2021年高中化学鲁科版选择性必修1 第1章 化学反应与能量转化章末复习课 学案

第1章 化学反应与能量转化

主题整合·践行素养

以“天然气的综合利用”为例复习化学反应与能量转化

1．化学反应的热效应

2．原电池

3．电解池

4．金属的腐蚀与防护

天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中，包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等，也有少量出于煤层。它是优质燃料和化工原料。甲烷是一种很重要的燃料，是天然气的主要成分，约占87%，既可以通过燃烧直接提供能量，也可以设计成原电池等成为清洁能源为人类提供能量。

(一)天然气燃烧中的能量转化

蕴藏在海底的“可燃冰”是高压下形成的外观像冰的甲烷水合物固体。甲烷气体燃烧和水汽化的热化学方程式分别为CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－802.3 kJ·mol－1，H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44 kJ·mol－1。

(1)什么是摩尔燃烧焓？甲烷的摩尔燃烧焓是多少？

提示：摩尔燃烧焓是指1 mol纯物质完全氧化为同温下的指定产物时的焓变，则1 mol甲烷完全氧化产生液态水放出的热量是802.3 kJ＋2×44 kJ＝890.3 kJ。

(2)甲烷摩尔燃烧焓的热化学方程式是什么？

提示：CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)

ΔH＝－890.3 kJ·mol－1。

(3)120 ℃，取CH4和过量O2的混合气体共0.4 mol，点燃使其充分反应，将燃烧后的气体通过足量的碱石灰(NaOH和CaO的固体混合物)充分吸收，碱石灰增重8 g。计算：

①原混合气体中CH4和O2的体积比是多少？

提示：1∶3。120 ℃，取CH4和过量O2的混合气体共0.4 mol，设CH4的物质的量为x，依据元素守恒生成二氧化碳x mol，生成水2x mol，44x＋2x×18＝8，计算得到x＝0.1 mol，则甲烷的物质的量为0.1 mol，原混合气体中氧气为0.4 mol－0.1 mol＝0.3 mol，原混合气体中CH4和O2的体积比＝气体物质的量之比＝0.1∶0.3＝1∶3。

②反应放出多少热量？

提示：根据热化学方程式的含义已知，甲烷的物质的量为0.1 mol，放出的热量为0.1 mol×802.3 kJ·mol－1＝80.23 kJ。

(二)中国科学院应用化学研究所在甲烷(CH4是一种可燃物)燃料电池技术方面获得新突破。甲烷燃料电池的工作原理如图所示：

(1)该电池工作时， b口通入的物质是什么？

提示：H＋带正电荷，根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，可知H＋向负电荷较多的电极方向移动，结合原电池反应中负极附近正电荷较多，正极附近负电荷较多，所以该装置左侧为负极，右侧电极为正极，则b口通入的物质是CH4。

(2)该电池负极的电极反应式是什么？

提示：负极上CH4失电子生成CO2和H＋，结合电子守恒、电荷守恒，可得负极的电极反应式为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。

(3)工作一段时间后，当3.2 g甲烷完全反应生成CO2时，有多少NA个电子转移？

提示：根据CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋可知，1 mol CH4完全反应生成CO2时，转移8 mol电子，3.2 g甲烷的物质的量n(CH4)＝＝＝0.2 mol，则当其完全反应时，转移电子的物质的量n(e－)＝0.2 mol×8＝1.6 mol，即转移电子个数为1.6NA。

(三)“反向燃烧”可将二氧化碳变为燃料。回答下列问题：

(已知甲烷的摩尔燃烧焓为ΔH＝－890 kJ·mol－1)。

(1)科学家用氮化镓材料与铜组装如图所示的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4和O2。

①写出铜电极表面的电极反应式是什么？

提示：由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷，则Cu电极上的电极反应为CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O。

②总反应的热化学方程式是什么？

提示：该原电池负极反应为4H2O－4e－===8H＋＋2O2↑，则总反应为CO2＋2H2O===CH4＋2O2，该反应为甲烷燃烧的逆过程，能量变化为吸热，根据甲烷的标准摩尔燃烧焓ΔH＝－890 kJ·mol－1，可得总反应的热化学方程式为CO2(g)＋2H2O(l)===CH4(g)＋2O2(g)　ΔH＝＋890 kJ·mol－1。

(2)利用CO2与H2反应可制备CH4。

已知氢气的标准摩尔燃烧焓ΔH＝－286 kJ·mol－1；H2O(g)===H2O(l)　ΔH＝－44 kJ·mol－1；则二氧化碳与氢气反应生成甲烷和水蒸气的热化学方程式是什么？

提示：根据已知①CO2(g)＋2H2O(l)===CH4(g)＋2O2(g)　ΔH＝＋890 kJ·mol－1，②H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－286 kJ·mol－1，③H2O(g)===H2O(l)　ΔH＝－44 kJ·mol－1；根据盖斯定律，①＋②×4－③×2，得到CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝＋890 kJ·mol－1＋(－286 kJ·mol－1)×4－(－44 kJ·mol－1)×2＝－166 kJ·mol－1。

应用实践·提升素养

1.(双选)某甲烷燃料电池构造示意图如图所示，关于该电池的说法不正确的是(　　)

A．该甲烷燃料电池的总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O

B．正极的电极反应是O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C．a极是负极，发生氧化反应

D．甲烷燃料电池是环保电池

【解析】选A、B。该电池所用电解质溶液为NaOH溶液是碱性环境，因此该甲烷燃料电池的总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O，故A错误；正极的电极反应是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故B错误；通入燃料的电极作负极，因此a极是负极，发生氧化反应，故C正确；甲烷燃料电池的产物对环境比较友好，因此甲烷燃料电池是环保电池，故D正确。

2．甲烷的摩尔燃烧焓为ΔH1，氢气的摩尔燃烧焓为ΔH2，且ΔH1<ΔH2，若甲烷和氢气的混合物1 mol完全燃烧生成指定产物时，反应热为ΔH3，则甲烷和氢气的物质的量之比为(　　)

A．　　　　　　　 B．

C．         D．

【解析】选B。设甲烷的物质的量为x，则H2的物质的量为(1 mol－x)，x·ΔH1＋(1 mol－x)·ΔH2＝ΔH3×1 mol，解得x＝。则＝，因题中有ΔH1<ΔH2，故有ΔH1<ΔH3<ΔH2，又因ΔH1、ΔH2、ΔH3均为负值，则ΔH3－ΔH2<0，ΔH1－ΔH3<0，故＝。

3．CO2和CH4催化重整可制备合成气，对减缓燃料危机具有重要的意义，其反应历程示意图如图所示：

(1)该过程用化学反应方程式表示为__________________________，反应的ΔH________0(填“＜”“＞”或“＝”)。

(2)从起始到过渡态断裂的化学键有__________，该过程__________(填“放出”或“吸收”)能量。

【解析】(1)由反应历程示意图可知，此反应的反应物为CO2和CH4，Ni作催化剂，产物为CO和氢气，故化学方程式为CH4＋CO22CO＋2H2，该反应过程中反应物的总能量高于生成物的总能量，故为放热反应，ΔH＜0；(2)由反应历程示意图可知，过程中仅有CH4中的C—H键断裂，断裂化学键需要吸收能量。

答案：(1)CH4＋CO2H2＋2CO　＜　(2)碳氢键　吸收

4．(2021·连云港高二检测)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。

(1)通入甲烷的一极作原电池的________(填“正”或“负”)极。

(2)闭合K开关后，a、b电极上均有气体产生，其中b极得到的气体是________。

(3)该甲烷燃料电池中，负极反应式为______________________，正极反应式为___________________________________________________________________。

(4)一个甲烷分子燃料电池工作时，若某一电极上消耗11.2 L(标准状况下)的CH4气体，线路中转移电子的个数是______。

【解析】(1)甲烷燃料电池属于原电池，原电池中负极失去电子，正极得到电子，所以甲烷在负极通入，氧气在正极通入。(2)闭合K开关后，b电极和电源的负极相连，作阴极，溶液中的氢离子放电，生成氢气。(3)甲烷燃料电池中，甲烷在负极失电子生成CO2，CO2和KOH溶液反应生成K2CO3，负极反应的离子方程式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，氧气在正极得电子，在KOH环境下生成OH－，正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－。(4)一个甲烷分子在反应中失去8个电子，11.2 L甲烷的物质的量为11.2/22.4 mol＝0.5 mol，线路中转移电子的个数是0.5×8×NA＝4NA。

答案：(1)负　(2)H2　(3)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O　2O2＋4H2O＋8e－===8OH－　(4)4NA