考点15 化学反应与能量变化（考点归纳）——2023年高中化学学业水平考试专项精讲+测试（人教版2019必修1+必修2）

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考点15 化学反应与能量变化

1．了解常见的吸热反应和放热反应，认识化学反应中能量变化的原因。
2．了解常规能源使用中存在的问题，体会节能和开发高能清洁燃料的重要性。
3．以原电池为例认识化学能可以转化为电能。
4．了解简单原电池的构成要素和工作原理，知道原电池原理的基本应用。
5．了解常见的化学电源及其在生活中的应用，了解简单电极反应式的书写。

考点一　吸热反应和放热反应
1．基本概念
放热反应：释放热量的化学反应；
吸热反应：吸收热量的化学反应。
3．常见的吸热反应和放热反应
吸热
反应
①大多数分解反应，如CaCO3、NH4HCO3、NH4Cl等的分解反应
②铵盐与碱的反应，如Ba(OH)2·8H2O或Ca(OH)2与NH4Cl反应
③以C、H2、CO为还原剂的氧化还原反应，如C与H2O(g)反应，C与CO2反应
放热
反应
①燃烧反应　②酸碱中和反应　③活泼金属与水或酸的反应　④活泼金属氧化物与水、酸的反应　⑤金属单质间的置换反应，如铝热反应
⑥大多数化合反应(C与CO2反应等除外)，如合成氨反应、SO2与O2生成SO3的反应等
【温馨提示】
(1)化学反应中的能量变化，主要表现为热量变化，但并不完全是热量变化，还有光能等释放出来，或者是热能、电能或光能转化为物质内部的能量(化学能)被“储存”起来的过程。
(2)并不是所有的化合反应均为放热反应，如C和CO2、N2和O2的反应是化合反应，但为吸热反应。
(3)需要加热的反应不一定是吸热反应，如C＋O2CO2；不需要加热的反应也不一定是放热反应，如Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应是吸热反应。
考点二　化学反应能量变化的原因
1．化学反应的本质是反应物中化学键的断裂与生成物中化学键的形成过程，化学反应过程中的能量变化取决于化学键断裂吸收的能量与化学键形成释放的能量的相对大小，即：
[来源:学科网]
【特别提醒】旧化学键的断裂和新化学键的形成是同时进行的，缺少任何一个过程都不是化学变化。
2．一个确定的化学反应是吸收能量还是放出能量取决于反应物总能量与生成物总能量的相对大小。
当反应物的总能量大于生成物的总能量时，化学反应放出能量；
当反应物的总能量小于生成物的总能量时，化学反应吸收能量。　
类型
比较　　
放热反应
吸热反应
图示


【温馨提示】物质的化学键越牢固，断裂需要吸收的能量越多，形成释放的能量越多，物质具有的能量越低，物质越稳定。
考点三　能源的利用 [来源:学科网]
1．常规能源
目前煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧仍是人类获取热能的主要途径，也是人类利用最多的常规能源。
(1)主要特点：不可再生、储量有限、污染环境。
(2)存在问题
①能源消耗与有限储量之间的矛盾。
②能源利用与环境污染之间的矛盾。
(3)节能措施
节能不是简单地减少能源的使用，更重要的是充分有效地利用能源，其中节能有以下两个环节。
①燃料燃烧阶段，可通过改进锅炉的炉型和燃料空气比、清理积灰等方法提高燃料的燃烧效率；
②能量利用阶段，可通过使用节能灯，改进电动机的材料和结构，以及工厂余热与城市供热联产等措施促进能源循环利用，有效提高能源的利用率。
2．新能源
(1)特点：资源丰富、可以再生、对环境无污染等。
(2)种类：太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。
考点四　化学能转化为电能
1．间接转化——火力发电
(1)火力发电原理：首先通过化石燃料燃烧时发生的氧化还原反应，使化学能转变为热能，加热水使之汽化为蒸汽以推动蒸汽轮机，然后带动发电机发电。
(2)能量转换过程：化学能热能机械能电能，其中能量转换的关键环节是燃烧。
2．直接转化——原电池
(1)概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。
(2)构成条件
一看反应。看是否有能自发进行的氧化还原反应发生。
二看两电极。具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)。
三看是否形成闭合回路。形成闭合回路需三个条件：①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③)两电极插入电解质溶液。
(3)工作原理(以铜—稀H2SO4—锌原电池为例)

电极材料
锌
铜
电极名称
负极
正极
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋
2H＋＋2e－===H2↑
反应类型
氧化反应
还原反应
电子流向
电子从负极流出经外电路流入正极
离子移向
阳离子移向正极，阴离子移向负极
(4)判断原电池正、负极的五种方法

【温馨提示】规避原电池工作原理的3个失分点
(1)原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。
(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
(3)无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。
考点四　常见的化学电源
1．化学电源的分类

2．常见的化学电源
(1)锌锰干电池

锌筒是负极，石墨棒是正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质，在使用过程中，电子由锌筒流向石墨棒，锌逐渐消耗，二氧化锰不断被还原，电池电压逐渐降低，最后失效，这种电池内部的氧化还原反应无法逆向进行，放电之后不能充电，属于一次电池。
(2)铅酸蓄电池

放电时PbO2是正极发生还原反应，Pb是负极发生氧化反应，稀硫酸是电解质；在充电时与放电时所进行的氧化还原反应是可逆的，可以实现放电(化学能转化为电能)与充电(电能转化为化学能)的循环，这种充电电池属于二次电池。另外，常见的充电电池还有氢镍电池、锂离子电池、银锌电池、镉镍电池等。
(3)燃料电池
①电池结构——以氢氧酸性燃料电池为例：

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，分为酸性和碱性两种。
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
②工作原理：燃料电池是通过燃料与氧气分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置，通入燃料的电极是负极，通入氧气的电极是正极。
③主要优点：燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高；与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。燃料电池常见的燃料有氢气、甲烷、甲醇、乙醚等。
3．原电池原理的应用
(1)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)作正极。
(2)加快化学反应速率
一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大，如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu­Zn原电池，加快反应的进行。
(3)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，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。
(4)设计制作化学电源


考向一 化学反应中的能量变化
【例1】下列关于化学反应与能量的说法中，不正确的是( )
A．镁条与盐酸的反应属于放热反应
B．断裂化学键释放能量，形成化学键需要吸收能量
C．化学反应不仅有新物质生成而且伴随着能量变化
D．反应物的总能量高于生成物的总能量，反应时向环境释放能量
【答案】B
【解析】A项，镁条与盐酸的反应是金属与酸的反应，属于放热反应，A正确；B项，断裂化学键吸收能量，形成化学键需要放出能量，B不正确；C项，化学反应既有新物质生成也必定伴随着能量变化，C正确；D项，反应物的总能量高于生成物的总能量，反应过程放出能量，即向环境释放能量，D正确；故选B。
【例2】下图为N2(g)和O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化，下列说法正确的是( )

A．在通常情况下，O2比N2稳定
B．吸热反应一定需要加热才能发生
C．1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有总能量小于2 mol NO(g)具有的总能量
D．1 mol N2(g)和NA个O2(g)充分反应生成2 mol NO(g)放出的能量为180kJ
【答案】C
【解析】A项，N原子半径大于O原子，实心黑球表示O原子，据图可知1mol N2(g)中化学键断裂吸收的能大于1mol O2(g)中化学键断裂吸收的能量，所以N2更稳定，A错误；B项，吸热反应不一定需要加热才能发生，例如Ba(OH)·8H2O和NH4Cl的反应，B错误；C项，由图中数据可得反应物断键吸收(946+498)kJ/mol=1444kJ/mol的能量，生成物成键放出2×632kJ/mol=1264kJ/mol的能量，故该反应是吸热反应，即1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有的总能量小于2 mol NO(g)具有的总能量，C正确；D项，NA个O2(g)即1mol O2(g)，根据C项可知1 mol N2(g)和NA个O2(g)充分反应生成2 mol NO(g)吸收的能量为1444kJ -1264kJ =180kJ，D错误；故选C。
考向二 能量变化示意图
【例3】某反应由两步反应ABC构成，它的反应能量曲线如图，下列叙述正确的是( )

A．物质A、B、C中，B的相对能量最大 B．两步反应均为吸热反应
C．A与C的能量差为E4 D．AB反应，反应时一定要加热
【答案】A
【解析】A项，从能量变化曲线图可知，B物质的相对能量最大，A正确；B项，从图可知，B的能量高于A的能量，则AB反应为吸热反应，B的能量高于C的能量，BC的反应为放热反应，B错误；C项，A与C的能量差为E4-(E1-E2+E3)，C错误；D项，AB反应，是吸热反应，但是吸热反应也有自发进行的，不一定要加热，D错误；故选A。
【例4】根据能量变化示意图，下列说法正确的是( )

A．断开1molHCl(g)中的H—Cl键需要吸收bkJ能量
B．反应H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)，反应物的总能量小于生成物的总能量
C．H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g) 放热(a-b)kJ•mo1-l
D．2molHCl(1)分解成1molH2(g)和1molCl2(g)需要吸收ckJ热量
【答案】C
【解析】A项，断开1molHCl(g)中H-Cl键吸收J能量与1molH和1molCl形成1molH-Cl放出热量相等，形成2molHCl(g)放出热量bkJ，所以断开1molHCl(g)中H-Cl键吸收能量=×bkJ=bkJ能量，故A错误；B项，该反应是放热反应，反应物的总能量大于生成物的总能量，故B错误；C项，反应放出热量=反应物的键能之和-生成物的键能之和，即H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g) 放热为(a-b)kJ•mo1-l，故C正确；D项，由图可知，2mol气态HCl(g)分解成1molH2(g)和1molCl2(g)需要吸收ckJ热量，由于液态HCl气化需要吸热，则2mol气态HCl(l)分解成1molH2(g)和1molCl2(g)需要吸收的热量大于ckJ，故D错误；故选C。
考向三 化学能转化为电能
【例5】质量均为的铁片、铜片和溶液组成的装置如图所示，下列说法正确的是( )

A．a和b用导线连接时，电子通过电解质溶液转移到铜片上
B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为
C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色直接变成黄色
D．a和b用导线连接后，当电路中有0.2NA个电子通过时，理论上铁片与铜片的质量差为
【答案】D
【解析】A项，原电池中，电子不能通过电解质溶液，A错误；B项，a和b用导线连接时，形成原电池，铜片上发生的反应为Cu2++2e-=Cu，B错误；C项，铁与硫酸铜反应生成硫酸亚铁和铜，故无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色变成浅绿色，C错误；D项，a和b用导线连接后，总反应为Fe+Cu2+=Fe2++Cu，当电路中有0.2NA个电子通过时，转移电子0.2mol，消耗Fe0.1mol，质量为 ，生成Cu0.1mol，质量为 ，故理论上铁片与铜片的质量差为12g，D正确；故选D。
【例6】某兴趣小组以相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池，装置如图，实验所得数据如下：

实验编号
水果种类
电极间距离/cm
电流/μA
1
番茄
1
98.7
2
番茄
2
72.5
3
苹果
2
27.2
电池工作时，下列说法不正确的是( )
A．化学能主要转化为电能 B．负极的电极反应为Zn-2e-=Zn2+
C．电子从锌片经水果流向铜片 D．水果种类和电极间距离对电流的大小均有影响
【答案】C
【解析】A项，电池工作时(原电池)为将化学能转化为电能的装置，故A正确；B项，由图示分析可知，Zn为负极，失去电子，发生氧化反应，即负极的电极反应为Zn-2e-=Zn2+，故B正确；C项，电子从锌片经导线流向铜片，而不能经水果流向铜片，故C错误；D项，由表中的数据分析可知不同的水果以及同种水果间距离的不同，则电流的大小也不同，所以水果种类和电极间距离对电流的大小均有影响，故D正确；故选C。
考向四 常见的化学电源
【例7】下列说法正确的是( )
A．镍氢电池、锂离子电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B．化学电池的反应基础是氧化还原反应
C．燃料电池是一种高效但是会严重污染环境的新型电池
D．铅蓄电池放电的时候正极是Pb，负极是PbO2
【答案】B
【解析】A项，镍氢电池、锂离子电池为二次电池，碱性锌锰千电池为一次电池，选项A错误；B项，化学电池是将化学能转变为电能的装置，有电子的转移，实质为氧化还原反应，选项B正确；C项，燃料电池如氢氧燃料电池高效，但没有污染， 选项C错误；D项，铅蓄电池放电的时候，Pb被氧化，为原电池的负极，PbO2被还原，为原电池的正极，选项D错误；故选B。
【例8】锌(Zn)-空气电池的总反应式：2Zn+O2+2H2O=2Zn(OH)2，装置如图所示。

下列说法不正确的是( )
A．多孔石墨电极上发生还原反应
B．电子从锌电极经过KOH溶液流向石墨电极
C．负极的电极反应：Zn-2e-+2OH- =Zn(OH)2
D．电池工作时，电解质溶液中K+的数目保持不变
【答案】B
【解析】该装置为原电池，负极失去电子发生氧化反应，正极上得到电子，发生还原反应。A项，由装置图可知：在多孔石墨电极上通入空气中的O2得到电子，发生还原反应，A正确；B项，该装置为原电池，Zn为负极，多孔石墨电极为正极，电子由Zn经外电路流向正极石墨，而不能进入电解质溶液中，B错误；C项，该装置为原电池，Zn为负极，Zn失去电子变为Zn2+，然后结合溶液中的OH-变为Zn(OH)2，故负极的电极反应式为：Zn-2e-+2OH- =Zn(OH)2，C正确；D项，在反应过程中K+没有参与反应，因此电池工作时，电解质溶液中K+的数目保持不变，D正确；故选B。

1．C3H8为液化气的成分之一，其充分燃烧的方程式为。下列叙述正确的是( )
A．该反应为吸热反应
B．生成物的总能量高于反应物总能量
C．化学反应中的能量变化主要是由化学键变化引起的
D．能量变化必然伴随着化学反应的发生
【答案】C
【解析】A项，燃烧为放热反应，C3H8燃烧放热，故A错误；B项，放热反应，生成物的总能量低于反应物总能量，故B错误；C项，旧键断裂吸热、新键生成放热，化学反应中的能量变化主要是由化学键变化引起的，故C正确；D项，化学变化一定能量变化，能量变化不一定是化学变化，故D错误；故选C。
2．1mol CO(g)与1 mol H2O(g)反应生成1mol CO2(g)与1 mol H2(g)的过程中能量变化如图所示，下列说法正确的是( )

A．该反应不需要加热就能直接发生
B．该反应中只有极性键的断裂和形成
C．生成2mol CO2(g)和2 mol H2(g)时，放出能量
D．CO(g)与H2O(g)所具有的总能量小于CO2(g)与H2(g)所具有的总能量
【答案】C
【解析】A项，由图示可知，该反应为放热反应，但放热反应有的也需要加热才能发生，如铝热反应，A错误；B项，生成了氢气，有非极性键的形成，B错误；C项，由图示可知，生成1mol CO2(g)和1mol H2(g)，放出41 kJ的能量，则生成2mol CO2(g)和2 mol H2(g)时，放出82 kJ的能量，C正确；D项，由图示可知，反应物的总能量比生成物的总能量高，该反应为放热反应，则CO(g)与H2O(g)所具有的总能量比CO2(g)与H2(g)所具有的总能量高，D错误；故选C。
3．在25℃和101kPa条件下，断开1molH2(g)中的化学键要吸收436kJ的能量，断开1molCl2(g)中的化学键要吸收243kJ的能量，形成2molHCl(g)中的化学键要释放862kJ的能量。下列说法正确的是( )

A．H(g)和Cl(g)形成HCl(g)的过程要吸收能量
B．等质量的HCl(l)与HCl(g)具有相同的能量
C．H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)的能量关系可用如图表示
D．在H2和Cl2的反应过程中，断开化学键吸收的总能量大于形成化学键释放的总能量
【答案】C
【解析】A项，H(g)和Cl(g)形成HCl(g)为化学键的形成过程，要释放能量，故A错；B项，物质由液态变为气体需要吸收能量，所以等质量的HCl(l)与HCl(g)的能量HCl(l)A>B>C
【解析】据图(Ⅰ)知活动性：A>B，A作负极，电极反应式为A－2e－==A2＋；据图(Ⅱ)知活动性：B>C，正极反应式为Cu2＋＋2e－==Cu，由阳离子向正极移动知，Cu2＋向C极移动；据图(Ⅲ)知活动性：D>A，正极反应式为2H＋＋2e－==H2↑，故c(H＋)减小。据(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)知活动性：D>A>B>C。
12．I.某实验小组自制如图水果电池，探究影响电池效果的因素有哪些，制成记录表格如表：
序号
电极
电极间距(cm)
水果种类
电流表(μA)
①
Cu-Al
2.0
西红柿
78.8
②
Cu-Fe
2.0
西红柿
70.3
③
Al-Al
2.0
西红柿
0
④
Cu-Al
2.0
柠檬
45.7
⑤
Cu-Al
1.0
柠檬
98.4

回答下列问题：
(1)水果电池中，水果的作用是____。
(2)对比实验①②③得出的结论是____。
(3)欲得出“水果种类对电池效果有影响”的结论需要对比实验____。
II.如图为某化学兴趣小组探究不同条件下化学能转变为电能的装置。

(4)若电极a为Zn、电极b为Cu、电解质溶液为稀硫酸，该装置工作时，SO42-向____(填“a”或“b”极移动，经过一段时间后，若导线中转移了0.4mol电子，则产生的气体在标准状况下的体积为____L。如果反应太剧烈，为了减缓反应速率而又不减少产生氢气的量，该同学在烧杯中分别加入等体积的下列液体，你认为可行的是____(填字母)。
A．蒸馏水        B．NaCl溶液 C．Na2CO3溶液 D．KNO3溶液
【答案】(1)作(提供)电解质溶液
(2)其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电池效果越好
(3)①④ (4)  a     4.48     AB
【解析】(1)水果电池中，水果的作用是提供电解质溶液，故答案为：作(提供)电解质溶液；(2)实验①②③的电极距离相同，水果种类相同，电极材料不同，实验①②③的目的是探究电极材料对电池效果的影响，对比实验①②③得出结论是在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电池效果越好，故答案为：在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电池效果越好；(3)探究水果种类对电池效果有影响应该保持其他条件一致，实验①④电极材料不同，电极距离相同，水果种类不同，电流大小不同，故欲得出“水果种类对电池效果有影响”的结论需要对比实验①④；(4)Zn为负极，原电池工作时，阴离子向负极移动，故SO42-向a极移动，Cu为正极，电极反应式为2H++2e-=H2↑，若导线中转移了0.4mol电子，则产生氢气0.2mol，在标况下的体积为0.2mol×22.4L/mol=4.48L；烧杯中分别加入等体积的下列液体，A．蒸馏水可将稀硫酸进行稀释，并且不改变硫酸的总物质的量，可减缓反应速率而又不减少产生氢气的量，故A正确；B．NaCl溶液可将稀硫酸进行稀释，并且不改变硫酸的总物质的量，可减缓反应速率而又不减少产生氢气的量，故B正确；C．Na2CO3溶液会与硫酸反应，氢气的量减少，故C错误；D．KNO3溶液电离出NO3-，在酸性环境中，NO3-具有强氧化性，生成NO，不产生氢气，故D错误。