专题六　化学反应与能量

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专题六　化学反应与能量
1 高考真题·导航
2 必备知识·整合
3 关键能力·突破
4 预测精练·提能
1．(2021·全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。
【解析】　KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，A错误；阳极上为Br－失去电子生成Br2，Br2将乙二醛氧化为乙醛酸，B错误；电解过程中阴阳极均生成乙醛酸，1 ml乙二酸生成1 ml乙醛酸转移电子为2 ml,1 ml乙二醛生成1 ml乙醛酸转移电子为2 ml，根据转移电子守恒可知每生成1 ml乙醛酸转移电子为1ml，因此制得2 ml乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2 ml电子，C错误；双极膜中间层的H＋在外电场作用下移向阴极，即H＋移向铅电极，D正确。
2．(2021·全国乙卷)沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率，为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。
下列叙述错误的是(　　)A．阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl2的反应B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC．阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D．阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
【解析】　海水中除了水，还含有大量的Na＋、Cl－、Mg2＋等，根据题干信息可知，装置的原理是利用惰性电极电解海水，阳极区溶液中的Cl－会优先失电子生成Cl2，阴极区H2O优先得电子生成H2和OH－，结合海水成分及电解产物分析解答。阳极区海水中的Cl－会优先失去电子生成Cl2，发生氧化反应，A正确；
设置的装置为电解池原理，根据分析知，阳极区生成的Cl2与阴极区生成的OH－在管道中会发生反应生成NaCl、NaClO和H2O，其中NaClO具有强氧化性，可氧化灭杀附着的生物，B正确；因为H2是易燃性气体，所以阳极区生成的H2需及时通风稀释，安全地排入大气，以排除安全隐患，C正确；阴极的电极反应式为2H2O＋2e－═══H2↑＋2OH－，会使海水中的Mg2＋沉淀积垢，所以阴极表面会形成Mg(OH)2等积垢需定期清理，D错误。
3．(2020·全国卷Ⅰ·12)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。
4．(2020·全国卷Ⅱ·12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色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＋xAg═══AgxWO3
【解析】　通电时，Ag电极有Ag＋生成，故Ag电极为阳极，故A项正确；通电时电致变色层变蓝色，说明有Ag＋从Ag电极经固体电解质进入电致变色层，故B项正确；过程中，W由WO3的＋6价降低到AgxWO3中的＋(6－x)价，故C项错误；该电解池中阳极即Ag电极上发生的电极反应为xAg－xe－═══xAg＋，而另一极阴极上发生的电极反应为WO3＋xAg＋＋xe－═══AgxWO3，故发生的总反应式为xAg＋WO3═══ AgxWO3，故D项正确。
6．(2019·课标全国Ⅰ，12)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，示意图如图所示。
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NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【解析】　由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2═══2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应MV＋－e－═══MV2＋，为负极，不是阴极，B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H＋通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。
7．(2021·全国甲卷节选)二氧化碳催化加氢制甲醇，有利于减少温室气体二氧化碳。二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为：CO2(g)＋3H2(g)═══CH3OH(g)＋H2O(g)该反应一般认为通过如下步骤来实现：①CO2(g)＋H2(g)═══CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋41 kJ·ml－1②CO(g)＋2H2(g)═══CH3OH(g)　ΔH2＝－90 kJ·ml－1
总反应的ΔH＝________kJ·ml－1；若反应①为慢反应，下列示意图中能体现上述反应能量变化的是______(填标号)，判断的理由是_______ _______________________________________________________。
正值，ΔH2为和ΔH为负值，反应①的活化能大于反应②的　
【解析】　二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为CO2(g)＋3H2(g) ═══CH3OH(g)＋H2O(g)，该反应一般认为通过如下步骤来实现：①CO2(g)＋H2(g)═══CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋41 kJ·ml－1，②CO(g)＋2H2(g)═══CH3OH(g)　ΔH＝－90 kJ·ml－1，根据盖斯定律可知，①＋②可得二氧化碳加氢制甲醇的总反应为CO2(g)＋3H2(g)═══CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝(＋41 kJ·ml－1)＋(－90 kJ·ml－1)＝－49 kJ·ml－1；
该反应总反应为放热反应，因此生成物总能量低于反应物总能量，反应①为慢反应，反应①的活化能高于反应②，同时反应①的反应物总能量低于生成物总能量，反应②的反应物总能量高于生成物总能量，故示意图中能体现反应能量变化的是A项。
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________________ ______________________________________________________________。
9．(2020·全国卷Ⅱ·28)乙烷在一定条件可发生如下反应：C2H6(g) ═══C2H4(g)＋H2(g)　ΔH，相关物质的燃烧热数据如下表所示：ΔH＝_________kJ· ml－1。
10．(2020·全国卷Ⅱ·28节选)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如下图所示：
(1)阴极上的反应式为___________________________。(2)若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH4和CO2体积比为________。【解析】　(1)由图可知，CO2在阴极得电子发生还原反应，电极反应为CO2＋2e－═══CO＋O2－；(2)令生成乙烯和乙烷分别为2体积和1体积，根据阿伏加德罗定律，同温同压下，气体体积比等于物质的量之比，再根据得失电子守恒，得到发生的总反应为6CH4＋5CO2═══ 2C2H4＋C2H6＋5H2O＋5CO，即消耗CH4和CO2的体积比为6∶5。
CO2＋2e－===CO＋O2－　
化学能与热能是高考必考知识点，且考查形式固定，主要以填空题型考查，预测未来高考中仍会以非选择题的形式与化学平衡相结合考查热化学方程式的书写、盖斯定律的应用、反应热的计算，偶尔在选择题型中考查反应热的大小比较。高考每年都会结合图形考查原电池原理或电解池原理在工业生产中的应用。建议在备考过程中加强对新型燃料电池、新型可充电电池的关注。
近几年全国卷高考化学试题中均涉及电化学知识，并且试题的背景较为新颖，对考生分析问题的能力提出了较高要求。预测在2022年的高考命题中，在题型上仍以传统题型为主，以某一个非水溶液电池为背景考察以原电池为主的电化学知识。依托于某一新型可充电电池示意图，考察原电池的工作原理及其电极反应式的书写，电极材料以及电极反应的判断，溶液pH的变化是高考命题的热点。考纲中对原电池的要求达到了“理解”的级别，因此，通过一个新型电池装置考察原电池的知识以及金属的腐蚀和绿色能源的开发，即突出了使考生了解新科技的发展，又达到了选拔优秀生的目的。
一、化学能与热能1．从两种角度理解化学反应热
2．热化学方程式书写注意事项(1)注意ΔH的单位：ΔH的单位为kJ·ml－1。(2)注意测定条件：绝大多数的反应热ΔH是在25 ℃、101 kPa下测定的，此时可不注明温度和压强。(3)注意热化学方程式中的化学计量数：热化学方程式的化学计量数可以是整数，也可以是分数。(4)注意物质的聚集状态：气体用“g”，液体用“1”，固体用“s”，溶液用“aq”。热化学方程式中不用“↑”和“↓”。
(5)注意ΔH的数值与符号：如果化学计量数加倍，则ΔH也要加倍。逆反应的反应热与正反应的反应热数值相等，但符号相反。(6)对于具有同素异形体的物质，除了要注明聚集状态外，还要注明物质的名称。如：①S(单斜，s)＋O2(g)═══SO2(g)　ΔH＝－297.16 kJ·ml－1②S(正交，s)＋O2(g)═══SO2(g)　ΔH2＝－296.83 kJ·ml－1③S(单斜，s)═══S(正交，s)　ΔH3＝－0.33 kJ·ml－1
二、化学能与电能1．原电池、电解池的工作原理
3．新型化学电源中电极反应式的书写(1)书写步骤
(2)燃料电池中正极电极反应式的书写思路根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，O2得到电子后化合价降低，首先变成O2－，O2－能否存在要看电解质环境。由于电解质溶液(酸碱盐)的不同，其电极反应也有所不同，下表为四种不同电解质环境中，氧气得电子后O2－的存在形式：
 特别说明：通常电极反应可以根据阳极材料和电解质溶液性质判断。但在高考题中往往需要结合题给信息进行判断。
5．陌生电解池装置图的知识迁移(1)电解池
角度　能量图像的分析与应用　　　　　(2021·重庆模拟)甲烷燃烧时的能量变化如图，
解答能量变化图像题的“4关键”(1)反应热不能取决于部分反应物能量和部分生成物能量的相对大小，即部分反应物能量和部分生成物能量的相对大小不能决定反应是吸热还是放热。
(2)注意活化能在图示(如图)中的意义。从反应物至最高点的能量数值表示正反应的活化能，即E1；从最高点至生成物的能量数值表示逆反应的活化能，即E2。
(3)催化剂只能影响正、逆反应的活化能，而不影响反应的ΔH。(4)设计反应热的有关计算时，要切实注意图示中反应物和生成物的物质的量。
角度　化学反应机理、进程图像分析　　　　　(2021·长沙模拟)Ni可活化C2H6放出CH4，其反应历程如下图所示：
下列关于活化历程的说法错误的是(　　)A．此反应的决速步骤：中间体2→中间体3B．只涉及极性键的断裂和生成C．在此反应过程中Ni的成键数目发生变化D．Ni(s)＋C2H6(g)═══NiCH2(s)＋CH4(g)　ΔH＝－6.57 kJ·ml－1
【解析】　中间体2→中间体3能量差值最大，该步反应的活化能最大，是化学反应的决定速率的步骤，A正确；反应过程涉及到C—C键断裂和C—H键形成，涉及到非极性键的断裂和极性键的形成，B错误；根据图示可知：在此反应过程中Ni的成键数目在不断发生变化，C正确；Ni(s)＋C2H6(g)═══NiCH2(s)＋CH4(g)　ΔH＝E生成物－E反应物＝－6.57 kJ/ml－0 kJ/ml＝－6.57 kJ/ml，D正确。
角度　反应热的计算及热化学方程式的书写　　　　　(2021·南京模拟)随着化石能源的减少，新能源的开发利用日益迫切。(1)Bunsen热化学循环制氢工艺由下列三个反应组成：SO2(g)＋I2(g)＋2H2O(g)═══2HI(g)＋H2SO4(l)　ΔH1＝a kJ·ml－12H2SO4(l)═══2H2O(g)＋2SO2(g)＋O2(g)　ΔH2＝b kJ·ml－12HI(g)═══H2(g)＋I2(g)　ΔH3＝c kJ·ml－1则：2H2O(g)═══2H2(g)＋O2(g)　ΔH＝______________kJ·ml－1。
(2)硅光电池作为电源已广泛应用于人造卫星、灯塔和无人气象站等，工业制备纯硅的反应为2H2(g)＋SiCl4(g)═══Si(s)＋4HCl(g)　ΔH＝＋240.4 kJ·ml－1。若将生成的HCl通入100 mL 1 ml·L－1的NaOH溶液中恰好完全反应，则在此制备纯硅反应过程中的热效应是__________ kJ。
(3)据粗略统计，我国没有经过处理便排放的焦炉煤气已超过250亿立方米，这不仅是能源的浪费，也对环境造成极大污染。为解决这一问题，我国在2004年起已利用焦炉煤气制取甲醇及二甲醚。已知CO中的C与O之间为三键连接，且合成甲醇的主要反应原理为CO(g)＋2H2(g) ═══CH3OH(g)　ΔH。表中所列为常见化学键的键能数据：则该反应的ΔH＝___________kJ·ml－1。
(4)以CO2(g)和H2(g)为原料合成甲醇，反应的能量变化如图1所示。补全上图：图中A处应填入_____________________________。
1 ml CO2(g)＋3 ml H2O(g)　
(5)恒温恒容条件下，硫可以发生如下转化，其反应过程和能量关系如图2所示。
①写出能表示硫的燃烧热的热化学方程式：__________________ _________________________________________。②ΔH2＝___________kJ·ml－1。
S(s)＋O2(g)=== SO2(g)　ΔH＝－297 kJ·ml－1　
【解析】　(1)反应①：SO2(g)＋I2(g)＋2H2O(g)═══2HI(g)＋H2SO4(l)　ΔH1＝a kJ·ml－1，反应②：2H2SO4(l)═══2H2O(g)＋2SO2(g)＋O2(g)　ΔH2＝b kJ·ml－1，反应③：2HI(g)═══H2(g)＋I2(g)　ΔH3＝c kJ·ml－1则：按盖斯定律由①×2＋②＋③×2得到2H2O(g)═══2H2(g)＋O2(g)　ΔH＝(2a＋b＋2c)kJ·ml－1。
(5)①燃烧热是指1 ml可燃物完全燃烧生成稳定的氧化物放出的热量，所以，硫的物质的量为1 ml。由图可知1 ml S(s)完全燃烧放出的热量为297 kJ，所以，硫的燃烧热的热化学方程式S(s)＋O2(g)═══ SO2(g)　ΔH＝－297 kJ·ml－1；②由图可知，参加反应的n(SO2)＝1 ml－0.2 ml＝0.8 ml，根据热化学方程式：
热化学方程式书写与正误判断易出现的5种常见错误(1)“＋”“－”漏写或使用不正确。如放热反应未标“－”。(2)单位与热量Q单位混淆。ΔH的单位为“kJ·ml－1(或kJ/ ml)”，易错写成“kJ”。(3)物质的状态标注不正确。s、l、 g和aq分别表示固态、液态、气态和水溶液。
(4)ΔH的数值不正确。即ΔH的数值必须与方程式中的化学计量数相对应。(5)对概念的理解不正确。如燃烧热是指1 ml可燃物，且生成CO2(g)、H2O(l)、SO2(g)等；中和热是指1 ml H＋和1 ml OH－生成1 ml H2O(l)。
〔类题通关〕1．(2021·郑州模拟)科学家结合实验和计算机模拟结果，研究了在贵重金属催化剂表面上的气态体系中，一个CO分子还原NO的能量变化与反应历程如图所示。
下列说法错误的是(　　)A．该反应的热化学方程式为2CO(g)＋2NO(g)═══N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＝Ed－Ea kJ·ml－1B．决定整个反应速率快慢的步骤是①C．反应过程中断裂与形成的化学键都包含σ键和π键D．改变催化剂，不能使反应的焓变发生改变
【解析】　该过程表示一个CO分子还原NO的能量变化，热化学方程式对应的能量变化应该是2 ml CO分子被还原的能量，故A错误；活化能大速率慢，是决速步骤，①的活化能大于②，决定整个反应速率快慢的步骤是①，故B正确；反应物CO分子既含有σ键和π键，生成物N2和CO2含有σ键和π键，所以反应过程中断裂与形成的化学键都包含σ键和π键，故C正确；催化剂只能改变反应历程，不能改变焓变，故D正确。
【解析】　升高温度，化学反应速率加快，可以提高一段时间内NH3的产率，A错误；图①→②过程表示断裂氮气分子的化学键，断键吸热，图②→③过程表示形成氮氢单键，成键放热，B正确；由图①→②可知，N2在反应过程中三键均发生断裂，C正确；图③④表明反应过程中存在—NH—、—NH2等中间产物，D正确。
在H2SO4溶液中，1 ml Cu(s)与H2O2(l)反应生成Cu2＋(aq)和H2O(l)的反应热ΔH等于(　　)A．－319.68 kJ·ml－1B．－417.91 kJ·ml－1C．－448.46 kJ·ml－1D．＋546.69 kJ·ml－1
下列说法正确的是(　　)A．放电时，电子由KSn合金经酯基电解质流向MWCNTs—COOHB．电池每吸收22.4 L CO2，电路中转移4 ml e－C．充电时，阳极电极反应式为C－4e－＋2K2CO3═══3CO2↑＋4K＋D．为了更好地吸收温室气体CO2，可用适当浓度的KOH溶液代替酯基电解质
【解析】　放电时，KSn合金作负极，MWCNTs—COOH作正极，在内电路中电流由负极流向正极，A错误；气体未指明状况，无法根据体积确定其物质的量，B错误；充电时，阳极发生氧化反应，电极反应为C－4e－＋2K2CO3═══3CO2↑＋4K＋，C正确；若用KOH溶液代替酯基电解质，则KOH会与正极上的MWCNTs—COOH发生反应，因此不能使用KOH溶液代替酯基电解质，D错误。
【解析】　根据装置知道，左侧电极为二氧化硫转化为硫酸根离子的过程，S元素化合价升高，失电子，做阳极，则直流电源的左侧是正极。右侧是阴极，为氧气得电子的还原反应转化为过氧化氢的过程，阴极反应为2H＋＋O2＋2e－═══H2O2，故A正确；根据装置知道，氢氧根离子靠近阳极的交换膜进入阳极参加反应，应该为阴离子交换膜；氢离子通过靠近阴极的交换膜进入阴极参加反应，应该为阳离子交换膜，故B错误；
根据装置知道，左侧电极为二氧化硫转化为硫酸根离子的过程，氢氧根离子被消耗，碱性减弱，pH降低，故C正确；二氧化硫转化为硫酸根离子，每生成1 ml硫酸根离子，伴随2 ml电子转移，根据电子守恒，得到的过氧化氢是1 ml，故D正确。
角度　电化学原理在金属腐蚀与防护中的应用　　　　　(2020·江苏高考·11)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。在题图所示的情境中，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】　阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护不失电子，A错误；阳极金属M实际为原电池装置的负极，电子流出，原电池中负极金属比正极活泼，因此M活动性比Fe的活动性强，B错误；金属M失电子，电子经导线流入钢铁设施，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子从而被保护，C正确；海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，D错误。
金属的三种防护措施1．改变金属内部结构：如把Ni、Cr等加入普通钢里制成不锈钢合金，具有很强的抗腐蚀性。2．覆盖保护层：在金属的表面覆盖保护层如涂防锈漆、油脂、搪瓷、加塑料保护层及电镀等可阻止金属与周围可发生反应的物质接触。3．使用电化学保护法(1)利用原电池原理——牺牲阳极的阴极保护法(2)利用电解池原理——外加电流的阴极保护法
下列说法正确的是(　　)A．甲烷燃料电池中X是空气，Y是甲烷B．燃料电池的负极反应为CH4－8e－＋2H2O═══CO2＋8H＋C．电解池阳极溶解9 g Al，理论上有2 g CH4被氧化D．电絮凝净水存在氧化、水解、吸附、上浮和下沉等过程
燃料电池中不同环境下的电极反应式以甲醇、O2燃料电池为例：
〔类题通关〕1．(2021·河北高考)K－O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是(　　)
A．隔膜允许K＋通过，不允许O2通过B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极C．产生1 Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9 g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9 g水
【解析】　由图可知，a电极为原电池的负极，单质钾片失去电子发生氧化反应生成钾离子，电极反应式为K－e－═══K＋，b电极为正极，在钾离子作用下，氧气在正极得到电子发生还原反应生成超氧化钾；金属性强的金属钾易与氧气反应，为防止钾与氧气反应，电池所选择隔膜应允许K＋通过，不允许O2通过，A正确；由分析可知，放电时，a为负极，b为正极，电流由b电极沿导线流向a电极，充电时，b电极应与直流电源的正极相连，做电解池的阳极，B正确；
2．(2021·福州模拟)十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对污染防治比过去要求更高。某种利用垃圾渗透液实现发电、环保二位一体结合的装置示意图如下，
3．(2021·成都模拟)关于下列各装置图的叙述错误的是(　　)A．用图①装置精炼铜，b极为精铜，电解质溶液为CuSO4溶液B．图②装置盐桥中KCl的K＋移向乙烧杯C．图③装置中钢闸门应与外接电源的负极相连，称之为“牺牲阳极的阴极保护法”D．图④两个装置中通过导线的电子数相同时，消耗负极材料的物质的量不同
4．(2021·深圳模拟)一种以水和氮气为原料，用电驱动可实现常压下合成氨的机理如图所示。有关该过程的叙述正确的是(　　)A．电解MgCl2的水溶液可得到Mg和Cl2B．Mg3N2既是氧化产物又是还原剂C．NH4Cl是催化剂D．产生了副产物O2
【解析】　由于水电离产生的氢离子放电顺序在镁离子之前，导致电解MgCl2的水溶液不可得到Mg，A错误；由原理图可知生成Mg3N2的反应方程式为3Mg＋N2═══Mg3N2，Mg的价态由0价升高为＋2价，N的价态由0价降低为－3价，因此Mg3N2既是氧化产物又是还原产物，Mg作还原剂，B错误；由图可知NH4Cl是中间产物，C错误；由原理图可知产物有NH3和O2，NH3是目标产物，O2是副产物，D正确。
1．(2021·广州模拟)我国科学家构建直接异质结构和间接异质结构系统，实现CO2还原和H2O氧化。
有关该过程的叙述正确的是(　　)A．只涉及太阳能转化为化学能B．金属Pt表面的反应为Fe2＋－e═══Fe3＋C．Fe2＋/Fe3＋作为氧化还原协同电对，可以换成I－/I2D．总反应为2H2O＋2CO2═══O2＋2HCOOH
下列说法不正确的是(　　)A．过程Ⅱ和过程Ⅲ决定了整个反应进行的程度B．过程Ⅱ为吸热过程，过程Ⅲ为放热过程C．加入SO2和O2各1 ml，充分反应后放出的热量小于99 kJD．催化剂可降低反应的活化能，使ΔH减小
3．(2021·兰州模拟)上海交通大学仇毅翔等研究了不同含金化合物催化乙烯加氢[C2H4(g)＋H2(g)═══C2H6(g)　△H＝a ml·L－1]的反应历程如下图所示：
下列说法正确的是(　　)A．该反应为吸热反应B．a＝－129.6C．催化乙烯加氢效果较好的催化剂是AuFD．两种过渡态物质中较稳定的是过渡态1
4．(2021·湖南高考)锌溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌溴液流电池工作原理如图所：
下列说法错误的是(　　)A．放电时，N极为正极B．放电时，左侧贮液器中ZnBr2的浓度不断减小C．充电时，M极的电极反应式为Zn2＋＋2e－═══ZnD．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过
【解析】　由图可知，放电时，N电极为电池的正极，溴在正极上得到电子发生还原反应生成溴离子，电极反应式为Br2＋2e－═══2Br－，M电极为负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－═══Zn2＋，正极放电生成的溴离子通过离子交换膜进入左侧，同时锌离子通过交换膜进入右侧，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变；充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，N电极与直流电源的正极相连，做阳极。
放电时，N电极为电池的正极，故A正确；放电或充电时，左侧储液器和右侧储液器中溴化锌的浓度维持不变，故B错误；充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，锌离子在阴极上得到电子发生还原反应生成锌，电极反应式为Zn2＋＋2e－═══Zn，故C正确；放电或充电时，交换膜允许锌离子和溴离子通过，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变，故D正确。
5．(2021·洛阳模拟)我国化学工作者提出一种利用有机电极(PTO/HQ)和无机电极(MnO2/石墨毡)，在酸性环境中可充电的电池其放电时的工作原理如图所示：
下列说法错误的是(　　)A．放电时，MnO2/石墨毡为正极，发生还原反应B．充电时，有机电极和外接电源的负极相连C．放电时，MnO2/石墨毡电极的电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋═══ Mn2＋＋2H2OD．充电时，有机电极的电极反应式为PTO＋4e－＋4H2O═══HQ＋4OH－
【解析】　从工作原理图可知，MnO2生成Mn2＋，得到了电子，则MnO2/石墨毡为电源正极，发生还原反应，故A正确；充电时，有机电极得到电子，PTO得到电子和H＋生成HQ结构，则有机电极和外接电源的负极相连，故B正确；放电时，MnO2/石墨毡电极为电源正极，MnO2的电子被还原成Mn2＋，则其电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋═══Mn2＋＋2H2O，故C正确；充电时，有机电极的电极反应式为PTO＋4e－＋4H＋ ═══HQ，故D错误。
6．(2021·南昌模拟)碳的化合物在工业上应用广泛，下面有几种碳的化合物的具体应用：(1)已知下列热化学方程式：ⅰ．CH2══CHCH3(g)＋Cl2(g)═══CH2ClCHClCH3(g)　ΔH1＝－133 kJ·ml－1ⅱ．CH2══CHCH3(g)＋Cl2(g)═══CH2══CHCH2Cl(g)＋HCl(g)　ΔH2＝－100 kJ·ml－1又已知在相同条件下，CH2══CHCH2Cl(g)＋HCl(g)══ CH2ClCHClCH3 (g)的正反应的活化能Ea(正)为132 kJ·ml－1，则逆反应的活化能Ea(逆)为_______kJ·ml－1。
(2)查阅资料得知，反应CH3CHO(aq)═══CH4(g)＋CO(g)在含有少量I2的溶液中分两步进行：第Ⅰ步反应为CH3CHO(aq)＋I2(aq)―→CH3I(l)＋HI(aq)＋CO(g)(慢反应)；第Ⅱ步为快反应。增大I2的浓度______(填“能”或“不能”)明显增大总反应的平均速率，理由是__________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________。
总反应的平均速率由慢反应决定，I2为慢反应的反应物，增大I2的浓度，慢反应速率增大，则总反应速率也增大(或根据总反应可知I2为该反应的催化剂，增大I2的浓度，可以增大总反应的反应速率)　
(3)在一密闭容器中，起始时向该容器中充入6 ml H2S和3 ml CH4，发生反应：CH4(g)＋2H2S(g) ═══CS2(g)＋4H2(g)。在压强为0.11 MPa时，温度变化对平衡时产物的物质的量分数的影响如图所示：
为提高H2S的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是______________________________________________________________________(列举一条)。N点对应温度下，该反应的Kp＝_________ (MPa)2 (Kp为以分压表示的平衡常数)。
减小体系压强(或及时分离出产物或减小起始时H2S与CH4的物质的量之比)　
(4)合成碳酸二甲酯的工作原理如图所示。阳极的电极反应式为_________ ______________________________,离子交换膜a为________(填“阳膜”“阴膜”)。
2CH3OH＋CO－2e－===(CH3O)2CO＋2H＋　
【解析】　(1)已知ⅰ．CH2══CHCH3(g)＋Cl2(g)═══ CH2ClCHClCH3(g)　ΔH1＝－133 kJ·ml－1ⅱ．CH2══CHCH3(g)＋Cl2(g)═══CH2══CHCH2Cl(g)＋HCl(g)　ΔH2＝－100 kJ·ml－1由盖斯定律可知，ⅰ－ⅱ得到CH2══CHCH2Cl(g)＋HCl(g)═══ CH2ClCHClCH3(g)　ΔH＝－33 kJ·ml－1，焓变等于正逆反应的活化能之差，该反应的Ea(正)为132 kJ·ml－1，则逆反应的活化能Ea(逆)为165 kJ·ml－1；
(2)总反应的平均速率由慢反应决定，I2为慢反应的反应物，增大I2的浓度，慢反应速率增大，则总反应速率也增大(或根据总反应可知I2为该反应的催化剂，增大I2的浓度，可以增大总反应的反应速率)；(3)对于CH4(g)＋2H2S(g)═══CS2(g)＋4H2(g)，反应物的气体分子数小于生成物的气体分子数，为提高H2S的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是：减小体系压强或及时分离出产物或减小起始时H2S与CH4的物质的量之比；在一密闭容器中，起始时充入6 ml H2S和3 ml CH4，N点时n(H2S)%＝n(H2)%，设起始时加入甲烷的物质的量为3 ml，甲烷转化的物质的量为x ml，列出三段式
(4)阳极上CO失电子和甲醇反应生成碳酸二甲酯，阴极上氧气得电子生成水，阳极反应式为2CH3OH＋CO－2e－═══(CH3)2CO＋2H＋，阴极氧气与H＋结合生成H2O，所以离子交换膜为阳膜，阴极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－═══2H2O。
一、大题题型—盖斯定律的应用〔知识储备〕1．定律内容一定条件下，一个反应不管是一步完成，还是分几步完成，反应的总热效应相同，即反应热的大小与反应途径无关，只与反应的始态和终态有关。
〔典例剖析〕(1)(2019·全国卷Ⅲ·28节选)近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。
(4)结合两个反应2SiHCl3(g)══SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)　ΔH1＝48 kJ· ml－13SiH2Cl2(g)══SiH4(g)＋2SiHCl3(g)　ΔH2＝－30 kJ· ml－1可得反应4SiHCl3(g)══SiH4(g)＋3SiCl4(g)的ΔH＝3ΔH1＋ΔH2＝[3×48＋(－30)]kJ· ml－1＝＋114 kJ· ml－1
ΔH2＋ΔH3＋ΔH4　
2CO(g)＋O2(g)===CO2(g)　
ΔH＝－566 kJ/ml　
【解析】　(1)由图像分析可知①CO(g)＋1/2O2(g)══CO2(g)　ΔH＝－282 kJ/ml②H2(g)＋1/2O2(g)══H2O(g)　ΔH＝－241.8 kJ/ml③CH4(g)＋2O2(g)══CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－846.3 kJ/ml由盖斯定律③－②×3－①得：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋161.1 kJ/ml。
2．(2021·郑州模拟)在化学反应中，只有极少数能量比平均能量高得多的反应物分子发生碰撞时才可能发生化学反应，这些分子称为活化分子，使普通分子变成活化分子所需提供的最低限度的能量叫活化能，其单位通常用kJ/ml表示。请认真观察图像，然后回答问题：
(1)图中所示反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，该反应________(填“需要”或“不需要”)加热，该反应的ΔH＝__________(用含E1、E2的代数式表示)；(2)对于同一反应，图中虚线(Ⅱ)与实线(Ⅰ)相比，活化能大大降低，活化分子的百分数增多，反应速率加快，你认为最可能的原因是________________。(3)已知红磷比白磷稳定，则反应：P4(白磷，s)＋5O2(g)══2P2O5(s)　ΔH1；4P(红磷，s)＋5O2(g)══2P2O5(s)　ΔH2；ΔH1和ΔH2的关系是ΔH1______ΔH2(填“＞”“＜”或“＝”)。
(4)在298 K、101 kPa时，已知：2H2O(g)══O2(g)＋2H2(g)　ΔH1Cl2(g)＋H2(g)══2HCl(g)　ΔH22Cl2(g)＋2H2O(g)══4HCl(g)＋O2(g)　ΔH3则ΔH3与ΔH1和ΔH2之间的关系正确的是______。A．ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2B．ΔH3＝ΔH1＋ΔH2C．ΔH3＝ΔH1－2ΔH2D．ΔH3＝ΔH1－ΔH2
(5)已知H2(g)＋Br2(l)══2HBr(g)　ΔH＝－72 kJ·ml－1，蒸发1 ml Br2(l)需要吸收的能量为30 kJ，其他相关数据如下表：则表中a＝_______。
【解析】　(1)根据图像，反应物的能量大于生成物的能量，反应放热；在化学反应中，只有极少数能量比平均能量高得多的反应物分子发生碰撞时才能发生化学反应，该反应的活化能大于0，反应需要加热；反应的焓变＝生成物的能量－反应物的能量，ΔH＝(E2－E1)kJ/ml；(2)对于同一反应，图中虚线(Ⅱ)与实线(Ⅰ)相比，活化能大大降低，活化分子的百分数增多，反应速率加快，说明反应中加入了催化剂；
(3)①4P(白磷，s)＋5O2(g)══2P2O5(s)　ΔH1，②P4(红磷，s)＋5O2(g)══2P2O5(s)　ΔH2，根据盖斯定律，①－②得：P4(白磷，s) ══4P(红磷，s)　ΔH＝ΔH1－ΔH2，红磷比白磷稳定，说明红磷的能量低于白磷，该反应是放热反应，即ΔH1－ΔH2＜0，即ΔH1＜ΔH2；(4)①2H2O(g)══O2(g)＋2H2(g)　ΔH1，②Cl2(g)＋H2(g)══2HCl(g)　ΔH2，③2Cl2(g)＋2H2O(g)══4HCl(g)＋O2(g)　ΔH3，由盖斯定律可知，反应③＝2×②＋①，因此ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2；
(5)由化学键的键能可知①H2(g)＋Br2(g)══2HBr(g)　△H＝(436 kJ/ml＋200 kJ/ml)－2a kJ/ml＝(636－2a)kJ/ml，因蒸发1 ml Br2(l)需要吸收的能量为30 kJ，即②Br2(l)══Br2(g)　ΔH＝＋30 kJ/ml，根据盖斯定律，①＋②得H2(g)＋Br2(l)══2HBr(g)　ΔH＝(636－2a)kJ/ml＋(＋30 kJ/ml)＝－72 kJ/ml，解得，a＝369。
二、离子交换膜在电化学中的应用〔知识储备〕1．离子交换膜的作用及类型(1)功能的作用
(2)常见的离子交换膜
2．多室交换膜的分析(1)两室电解池如图是利用一种微生物将废水中的有机物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能。
(2)三室电解池用电渗析法可将含硝酸钠的废水再生为硝酸和氢氧化钠。
(3)四室电解池H3PO2可用电渗析法制备。“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：
〔典例剖析〕(2021·广东高考)合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。
〔增分训练〕1．(2018·课标全国Ⅰ，13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA－Fe2＋－e－══EDTA－Fe3＋
②2EDTA－Fe3＋＋H2S══2H＋＋S＋2EDTA－Fe2＋
 该装置工作时，下列叙述错误的是(　　)A．阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－══CO＋H2OB．协同转化总反应：CO2＋H2S══CO＋H2O＋SC．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D．若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA－Fe3＋/EDTA－Fe2＋，溶液需为酸性
【解析】　阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋══CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S══S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。
2．(2021·绵阳模拟)锌铈液流二次电池，放电工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)A．充电时，b极发生还原反应B．放电时，溶液中离子由b极向a电极方向移动C．放电时，电池的总离子反应方程式为Zn＋2Ce4＋══Zn2＋＋2Ce3＋D．充电时，当a极增重3.25 g时，通过交换膜的离子为0.05 ml
【解析】　根据图示，充电时a极得电子，发生还原反应，b极失电子，发生氧化反应；放电时，a极为负极，失电子，发生氧化反应，b极为正极，得电子，发生还原反应；充电时，b极失电子，为阳极，发生氧化反应，A错误；放电时，a极失电子，b极得电子，为平衡电荷，氢离子由质子交换膜从a到b，故溶液中离子由a电极向b电极方向移动，B错误；
根据分析可知a电极Zn被氧化成Zn2＋，为负极，b电极Ce4＋被还原成Ce3＋，为正极，故电池的总离子反应方程式为Zn＋2Ce4＋══Zn2＋＋2Ce3＋，C正确；充电时，a电极发生反应Zn2＋＋2e－══Zn，增重3.25 g，即生成0.05 ml Zn，转移电子为0.1 ml，交换膜为质子交换膜，只允许氢离子通过，所以有0.1 ml H＋通过交换膜以平衡电荷，D错误。
3．电解合成1,2－二氯乙烷的实验装置如图所示。
【解析】　该装置为电解池，则工作时，电能转变为化学能，A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，B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，C错误；
4．(2021·昆明模拟)利用CH4燃料电池电解制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH、H2、Cl2，装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)A．a极反应：CH4－8e－＋4O2－══CO2＋2H2OB．A膜和C膜均为阴离子交换膜，B膜为阳离子交换膜C．可用铁电极替换阴极的石墨电极D．a极上通入标况下2.24 L甲烷，理论上产品室可新增0.4 ml Ca(H2PO4)2
【解析】　a极为甲烷，甲烷失去电子，因此电极反应式为CH4－8e－＋4O2－══CO2＋2H2O，A正确；阳极室阴离子放电，钙离子穿过A膜进入到产品室，因此A膜为阳离子交换膜，原料室中钠离子穿过C膜进入到阴极室，因此C膜为阳离子交换膜，磷酸二氢根穿过B膜进入到产品室，因此B膜为阴离子交换膜，B错误；可用铁电极替换阴极的石墨电极，电极反应式不变，C正确；a极上通入标况下2.24 L甲烷即物质的量为0.1 ml，根据CH4－8e－＋4O2－══CO2＋2H2O，则转移0.8 ml电子，因此有0.4 ml钙离子移向产品室反应生成Ca(H2PO4)2，即理论上产品室可新增0.4 ml Ca(H2PO4)2，D正确。