第一章化学反应与能量转化
§化学反应的热效应
1.焓变反应热
(1)反应热:一定温度下,一定物质的量的反应物之间完全反应所释放或吸收的热量。
(2)焓:表示物质所具有的能量的一个物理量。符号: H。单位:KJ·mol—1。
①焓变:△H=H(反应产物)-H(反应物) ;△H>0,吸热反应,△H<0,放热反应。
②焓变(ΔH)的意义:在恒压条件下进行的化学反应的热效应。
③焓变产生原因:化学键断裂——吸热化学键形成——放热
放出热量的化学反应。(放热>吸热) △H 为“-”或△H <0
吸收热量的化学反应。(吸热>放热)△H 为“+”或△H >0☆ 常见的放热反应:① 所有的燃烧反应② 酸碱中和反应③活泼金属与水或酸的反应④大多数的化合反应⑤ 生石灰和水反应
⑥ 浓硫酸稀释、氢氧化钠固体溶解等
☆ 常见的吸热反应:① 晶体Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl ② 大多数的分解反应
③ 以H2、CO、C为还原剂的氧化还原反应④ 铵盐溶解等
2.热化学方程式
书写热化学方程式注意要点:状态明,符号清,量对应,标温压。
①状态明:g,l,s分别表示固态,液态,气态,水溶液中溶质用aq表示;
②符号清:注明焓变(要写单位、注意正、负号)。各物质系数加倍,△H加倍;正逆反应焓变数值不变,符号相反。
③量对应:△H具体数值与方程式系数成比例。
④标温压:热化学反应方程式要指明反应时的温度和压强,298K和可以不标明。
3.燃烧热:25 ℃,101 kPa时,1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所释放的热量。ΔH<0,单位kJ/mol。
4.中和热:在稀溶液中,酸跟碱发生中和反应生成1 mol液态水时所释放的热量叫做中和热.
①中和反应实质:H+和OH-反应。
其热化学方程式:H+(aq) +OH-(aq) =H2O(l) ΔH=-mol
②弱酸或弱碱电离要吸收热量,所以它们参加中和反应时的中和热小于mol。
③中和热的测定实验
目的:测定强酸、强碱反应的中和热。
仪器及试剂:量热计(温度计、环形玻璃搅拌棒)、盐酸、NaOH溶液。
原理:Q=-C(T2-T1)=-mc(T2-T1) C:溶液及量热计的热容;c:该物质的比热容;m:该物质的质量;T1:反应前体系的温度;T2:反应后体系的温度。
5.盖斯定律定义:对于一个化学反应,无论是一步完成还是分几步完成,其反应焓变都是一样的,盖斯定律揭示的是反应中的能量守恒。
化学反应的反应热只与反应的始态(各反应物)和终态(各生成物)有关,而与具体反应进行的途径无关。如果一个化学方程式可以通过其他几个化学方程式相加减而得到,则该反应的焓变为相关反应的焓变的代数和。
§电能转化为化学能——电解
1.电解定义:让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
电解池:将电能转化为化学能的装置。电解池由直流电源、固体电极材料、电解质溶液或熔融电解质组成。
电子流向:电源负极→阴极→(离子定向运动)电解质溶液→阳极→电源正极。
2.解答电解题应遵循什么样的思路?
(1)首先,确定两个电极谁是阳极、谁是阴极?与电源正极相连的为阳极,发生氧化反应,活泼金属电极或阴离子在该电极失去电子;与电源负极相连的为阴极,发生还原反应,金属阳离子在该极得到电子。(2)其次,注意两个电极的电极材料:如果是金属电极(金铂除外),活泼金属电极失电子,电极溶解、质量减小;如果是惰性电极,按离子的放电顺序进行电解。
(3)分析通电前电解质电离出的阴、阳离子分别有哪些?除了电解质电离出的离子之外,溶液还要考虑水电离出的H+和OH—。
(4)通电后离子定向移动到哪个电极?阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
(5)在电极上的放电顺序如何?
①阳极放电顺序:活泼金属电极(金属活动性顺序,Au、Pt除外)> S2—> I—> Br —> Cl—> OH—>含氧酸根(如SO42—、NO3—等)
②阴极放电顺序:与金属活动性顺序相反:K+<Ca2+<Na+>Mg2+<Al3+<Zn2+<Fe2+<Sn2+<Pb2+<H+<Cu2+<Hg2+<Ag+
3.按照电解思路,写出用惰性电极电解下列熔融电解质的相关反应
熔融电
解质
电极反应电解总反应
NaCl 阴极:2Na++2e-=2Na
2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑阳极:2Cl--2e-=Cl2↑
MgCl2阴极:Mg2++2e-=Mg
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑阳极:2Cl--2e-=Cl2↑
Al2O3阴极:Al3++3e-=Al
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑阳极:2O2-- 4e-= O2↑
4.写出用惰性电极电解下列溶液的相关反应:
溶液电极反应电解总反应
1NaCl
阴极:2H++2e-=H2↑
2NaCl+2H2O2NaOH +H2↑+
Cl2↑ 电解饱和食盐水阳极:2Cl--2e-=Cl2↑
CuSO4
阴极:2Cu2++4e-=2Cu
2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+
2H2SO4
补充CuO可还原到原电解质溶液阳极:4OH--4e-=2H2O +O2↑
AgNO3
阴极:4Ag++4e-=4Ag
4AgNO3+2H2O4Ag+O2↑+
4HNO3
阳极:4OH--4e-=2H2O +O2↑
2H2SO4、
NaOH、
Na2SO4
阴极:4H++4e-=2H2↑
2H2O2H2↑+O2↑ 阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑
3CuCl2阴极:Cu2++2e-=Cu
CuCl2Cu+Cl2↑阳极:2Cl--2e-=Cl2↑
盐酸
阴极:2H ++2e -
=H 2↑ 2HCl H 2↑+Cl 2↑
阳极:2Cl -
-2e -
=Cl 2↑
5.铜的电解精炼:粗铜作阳极,接电源正极;精铜作为阴极,接电源负极;硫酸酸化的CuSO 4溶液作为电解质溶液。
阳极反应:Cu -2e —
= Cu 2+
阴极反应: Cu 2+
+2e —
= Cu 阳极泥含有 Ag 、Pt 、Au (银、铂、金)
6.电镀:应用电解原理,在金属表面镀上一薄层金属或合金的过程称为电镀。
目的:增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性或改善金属制品的外观。
规律:镀层金属做阳极,镀件做阴极,含有镀层金属阳离子的盐溶液作为电镀液。
例如:在铁钉上镀铜:铜做阳极,接电源正极;铁钉做阴极,接电源负极;电镀液采用含 Cu 2+
的盐溶液。阳极反应:Cu -2e —
= Cu 2+
;阴极反应:Cu 2+
+2e —
= Cu (在镀件上析出)。
§化学能转化为电能——电池
1.原电池:利用氧化还原反应把化学能转化成电能的装置。
注意:只有氧化还原反应才能设计成原电池。
2.原电池中,电子流出的电极是负极,发生氧化反应;电子流入的电极是正极,发生还原反应。在原电池的外电路,电子由负极流向正极(与电流流动方向相反)。 原电池的两个电极反应组成电池的总反应叫做电池反应。
3.构成原电池的三要素: 两个导电的电极 、 电解质溶液 、 形成闭合回路 。 4.作为化学电源的电池有一次电池、二次电池(可充电电池)和燃料电池。
可充电电池:放电时是原电池,将化学能转化为电能;充电时是电解池,将电能转化为化学能。 5.金属的腐蚀:金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
腐蚀速率:电解池腐蚀>原电池腐蚀>化学腐蚀。
钢铁(铁碳合金)的电化学腐蚀因外界条件不同又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀。 反应 水膜呈酸性
水膜呈弱酸性或中性
负极 Fe-2e -
=Fe 2+
Fe-2e -
=Fe 2+
正极 2H +
+2e -=H 2↑
O 2+2H 2O +4e -
=4OH -
电池反应 及铁生锈的
反应
Fe +2H +
=Fe 2+
+H 2↑
2Fe +O 2+2H 2O =2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O 2+2H 2O =4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe 2O 3+3H 2O
6.铅蓄电池,又称可充电电池。负极材料是Pb ,正极材料是PbO 2,电解质溶液是:30%的H 2SO 4。蓄电池放电时是原电池装置,充电时是电解池装置。 PbO 2+Pb +2H 2SO 4 2PbSO 4↓+2H 2O
放电时电极反应为:负极:Pb +SO 42— - 2e —
= PbSO 4 ;
正极:PbO 2+4H +
+SO 42—
+2e —
=PbSO 4+2H 2O 。
放电时电池反应为: Pb +PbO 2 +4H +
+2SO 42—
=2PbSO 4+2H 2O.
充电时电极反应为:阴极 PbSO 4 +2e —
=Pb +SO 42—
(与放电的负极反应相反);
放电
充电
阳极:PbSO4+2H2O -2e—= PbO2+4H++SO42—(与放电的正极反应相反)。
充电时总化学反应为:2PbSO4+2H2O =Pb +PbO2+4H++2SO42— .
提示:燃料电池的总反应即燃料燃烧的方程式。通常燃料做负极,氧气做正极,电极反应还要考虑电解质溶液及周围环境。复杂的负极反应可以通过总反应减正极反应。
燃料电池的优点:能量转换率高、废弃物少、运行噪音低
8.金属腐蚀的防护:金属腐蚀的本质是金属在一定条件下发生氧化反应,所以金属防护就是采取措施避免金属发生氧化反应,除采取外加涂层防护、金属表面电镀外,还有牺牲阳极保护法、外加电流阴极保护法等。外加电流阴极保护法优于牺牲阳极保护法优于一般防护。
9.原电池与电解池的比较