·mol-1、285.8
kJ·mol-1、870.3
kJ·mol-1,则2C(s)+2H2(g)+O2(g)CH3COOH(l)的反应热为
(　　)?
A.-488.3
kJ·mol-1　　　
B.+488.3
kJ·mol-1?
C.-191
kJ·mol-1
D.+191
kJ·mol-1?
【解析】选A。由题知表示各物质燃烧热的热化学方程式分别为①C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH=-393.5
kJ·mol-1;②H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH=-285.8
kJ·mol-1;③CH3COOH(l)+2O2(g)2CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-870.3
kJ·mol-1。根据盖斯定律,由①×2+②×2-③得2C(s)+2H2(g)+O2(g)CH3COOH(l),则反应热为(-393.5
kJ·mol-1)×2+(-285.8
kJ·mol-1)×2-(-870.3
kJ·mol-1)=-488.3
kJ·mol-1。?
2.已知下列四个热化学方程式(ΔH的单位均为kJ·mol-1):
NH4Cl(s)NH3(g)+HCl(g)　ΔH1=a(ⅰ)?
Ba(OH)2·8H2O(s)BaO(s)+9H2O(l)
ΔH2=b(ⅱ)
2NH4Cl(s)+Ba(OH)2·8H2O(s)BaCl2(aq)+2NH3(g)+10H2O(l)　ΔH3=c(ⅲ)?
BaO(s)+2HCl(aq)BaCl2(aq)+H2O(l)
ΔH4=d(ⅳ)
其中a、b、c均大于0,HCl气体溶于水,溶液温度升高。由此可知下列判断一定正确的是
(　　)?
A.d<0　　　　　　　　
B.c<2a+b+d?
C.c=2a+b+d
D.c>2a+b+d
【解析】选B。通过给出的信息无法判断反应(ⅳ)是放热反应还是吸热反应,A错误;根据题目提示信息可设定:HCl(g)HCl(aq)　ΔH5=e,由盖斯定律可确定c=2a+b+d+2e,因e<0,故c-(2a+b+d)<0,即c<2a+b+d,B正确,C、D错误。?
3.用H2可将工业废气中的NO催化还原成N2,其能量转化关系如下所示,则NO(g)+H2(g)N2(g)+H2O(g)的ΔH为
(　　)?
A.0.5(a+b-c-d)
kJ·mol-1?
B.0.5(c+a-d-b)
kJ·mol-1?
C.0.5(c+d-a-b)
kJ·mol-1?
D.0.5(b+d-a-c)
kJ·mol-1?
【解析】选A。形成化学键时放出能量,断裂化学键时吸收能量,由题中关系式可得2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g)　ΔH=(a+b-c-d)
kJ·mol-1,化学反应中化学计量数与反应中的能量变化成正比,由此计算。?
命题点2:反应热的大小比较(基础性考点)
3.下列各组变化中,化学反应的反应热前者小于后者的一组是
(　　)?
①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)　ΔH1;?
CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)　ΔH2;?
②2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH1;?
H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH2;?
③CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)　ΔH1;?
CaO(s)+H2O(l)Ca(OH)2(s)　ΔH2。?
A.①②③　　　B.①②　　　C.①③　　　D.②③?
【解析】选B。①中ΔH1和ΔH2均小于零,由于H2O(l)H2O(g)吸收能量,故|ΔH1|>|ΔH2|,因此ΔH1<ΔH2。②中ΔH1=2ΔH2,又ΔH1、ΔH2均小于零,所以ΔH1<ΔH2。③中ΔH1>0,ΔH2<0,所以ΔH1>ΔH2。故选B。
4.已知室温下,
将CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低,将CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高。
则有关下列能量转化关系的判断不正确的是
(　　)?
CuSO4·5H2O(s)CuSO4(s)+5H2O(l)
Cu2+(aq)+S(aq)+5H2O(l)　　Cu2+(aq)+S(aq)+5H2O(l)?
A.ΔH1>0
B.ΔH2>ΔH3
C.ΔH3>ΔH1
D.ΔH2=ΔH1+ΔH3
【解析】选C。A将
CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低,说明是吸热反应,ΔH1>0,ΔH2>0,故A正确;B.由CuSO4·5H2O(s)CuSO4(s)+5H2O(l)知ΔH2>ΔH3,故B正确;将CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高说明是放热反应,ΔH3<0,又因为ΔH1>0,故ΔH3>ΔH1是错的,故C错误;根据上述关系和盖斯定律知ΔH2=ΔH1+ΔH3,故D正确。?
1.(2020·浙江7月选考)关于下列ΔH的判断正确的是
(　　)?
C(aq)+H+(aq)HC(aq)　ΔH1?
C(aq)+H2O(l)HC(aq)+OH-(aq)　ΔH2?
OH-(aq)+H+(aq)H2O(l)　ΔH3?
OH-(aq)+CH3COOH(aq)CH3COO-(aq)+H2O(l)　ΔH4?
A.ΔH1<0　ΔH2<0　　　　　
B.ΔH1<ΔH2?
C.ΔH3<0　ΔH4>0
D.ΔH3>ΔH4?
【解析】选B。碳酸氢根的电离属于吸热过程,则C(aq)+H+(aq)HC(aq)为放热反应,所以ΔH1<0;C(aq)+H2O(l)HC(aq)+OH-(aq)为碳酸根的水解离子方程式,C的水解反应为吸热反应,所以ΔH2>0;OH-(aq)+H+(aq)H2O(l)表示强酸和强碱的中和反应,为放热反应,所以ΔH3<0;醋酸与强碱的中和反应为放热反应,所以ΔH4<0;但由于醋酸是弱酸,电离过程中会吸收部分热量,所以醋酸与强碱反应过程放出的热量小于强酸和强碱反应放出的热量,则ΔH4>ΔH3;综上所述,只有ΔH1<ΔH2正确,故答案为B。
2.(2020·天津等级考)理论研究表明,在101
kPa和298
K下,HCN(g)HNC(g)异构化反应过程的能量变化如图所示。下列说法错误的是
(　　)?
A.HCN比HNC稳定
B.该异构化反应的ΔH=+59.3
kJ·mol-1
?
C.正反应的活化能大于逆反应的活化能
D.使用催化剂,可以改变反应的反应热
【解析】选D。根据图示,HCN的能量比HNC的能量低,因此HCN比HNC稳定,A项正确;该异构化反应中反应物总能量低于生成物总能量,为吸热反应,反应物和生成物能量相差59.3
kJ·mol-1,故ΔH=+59.3
kJ·mol-1,B项正确;根据图示,正反应的活化能为+186.5
kJ·mol-1,逆反应的活化能为127.2
kJ·mol-1,C项正确;使用催化剂,可以改变反应的活化能,但不能改变反应热,D项错误。?
3.(2019·全国Ⅲ卷节选)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)CuCl(s)+Cl2(g)　ΔH1=83
kJ·mol-1?
CuCl(s)+O2(g)CuO(s)+Cl2(g)?
ΔH2=-20
kJ·mol-1?
CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)
ΔH3=-121
kJ·mol-1?
则4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=　　　　
kJ·mol-1。?
【解析】利用盖斯定律解答本题。
CuCl2(s)CuCl(s)+Cl2(g)
ΔH1=83
kJ·mol-1①?
CuCl(s)+O2(g)CuO(s)+Cl2(g)
ΔH2=-20
kJ·mol-1②?
CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)
ΔH3=-121
kJ·mol-1③?
则4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)可由①×2+②×2+③×2得到,所以其ΔH=83×2+(-20)×2+(-121)×2=-116
(kJ·mol-1)。?
答案:-116
4.(2019·全国Ⅰ卷节选)水煤气变换[CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)]是重要的化工过程,主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题:
我国学者结合实验与计算机模拟结果,研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程,如图所示,其中吸附在金催化剂表面上的物种用·标注。
可知水煤气变换的ΔH　　　　0(填“大于”“等于”或“小于”),该历程中最大能垒(活化能)E正=　　　　eV,写出该步骤的化学方程式____________。?
【解析】根据水煤气变换[CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)]并结合水煤气变换的反应历程相对能量可知,CO(g)+H2O(g)的能量高于CO2(g)+H2(g)的能量,故水煤气变换的ΔH小于0;活化能即反应物状态达到活化状态所需能量,根据变换历程的相对能量可知,最大差值为:
其最大能垒(活化能)E正=1.86
eV-(-0.16)
eV=2.02
eV;该步骤的反应物COOH·+H·+H2O·COOH·+2H·+OH·;因反应前后COOH·和1个H·未发生改变,也可以表述成H2O·H·+OH·。?
答案:小于　2.02?
COOH·+H·+H2O·COOH·+2H·+OH·(或H2O·H·+OH·)
【加固训练—拔高】?
1.(2018·全国Ⅲ卷节选)SiHCl3在催化剂作用下发生反应:?
2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+
SiCl4(g)?
ΔH1=48
kJ·mol-1?
3SiH2Cl2(g)SiH4(g)+2SiHCl3
(g)?
ΔH2=-30
kJ·mol-1?
则反应4SiHCl3(g)SiH4(g)+
3SiCl4(g)的ΔH为　　　　
kJ·mol-1。?
【解析】结合两个反应2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+
SiCl4(g)　ΔH1=48
kJ·mol-1?
3SiH2Cl2(g)SiH4(g)+2SiHCl3
(g)?
ΔH2=-30
kJ·mol-1?
可得反应4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH=3ΔH1+ΔH2=[3×48+(-30)]
kJ·mol-1=114
kJ·mol-1。?
答案:114
2.(2017·全国Ⅰ卷)下图是通过热化学循环在较低温度下由水或硫化氢分解制备氢气的反应系统原理。
通过计算,可知系统(Ⅰ)和系统(Ⅱ)制氢的热化学方程式分别为__________、?
_________________,?制得等量H2所需能量较少的是　　　　　　　。?
【解析】把系统(Ⅰ)和系统(Ⅱ)的三个热化学方程式分别相加,可以得到制氢的热化学方程式分别为?
H2O(l)H2(g)+O2(g)　ΔH=286
kJ·mol-1?
H2S(g)H2(g)+S(s)　ΔH=20
kJ·mol-1
,制得等量H2所需能量较少的是系统(Ⅱ)。?
答案:H2O(l)H2(g)+O2(g)?
ΔH=286
kJ·mol-1?
H2S(g)H2(g)+S(s)　ΔH=20
kJ·mol-1?
系统(Ⅱ)
1.理解物质能量与反应吸、放热之间的2个关系:
(1)E(反应物)(2)E(反应物)>E(生成物),放热反应。
2.明确热化学方程式书写与判断的4点注意事项:
(1)标明物质的状态。
(2)明确ΔH的符号与单位。
(3)ΔH的数值与化学计量数是否对应。
(4)燃烧热、中和热的条件的限制。
3.了解燃烧热和中和热的2点联系:
(1)对于中和热、燃烧热,由于它们的反应放热是确定的,所以描述中不带“-”,但其焓变小于零。
(2)当用热化学方程式表示中和热时,生成H2O的物质的量必须是1
mol,当用热化学方程式表示燃烧热时,可燃物的物质的量必须为1
mol。?
4.把握盖斯定律的2个关键:
(1)化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关。
(2)利用盖斯定律可计算某些反应的反应热。
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