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1、主 编 王祖浩副主编 吴 星 刘宝剑 王云生亲爱的同学们，祝贺你们进入高中这一人生的重要阶段。回顾初中化学学习的经历，同学们也许有过曲折，但更多的是快乐。初中化学虽然只是化学的启蒙，但你们已经初步了解了化学科学发展的历程，领略了化学符号的魅力，体验了实验探究的乐趣，初步锻炼了科学思维的能力。毫无疑问，高中阶段的化学课程将带给同学们更多的科学知识、更多动手和动脑学习的机会，帮助我们从中领悟化学博大精深的科学思想，进一步认识化学发展对人类文明的伟大贡献。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。物质结构决定物质性质，而物质性质直接关系到物质的用途。时至今日，化
2、学家们积累起来的知识和技术虽不能解决与社会发展有关的全部问题，但也结出了丰硕的果实。与人类已知的几百万种生物相比，已知的化合物已达上亿种，近年来每年化学家创造的新物质就达数百万种以上。化学不仅与制药、石油、橡胶、造纸、建材、钢铁、食品、纺织、皮革、化肥等传统行业衰荣与共，还带动了信息、能源、航天、生命等高科技领域产业的兴起。据统计，活跃在全球与化学相关行业和领域中的科学家、工程技术人员，是一支最为庞大的研究队伍。为了保卫地球，化学家们开创了绿色化学时代。“绿色发展”已经成为我国可持续发展的基本国策。我们正在努力并且已经能够做到：使天空更清洁，从源头防治水污染，修复污染的土地，建构清洁低碳、安全
3、高效的能源体系，实现绿色低碳的生活方式千姿百态的物质世界与高度发达的科学技术将一个飞速膨胀的知识系统呈现在我们眼前，引发了无数充满好奇的中学生的一系列疑问：物质世界为什么是这样的？为什么会发生这些变化？哪些证据能帮助我们去预测未来？在“多样”与“变化”的背后，同学们或许已隐隐发现，物质世界的变化都有其内在的规律。高中化学课程将为同学们探索这些规律提供必要的基础。如果说在初中阶段，我们只是泛舟荡漾在化学的河川之上，为沿途的旖旎风景所倾倒，那么一旦进入高中，我们会发现眼前的河面越发开阔，景色更加优美。扬起风帆，我们将遨游于神奇的化学海洋之中。我细心观察过今天的高中学生，欣喜地发现，随着时代的进步，
4、同学们的视野更为开阔，思维愈发活跃。老师们常常在为高中生各种新奇的创意与问题惊讶甚至烦恼的同时，不能不从内心叹服他们对化学内涵的深刻理解，以及表现出来的思维潜力。有了如此乐观的基础，在高中化学学习过程中，同学们能充分领略实验探究和科学方法的重要性，学会去寻找解决复杂问题的各种突破口，尝试用化学的眼光和思维去审视我们赖以生存的物质世界，增强对自然界、对社会的责任感，为日后参加社会决策打下较为扎实的知识基础，从而获益终身。普通高中教科书化学（必修）是高一年级起步的化学课程，她从一系列与我们变化的时代密切相关的专题和化学研究的方法展开，教材融合了化学发展的学科线索、社会的应用价值和高中生的认知特点，
5、揭示了化学的基础知识和重要的思想观念，大力弘扬科学精神的旗帜，用生动的事例阐明化学对人类社会可持续发展中面临重大挑战时作出的巨大贡献。依据2017年修订完成的新版普通高中化学课程标准，我们积极探索化学课程学习对促进学生核心素养发展的重要影响，从内容选择、编写思路和活动设计等多个方面对化学教材进行了修订。教材的主要栏目体现了作者对化学学科特点和化学必修课程学习的认识，希望有助于同学们在阅读过程中更好地理解化学。【温故知新】在新旧知识之间架起“桥梁”，引导同学们回顾已有知识和思维经验，寻找与新学知识之间的密切联系，激发探究新知识的欲望。【交流讨论】结合学习目标设置了一系列与内容有关的问题情境，引导
6、同学们展开讨论，为理解知识和深化思维提供基础。【基础实验】要求同学们在学习中同步完成的必做实验，不仅要了解这些实验的基本原理，还要学会动手操作，切实提高自己观察、记录和分析实验现象的能力。【实验探究】引领同学们积极投身更多的实验活动，熟悉实验流程，设计探究方案，独立或合作完成实验操作，记录实验现象，基于实验证据进行推理。【观察思考】教师展示实验现象、模型、图表等，提出相关问题激发同学们思考，尝试解析其中蕴涵的化学原理，帮助同学们开启化学思维。【学以致用】在教材阐述新知识之后插入典型问题，启迪同学们运用所学知识去解决实际问题，提高知识的迁移能力。【拓展视野】提供与学习内容相关的更多生动的素材，帮
7、助同学们在完成必修的学习任务之余，进一步开拓视野，领略化学的奇妙和魅力。【科学史话】选取相关的、意义重大的化学史实，生动地还原其发展过程，帮助同学们能从科学家的角度去思考问题，感受中外科学家的创新精神。【学科提炼】以简洁的语言介绍与化学核心知识相关的基本原理、思想方法等，尝试探索化学科学的本质特点，揭示化学知识的认识功能。化学，伴随我们一生的科学。在过去的岁月中，我们渴望了解化学，为此我们有过喜悦，也有过失望，但探索的步伐一直没有停歇。今天，当我们以一种新的姿态学习高中化学，你眼中的物质世界将会变得更加绚丽多彩！让我们充满信心，用智慧和勤奋去迎接新的学习任务，探索更多的科学奥秘，攀登更高的科学
8、台阶，创造更加美好的明天！王祖浩 2019年3月化学反应与能量变化化学反应速率与反应限度化学反应中的热化学能与电能的转化世界是由物质构成的，物质相互之间发生的化学反应随处可见，快如烟花爆炸的转瞬即逝，慢如溶洞形成的 日 积 月 累。除 了 快 慢 不一，各种化学反应进行的程度也有所差异，有的能进行到底，有的反应有一定的限度。化学反应总是伴随着能量 的 转 化，如 热、电、光等，给世界带来了生机和光明。研究化学反应中的这些规律并加以利用，能够更好地造福人类。2化学反应是一个有新物质生成的过程。在不同的化学反应中，反应进行的快慢不同，这是反应速率问题；投入的反应物转变为生成物的程度有多大，这是反应
9、限度的问题。在生产与生活中，化学家探索并掌握化学反应速率和反应限度的有关规律，能依据实际需要更合理地调控反应，从而更好地为人类服务。不同化学反应进行的快慢程度不同。爆炸反应几乎能在瞬间完成；食物腐败和钢铁生锈则较为缓慢，一般需要数日至数月；溶洞中钟乳石和石笋的形成则极为缓慢，在短时间内无法观察到明显的变化。图 6-1 爆炸图 6-2 铁锈图 6-3 石灰岩溶洞第一单元化学反应速率与反应限度目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到：能从内因、外因两方面认识化学反应速率；学会运用控制变量方法研究影响化学反应速率的因素；初步建立变化观念与平衡思想。化学反应速率化学反应与能量变化专 题63在
10、上述实验中可以观察到，两支试管中气泡产生的快慢有所不同，镁与盐酸的反应比铁更快。化学反应的快慢通常用化学反应速率（chemical reaction rate）来定量表示。在物理学中，速率可用单位时间内物体运动的距离来表示（即 ）。类似地，化 学 反 应 速 率 可 用 单 位 时 间 内 反 应 物 浓 度 的 减 少 或 者 生 成 物 浓 度 的 增 加 来 表示，即 ，其常用的单位有molL-1min-1或molL-1s-1等。v即化学反应在t内的平均速率。例如，在一定条件下，某过氧化氢溶液（即双氧水）放置100 min后，H2O2的浓度从510-2 molL-1下降到410-2 mo
11、lL-1，则在这100 min中，H2O2的浓度减少了110-2 molL-1。在此过程中，H2O2分解反应的平均速率是110-4 molL-1min-1。v=stv=ct进行下列实验，观察并比较两个反应放出氢气的快慢。取两支试管，各加入5 mL 0.5 molL-1盐酸，再剪取相同大小的镁条和铁片，用砂纸打磨后，分别放入两支试管中。基础实验请回忆物理学中是如何定义物体运动速率的，试举例加以说明。在体积为100 mL的溶液中，发生下列反应：16H+2MnO4-+10Br-=2Mn2+5Br2+8H2O已知，反应开始时，Br-的物质的量为0.01 mol；经过10 s后，Br-的物质的量变为0.
12、002 mol。假设反应过程中溶液的体积保持不变，则在这10 s内，Br-消耗的平均速率是多少？温故知新学以致用4化学反应速率的影响因素1.完成下列实验，分析影响H2O2分解反应速率的因素，填写表6-1。【实验1】取两支试管，各加入5 mL 4%的H2O2溶液，用药匙取少量MnO2粉末，加入其中的一支试管内，观察并比较两支试管中气泡生成的快慢。【实验2】取两支试管，各加入5 mL 12%的H2O2溶液，将其中一支试管水浴加热，观察并比较两支试管中气泡生成的快慢。【实验3】取两支试管，分别加入5 mL 4%、5 mL 12%的H2O2溶液，再各加入2滴0.2 molL-1 FeCl3溶液，观察并
13、比较两支试管中气泡生成的快慢。2.取两支试管，向其中一支加入约5 g块状大理石，另一支加入约5 g粉末状大理石，再各加入5 mL 4 molL-1 盐酸，观察并记录实验现象。基础实验我们已经知道，在金属与盐酸的反应中，若保持盐酸的浓度和体积、金属片的形状和大小相同，只改变金属片的材质，化学反应速率出现了较大的差异。由此可见，化学反应速率会受到反应物自身性质的影响。对于特定的某个化学反应而言，它的反应速率也不是一成不变的，还会受到其他多种外界因素的影响。表 6-1 过氧化氢分解实验实验序号实验现象实验结论实验1实验2实验3影响化学反应速率的因素化学反应与能量变化专 题65在上述实验中，加入MnO
14、2（或FeCl3溶液）作为催化剂、加热H2O2溶液或增加H2O2的浓度，都能加快气泡的产生，即增大了化学反应速率。可见，催化剂、反应温度和反应物浓度都是影响反应速率的外界因素。一般来说，其他条件相同时，加入催化剂能显著地增大反应速率；反应的温度越高，反应速率越大；反应物的浓度越大，反应速率越大。此外，对于有气体参加的反应，反应体系的压强越大，反应速率越大。块状、粉末状的大理石分别与相同浓度的盐酸反应，反应速率有显著差异。可见，增大反应物的接触面积，能增大反应速率。此外，光照等条件对一些化学反应速率也有一定影响。图 6-4 二氧化碳的体积随时间的变化1.应用化学反应速率的有关知识解释下列现象。（
15、1）加热氯酸钾制取氧气时，添加少量二氧化锰能使气体产生的速率增大。（2）0.1 molL-1硫代硫酸钠（Na2S2O3）溶液与0.1 molL-1稀硫酸反应生成硫单质，溶液变浑浊。在其他条件相同的情况下，该反应在90 时只需十几秒即出现浑浊现象，而在20 时大约需要几分钟才出现浑浊现象。（3）煅烧硫铁矿制取二氧化硫时，将矿石粉碎后投入沸腾炉中，并鼓入强大的空气流，使矿粒在炉中剧烈翻腾。2.为了研究碳酸钙与稀盐酸反应的反应速率，某同学通过实验测定反应中生成的CO2气体体积随反应时间变化的情况，绘制出图6-4所示的曲线。已知随着反应的进行，反应体系的温度逐渐升高。请分析讨论以下问题。（1）在Ot1
16、、t1t2、t2t3三个相同的时间段里，反应速率最大的是_时间段，收集到气体最多的是_时间段。（2）试分析上述三个时间段里，反应速率不同的可能原因。学以致用控制变量法多因素问题的研究往往比较复杂，常常需要将其进行分解。每次只改变其中的一个因素，而控制其余几个因素不变，研究被改变的因素对事物发展的影响，这样，就将多因素问题拆解为多个单因素问题分别开展研究，化繁为简，再进行综合分析，最后得出结论。这种方法称为控制变量法。学科提炼V(CO2)/mL反应时间t/minV4V3V2t1t2t3t4OV16我们已经知道，在常温下氯气能溶解于水，得到的氯水中既含有Cl2、H2O、HClO分子，也含有H+、C
17、l-、ClO-等离子。这说明溶解的Cl2只有一部分与水发生了化学反应，它们的反应只能进行到一定的限度，用化学方程式表示为：同一条件下，Cl2与H2O能转变成HCl与HClO，而HCl与HClO也能转变成Cl2与H2O。像这种在同一条件下，既能向正反应方向进行，又能向逆反应方向进行的化学反应叫作可逆反应（reversible reaction）。在书写化学方程式时，可逆反应用符号“”表示。Cl2+H2OHCl+HClO化学反应的限度请描述Cl2与H2O的反应。哪些证据能说明该反应有一定的限度？常温下，在0.1 molL-1醋酸水溶液中，大约只有1%的醋酸分子电离成H+和CH3COO-，绝大多数仍
18、以CH3COOH的形式存在，所以醋酸是一种弱酸。请用电离方程式表示上述过程，并用文字解释其特征。温故知新学以致用控制变量法是科学探究中非常重要的思想方法，广泛应用于化学、物理学、生物学等学科的研究中。例如，化学反应速率涉及反应物浓度（或气体压强）、温度、催化剂、反应物的表面积等多种因素的影响。研究者在其他条件不变的情况下，分次改变其中一个因素进行实验，即可分别得出浓度、温度、催化剂、反应物的表面积等条件对化学反应速率影响的结论。化学反应与能量变化专 题67已知FeCl3溶液和KI溶液在常温下能发生如下反应：1.取5 mL 0.1 molL-1 KI溶液，向其中加入1 mL 0.1 molL-1
19、 FeCl3溶液，振荡，观察实验现象。2.继续向上述溶液中加入2 mL苯，充分振荡后静置，观察实验现象。3.分液后，重复步骤2的操作2 3次，将下层溶液分装在两支洁净的试管中，向其中一支试管滴加5 6滴15%硫氰化钾（KSCN）溶液，观察并比较两支试管中溶液的颜色。（注：KSCN溶液遇Fe3+变为红色，该反应可用于溶液中Fe3+的检验）将实验现象和结论填入表6-2。在上述实验中，少量FeCl3溶液与过量KI溶液反应。从充分反应的溶液中分离出I2单质后，加入KSCN溶液仍然能检测到Fe3+的存在，说明Fe3+并未完全转化为Fe2+。由此可见，FeCl3和KI的反应没有完全进行到底，该反应有一定的
20、限度。事实上，像这样有一定限度的化学反应还有很多，它们都是可逆反应，反应物不能完全转化为生成物。如SO2与O2在一定条件下合成SO3的反应、N2与H2在一定条件下合成NH3的反应等，都是可逆反应。在醋酸溶液中，既有醋酸分子在水分子的作用下，电离产生H+和CH3COO-，也有电离生成的H+和CH3COO-结合生成醋酸分子的过程。该过程也是一个可逆过程，故醋酸的电离方程式可表示为：CH3COOHCH3COO-+H+表 6-2 FeCl3溶液与KI溶液的反应观察思考2Fe3+2I-=2Fe2+I2实验步骤实验现象实验结论 向 KI 溶液中加入FeCl3溶液并振荡 向充分反应后的溶液中加入苯，振荡，静
21、置 取下层溶液，滴加KSCN溶液8在上述Fe3+与I-的反应中，向KI溶液中加入FeCl3溶液时，刚开始Fe3+与I-的浓度很大，而Fe2+与I2的浓度为零，反应正向进行。随着反应的进行，Fe3+与I-的浓度逐渐减小，正反应的速率减小；Fe2+与I2的浓度逐渐增大，逆反应的速率增大。当正、逆反应的速率相等时，反应物和生成物的浓度不再发生变化，反应达到化学平衡（chemical equilibrium）状态。图 6-5 化学平衡示意图可逆反应达到化学平衡后，反应混合物的组成保持不变，但是正、逆反应仍在进行，因此化学平衡是一种动态平衡。当反应条件发生改变时，如升高反应的温度等，原有的化学平衡状态会
22、被打破，一段时间后反应会达到新的平衡状态。O反应速率反应时间v(正反应)v(逆反应)一定条件下，在固定体积的密闭容器中加入一定物质的量的SO2气体和O2，两者发生反应生成SO3气体。请参考图6-5，描述从反应开始至平衡时各物质浓度的变化和正、逆反应速率的变化。化学平衡观念化学平衡具有丰富的思想内涵。化学反应达到平衡，宏观上表现为“静止”状态；反应物和生成物其实仍在不断进行更新，只是同一物质生成和消耗的量相等，即正、逆反应速率相等，但不为零，表现出化学平衡的动态性。这说明事物的表象与本质之间有时存在较大差异，停留于事物的表面容易得出片面乃至错误的结论。只有探索事物本质，才能对事物具有更为深刻、全
23、面的认识。从反应物与生成物变化的角度看，正反应消耗反应物，积累生成物；逆反应积累反应物，消耗生成物。正、逆反应相互削弱，又共处于同一化学平衡体系中，对立而又统一。从化学平衡的角度看，正、逆反应的对立统一关系使化学反应具有一定的限度，在一定条件下达成平衡。但这种平衡又是暂时的、相对的，温度、压强等条件的改变会打破化学平衡，而达到新的平衡。这说明改变外界条件能促进事物的进一步发展。学以致用学科提炼化学平衡状态化学反应与能量变化专 题691.下列关于化学反应速率的说法中，错误的是（）A.化学反应速率用于表示化学反应进行的快慢 B.化学反应速率会受到反应物本身性质的影响 C.可逆反应达到化学平衡状态时
24、，正、逆反应的速率都变为0 D.增大反应物的浓度、提高反应体系温度都能增大反应速率2.对于二氧化硫与氧气化合生成三氧化硫的反应，下列说法错误的是（）A.降低温度会使反应速率减小 B.使用合适的催化剂能使反应速率增大 C.达到平衡状态时，仍有SO2与O2反应生成SO3 D.增大压强能使二氧化硫完全被消耗3.请解释下列现象。（1）夏季常把食物放在冰箱中冷藏。（2）将大小相同的铁片分别放入相同体积的 0.1 molL-1和 1 molL-1盐酸中，后者产生氢气的速率比前者大。（3）常温常压下合成氨反应的速率极小，工业上常采用的反应条件是约500、2050 MPa（约200 500 个大气压）下用铁触
25、媒作催化剂。4.在一个体积固定的密闭容器中加入反应物A、B，发生如下反应：A+2B=3C。反应经2 min后，A的浓度从开始时的1.0 molL-1降到0.8 molL-1。已知反应开始时B的浓度是1.2 molL-1，求：（1）2 min 末 B、C 的浓度。（2）用单位时间内 A 浓度的减小来表示 2 min 内该反应的平均速率。5.甲酸（HCOOH）是一种弱酸，在水溶液中电离成氢离子和甲酸根离子（HCOO-）。（1）请写出甲酸的电离方程式。（2）某甲酸溶液中，HCOOH的初始浓度是0.1 molL-1，当其电离达到平衡时，溶液中的HCOO-浓度c的取值范围是 。A.c 0.1 molL-
26、1 B.c=0.1 molL-1 C.0 c 0.1 molL-1 D.c=06.酶是一种非常重要的催化剂，生物体内的众多化学反应都需要酶的催化才能顺利、快速进行。请查阅资料，了解酶催化的特点。理解应用10人类使用火实质上是利用燃烧反应放出的光和热，如煤炭燃烧时发光、放热；有些反应则需要吸热，如煅烧石灰石生成生石灰需要吸热才能进行。总之，我们身边的许多化学反应都伴随着能量的变化。其实，在化学反应中，反应物转化为生成物的同时，必然发生能量的变化。反应中化学能可以转化为热能、光能、电能等，热能、光能、电能等也可以转化为化学能，如制水煤气、植物的光合作用、水的电解等。研究化学反应中的能量转化，可以帮
27、助我们更深刻地认识化学反应，更好地为生产和生活服务。图 6-6 点燃的燃气灶图 6-7 氧炔焰焊接钢轨图 6-8 古法煅烧石灰石制得生石灰化学上，我们把放出热的反应称为放热反应（exothermic reaction），把吸收热的反应称为吸热反应（endothermic reaction）。例如，氢气在氧气中燃烧生成水的反应是放热反应，而水分第二单元化学反应中的热目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到：能从定性与定量、宏观与微观相结合的角度解释化学变化伴随的能量转化；能正确地表示化学反应的放热或吸热过程；能利用化学反应中的能量变化解决生产、生活中的简单问题。放热反应与吸热反应化学反
28、应与能量变化专 题611解为氢气和氧气的反应则是吸热反应。图 6-9 氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应上述两个实验中，一个反应放热使温度升高，另一个反应吸热使温度降低。此外，天然气、酒精、汽油、木材等可燃物的燃烧反应，酸碱中和反应等都是放热反应；而高温下煅烧石灰石等反应则是吸热反应。通过触摸反应容器可以感受到化学反应伴随的放热或吸热现象。但如何定量地表示一个特定的反应放出或吸收的热呢？用热化学方程式（thermochemical equation）可以帮助我们解决这一问题。在热化学方程式中，要标明所有物质在反应条件下的状态（气态、液态、固态分别用g、l、s表示），反应放出或吸收的热用H表示，负值
29、表示在该条件下反应放热，正值表示在该条件下反应吸热。例如：反应（1）中，1 mol CaCO3吸收178.2 kJ的热，完全分解生成1 mol CaO和1 mol CO2气体；反应（2）中，1 mol C与1 mol O2完全反应生成1 mol CO2气体，放出393.6 kJ的热。CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)H=178.2 kJmol-1（1）C(s)+O2(g)=CO2(g)H=-393.6 kJmol-1（2）完成下列实验，感受化学反应中的热。【实验1】向一支试管中放入用砂纸打磨光亮的镁条，加入5 mL 2 molL-1盐酸，用手触摸试管外壁，感受试管外壁的温度变化。【实
30、验2】在100 mL烧杯中加入约20 g经研磨的八水合氢氧化钡晶体Ba(OH)28H2O，然后加入约10 g氯化铵晶体，用玻璃棒搅拌，使之充分混合。在烧杯下垫一块沾有水的玻璃片，一段时间后提起烧杯，观察实验现象。用手触摸烧杯外壁，感受温度变化。观察思考1.在一定条件下，1 mol氮气与1 mol氧气反应生成2 mol一氧化氮气体，吸收180 kJ的能量。则该反应的热化学方程式为 。学以致用12图 6-10 化学反应中的能量变化参加化学反应的每一种物质内部都贮存着一定的能量。当反应物的总能量小于生成物的总能量时，反应物需要吸收能量才能转化为生成物；当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应物转化
31、为生成物就会放出能量。如果化学反应中的能量变化主要表现为热的形式，反应就伴随着热的吸收或释放（图6-10）。化学反应中的能量变化是宏观上的变化，不仅可以用反应物与生成物的总能量的变化来说明，还可以用微观上化学键的断裂与形成来解释。研究表明，物质发生化学反应时，需要吸收能量以断开反应物中的化学键，在形成生成物中的化学键时放出能量。若反应过程中断开化学键所吸收的总能量大于形成化学键所放出的总能量，则反应过程中吸收能量；反之，若反应过程中断开化学键所吸收的能量小于形成化学键所放出的能量，则反应过程中放出能量。2.H2、CO、CH4完全燃烧的热化学方程式可以分别表示为：H2(g)+O2(g)=H2O(
32、l)H=-285.8 kJmol-12CO(g)+O2(g)=2CO2(g)H=-565.2 kJmol-1CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)H=-890.3 kJmol-1完全燃烧相等物质的量的上述物质，放出热的大小顺序为 。12能量能量生成物生成物反应过程反应过程反应物反应物吸收能量放出能量利用键能估算化学反应中的能量变化断开气态物质中1 mol某种共价键生成气态原子需要吸收的能量，就是该共价键的键能（bond energy）。共价键的键能拓展视野化学反应与能量变化专 题613对于化学反应H2+Cl2=2HCl，能量的变化可以表示为：所以该反应的热化学方程式可以表示为
33、：H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)H=184.5 kJmol-1表 6-3 某些共价键的键能共价键键能/kJmol-1共价键键能/kJmol-1HH436.4CC347.7ClCl242.7HCl431.8HO462.8NN941.7断开反应物中的化学键所吸收的能量1 mol H2中的HH键436.4 kJ1 mol Cl2中的ClCl键242.7 kJ总和679.1 kJ形成生成物中的化学键所放出的能量2 mol HCl中的HCl键431.8 kJ 2总和863.6 kJ反应最终放出的能量863.6 kJ 679.1 kJ=184.5 kJ人类自从学会了用火，便以草、木等作为燃料，利
34、用燃烧放出的热从事各种活动。而后，煤炭、石油等化石燃料相继被开采出来，供人类使用，燃料的更替为人类工业文明的产生和发展奠定了基础。生活中常见的燃料有煤炭、石油、天然气等。为什么质量相同的不同燃料，完全燃烧后放出的热不相等？这与燃料的热值（heat value）有关。热值是指一定条件下单位质量的可燃物完全燃烧所放出的热。常见燃料的热值如表6-4所示。图 6-11 氯化氢形成过程中化学键的变化越大，该共价键越牢固。部分共价键的键能如下表所示：燃料燃烧释放的能量14近30年来，我国部分年份的能源消费结构如图6-12所示。它呈现什么特点？在30年间发生了哪些变化？为什么会发生这样的变化？请你查阅资料，
35、并与同学讨论。交流讨论表 6-4 几种燃料的热值由表6-4的数据可知，热值最大的是氢气，其次是天然气，较小的是石油、煤炭。但由于氢气在制备、存储、运输、开采成本等方面存在诸多的问题，煤炭、石油等化石燃料仍然是当今较为主要的能源。我国是非常依赖化石燃料的国家，尤其是煤炭，它在我国的能源消费结构中占据了相当大的比例，约为70%，远高于世界平均水平（约28%）。煤炭等化石燃料的燃烧常常伴随着大量烟尘、CO、SO2、氮氧化物（NOx）等有毒有害物质的排放，后两者还能导致酸雨，对环境的破坏非常严重。而且，燃料燃烧过程中，一般只有约1/3的能量可以实现有效转化，其他部分则转化为废热排出或损耗掉，燃料使用效
36、率不高。当今环境问题突出，环境保护刻不容缓。为了解决燃料燃烧中存在的问题，化学工作者在许多方面进行了卓有成效的努力与探索。一是节约现有的能源，尤其是减少作为燃料的煤和石油的开采，将更多的化石燃料留给后人；二是提高燃料的使用效率，减少对环境的污染，利用物质煤炭石油天然气氢气热值/kJg-1约33约48约56143图 6-12 我国能源消费结构的变化80%70%60%50%40%30%20%10%0 煤炭1985年1995年2005年2008年2011年2012年2013年石油天然气其他消耗能源占比化学反应与能量变化专 题615化学方法将化石燃料转化为洁净燃料，如将煤气化转化成煤气，或使煤液化形成
37、液体燃料，降低氧、氮、硫元素含量，减少污染，增大其中氢元素含量，提高燃烧效率；三是积极开发优质的新能源，氢能、水能、太阳能、风能等都是更清洁、更高效的能源。氢气的热值在普通燃料中是最高的，燃烧1 g氢气能释放出143 kJ的热，是汽油的3倍多。氢气燃烧的产物只有水，不会产生对环境有害的污染物，是一种洁净燃料。因此，氢气被普遍认为是未来理想的绿色燃料。目前，制氢和储氢已成为全球瞩目的课题。将太阳能转化为电能，再将水催化电解获得氢气，其中最关键的高效、廉价、绿色的催化技术已有突破性的进展。氢气密度小，熔点低，难液化，贮存液氢的容器要求高。科学家正致力于研究具备良好吸收和释放氢气性能的合金（如镧镍合
38、金等），这将为解决氢气贮存问题开辟新的方向。贮氢合金在一定条件下吸收氢气形成金属氢化物，在加热时又可释放出氢气。氢气作为燃料，已有广泛的应用。发射人造卫星和载人飞船的运载火箭常用液氢作燃料。我国于1980年研制成功低温条件下也容易发动，对发动机腐蚀作用小的氢动力汽车。2017年10月，我国的氢燃料混合动力有轨电车在世界上首次成功投入商业运行（图6-16），最高运行时速70 km。这种零排放、无污染、低噪声、能源可再生、转化效率高的新型轨道交通工具，将给人类文明带来新的机遇。图 6-13 水力发电图 6-14 太阳能的利用图 6-15 风力发电氢气燃烧只生成水，对环境无污染，符合“低碳”原则，是
39、一种非常理想的洁净燃料，但目前氢能的大规模使用受到限制。如何解决氢燃料应用面临的困境？氢燃料的应用前景选择决策图 6-16 世界首列氢燃料有轨电车16太阳能及其利用大自然利用太阳能最成功的是植物的光合作用，地球上每年通过光合作用储藏的太阳能相当于全球能源年消耗量的10倍左右，这就是光-生物质能的转化。植物体内的叶绿素等物质将水、二氧化碳转化为葡萄糖，进而生成淀粉、纤维素，其本质是发生了光-化学能的转换。动物摄入体内的淀粉、纤维素能水解转化为葡萄糖，葡萄糖氧化生成二氧化碳和水，释放出热，供给生命活动的需要。人类直接利用太阳能，有两种常见的方式：1.光-热转换这是目前技术最成熟、成本最低廉、应用最
40、广泛的形式。其基本原理是利用太阳辐射能加热物体而获得热能，如地膜、大棚、温室、太阳能热水器、反射式太阳灶、高温太阳炉等。拓展视野利用氢燃料电池发电，逐步取代当前污染环境、不可再生的化石燃料，大幅度降低成本，最终形成“无碳”的清洁能源产业。化学科学发展将在极大程度上促进现有的石油经济体系向氢经济（hydrogen economic）结构转型，实现绿色发展目标。光叶绿素6H2O+6CO2 C6H12O6+6O2催化剂(C6H10O5)n+nH2O nC6H12O6图 6-17 太阳能的转化太阳能电能生物质能化学能煤灰渣发电厂营养素肥料水煤水、二氧化碳C6H12O6(s)+6O2(g)=6H2O(l
41、)+6CO2(g)H=-2 804 kJmol-1化学反应与能量变化专 题617图 6-18 光-电转换2.光-电转换光-电转换主要用于发电，有两种方式：一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电转换方式。（1）光-热-电转换是利用太阳能发电，一般是由太阳能集热器发电，太阳能集热器吸收的热能使水转化为水蒸气，再驱动汽轮机发电。（2）光-电直接转换是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换为电能。光-电转换的基本装置是太阳能电池，它适用于电子仪表、光电信号器件、无人中继站、高山气象站等方面。1.下列说法错误的是（）A.燃料的燃烧反应都是放热反应 B.一定量的燃料完全燃烧放出的热比不完全燃烧放出的热大 C
42、.放热反应的逆反应一定是吸热反应 D.选择燃料只需考虑燃料热值的大小2.下列物质加入水中，会显著放热的是（）A.食盐 B.生石灰 C.硝酸铵 D.蔗糖3.某基元反应A+B=C+D的能量变化如右图所示，下列说法正确的是（）A.该反应为放热反应 B.该反应为吸热反应 C.反应物的总能量高于生成物的总能量 D.该反应只有在加热条件下才能进行4.已知断裂1 mol H2(g)中的共价键需要吸收436.4 kJ的能量，断裂1 mol O2(g)中的共价键需要吸收498 kJ的能量，生成H2O(g)中的1 mol HO键能放出462.8 kJ的能量。下列说法错误的是（）A断裂1 mol H2O中的化学键需
43、要吸收925.6 kJ的能量 B2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)H=-480.4 kJmol-1 C2H2O(l)=2H2(g)+O2(g)H=-480.4 kJmol-1 DH2(g)+12O2(g)=H2O(l)H=-240.2 kJmol-1理解应用能量反应物生成物反应过程O185.下列变化过程中放出热的是 （填序号）。液态水汽化 稀释浓硫酸 高温下碳酸钙分解 镁条和盐酸反应 硝酸铵固体溶于水 铁丝在纯氧中燃烧 氢氧化钾溶液和硝酸反应 八水合氢氧化钡固体与氯化铵固体混合搅拌6.依据下列气体燃烧的化学方程式，比较完全燃烧相同条件下等体积的下列气体需要的空气体积的大小。天然气（以甲烷
44、计）、石油液化气（以丁烷计，丁烷化学式为C4H10）、水煤气（以CO、H2体积比11计）。7.两位同学讨论放热反应和吸热反应。甲说加热后才能发生的化学反应是吸热反应，乙说反应中要持续加热才能进行的反应是吸热反应。你认为他们的说法正确吗？为什么？8.乙炔（C2H2）气体在氧气中完全燃烧放出大量热，形成高温火焰（氧炔焰），可以用于焊接或切割钢板。已知乙炔在氧气中完全燃烧的热化学方程式是：2C2H2(g)+5O2(g)=4CO2(g)+2H2O(l)H=-2 599.2 kJmol-1则1 kg乙炔在氧气中完全燃烧放出多少热？9.已知碳酸钙分解的热化学方程式为：CaCO3(s)=CaO(s)+CO2
45、(g)H=178.2 kJmol-1欲使1 t CaCO3完全分解，需要提供多少热？若通过煤炭燃烧来提供热，则至少需要燃烧多少千克煤炭？（已知煤炭的热值为33 kJg-1）10.我国煤炭的年消耗量较大，不仅利用率低，给环境也带来了不利影响。请查阅资料，阐述如何对煤炭进行技术处理，以解决目前存在的问题。11.为什么说氢气是最理想的“绿色燃料”？它有哪些方面的具体应用？化学反应与能量变化专 题619我们已经知道，化学反应伴有吸热或放热现象，这是化学能与热能相互转化的表现。除热能以外，化学能还可以转化为光能、机械能、电能等其他形式的能量。各种各样的电池就是化学能与电能转化的最好体现。在现代生活中，化
46、学电源发挥着越来越重要的作用。大到人造卫星、飞机、新能源汽车，小到电脑、手机、电子手表，都离不开化学电源。尤其是电子产品的日趋丰富，化学电源与人类生活的关系越来越密切。那么，化学电源是如何对外提供电能的呢？图 6-19 家用干电池图 6-20 纽扣电池图 6-21 手机电池第三单元化学能与电能的转化目标预览 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到：能理解化学能与其他形式能量的转化；认识化学能转化为电能的实际应用；形成化学有助于提高人类生活质量的观念。化学能转化为电能完成下列实验，将观察到的实验现象和得到的实验结论填入表6-5。基础实验20通过步骤4的实验可以看出，锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡
47、产生，电流计指针发生偏转，说明这个装置可以将化学能转化为电能。反应过程中的电流是这样形成的：1.在锌片（负极）上，锌失去电子形成锌离子（Zn2+）进入溶液：Zn-2e-=Zn2+。电子经锌电极流向导线。2.从锌电极流出的电子经导线通过电流计流入铜电极。3.在铜片（正极）上，流入铜电极的电子使溶液中的氢离子还原成氢气：2H+2e-=H2。4.铜电极附近溶液中的氢离子减少，电解质溶液中的阳离子向铜电极附近发生定向迁移，使电极和溶液形成电流回路。上述化学能转化为电能的反应可表示为：Zn+2H+=Zn2+H2我们把将化学能转变为电能的装置称为原电池（primary battery）。在原电池中，两个电
48、极上分别发生氧化反应和还原反应。还原剂在负极发生氧化反应，失去电子；电子通过导线由原电池的负极流向正极，氧化剂在正极得到电子发生还原反应。原电池就是这样通过化学反应将化学能转化为电能的。1.把一块锌片和一块铜片分别插入盛有稀硫酸的烧杯里，观察实验现象。2.把一块锌片和一块铜片同时插入盛有稀硫酸的烧杯里，观察实验现象。3.用导线把步骤2中的锌片和铜片连起来，观察实验现象。4.在步骤3的导线中间连接一个灵敏电流计（如图 6-22），观察实验现象。表 6-5 化学能转化为电能的实验实验步骤实验现象实验结论步骤1步骤2步骤3步骤4图 6-22 原电池示意图图 6-23 原电池反应原理示意图e-e-e-
49、e-OOOOe-e-G稀硫酸ZnZn2+SO42-SO42-CuH2H+H+G稀硫酸+-CuZne-化学反应与能量变化专 题621依据原电池反应的原理，我们可以设计一个装置，通过氧化还原反应即可实现化学能向电能的转化。图 6-24 钢铁的电化学腐蚀原理示意图e-电解质溶液钢铁Fe2+FeO2COH-化学电源钢铁的电化学腐蚀原理及其应用钢铁在潮湿的空气中很容易被腐蚀，因为在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，水膜里含有少量H+、OH-和氧气等，从而形成一层电解质溶液，它与钢铁里的铁和少量碳形成了无数微小的原电池。在这些微小的原电池中，主要发生了下列反应：负极（铁）：2Fe-4e-=2Fe
50、2+正极（碳）：2H2O+O2+4e-=4OH-铁失去电子被氧化，Fe2+与OH-结合成Fe(OH)2，Fe(OH)2进一步被氧气氧化为Fe(OH)3。4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3Fe(OH)3在一定条件下发生脱水反应，生成红色的铁锈（主要成分为Fe2O3xH2O）。不纯的金属与电解质溶液接触，发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子被氧化，这种腐蚀（corrosion）叫作电化学腐蚀。钢铁电化学腐蚀的原理在生活中应用广泛。例如，生活中常用的取暖产品暖贴，就是以此原理制成的。暖贴的内部含有铁粉、活性炭、食盐、蛭石、木粉的混合物。铁粉、活性炭、食盐一旦与空气中的氧气和水蒸气接