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1、第二章 化学反应与能量 教 学 资 源1.反应热和键能的关系在化学反应中，从反应物分子转变为生成物分子，各原子内部并没有多少变化，但原子间的结合方式发生了改变。在这个过程中，反应物分子中的化学键部分或全部遭到破坏，生成物分子中的新化学键形成。实验证明，在破坏旧化学键时，需要能量来克服原子间的相互吸引；在形成新化学键时，由于原子间的相互吸引而放出能量。化学反应的反应热就来源于旧化学键的破坏和新化学键的形成所发生的能量变化。化学键是分子中相邻原子间的强烈的相互作用，这种相互作用具有一定的能量，这一能量就是键能。键能常用E表示，单位是kJ/mol。下面用乙烷裂解为乙烯和氢气为例，根据化学反应中化学键
2、的改变和键能的变化来分析反应热和键能的关系。在乙烷分子中，原子间的结合力可归结为6个CH键和1个CC键：H H| |HCCH| |H H在乙烯分子中，原子间的结合力可归结为4个CH键和1个CC键：从键能数据估算反应热的具体方法和步骤如下：（1）写出反应的化学方程式，并突出反应物和生成物分子中的各个化学键。（2）归纳出化学键改变的情况。6CH+CC4CH+CC+HH即：2CH+CCCC+HH（3）从键能的表中，查出有关的数据。E（CH）=414.4 kJ/molE（CC）=615.3 kJ/molE（CC）=347.4 kJ/molE（HH）=435.3 kJ/mol（4）根据下列公式粗略地估计
3、反应热（H）。H=E(反应物)-E（生成物）上式表明，反应热等于反应物的键能总和跟生成物的键能总和之差。H =2E（CH）+E（CC）-E(CC)+E(HH) =（2414.4+347.4）kJ/mol-(615.3+435.3)kJ/mol =125.6 kJ/mol这表明，上述反应是吸热的，吸收的热量为125.6 kJ/mol。其他反应是吸热还是放热，数值是多少，可以用以上方法进行估计。2.原电池课文里所讲的原电池，是为了便于说明原电池化学原理的一种最简单的装置。如果用它作电源，不但效率低，而且时间稍长，电流就不断减弱，因此不适合于实际应用。这是什么原因呢？主要是由于在铜极上很快就聚集了许
4、多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通。这种作用称为极化作用。为了避免发生这种现象，设计了如图2-4的原电池装置。在两个烧杯中分别放入锌片和锌盐溶液、铜片和铜盐溶液，将两个烧杯中的溶液用一个装满电解质溶液的盐桥（如充满KCl饱和溶液和琼脂制成的胶冻）连接起来，再用导线将锌片和铜片联接，并在导线中串联一个电流表，就可以观察到下面的现象：（1）电流表指针发生偏转，根据指针偏转方向，可以判断出锌片为负极、铜片为正极。（2）铜片上有铜析出，锌片则被溶解。（3）取出盐桥，指针回到零点，说明盐桥起了沟通电路的作用。发生上述现象的原因是由于锌比铜活泼，容易失去电子变成Zn2
5、+进入溶液，电子通过导线流向铜片，硫酸铜溶液中的Cu2+从铜片上获得电子变成铜原子沉积在铜片上。由于电子从锌片流到铜片，所以锌片上发生氧化反应，铜片上发生还原反应。Zn - 2e-=Zn2+Cu2+ + 2e-=Cu总反应式：Cu2+ + Zn=Cu+ + Zn2+一定时间后，溶液会因带电离子的积累（ZnSO4溶液中的Zn2+离子过多，CuSO4溶液中的SO42-离子过多）而阻碍电子的转移。但有盐桥存在，允许溶液中离子迁移，以中和过剩的电荷，起了沟通电路的作用，使传递电子的反应能继续进行。于是，锌和CuSO4的氧化还原反应的化学能转变成外电路上电子流动的电能。从分析铜-锌原电池的组成可以看出，
6、原电池是由两个半电池组成的。锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池。组成半电池的导体叫电极，失去电子的电极为负极，得到电子的电极为正极。不参加电极反应的电极叫惰性电极，如铜电极。上述原电池的装置可用符号来表示：Zn|ZnSO4CuSO4|Cu 负极 盐桥正极每个半电池都由两类物质组成，一类是可作还原剂的物质，如锌和铜，称为还原型物质。另一类是可作氧化剂的物质， 如ZnSO4和CuSO4，称为氧化型物质。相对应的氧化型物质和还原型物质组成氧化还原电对，常用如下符号表示：Zn2+/Zn,Cu2+/Cu。不同氧化态的同一元素的离子或单质等也可构成氧化还原电对，如Fe3+/Fe2+、
7、Cl2/Cl-、O4/OH-等。3.课外实践活动案例【实验探究1】中和热的近似测定1.用量筒（最好使用移液管）量取50 mL1mol/L的盐酸，加入100 mL的烧杯中，并用温度计测量盐酸的温度（tHCl），记录在下页表中。2.用另一支量筒量取50 mL1mol/L的NaOH溶液，并用温度计测量NaOH溶液的温度(tNaOH)，也记录在下页表中，并计算起始温度的平均值（t1）。3.把试管中的氢氧化钠溶液一次倒入盛盐酸的烧杯里，跟盐酸混合，随即盖上泡沫塑料板。搅拌溶液，然后读出混合液的最高温度(t2)，记录在表内。4.根据上述测得的实验数据，按下式近似计算强酸强碱的中和热。中和热=（mCt10-
8、3）/n（H2O）（kJ/mol）式中m是混合液的质量（把盐酸和氢氧化钠溶液的密度近似看作水的密度为1g/cm3来计算），C是混合液的比热容（近似取4.18kJ/kgK），n（H2O）是中和反应生成水的物质的量（单位mol）。 实验序号物质起始温度t1/终止温度t2/温差t2-t1/中和热/kJ/molHCltHCl=t1=（tHCl+tNaOH）/2 =t2=t2-t1= NaOHtNaOH=HCltHCl=t1=（tHCl+tNaOH）/2 =t2=t2-t1= NaOHtNaOH=HCltHCl=t1=（tHCl+tNaOH）/2 =t2=t2-t1= NaOHtNaOH=5.重复上述实
9、验2次，将实验结果填入上表格中。取三次平行实验结果的平均值。【实验探究2】放热反应的观察1.利用空气的热胀冷缩原理观察氧化钙与水反应放热（1）按图2-6所示将实验装置连接好。（2）在U型管内加入少量品红溶液（或红墨水）。打开T型管螺旋夹，使U型管内两边的液面处于同一水平面，再夹紧螺旋夹。（3）在中间的试管里盛1g氧化钙，当滴入2 mL左右的蒸馏水后，可观察到U型玻管里的红墨水会沿开口端上升。也可以在小试管里盛浓盐酸，滴入氢氧化钠溶液，或在3%的过氧化氢溶液里加入少量的二氧化锰粉末，反应时都会放出热量，具支试管内的空气受热膨胀，反应放出的热量使U型管内侧的液面立即下降，外侧的液面上升。利用这个装
10、置还可以观察无水CuSO4水合时的放热现象。2.利用NO2平衡气体遇热颜色加深、遇冷颜色变浅来指示放热过程和吸热过程（1）按图2-7所示将实验装置连接好。（2）向其中一个烧杯的水中投入一定量的CaO固体，CaO与水反应放热，此烧杯中的NO2平衡混合气体的红棕色变深。查找资料：NO2平衡气体遇热颜色加深，遇冷颜色变浅的反应原理。【实验探究3】利用原电池装置探究金属活动性方法一：原理活泼性不同的金属跟碳棒一起构成原电池时，用活泼金属做电极的电池电势差大，经放电后使灵敏导电仪（可以自制）中较多的小灯泡发光。装置图 2-8 利用原电池探究金属的活动性（一）操作1.按上图装配好仪器，小烧杯里各加10 m
11、L0.5 mol/L的稀盐酸。2.接通电源，碳棒作为原电池的正极，镁条、铝条和铜条作负极，依次跟导电仪的两根电极接通，并浸入电解质溶液中。3.导线接触镁条时，反应最激烈，小灯泡全亮；导线接触铝条时，小灯泡只亮一半；导线接触铜条时，只有一支小灯泡微亮。实验要点装置的输入端正极接金属，负极接碳棒。实验前必须调节导电仪的灵敏度，使两根电极短路接触时灯泡不亮。方法二：原理1.原电池的电动势是正极跟负极的电势差（=E+-E-）。在三个原电池中，正极都是铜电极，因此负极的电势愈低，原电池的电动势愈大。2.电极的电势高低跟金属的活泼性有关。在盐溶液浓度相同的情况下，金属愈活泼，构成电极的电势愈低。装置（二）
12、操作1.如图2-9所示安装好装置。2.取4支5 mm80 mm的玻璃管，管的一端套上玻璃纸，并用线扎紧。3.取长100 mm的丝状或条状铜、铁、锌、镁各一段，分别插入上述四支玻璃管中，然后分别加入适量的0.5 mol/L相应的金属盐溶液。这样就构成铜、铁、锌和镁的四支电极。4.在150 mL的烧杯中加入100 mL、1 mol/L的KNO3溶液。在这溶液中任意插入两支电极，都能构成一个原电池。5.把铜电极分别跟另外三个电极构成原电池，用伏特计测量三个原电池的电动势。实验要点选用量程为2V的伏特计。【实验探究4】水果、蔬菜、果汁原电池的制作活动目的1.培养学生动手制作的能力。2.巩固学生已有的原
13、电池知识。3.调动学生的学习兴趣，训练学生的创新思维。活动形式学生分组在课外自己选材制作。成果展示将自己的制作成果在课堂上交流。【实验探究5】固体反应物表面积跟反应速率的关系装置图 2-10 反应物表面积对反应速率的影响实验要点1.锥形瓶中的碳酸钙过量，所以盐酸的体积必须尽量控制得准确一些，以使对比实验更有说服力。2.量筒里盛满水，倒置在水槽中。3.同时把注射器内的盐酸迅速注入锥形瓶中。【研究性学习】当地化学能转化为热能的现状调查1.问题的提出中国人在一千多年前就用煤作燃料，石油和天然气的利用也有几百年的历史了。现在，你所生活的地区化学能转化为热能的现状如何？家庭生活、生产和事业部门还在延续过去的做法吗？还是已经改用电、微波、太阳能等作能源了。2.研究过程（1）通过社区调查、人物专访，了解当地将化学能转化成热能（燃料来源、主要用途、使用方式等）情况，存在的问题及可能的解决办法。（2）去图书馆和书店或上网查阅资料，记录书刊、期刊的名称、网址。收录文章的题目、作者的姓名、文章的主要观点等。（3）参观工厂，收集或摄制录像、照片等。3.总结和汇报（1）处理所获得的数据、信息、资料，写成调查报告，与同学交流。（2）写出小论文交与老师审阅或互相交流。（3）制作展板交流。（4）提出合理化建议与用户交流。
