資源簡介

專題六 整合提升
【知識構建】
【知識整合】
　　主題一　化學反應速率的計算與比較
【例1】　在容積為2 L的密閉容器中進行如下反應:A(g)+2B(g)3C(g)+xD(g),開始時通入4 mol A和6 mol B,5 min末時測得C的物質的量為3 mol,v(D)為0.2 mol·L-1·min-1。
(1)5 min末A的物質的量濃度為　　　　　mol·L-1。
(2)前5 min內v(B)為　　　　mol·L-1·min-1。
(3)化學方程式中x的值為　　　　。
(4)此反應在四種不同情況下的反應速率分別如下所示,其中反應速率最快的是　　　　(填字母)。
A.v(A)=0.4 mol·L-1·min-1
B.v(B)=0.005 mol·L-1·s-1
C.v(C)=0.3 mol·L-1·min-1
D.v(D)=0.002 mol·L-1·s-1
【答案】(1)1.5　(2)0.2　(3)2　(4)A
【思維模型】
化學反應速率的計算及比較
(1)根據已知數據,找出某一時間段內指定物質的濃度的改變值,然后根據Δc和Δt的比值計算得出反應速率。
(2)已知具體反應方程式和某一物質的反應速率,根據“化學計量數之比等于對應物質的化學反應速率之比”求解其他物質的反應速率。
(3)較復雜的化學反應速率計算常用“三段式”法。
(4)用不同物質表示的反應速率來判斷反應進行的快慢時,不能認為其反應速率數值大,反應速率就快,一定要先轉化為用同一物質表示的反應速率再進行比較。
(5)在進行化學反應速率的計算與比較時要注意時間單位的轉化。
【趁熱打鐵1】　將4 mol A氣體和2 mol B氣體置于1 L的密閉容器中,混合后發生如下反應:2A(g)+B(g)2C(g)。若經2 s后測得C的濃度為1.2 mol·L-1,下列說法正確的是(　　)。
A.用物質A表示的反應速率為1.2 mol·L-1·s-1
B.用物質B表示的反應速率為0.6 mol·L-1·s-1
C.2 s時物質A的轉化率為30%
D.2 s時物質B的濃度為0.6 mol·L-1
【答案】C
【解析】根據反應2A(g)+B(g)2C(g)可知,起始濃度(mol·L-1):c(A)=4、c(B)=2、c(C)=0;轉化濃度(mol·L-1):c(A)=1.2、c(B)=0.6、c(C)=1.2;2 s時濃度(mol·L-1):c(A)=2.8、c(B)=1.4、c(C)=1.2。用物質A表示的反應速率為=0.6 mol·L-1·s-1,A項錯誤;用物質B表示的反應速率為=0.3 mol·L-1·s-1,B項錯誤;2 s時物質A的轉化率為×100%=30%,C項正確;2 s時物質B的濃度為1.4 mol·L-1,D項錯誤。
主題二　控制變量法探究影響化學反應速率的因素
【例2】　草酸與高錳酸鉀在酸性條件下能夠發生如下反應:2Mn+5H2C2O4+6H+2Mn2++10CO2↑+8H2O。用4 mL 0.001 mol·L-1 KMnO4溶液與2 mL 0.01 mol·L-1 H2C2O4溶液,研究反應的溫度、反應物的濃度與催化劑等因素對化學反應速率的影響。改變的條件如表所示:
組別 10%硫酸體積/mL 溫度/℃ 其他物質
Ⅰ 2 20 —
Ⅱ 2 20 10滴飽和MnSO4溶液
Ⅲ 2 30 —
Ⅳ 1 20 1 mL蒸餾水
(1)據實驗Ⅰ和Ⅱ可得出的結論:影響化學反應速率的因素是　　　　;如果研究溫度對化學反應速率的影響,使用實驗Ⅰ和　　　　(用Ⅰ~Ⅳ表示)。
(2)實驗Ⅳ中加入1 mL蒸餾水的目的是　 。
【答案】(1)催化劑　Ⅲ　(2)確保所有實驗中c(KMnO4)、c(H2C2O4)不變和總體積不變,實驗Ⅳ中c(H+)不同
【解析】(1)實驗Ⅰ、Ⅱ中溫度、濃度相同,實驗Ⅱ中加入了催化劑,研究了催化劑對化學反應速率的影響;研究溫度對化學反應速率的影響,應保證濃度相同,且不使用催化劑,則選實驗Ⅰ和Ⅲ。(2)實驗Ⅰ和Ⅳ中,硫酸的濃度不同,可研究濃度對化學反應速率的影響,加1 mL蒸餾水可確保兩實驗中其他各物質濃度和總體積相等。
【思維模型】
控制變量法思維模型
1. 確定變量:解答這類題目時首先要認真審題,找出影響實驗探究結果的因素。
2. 定多變一:在探究時,應先控制其他的因素不變,只改變一種因素,探究這種因素與題給問題的關系,然后按此方法依次分析其他因素與所探究問題的關系。
3. 數據有效:解答時注意選擇的數據(或設置實驗)要有效,且變量統一,否則無法做出正確判斷。
【趁熱打鐵2】　某同學在用稀硫酸與鋅制取氫氣的實驗中,發現加入少量硫酸銅溶液可加快氫氣的生成速率。請回答下列問題:
要加快上述實驗中氣體產生的速率,還可采取的措施有
　　　 　　　　　　　　　　　　　　(答兩種)。
(2)為了進一步研究硫酸銅的量對氫氣生成速率的影響,該同學設計了如下一系列實驗。將表中所給的混合溶液分別加入6個盛有過量Zn粒的反應容器中,收集產生的氣體,記錄獲得相同體積的氣體所需時間。
A B C D E F
4 mol·L-1 H2SO4溶液/mL 30 V1 V2 V3 V4 V5
飽和CuSO4溶液/mL 0 0.5 2.5 5 V6 20
H2O/mL V7 V8 V9 V10 10 0
①請完成此實驗設計,其中:V1=　　　　,V6=　　　　,V9=　　　　。
②反應一段時間后,實驗A中的金屬呈　　　　色,實驗E中的金屬呈　　　　色。
③該同學最后得出的結論:當加入少量CuSO4溶液時,生成氫氣的速率會大大提高。但當加入的CuSO4溶液超過一定量時,生成氫氣的速率反而會下降。請分析氫氣生成速率下降的主要原因:
　 。
【答案】(1)升高反應溫度、適當增加硫酸的濃度、增加鋅粒的表面積等　(2)①30　10　17.5　②灰黑　暗紅　③當加入一定量的CuSO4后,生成的單質Cu會沉積在Zn的表面,減小了Zn與溶液的接觸面積
【解析】(1)根據影響化學反應速率的外界因素,則加快反應速率的方法還有增大反應物濃度、升高溫度、使用催化劑、增大鋅粒的表面積等。注意H2SO4濃度不能過大,濃硫酸與Zn反應不生成H2。
(2)若研究CuSO4的量對H2生成速率的影響,則實驗中除CuSO4的量不同之外,其他物質的量均相同,則V1=V2=V3=V4=V5=30,最終溶液總體積相同,由實驗F可知,溶液的總體積均為50 mL,則V6=10,V9=17.5。隨著CuSO4的量增大,則附著在Zn片表面的Cu會越來越多,當Cu完全覆蓋Zn片時,Zn不能與H2SO4接觸,則H2生成速率會減慢,且Zn片表面的Cu為暗紅色。
主題三　化學平衡狀態的判斷
【例3】　一定溫度下,將一定量的N2和H2充入固定體積的密閉容器中進行反應:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。下列描述能說明該可逆反應達到化學平衡狀態的有　　　　(填字母)。
A.容器內的壓強不變
B.容器內氣體的密度不變
C.相同時間內有3 mol H—H鍵斷裂,有6 mol N—H鍵形成
D.c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2
E.NH3的質量分數不再改變
【答案】AE
【解析】該反應為氣體體積縮小的反應,壓強為變量,當容器內的壓強不變,表明正、逆反應速率相等,該反應達到平衡狀態,A項正確;該反應中混合氣體質量、容器容積為定值,則混合氣體的密度始終不變,不能根據混合氣體的密度判斷平衡狀態,B項錯誤;相同時間內有3 mol H—H鍵斷裂,有6 mol N—H鍵形成,表示的都是正反應速率,無法判斷正、逆反應速率是否相等,C項錯誤;c(N2)∶c(H2)∶c(NH3)=1∶3∶2,無法判斷各組分的濃度是否繼續變化,則無法判斷平衡狀態,D項錯誤;NH3的質量分數不再改變,各組分的濃度不再變化,該反應達到平衡狀態,E項正確。
【思維模型】
判斷可逆反應達到平衡狀態的標志
1.直接標志
(1)v正=v逆≠0(反應速率必須是一正一逆,不能都是v正或都是v逆)
①同一種物質的生成速率等于消耗速率。
②在化學方程式同一邊的不同物質的生成速率與消耗速率之比等于相應物質的化學計量數之比。
③化學方程式兩邊的不同物質的生成(或消耗)速率之比等于相應物質的化學計量數之比。
(2)各組分的濃度保持一定
①各組分的濃度不隨時間的改變而改變。
②各組分的質量分數、物質的量分數、體積分數不隨時間的改變而改變。
2.間接標志——“變量不變”
(1)反應體系中的總壓強不隨時間的改變而變化(適用于有氣體參與且反應前后氣體的體積不等的可逆反應)。
(2)混合氣體的密度不隨時間的改變而變化(適用于①恒壓且反應前后氣體的體積不等的可逆反應;②恒容且有固體或液體參與的可逆反應)。
(3)對于反應混合物中存在有顏色物質的可逆反應,若體系的顏色不再改變,則反應達到平衡狀態。
(4)體系中某反應物的轉化率或某生成物的產率達到最大值且不再隨時間而變化。
【趁熱打鐵3】　一定條件下,將NO2與SO2以體積比1∶2置于恒容密閉容器中發生反應NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g),下列能說明反應達到平衡狀態的是(　　)。
A.體系壓強保持不變
B.混合氣體顏色保持不變
C.SO3和NO的體積比保持不變
D.每消耗1 mol SO3的同時生成1 mol NO2
【答案】B
【解析】A項,反應前后氣體總物質的量不變,恒溫恒容下,壓強始終不變,錯誤;B項,混合氣體顏色保持不變,說明二氧化氮的濃度不變,反應達到平衡,正確;C項,自反應開始,SO3和NO的體積比始終為1∶1,保持不變不能說明達到平衡,錯誤;D項,每消耗1 mol SO3的同時生成1 mol NO2,均表示逆反應速率,不能說明達到平衡,錯誤。
主題四　化學反應速率和限度圖像分析
【例4】　往恒容密閉容器中通入a mol NO2氣體,在一定溫度下分解生成O2和NO,各物質的濃度隨時間的變化如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)。
A.X表示NO,Y表示O2
B.t1 min時,正反應速率不等于逆反應速率
C.t3 min時,c(NO2)+c(NO)+c(O2)=1.5a mol·L-1
D.t2 min時,混合物中NO2的物質的量分數為0.25
【答案】C
【解析】NO2氣體在一定溫度下分解生成O2和NO,化學方程式為2NO22NO+O2,根據方程式可知反應產生的NO和O2的物質的量濃度比為2∶1,則根據圖示可知X表示NO,Y表示O2,A項正確;t1 min時,反應未達到平衡,說明NO2的正反應速率不等于逆反應速率,B項正確;t3 min時,反應達到平衡狀態,由于反應物不能完全轉化為生成物,且容器的容積未知,因此不能確定容器中各種物質的濃度和的大小,C項錯誤;t2 min時,NO2和O2的濃度相等,恒容密閉容器中,則物質的量也相等,設t2 min時,生成O2的物質的量為x mol,列三段式:
　　　　　　2NO22NO+O2
始/mol a 0 0
變/mol 2x 2x x
t2/mol a-2x 2x x
根據題意可得:a-2x=x,解得x=,則NO2在混合物中的物質的量分數為=0.25,D項正確。
【思維模型】
化學反應速率和反應限度圖像題分析
1. 看圖像
(1)看面,弄清楚橫、縱坐標所表示的含義;
(2)看線,弄清楚線的走向和變化趨勢;
(3)看點,弄清楚曲線上點的含義,特別是曲線上的折點、交點、最高點、最低點等;
(4)看輔助線,作橫軸或縱軸的垂直線(如等溫線、等壓線、平衡線等);
(5)看量的變化,弄清楚是物質的量的變化、濃度的變化,還是轉化率的變化。
2. 想規律
如各物質的轉化量之比與化學計量數之比的關系,各物質的化學反應速率之比與化學計量數之比的關系,外界條件的改變對化學反應速率的影響規律以及反應達到平衡時,外界條件的改變對正、逆反應速率的影響規律等。
3. 做判斷
利用有關規律,結合圖像,通過對比分析,做出正確判斷。
【趁熱打鐵4】　已知反應2X(g)Y(g)+Z(g),為研究影響該反應速率的因素,在不同條件下進行4組實驗,Y、Z的起始濃度為0,反應物X的濃度隨反應時間的變化情況如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)。
A.若實驗②④只改變一個條件,則由實驗②④得出結論:升高溫度,化學反應速率加快
B.若實驗①②只改變一個條件,則由實驗①②得出結論:增大反應物濃度,化學反應速率加快
C.若實驗②③只改變一個條件,則實驗③使用了催化劑
D.0~10 min內,實驗③的平均速率v(Y)=0.04 mol·L-1·min-1　
【答案】D
【解析】若實驗②④只改變一個條件,實驗②④兩組實驗,X的起始濃度相同,溫度由第②組實驗的800 ℃升高到820 ℃,反應速率明顯加快,說明溫度升高,化學反應速率加快,A項正確;從圖像中可以看出,實驗①②兩組實驗,溫度相同,隨著反應物X的濃度增大,化學反應速率加快,B項正確;實驗②③兩組實驗,X的起始濃度相等,溫度相同,平衡狀態也相同,但實驗③達到平衡的時間短,反應速率快,說明實驗③使用了催化劑,C項正確;在0~10 min內,實驗③的平均速率v(X)=(1.00 mol·L-1-0.60 mol·L-1)÷10 min=0.04 mol·L-1·min-1,因為化學反應速率之比等于化學計量數之比,所以v(Y)=0.02 mol·L-1·min-1,D項錯誤。
主題五　化學反應中能量變化的原因
【例5】　由N2O和NO反應生成N2和NO2的能量變化如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)。
A.反應生成1 mol N2時轉移4 mol e-
B.反應物能量之和大于生成物能量之和
C.1 mol N2O(g)和1 mol NO(g)如圖中完全反應放出139 kJ能量
D.斷鍵吸收能量之和小于成鍵釋放能量之和
【答案】A
【解析】N2O和NO反應生成N2和NO2的化學方程式為N2O+NON2+NO2,反應生成1 mol N2時轉移2 mol e-,A項不正確;根據圖示,反應物能量之和大于生成物能量之和,B項正確;該反應的反應熱為(209-348) kJ·mol-1=-139 kJ·mol-1,C項正確;因為該反應放熱,所以斷鍵吸收能量之和小于成鍵釋放能量之和,D項正確。
【思維模型】
化學反應中能量變化的原因
【趁熱打鐵5】　(1)已知破壞1 mol H—H鍵、1 mol I—I鍵、1 mol H—I鍵分別需要吸收的能量為436 kJ、151 kJ、299 kJ。則由氫氣和碘蒸氣反應生成2 mol HI放出　　　　kJ的熱量。
(2)現已知N2(g)和H2(g)反應生成1 mol NH3(g)過程中能量變化如圖所示:
根據下列鍵能數據計算N—H鍵鍵能為　　　kJ·mol-1。
化學鍵 H—H N≡N
鍵能/(kJ·mol-1) 436 946
　　【答案】(1)11　(2)391
【解析】(1)氫氣和碘反應生成2 mol HI的反應實質是,舊鍵斷裂吸收能量:436 kJ+151 kJ=587 kJ,新鍵生成釋放能量:299 kJ×2=598 kJ,舊鍵斷裂吸收的能量小于新鍵生成釋放的能量,反應為放熱反應,放出的熱量:598 kJ-587 kJ=11 kJ。
(2)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=2×(1127 kJ·mol-1-1173 kJ·mol-1)=-92 kJ·mol-1,則ΔH=反應物鍵能和-生成物鍵能和=946 kJ·mol-1+3×436 kJ·mol-1-6×Q(N—H)=-92 kJ·mol-1,Q(N—H)=391 kJ·mol-1。
主題六　新情境下原電池原理的多角度考查
【例6】　Mg-H2O2電池可用于驅動無人駕駛的潛航器。該電池以
海水為電解質溶液,電池工作的反應原理為Mg+H2O2Mg(OH)2,下列說法正確的是(　　)。
A.Mg電極是該電池的正極
B.H2O2在石墨電極上發生氧化反應
C.石墨電極附近溶液的pH增大
D.溶液中Cl-向正極移動
【答案】C
【解析】Mg-H2O2電池,活潑金屬(Mg)作負極,發生氧化反應:Mg-2e-Mg2+,H2O2在正極(石墨電極)發生還原反應:H2O2+2e-2OH-(由于電解質為中性溶液,則生成OH-),A、B兩項錯誤,C項正確;由于負極陽離子(Mg2+)增多,則Cl-向負極移動以平衡電荷,D項錯誤。
【思維模型】
原電池的工作原理
【趁熱打鐵6】　一種以NaBH4和H2O2為原料的新型電池的工作原理如圖所示,圖中Na+交換膜只允許Na+通過,不允許其他離子通過。下列說法錯誤的是(　　)。
A.電池的正極反應為H2O2+2e-2OH-
B.電池放電時Na+從a極區移向b極區
C.電池放電時電子從電極b經外電路流向電極a
D.b極室的輸出液經處理后可輸入a極室循環利用
【答案】C
【解析】正極發生反應:H2O2+2e-2OH-,A項正確;放電時為原電池,陽離子移向正極,電極b為正極,B項正確;電子由負極經外電路流向正極,應該由電極a流向電極b,C項錯誤;產生的氫氧化鈉溶液可以循環使用,D項正確。
主題七　原電池電極反應式的書寫
【例7】　有人設想以N2和H2為反應物,以溶有A的稀鹽酸為電解質溶液,可制造出既能提供電能,又能固氮的新型燃料電池,裝置如圖所示,電池正極、負極的電極反應分別是　　　　　　　　　、　　　　　　　　　,A是　　　　(填名稱)。
【答案】N2+8H++6e-2N　3H2-6e-6H+　氯化銨
【解析】該電池的本質反應是合成氨反應,電池中氫氣失去電子,在負極發生氧化反應,氮氣得電子在正極發生還原反應,則正極反應式為N2+8H++6e-2N,氨氣與HCl反應生成氯化銨,則電解質溶液為NH4Cl、HCl的混合溶液。
【思維模型】
原電池電極反應的書寫
1. 一般電極反應的書寫,以離子方程式形式表示。
(1)書寫步驟
①列物質,標得失:按照負極氧化反應,正極還原反應,判斷電極反應物、生成物,標出電子得失。
②看環境,配守恒:電極產物在電解質溶液的環境中應能穩定存在,如酸性介質中,OH-不能存在,應生成水;堿性介質中,H+不能存在,應生成水;電極反應式同樣要遵循電荷守恒、原子守恒、得失電子守恒。
③兩式加,驗總式:正、負極反應相加,與總反應離子方程式驗證。
(2)常見介質
常見介質 注意事項
中性溶液 反應物若是H+得電子或OH-失電子,則H+或OH-均來自水的電離
酸性溶液 反應物或生成物中均沒有OH-
堿性溶液 反應物或生成物中均沒有H+
水溶液 不能出現O2-
2. 利用總反應書寫電極反應
(1)根據總反應,找出氧化劑、還原劑、氧化產物和還原產物。
(2)確定介質的酸堿性或者其他特性。
(3)按照負極反應:還原劑-ne-氧化產物、正極反應:氧化劑+ne-還原產物,書寫電極反應。
(4)書寫技巧:若某電極反應較難寫出時,可先寫出較易寫的電極反應,然后根據得失電子守恒,用總反應減去較易寫的電極反應,即可得出較難寫的電極反應。
【趁熱打鐵7】　鋅溴液流電池是一種先進的水溶液電解質電池,廣泛應用于再生能源儲能和智能電網的備用電源等。三單體串聯鋅溴液流電池工作原理如圖所示:
下列說法錯誤的是(　　)。
A.放電時,N極為正極
B.放電時,左側貯液器中ZnBr2的濃度不斷減小
C.放電時,負極的電極反應式為Zn-2e-Zn2+
D.隔膜允許陽離子通過,也允許陰離子通過
【答案】B
【解析】由圖可知,電池放電時,N電極為正極,溴在正極上得到電子發生還原反應生成溴離子,電極反應式為Br2+2e-2Br-,M電極為負極,鋅失去電子發生氧化反應生成鋅離子,電極反應式為Zn-2e-Zn2+,正極放電生成的溴離子通過離子交換膜進入左側,同時鋅離子通過交換膜進入右側。
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