2025年上学期高一化学能力拓展训练（四）

2025年上学期高一化学能力拓展训练（四）一、化学反应与能量（一）理论解析化学反应的本质是旧化学键断裂与新化学键形成的过程，这一过程必然伴随着能量变化。从微观角度看，断开化学键需要吸收能量，形成化学键则释放能量，二者的差值即为反应的焓变（ΔH）。当ΔH为负值时，反应放热；ΔH为正值时，反应吸热。例如，氢气与氧气反应生成水的过程中，断裂H-H键和O=O键吸收的总能量小于形成O-H键释放的能量，因此该反应为放热反应，ΔH=-285.8kJ/mol。反应焓变与反应过程无关，仅取决于反应物和生成物的状态，这一规律被称为盖斯定律。利用盖斯定律可以间接计算难以直接测定的反应焓变。例如，已知C(s)+O₂(g)=CO₂(g)ΔH₁=-393.5kJ/mol，CO(g)+1/2O₂(g)=CO₂(g)ΔH₂=-283.0kJ/mol，则C(s)+1/2O₂(g)=CO(g)的ΔH=ΔH₁-ΔH₂=-110.5kJ/mol。原电池是将化学能转化为电能的装置，其工作原理基于氧化还原反应的电子转移。构成原电池需满足四个条件：两个活泼性不同的电极、电解质溶液、闭合回路以及自发进行的氧化还原反应。例如，铜锌原电池中，锌为负极，发生氧化反应（Zn-2e⁻=Zn²⁺）；铜为正极，发生还原反应（2H⁺+2e⁻=H₂↑），电子通过导线从负极流向正极，形成电流。电解池则是将电能转化为化学能的装置，由外接电源提供电流，使非自发的氧化还原反应得以进行。电解池中，与电源正极相连的为阳极，发生氧化反应；与电源负极相连的为阴极，发生还原反应。以电解饱和食盐水为例，阳极反应为2Cl⁻-2e⁻=Cl₂↑，阴极反应为2H₂O+2e⁻=H₂↑+2OH⁻，总反应为2NaCl+2H₂O=2NaOH+H₂↑+Cl₂↑。（二）实验探究探究不同反应的热效应实验目的：比较中和反应和氢氧化钡与氯化铵反应的热效应差异。实验步骤：取两个大小相同的烧杯，分别标记为A和B。向A烧杯中加入50mL1mol/L的盐酸，测量温度并记录。向B烧杯中加入50mL1mol/L的氢氧化钠溶液，测量温度并记录。将B烧杯中的溶液迅速倒入A烧杯中，用玻璃棒搅拌，立即盖上盖子，观察温度计示数变化，记录最高温度。另取一个烧杯，加入20g氢氧化钡晶体[Ba(OH)₂·8H₂O]和10g氯化铵晶体，搅拌使其充分反应，观察烧杯外壁温度变化。实验现象：步骤4中温度计示数明显升高，说明中和反应放热；步骤5中烧杯外壁变冷，甚至出现水珠凝结，说明该反应吸热。原电池工作原理探究实验目的：设计简易原电池并验证其产生电流。实验材料：铜片、锌片、稀硫酸、导线、电流计、烧杯。实验步骤：将锌片和铜片分别用砂纸打磨干净。在烧杯中加入适量稀硫酸，将锌片和铜片平行插入溶液中，不接触。用导线将锌片、电流计和铜片依次连接，形成闭合回路。观察电流计指针是否偏转，以及锌片和铜片表面的现象。实验现象：电流计指针发生偏转，说明有电流产生；锌片逐渐溶解，铜片表面有气泡冒出。（三）综合应用工业合成氨的能量调控工业合成氨的反应为N₂(g)+3H₂(g)⇌2NH₃(g)ΔH=-92.4kJ/mol，该反应为放热反应且气体分子数减少。根据勒夏特列原理，降低温度、增大压强有利于平衡正向移动，提高氨的产率。但实际生产中，温度过低会导致反应速率太慢，因此选择500℃左右的适宜温度，并使用铁触媒作催化剂；压强则控制在20-50MPa，以兼顾产率和设备成本。新型电池的开发与应用锂离子电池是目前广泛使用的二次电池，其工作原理基于锂离子在正负极之间的嵌入与脱嵌。正极材料常用LiCoO₂，负极材料为石墨，电解质为含锂离子的有机溶液。放电时，负极反应为LiC₆-e⁻=Li⁺+C₆，正极反应为LiCoO₂+Li⁺+e⁻=Li₂CoO₂，总反应为LiC₆+LiCoO₂=Li₂CoO₂+C₆。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，被广泛应用于智能手机、电动汽车等领域。二、碱金属（一）理论解析碱金属位于元素周期表第ⅠA族，包括锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）六种元素，其原子最外层均有1个电子，在化学反应中易失去电子，表现出强还原性。随着原子序数的递增，碱金属原子半径逐渐增大，失电子能力增强，金属性逐渐增强。碱金属单质的物理性质具有相似性和递变性：均为银白色金属（铯略带金色光泽），质软，密度小，熔点低，具有良好的导电导热性。其中，锂的密度最小（0.534g/cm³），铯的熔点最低（28.4℃）。碱金属的化学性质主要体现在与非金属单质、水、酸等的反应中。与水反应的通式为2M+2H₂O=2MOH+H₂↑（M代表碱金属元素），反应剧烈程度随金属性增强而增大。例如，钠与水反应时浮在水面上，迅速熔化成小球，四处游动，发出“嘶嘶”声；钾与水反应更为剧烈，甚至会发生爆炸；而锂与水反应则相对平缓。碱金属的主要化合物包括氧化物、氢氧化物、盐等。钠的氧化物有氧化钠（Na₂O）和过氧化钠（Na₂O₂），其中Na₂O₂具有强氧化性，与水或二氧化碳反应均能生成氧气，可作供氧剂：2Na₂O₂+2H₂O=4NaOH+O₂↑，2Na₂O₂+2CO₂=2Na₂CO₃+O₂。氢氧化钠（NaOH）是强碱，具有强腐蚀性，易潮解，可作干燥剂。钠盐中，碳酸钠（Na₂CO₃）和碳酸氢钠（NaHCO₃）是重要的化工原料，二者在性质上存在差异：Na₂CO₃的热稳定性强，NaHCO₃受热易分解（2NaHCO₃=Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O）；与酸反应时，NaHCO₃的反应速率更快。（二）实验探究钠与水反应的实验改进实验目的：安全观察钠与水反应的现象，并验证产物。实验材料：钠块、蒸馏水、酚酞试液、表面皿、镊子、滤纸、小试管、单孔塞、导管。实验步骤：在表面皿中加入适量蒸馏水，滴入几滴酚酞试液。用镊子取一小块钠，用滤纸吸干表面的煤油，放入表面皿中，观察现象。待反应结束后，用小试管收集产生的气体，用拇指堵住试管口，移近酒精灯火焰，检验气体。实验现象：钠在水中迅速熔化成小球，四处游动，溶液变红，说明生成了氢氧化钠；收集的气体点燃时发出“噗”的声音，证明是氢气。碳酸钠与碳酸氢钠的鉴别实验目的：设计实验鉴别Na₂CO₃和NaHCO₃固体。实验方案：加热法：分别取少量固体于试管中加热，将产生的气体通入澄清石灰水，变浑浊的为NaHCO₃，无明显现象的为Na₂CO₃。与酸反应速率比较：分别取等质量的固体于试管中，加入等浓度等体积的盐酸，反应更剧烈的为NaHCO₃。与氯化钙溶液反应：分别取少量固体溶于水，加入氯化钙溶液，产生白色沉淀的为Na₂CO₃（Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl），无沉淀的为NaHCO₃。（三）综合应用侯氏制碱法的原理与应用侯氏制碱法（联合制碱法）由我国化学家侯德榜发明，其原理是将氨气、二氧化碳通入饱和氯化钠溶液中，利用NaHCO₃的溶解度较小而析出：NH₃+CO₂+H₂O+NaCl=NaHCO₃↓+NH₄Cl。过滤得到的NaHCO₃经加热分解生成Na₂CO₃：2NaHCO₃=Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O。该方法的优点是原料利用率高，同时得到副产品氯化铵，可作氮肥。钾肥的合理使用钾是植物生长必需的营养元素之一，能增强作物的抗倒伏能力和抗病虫害能力。常见的钾肥有氯化钾（KCl）、硫酸钾（K₂SO₄）等。在使用钾肥时，需注意土壤性质：酸性土壤宜选用K₂SO₄，避免使用KCl导致土壤酸化加剧；盐碱地则应慎用K₂SO₄，以防钠离子积累。此外，钾肥应与氮肥、磷肥配合使用，以提高肥效。三、卤素（一）理论解析卤素位于元素周期表第ⅦA族，包括氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砹（At）五种元素，其原子最外层均有7个电子，易得到1个电子形成8电子稳定结构，表现出强氧化性。随着原子序数的递增，卤素原子半径逐渐增大，得电子能力减弱，非金属性逐渐减弱。卤素单质的物理性质具有明显的递变性：颜色由浅变深（F₂为淡黄绿色气体，Cl₂为黄绿色气体，Br₂为深红棕色液体，I₂为紫黑色固体）；密度逐渐增大；熔点、沸点逐渐升高。Br₂易挥发，I₂易升华，这一性质可用于二者的分离提纯。卤素单质的化学性质主要体现在氧化性、与氢气反应、与水反应等方面。氧化性强弱顺序为F₂>Cl₂>Br₂>I₂，可通过置换反应验证：例如，Cl₂能从NaBr溶液中置换出Br₂（Cl₂+2NaBr=2NaCl+Br₂），Br₂能从KI溶液中置换出I₂（Br₂+2KI=2KBr+I₂）。卤素与氢气反应的剧烈程度和产物稳定性也随非金属性减弱而变化。F₂与H₂在暗处即可剧烈反应并爆炸，生成的HF很稳定；Cl₂与H₂在光照或点燃条件下反应，生成的HCl较稳定；Br₂与H₂需加热至500℃才能反应，生成的HBr稳定性较差；I₂与H₂则需要持续加热，且反应可逆，生成的HI很不稳定，易分解。卤素与水的反应可分为两类：F₂与水剧烈反应生成HF和O₂（2F₂+2H₂O=4HF+O₂↑）；Cl₂、Br₂、I₂与水发生歧化反应，生成氢卤酸和次卤酸（X₂+H₂O=HX+HXO），其中HClO具有强氧化性和漂白性，可用于杀菌消毒。卤化银（AgX）具有特殊的感光性，AgCl为白色沉淀，AgBr为浅黄色沉淀，AgI为黄色沉淀，均不溶于稀硝酸。AgBr常用于制作感光胶片，AgI则可用于人工降雨。（二）实验探究氯气的实验室制备与性质检验实验目的：制取氯气并验证其氧化性、漂白性。实验装置：固液加热型发生装置（MnO₂与浓盐酸）、饱和食盐水洗气瓶（除HCl）、浓硫酸洗气瓶（干燥）、装有干燥红布条的集气瓶、装有湿润红布条的集气瓶、NaOH溶液尾气吸收装置。实验步骤：连接装置，检查气密性。向圆底烧瓶中加入MnO₂，分液漏斗中加入浓盐酸，加热反应。观察干燥红布条和湿润红布条的变化。用向上排空气法收集氯气。实验现象：干燥红布条不褪色，湿润红布条褪色，说明氯气本身无漂白性，其与水反应生成的HClO具有漂白性。卤素离子的鉴别实验目的：鉴别Cl⁻、Br⁻、I⁻。实验方案：分别取少量待测溶液于试管中，加入稀硝酸酸化，再滴加AgNO₃溶液。产生白色沉淀的为Cl⁻（Ag⁺+Cl⁻=AgCl↓）。产生浅黄色沉淀的为Br⁻（Ag⁺+Br⁻=AgBr↓）。产生黄色沉淀的为I⁻（Ag⁺+I⁻=AgI↓）。分别取少量待测溶液于试管中，加入氯水，再加入CCl₄振荡。下层呈橙红色的为Br⁻（Cl₂+2Br⁻=2Cl⁻+Br₂，Br₂溶于CCl₄呈橙红色）。下层呈紫红色的为I⁻（Cl₂+2I⁻=2Cl⁻+I₂，I₂溶于CCl₄呈紫红色）。（三）综合应用海水提溴与海带提碘海水提溴的主要步骤：浓缩：利用晒盐后的苦卤，提高Br⁻浓度。氧化：通入Cl₂将Br⁻氧化为Br₂（Cl₂+2Br⁻=2Cl⁻+Br₂）。提取：用空气吹出Br₂，并用SO₂水溶液吸收（Br₂+SO₂+2H₂O=2HBr+H₂SO₄），再通入Cl₂将HBr氧化为Br₂，蒸馏得到液溴。海带提碘的主要步骤：灼烧：将海带烧成灰，浸泡得到含I⁻的溶液。氧化：加入H₂O₂（酸性条件下）将I⁻氧化为I₂（2I⁻+H₂O₂+2H⁺=I₂+2H₂O）。萃取：用CCl₄萃取I₂，分液后蒸馏得到碘单质。卤素在生活中的应用氯气常用于自来水消毒，其原理是与水反应生成HClO，HClO具有强氧化性，能杀死水中的细菌和病毒。但氯气消毒会产生三氯甲烷等致癌物质，因此逐渐被二氧化氯（ClO₂）等新型消毒剂取代。碘是人体必需的微量元素，缺乏碘会导致甲状腺肿大。我国推广使用加碘食盐，其中添加的是KIO₃，在烹饪时应避免高温长时间加热，以防KIO₃分解。四、物质结构与性质（一）理论解析原子核外电子的排布遵循能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。能量最低原理指电子优先占据能量较低的轨道；泡利不相容原理指一个轨道最多容纳2个自旋相反的电子；洪特规则指电子在等价轨道（同一能级的不同轨道）上排布时，尽可能分占不同轨道，且自旋方向相同。例如，氮原子的核外电子排布式为1s²2s²2p³，2p轨道上的3个电子分占3个不同轨道，自旋方向相同。元素周期律是指元素的性质随原子序数的递增而呈周期性变化的规律，其本质是原子核外电子排布的周期性变化。元素周期表中，同一周期从左到右，原子半径逐渐减小，非金属性逐渐增强；同一主族从上到下，原子半径逐渐增大，金属性逐渐增强。例如，第三周期元素Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl，原子半径依次减小，最高价氧化物对应水化物的碱性逐渐减弱（NaOH>Mg(OH)₂>Al(OH)₃），酸性逐渐增强（H₂SiO₃<H₃PO₄<H₂SO₄<HClO₄）。化学键分为离子键、共价键和金属键。离子键是阴、阳离子之间通过静电作用形成的化学键，存在于离子化合物中，如NaCl、KOH等。共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键，分为极性共价键（如H-Cl）和非极性共价键（如Cl-Cl），存在于共价化合物（如H₂O、CO₂）和部分单质（如O₂、N₂）中。金属键则存在于金属单质中，由金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用形成。原子晶体是由原子通过共价键结合而成的具有空间网状结构的晶体，如金刚石、二氧化硅等。原子晶体具有熔点高、硬度大、不导电等性质，这是由于共价键的强度大，破坏晶体需要消耗大量能量。例如，金刚石的熔点高达3550℃，硬度为10，是自然界中最硬的物质。（二）实验探究元素性质递变规律的探究实验目的：探究第三周期元素金属性和非金属性的递变规律。实验方案：金属性比较：取相同大小的Na、Mg、Al单质，分别与水反应。Na与冷水剧烈反应，Mg与热水缓慢反应，Al与水几乎不反应；再向MgCl₂和AlCl₃溶液中分别滴加NaOH溶液，Mg(OH)₂不溶于过量NaOH，Al(OH)₃溶于过量NaOH，说明碱性Mg(OH)₂>Al(OH)₃，金属性Na>Mg>Al。非金属性比较：向Na₂SiO₃溶液中通入CO₂，产生白色沉淀（Na₂SiO₃+CO₂+H₂O=H₂SiO₃↓+Na₂CO₃），说明酸性H₂CO₃>H₂SiO₃；向Na₂CO₃溶液中加入稀H₂SO₄，产生CO₂气体（Na₂CO₃+H₂SO₄=Na₂SO₄+CO₂↑+H₂O），说明酸性H₂SO₄>H₂CO₃；向KBr溶液中滴加氯水，溶液变为橙红色，说明氧化性Cl₂>Br₂。综上，非金属性Si<P<S<Cl。分子极性的判断实验目的：通过实验判断分子的极性。实验材料：四氯化碳、水、苯、滴管、带静电的玻璃棒。实验步骤：在两个表面皿中分别加入适量水和四氯化碳。用带静电的玻璃棒靠近液体表面，观察液体是否发生偏转。实验现象：水流向玻璃棒偏转，四氯化碳无明显变化，说明水分子是极性分子，四氯化碳是非极性分子。（三）综合应用晶体结构与物质性质的关系不同类型晶体的性质差异很大，这与其结构密切相关。离子晶体的熔点和硬度取决于离子键的强弱，离子半径越小、电荷数越多，离子键越强，熔点和硬度越高。例如，NaCl的熔点为801℃，而MgO的熔点高达2800℃，因为Mg²⁺和O²⁻的电荷数比Na⁺和Cl⁻多，离子半径更小。分子晶体的熔点和沸点较低，因为分子间作用力较弱。例如，干冰（CO₂）在常温下为气体，熔点为-56.6℃。但有些分子晶体因存在氢键，熔点和沸点反常升高，如H₂O的沸点比H₂S高，因为水分子间存在氢键。物质结构在材料科学中的应用半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，其导电性能可通过掺杂进行调控。例如，在硅晶体中掺杂磷（P）等ⅤA族元素，可形成n型半导体（电子导电）；掺杂硼（B）等ⅢA族元素，可形成p型半导体（空穴导电）。p型半导体和n型半导体结合形成的pn结，是二极管、三极管等电子元件的核心。超导材料在低温下具有零电阻和完全抗磁性，其应用前景广阔。例如，高温超导材料YBa₂Cu₃O₇在液氮温度（77K）下即可实现超导，可用于制造超导磁体、超导电缆等，大大降低能源损耗。五、综合能力提升（一）跨知识点综合题例题1：已知A、B、C、D为短周期元素，A元素的原子最外层电子数是次外层电子数的2倍；B元素的最高价氧化物对应水化物的碱性在同周期中最强；C元素的原子L层电子数是K层电子数的3倍；D元素的单质为黄绿色气体。（1）写出A、B、C、D四种元素的符号。（2）比较B、C、D三种元