专题18 化学反应与能量 常考点归纳与变式演练 学案 高中化学 二轮复习 人教版(2022年)
展开专题18 化学反应与能量
1.“反应热”“热化学方程式”是高考热点,一般不单独命题,而是作为非选择题的某个设问,常与速率、平衡题相结合。
2.高考对本讲内容的考查仍将以热化学方程式的书写、物质能量高低与稳定性的关系、反应热的计算、化学键与能量间的关系、盖斯定律等为主。
热点题型一:反应热与焓变的计算
热点题型二:常见的放热反应和吸热反应
热点题型三:热化学方程式
热点题型四:燃烧热和中和热
热点题型五:盖斯定律的应用
热点题型六:反应热大小的判断
热点题型七:反应机理
热点题型一:反应热与焓变的计算
1.在等温条件下,化学反应体系向环境释放或从环境吸收的热量,称为化学反应的热效应,简称反应热。等压条件下,反应热等于焓变,常用ΔH表示。
2.焓变计算方法
(1)根据物质具有的能量来计算
ΔH=E(总生成物)-E(总反应物)
(2)根据化学键的断裂与形成计算
ΔH=反应物的键能总和-生成物的键能总和
计算关键:利用键能计算反应热的关键,就是要算清物质中化学键的数目,清楚中学阶段常见单质、化合物中所含共价键的种类和数目。
物质
(化学键)
CO2
(CO)
CH4
(CH)
P4
(PP)
SiO2
(SiO)
石墨
(CC)
金刚石
(CC)
S8
(SS)
Si
(SiSi)
每个微粒所含键数
2
4
6
4
1.5
2
8
2
(3)根据化学反应过程中的能量变化来计算
图示
意义
a表示正反应的活化能;b表示逆反应的活化能;c表示该反应的反应热
ΔH
图1:ΔH=(a-b)kJ·mol-1=-c kJ·mol-1,表示放热反应
图2:ΔH=(a-b)kJ·mol-1=c kJ·mol-1,表示吸热反应
【例1】已知:。相关共价键的键能如下表:
共价键
键能/
则的为
A. B.
C. D.
【答案】A
【解析】反应热化学方程式为:SiCl4(g)+2H2(g)=Si(s)+4 HCl(g) △H=+236 kJ•mol-1,反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和,设H-H的键能为x,则4×360+2×x-2×176-4×431=-236KJ/mol,解得x=,故A正确。故选A。
【例2】H2.和I2在一定条件下能发生反应H 2 (g)+I2(g) 2HI(g)
已知:
下列说法正确的是
A.HI分子分解所吸收的热量主要用于克服分子间作用力
B.断开2mol HI分子中的化学键所需能量约为(c+b+a)kJ
C.相同条件下,1mol H2(g)和1mol I2 (g)总能量小于2 mol HI (g)的总能量
D.向密闭容器中加入2 mol H2(g)和2 mol I2 (g),充分反应后放出的热量为2akJ
【答案】B
【解析】A.化学反应需要断裂旧键,断键需要吸收能量,HI分子分解所吸收的热量主要用于断裂H-I键,故A错误;B.△H=反应物断裂化学键需要的能量-生成物形成化学键放出的能量=b kJ/mol+c kJ/mol-2E(H-I)=-akJ/mol,得到断开2molH-I键所需能量E(H-I)约为(a+b+c) kJ,故B正确;C.反应是放热反应,反应物的总能量大于生成物的总能量,即相同条件下,1molH2(g)和1molI2(g)总能量大于2molHI(g)的总能量,故C错误;D.反应是可逆反应不能进行彻底,向密闭容器中加入2mol H2(g)和2mol I2(g),不能反应完全,充分反应后放出的热量小于2akJ,故D错误;故答案为B。
【变式1】已知 H2(g)+Br2(l)=2HBr(g)ΔH=-72kJ/mol,蒸发lmolBr2(l)需要吸收的能量为 30kJ,其他相关数据如表:表中 a 的数值为
化学键
H-H
Br-Br
H-Br
键能(kJ/mol)
436
170
a
A.267 B.339 C.354 D.369
【答案】C
【解析】蒸发lmolBr2(l)需要吸收的能量为30kJ,结合反应及表格中数据可知,436+(170+30)-2a=-72,解得a=354,选项C符合题意。故选C。
【变式2】已知在25℃、下,氢气在氧气中燃烧生成气态水的能量变化如下图所示,已知: ,下列有关说法正确的是
A.分解为与时放出热量
B.乙→丙的过程中若生成液态水,释放的能量将小于
C.甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小关系为甲>乙>丙
D.
【答案】D
【解析】A.氢气和氧气反应生成气态水的,反应放热,所以水分解吸热,选项A错误;B.水蒸气变成液态水会放热,乙→丙的过程中若生成液态水,释放的能量将大于,选项B错误;C.断键吸收能量,成键释放能量,甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小关系为乙>甲>丙,C错误;D.已知:① ,② , ③,根据盖斯定律,反应,436+a-930=-490,解得a=249,故,选项D正确;答案选D。
热点题型二:常见的放热反应和吸热反应
1.常见的放热与吸热反应
放热反应
吸热反应
常见反应
①可燃物的燃烧
②酸碱中和反应
③金属与酸的置换反应
④物质的缓慢氧化
⑤铝热反应
⑥大多数化合反应
①弱电解质的电离
②盐类的水解反应
③Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应
④C和H2O(g)、C和CO2的反应
⑤大多数的分解反应
2.放热反应与吸热反应的判断
(1)从反应物和生成物的总能量相对大小的角度分析
(2)从化学键变化的角度分析
【例1】已知化学反应A2(g)+B2(g)=2AB(g)的能量变化曲线如图所示,下列叙述正确的是
A.该反应需要在加热条件下进行
B.每生成 2 mol AB(g)时吸收b kJ 能量
C.该反应中反应物的总能量低于生成物的总能量
D.断裂 1 mol A—A 键和 1 mol B—B 键时放出 a kJ 能量
【答案】C
【解析】A.反应条件与反应是否为放热反应或吸热反应无关,故A错误;B.由图可知,每生成 2 mol AB(g)时吸收(a—b) kJ 能量,故B错误;C.由图可知,该反应中反应物的总能量低于生成物的总能量,该反应为吸热反应,故C正确;D.破坏化学键需要吸收能量,则断裂 1 mol A—A 键和 1 mol B—B 键时吸收 a kJ 能量,故D错误;故选C。
【例2】下列图象分别表示有关反应的反应过程与能量变化的关系。
据此判断下列说法中正确的是( )
A.由图1知,石墨转变为金刚石是吸热反应
B.由图2知,S(g)+O2(g)=SO2(g) ΔH1, S(s)+O2(g)=SO2(g)ΔH2 ,则ΔH1>ΔH2
C.由图3知,白磷比红磷稳定
D.由图4知,CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH>0
【答案】A
【解析】A.根据图1知,石墨能量低,因此石墨转变为金刚石是吸热反应,故A正确;B.根据图2知,1mol S(g)具有的能量比1mol S(s)具有的能量高,S(g)+O2(g)=SO2(g) ΔH1, S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH2 ,1mol S(g)燃烧放出的热量多,由于放热焓变为负,放出热量越多,焓变反而越小,因此则ΔH1<ΔH2,故B错误;C.根据图3知,根据能量越低越稳定,得出红磷比白磷稳定,故C错误;D.根据图4知,CO2(g)+H2(g) = CO(g)+H2O(g) ΔH>0,则CO(g)+H2O(g) = CO2(g)+H2(g) ΔH<0,故D错误。综上所述,答案为A。
【变式1】甲烷燃烧时的能量变化如图,有关说法正确的是
A.图1中反应为:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H= +890.3kJ/mol
B.图2中反应为:CH4(g)+ O2(g)=CO(g)+2H2O(g) △H=−607.3kJ/mol
C.由图可以推知:CO2和CO相比,CO更稳定
D.由图可以推得:CO(g)+ O2(g)=CO2(g) △H=−283kJ/mol
【答案】D
【解析】A.根据图1中信息得到该反应是放热反应,即有CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H= −890.3kJ/mol,故A错误;B.根据图2中信息得到H2O(l),因此反应:CH4(g)+ O2(g)=CO(g)+2H2O(l) △H=−607.3kJ/mol,故B错误;C.由图可以推知:CO(g)+ O2(g)=CO2(g) △H= −283kJ/mol,CO2和CO相比,无法知道CO2和CO谁的能量高低,因此无法分析谁更稳定,故C错误;D.根据第一个热化学方程式减去第二个热化学方程式推得:CO(g)+ O2(g)=CO2(g) △H=−283kJ/mol,故D正确;答案为D。
【变式2】N2可以与O2化合生成NO,是自然界固氮的重要方式之一、下图所示是以1mol N2和1mol O2,作为反应物的相应能量变化。判断下列说法不正确的是
A.上图所示的反应中转移电子的物质的量为4 mol
B.完全断开1mol NO中的化学键需吸收1264kJ能量
C.该反应中产物所具有的总能量高于反应物所具有的总能量
D.NO分解的热化学方程式为2NO(g)=N2(g) +O2(g) △H=-180kJ·mol-1
【答案】B
【解析】A.1mol氮气和1mol氧气反应生成2mol NO,反应中转移电子的物质的量为4 mol,故A正确;B.根据图示,完全断开2mol NO中的化学键需吸收1264kJ能量,故B错误;C.根据图示,该反应断键吸收的能量是946+498=1444kJ,成键放出的能量是1264kJ,总反应吸热,所以产物所具有的总能量高于反应物所具有的总能量,故C正确;D.根据图示,N2(g) +O2(g)= 2NO(g) △H=946kJ·mol-1+498 kJ·mol-1-1264kJ·mol-1= +180kJ·mol-1,所以NO分解的热化学方程式为2NO(g)=N2(g) +O2(g) △H= -180kJ·mol-1,故D正确;选B。
热点题型三:热化学方程式
【知识清单】
1.概念:表示参加反应物质的量和反应热关系的化学方程式。
2.意义:表明了化学反应中的物质变化和能量变化。
如2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-571.6 kJ·mol-1
表示25 ℃、101 kPa条件下,2 mol氢气和1 mol氧气反应生成2 mol液态水时放出571.6_kJ的热量。
注意:
(1)书写热化学方程式时应注明ΔH的测定条件(温度、压强),但绝大多数的ΔH是在25 ℃、101 kPa下测定的,此时可不注明温度和压强。
(2)热化学方程式中各物质化学式前面的化学计量数仅表示该物质的物质的量,并不表示物质的分子数或原子数,因此化学计量数可以是整数,也可以是分数。
(3)反应物和生成物的聚集状态不同,反应热ΔH不同。因此,必须注明物质的聚集状态才能完整地体现出热化学方程式的意义。气体用“g”,液体用“l”,固体用“s”,溶液用“aq”。热化学方程式中不用“↑”和“↓”。
(4)热化学方程式中化学式前面的化学计量数必须与ΔH相对应,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。
(5)同素异形体转化的热化学方程式除注明状态外,还要注明名称。
如①S(单斜,s)+O2(g)===SO2(g)ΔH1=-297.16 kJ·mol-1
②S(正交,s)+O2(g)===SO2(g)ΔH2=-296.83 kJ·mol-1
③S(单斜,s)===S(正斜,s)ΔH3=-0.33 kJ·mol-1。
【例1】已知充分燃烧a g乙炔气体时生成1 mol二氧化碳气体和液态水,并放出热量b kJ,则乙炔燃烧的热化学方程式正确的是
A.2C2H2(g)+5O2(g)= 4CO2(g)+ 2H2O(l); ∆H=-2b kJ/mol
B.C2H2(g)+ 5/2O2(g)= 2CO2(g)+H2O(l); ∆H=2b kJ/mol
C.2C2H2(g)+5O2(g)= 4CO2(g)+2H2O(l); ∆H=-4b kJ/mol
D.2C2H2(g)+5O2(g)= 4CO2(g)+ 2H2O(l); ∆H=b kJ/mol
【答案】C
【解析】充分燃烧a g乙炔气体时生成1 mol二氧化碳气体和液态水,并放出热量b kJ,所以生成4 mol二氧化碳气体和液态水,放出热量为4b kJ,则乙炔燃烧的热化学方程式为2C2H2(g)+5O2(g)=4CO2(g)+2H2O(l) ∆H=-4b kJ/mol。答案选C。
【例2】在一定条件下,将64 g二氧化硫气体氧化成三氧化硫气体时,实验测得放出的热量为78.64 kJ,已知二氧化硫在此条件下的转化率为80%。下列热化学方程式书写正确的是
A.SO2(g)+ O2(g)⇌SO3(g) ΔH=-98.3 kJ·mol-1
B.2SO2(g)+O2(g) ⇌2SO3(l) ΔH=-196.6 kJ·mol-1
C.SO2(g)+ O2(g) ⇌SO3(g) ΔH=-78.64 kJ·mol-1
D.2SO2(g)+O2(g) ⇌2SO3(g) ΔH=+196.6 kJ·mol-1
【答案】A
【解析】放热反应ΔH<0,反应热为热化学方程式中化学计量数的物质完全反应时的热量变化。64 g SO2气体的物质的量是n(SO2)=,由于其转化率是80%,发生反应的SO2的物质的量是1 mol×80%=0.8 mol,0.8 mol SO2发生反应转化为SO3气体放出热量Q=78.64 kJ,则1 mol SO2气体与O2反应转化为SO3气体时放出热量为,所以该反应的热化学方程式为SO2(g)+O2(g)⇌SO3(g) ΔH=-98.3 kJ·mol-1,故合理选项是A。
【变式1】根据能量变化示意图,下列热化学方程式正确的是
A.N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) ΔH=-(b-a)kJ·mol-1
B.N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) ΔH=-(a-b)kJ·mol-1
C.2NH3(l)=N2(g)+3H2(g) ΔH=2(a+b-c)kJ·mol-1
D.2NH3(l)=N2(g)+3H2(g) ΔH=2(b+c-a)kJ·mol-1
【答案】D
【解析】A.由0.5N2(g)+1.5H2(g)=NH3(g) ΔH= -(b-a)kJ·mol-1可得出,N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) ΔH= -2(b-a)kJ·mol-1,A不正确;B.由A选项中的分析可知,N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) ΔH= -2(b-a)kJ·mol-1,B不正确;C.由0.5N2(g)+1.5H2(g)=NH3(l) ΔH= -(b+c-a)kJ·mol-1可知,2NH3(l)=N2(g)+3H2(g) ΔH=2(b+c-a)kJ·mol-1,C不正确;D.由C选项的分析可知,2NH3(l)=N2(g)+3H2(g) ΔH=2(b+c-a)kJ·mol-1,D正确;故选D。
【变式2】根据下列叙述写出相应的热化学方程式:
(1)已知8 g固体硫完全燃烧时放出74.2 kJ的热量,该反应的热化学方程式是___________。
(2)在25℃、101 kPa下,已知SiH4气体在氧气中完全燃烧后恢复至原状态,平均每转移1 mol电子放出热量190.0 kJ,该反应的热化学方程式是___________。
(3)下图a曲线是SO2生成SO3反应过程中能量变化的曲线图。该反应的热化学方程式为___________。
(4)拆开1 mol H-H键、1 mol N-H键、1 mol N≡N键需要的能量分别是436 kJ、391 kJ、946 kJ,则1 mol N2完全反应生成NH3的反应热为___________,1 mol H2完全反应生成NH3所放出的热量为___________。
(5)已知:N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=+67.7 kJ·mol-1
N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534 kJ·mol-1
则肼(N2H4)与NO2完全反应的热化学方程式为___________。
【答案】(1)S(s)+O2=SO2(g) △H=-296.8 kJ/mol
(2) SiH4(g)+2O2(g)=SiO2(g)+2H2O(l) △H=-1520.0 kJ/mol
(3)2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) △H=-198 k kJ/mol
(4)-92 kJ/mol 30.7 kJ
(5) 2N2H4(g)+2NO2(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1135.7 kJ/mol
【解析】(1)8 g固体硫的物质的量是n(S)= =0.25 mol,0.25 mol固体S完全燃烧时放出74.2 kJ的热量,则1 mol S完全燃烧产生SO2反应放出热量Q=×74.2 kJ=296.8 kJ,则该反应的热化学方程式是S(s)+O2=SO2(g) △H=-296.8 kJ/mol;(2)在25℃、101 kPa下,已知SiH4气体在O2中完全燃烧后恢复至原状态,产生SiO2、液体H2O,平均每转移1 mol电子放出热量190.0 kJ,则转移8 mol电子时放出热量Q=8 mol ×190.0 kJ/mol=1520 kJ,则该反应的热化学方程式是SiH4(g)+2O2(g)=SiO2(g)+2H2O(l) △H=-1520.0 kJ/mol;(3)由图象分析可知,图象中表示的是1 mol SO2和0.5 mol O2完全反应生成1 mol SO3,反应是放热反应,反应的焓变△H=501 kJ/mol-600 kJ/mol=-99 kJ/mol,2 mol二氧化硫全部反应放热198 kJ;写出反应的热化学方程式为:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) △H=-198 k kJ/mol;(4)已知:拆开1 mol H-H键、1 mol N-H键、1 mol N≡N键需要的能量分别是436 kJ、391 kJ、946 kJ,化学反应为N2(g)+3H2(g)=2NH3(g),反应的焓变△H = 946 kJ+3×436 kJ-2×3×391 kJ=-92 kJ/mol,则1 mol N2完全反应生成NH3的反应热为:-92 kJ/mol,;依据反应的化学方程式,可计算出1 mol H2完全燃烧放热Q=92 kJ÷3=30.7 kJ;(5)①N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H=+67.7 kJ/mol;②N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(g) △H=-534 kJ/mol
将方程式2×②-①,整理可得:2N2H4(g)+2NO2(g)=3N2(g)+4H2O(g) △H=-1135.7 kJ/mol。
热点题型四:燃烧热和中和热
1.燃烧热
注意:燃烧热是指在101 kPa时,1 mol物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量,如碳元素生成的是CO2,而不是CO,氢元素生成的是液态水,而不是水蒸气。
2.中和热
3.中和热的测定
①实验装置
②测定原理
ΔH=-,
其中c=4.18 J·g-1·℃-1=4.18×10-3 kJ·g-1·℃-1;n为生成H2O的物质的量。
③注意事项
a.泡沫塑料板和碎泡沫塑料(或纸条)的作用是保温隔热,减少实验过程中热量的损失。
b.测量时盐酸和NaOH溶液的体积均为50 mL,为保证盐酸完全中和,采取的措施是碱的浓度略大于盐酸(即碱稍过量)。
【例1】下列热化学方程式正确的是
A.C2H5OH(l)+3O2(g)= 2CO2(g)+3H2O(g) ΔH=-1 367.0 kJ·mol-1(燃烧热)
B.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ΔH=+57.3 kJ·mol-1(中和热)
C.S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH=-269.8 kJ·mol-1(反应热)
D.2NO2=O2+2NO ΔH=+116.2 kJ·mol-1(反应热)
【答案】C
【解析】A.燃烧热是生成稳定的氧化物,如液态水,A错误;B.中和热是指稀的酸碱中和生成1mol水放出的热量,故中和热ΔH 为负值,B错误;C.硫和氧气反应为放热反应,且物质状态也正确,C正确;D.没有注明物质的聚集状态,D错误;故选C。
【例2】在25℃、101 kPa下,碳、氢气、甲烷和葡萄糖的燃烧热依次是393.5 kJ/mol、285.8 kJ/mol、890.3 kJ/mol、2 800 kJ/mol,则下列热化学方程式正确的是
A.C(s)+O2(g)=CO(g) H=-393.5 kJ/mol
B.2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H=+571.6 kJ/mol
C.CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) H=-890.3 kJ/mol
D.C6H12O6(s)+3O2(g)=3CO2(g)+3H2O(l) H=-1400 kJ/mol
【答案】D
【解析】A.根据燃烧热的定义,碳完全燃烧生成的稳定氧化物是二氧化碳而不是一氧化碳,故A错误;B.生成物中水应是液态而不是气态,故B错误;C.应生成液态水才能与ΔH=-890.3 kJ/mol相对应,故C错误;D.葡萄糖的燃烧热2800 kJ/mol,则0.5mol葡萄糖完全燃烧放出的热量是1400 kJ,热化学方程式书写正确,故D正确;故选D。
【变式1】下列关于热化学反应的描述中正确的是
A.已知H+(aq)+OH-(aq)=H2O(l) ΔH=-57.3kJ/mol,则HCl和NH3·H2O反应的反应热ΔH=-57.3kJ/mol
B.燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的热化学方程式是CH3OH(g)+ O2(g)=CO2(g)+2H2(g)ΔH=-192.9kJ/mol,则CH3OH(g)的标准燃烧热ΔH=-192.9kJ/mol
C.H2(g)的标准燃烧热ΔH=-285.8kJ/mol,则2H2O(g)=2H2(g)+O2(g) ΔH=571.6kJ/mol
D.葡萄糖的标准燃烧热ΔH=-2800kJ/mol,则C6H12O6(s)+3O2(g)=3CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1400kJ/mol
【答案】D
【解析】A.NH3·H2O是弱电解质,电离时吸热,故反应热ΔH>-57.3 kJ/mol,A错误;B.甲醇蒸气的标准燃烧热是1 mol CH3OH(g)完全燃烧生成液态水和二氧化碳所放出的热量,B错误;C.标准燃烧热的定义是1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物所放出的热量,反应中的H2O应该为液态,C错误;D.葡萄糖的标准燃烧热ΔH=-2 800 kJ/mol,故C6H12O6(s)+3O2(g)=3CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1 400 kJ/mol,D正确;故选D。
【变式2】某实验小组用0.50 mol·L-1 NaOH溶液和0.50 mol·L-1硫酸溶液进行反应热的测定,实验装置如图所示。
(1)装置中碎泡沫塑料的作用是___________。
(2)写出该反应的热化学方程式[生成1 mol H2O(l)时的反应热为-57.3 kJ·mol-1]:___________。
(3)取50 mL NaOH溶液和30 mL硫酸溶液进行实验,实验数据如表所示。
①请填写表格中的空白:
温度
次数
起始温度t1/℃
终止温
度t2/℃
温度差平均
值(t2-t1)/℃
H2SO4
NaOH
平均值
1
26.2
26.0
26.1
30.1
___________
2
27.0
27.4
27.2
33.3
3
25.9
25.9
25.9
29.8
4
26.4
26.2
26.3
30.4
②近似认为0.50 mol·L-1 NaOH溶液和0.50 mol·L-1硫酸溶液的密度都是1.0 g·mL-1,中和后生成溶液的比热容c=4.18 J·(g·℃)-1.则生成1 mol H2O(l)时的反应热ΔH=___________(取小数点后一位)。
③上述实验数值结果与-57.3 kJ·mol-1有偏差,产生偏差的原因不可能是___________(填字母)。
a.实验装置保温、隔热效果差
b.量取NaOH溶液的体积时仰视读数
c.分多次把NaOH溶液倒入盛有硫酸的小烧杯中
d.用温度计测定NaOH溶液起始温度后直接测定H2SO4溶液的温度
(4)若将一定量的稀氢氧化钠溶液、稀氢氧化钙溶液和稀氨水分别和1 L 1 mol·L-1的稀盐酸恰好完全反应,其反应热分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3,则ΔH1、ΔH2、ΔH3的大小关系为___________。
【答案】(1)隔热保温,防止热量的损失
(2)H2SO4(aq)+2NaOH(aq)=Na2SO4(aq)+2H2O(l) ΔH=-114.6 kJ·mol-1
(3) 4.0 -53.5 kJ·mol-1 b
(4)ΔH1=ΔH2<ΔH3
【解析】(1)中和热测定实验成败的关键是保温工作,大小烧杯之间填满碎泡沫塑料的作用是保温、隔热、减少实验过程中的热量损失;(2)稀的强酸、强碱溶液反应的中和热为57.3kJ/mol,则稀硫酸与稀烧碱溶液反应用中和热表示的热化学方程式为:H2SO4(aq)+2NaOH(aq)=Na2SO4(aq)+2H2O(l) ΔH=-114.6 kJ·mol-1;
(3)①四次实验温度差分别为4.0℃,6.1℃,3.9℃,4.1℃,第2组误差太大,要舍去,其他三次温度差的平均值为4.0℃;②50mL0.50mol/L氢氧化钠与30mL0.50mol/L硫酸溶液进行中和反应,生成水的物质的量为0.05L×0.50mol/L=0.025mol,溶液的质量为80mL×1g/cm3=80g,温度变化的值为△T=4.0℃,则生成0.025mol水放出的热量Q=m•c•△T=80g×4.18J/(g•℃)×4.0℃=1337.6J=1.3376kJ,所以实验测得的中和热△H=,
③a.实验装置保温、隔热效果差,热量散失较大,所得中和热的数值偏小,故a正确;
b.量取NaOH溶液的体积时仰视读数,会导致所量的氢氧化钠体积偏大,放出的热量偏高,所得中和热的数值偏大,故b错误;
c.分多次把NaOH溶液倒入盛有稀硫酸的小烧杯中,热量散失较大,所得中和热的数值偏小,故c正确;
故答案为:b;(4)稀氢氧化钠溶液、稀氢氧化钙溶液、稀氨水分别和1L 1mol•L-1的稀盐酸恰好完全反应生成水均为1mol,但氢氧化钠和氢氧化钙是强碱,一水合氨是弱碱,电离吸热,并且△H均为负值,所以反应热△H1、△H2、△H3的大小关系为△H1=△H2<△H3
(1)有关燃烧热的判断,一看是否以1 mol可燃物为标准,二看是否生成稳定化合物。
(2)中和反应的实质是H+和OH-反应生成H2O,若反应过程中有其他物质生成(如生成不溶性物质,难电离物质等),这部分反应热不在中和热之内,如H2SO4与Ba(OH)2反应生成1 mol H2O(l),同时还生成BaSO4沉淀,故放出的热量大于57.3 kJ。
(3)由于中和反应和燃烧都是放热反应,表示中和热和燃烧热时可不带“-”号,如甲烷的燃烧热为890 kJ·mol-1或ΔH=-890 kJ·mol-1。
(4)有关中和热的判断,一看是否以生成1 mol H2O为标准,二看酸碱的强弱和浓度,应充分考虑弱酸、弱碱,电离吸热,浓的酸碱稀释放热等因素。
热点题型五:盖斯定律的应用
1.盖斯定律:化学反应不管是一步完成还是分几步完成,其反应热是相同的。化学反应的反应热只与反应的始态与终态有关,而与具体的反应途径无关。
2.意义:可间接计算某些难以直接测量的化学反应的反应热。
3.应用:①计算反应热。
②判断反应热之间的关系
反应焓变
焓变之间的关系
aA===B ΔH1
ΔH1=aΔH2
A===B ΔH2
aA===B ΔH1
ΔH1=-ΔH2
B===aA ΔH2
ΔH=ΔH1+ΔH2
【例1】已知下列热化学方程式:
2Zn(s)+O2(g)=2ZnO(s) ΔH1=-702.2 kJ·mol-1;Hg(l)+O2(g)=HgO(s) ΔH2=-90.7 kJ·mol-1。
由此可知Zn(s)+HgO(s)=ZnO(s)+Hg(l) ΔH3中ΔH3的值是
A.-260.4 kJ·mol-1 B.-254.6 kJ·mol-1
C.-438.9 kJ·mol-1 D.-441.8 kJ·mol-1
【答案】A
【解析】将题给两个热化学方程式依次编号为①、②,根据盖斯定律,由①×-②,整理可得:Zn(s)+HgO(s)=ZnO(s)+Hg(l),则该反应的ΔH3=(-702.2 kJ·mol-1)×-(90.7 kJ·mol-1)=-260.4 kJ·mol-1,故合理选项是A。
【例2】依据图示关系,下列说法不正确的是
A.石墨燃烧是放热反应
B.1 mol C(石墨)和1 mol CO分别在足量O2中燃烧,全部转化为CO 2 ,前者放热多
C.化学反应的ΔH,只与反应体系的始态和终态有关,与反应途径无关
D.C(石墨)+ CO2( g) =2CO(g) ΔH =ΔH1-ΔH2
【答案】D
【解析】A.燃烧放出大量的热,为放热反应,故A正确;B.因C(石墨)燃烧生成CO可放出热量,则1mol C(石墨)和1mol CO分别在足量O2中燃烧,全部转化为CO2,前者放出的热量多,故B正确;C.反应途径不改变反应物、生成物的总能量,则化学反应的△H,只与反应体系的始态和终态有关,与反应途径无关,故C正确;D.由盖斯定律可知:得C(石墨)+ CO2(g) =2CO(g),△H=△H1-2△H2,故D错误;故选D。
【变式1】已知:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)ΔH=Q1
2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)ΔH=Q2
H2O(l)=H2O(g)ΔH=Q3
常温下,取体积比为4:1的甲烷和H2的混合气体112L(标准状况下),经完全燃烧后恢复到常温,则放出的热量为
A.-4Q1-Q2-10Q3 B.4Q1+Q2+10Q3
C.-4Q1-0.5Q2+9Q3 D.4Q1+0.5Q2-9Q3
【答案】C
【解析】甲烷和氢气的混合气体112L(标准状况下),甲烷和氢气的混合气体的总的物质的量为n==5mol,甲烷和氢气的体积比为4:1,所以甲烷的物质的量为n(CH4)=5mol×=4mol,氢气的物质的量为n(H2)=5mol-4mol=1mol,由CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)ΔH=Q1可知,4mol甲烷燃烧生成水蒸气8mol,放出的热量为4mol×(-Q1)kJ/mol=-4Q1kJ,由2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)ΔH=Q2可知,1mol氢气燃烧生成水蒸气1mol,放出的热量为1mol×(-0.5Q2) kJ/mol=-0.5Q2kJ,则共生成了水蒸气n(H2O)=8mol+1mol=9mol,由H2O(l)=H2O(g)ΔH=Q3可知,9mol水蒸气转化为液态水放出热量为9Q3,所以体积比为4:1的甲烷和H2的混合气体112L(标准状况下),经完全燃烧后恢复到常温,放出的总热量为(-4Q1kJ)+( -0.5Q2kJ)+9Q3kJ=(-4Q1-0.5Q2+9Q3)kJ,C正确;答案为C。
【变式2】合成氨原料中的H2可用甲烷在高温条件下与水蒸气反应制得。部分1 mol物质完全燃烧生成常温下稳定氧化物的ΔH数据如下表:
物质
ΔH/(kJ·mol-1)
H2(g)
-285.8
CO(g)
-283.0
CH4(g)
-890.3
已知1 mol H2O(g)转化生成1 mol H2O(l)时放出热量44.0 kJ。下列CH4和水蒸气在高温下反应得到H2和CO的热化学方程式正确的是
A.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206.1 kJ·mol-1
B.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH2=-206.1 kJ·mol-1
C.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH3=+365.5 kJ·mol-1
D.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH4=-365.5 kJ·mol-1
【答案】A
【解析】根据已知信息可以写出下列热化学方程式:
①H2(g)+O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8 kJ·mol-1
②CO(g)+O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0 kJ·mol-1
③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH3=-890.3 kJ·mol-1
④H2O(g)=H2O(l) ΔH4=-44.0 kJ·mol-1
根据盖斯定律,由③+④-②-①×3可得CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=ΔH3+ΔH4-ΔH2-ΔH1×3=-890.3 kJ·mol-1-44.0 kJ·mol-1+283.0 kJ·mol-1+285.8 kJ·mol-1×3=+206.1 kJ·mol-1。综上所述故选A。
应用盖斯定律进行简单计算,关键在于设计反应途径,同时还需要注意:
①参照新的热化学方程式(目标热化学方程式),结合原热化学方程式(一般2~3个)进行合理“变形”,如热化学方程式颠倒、乘除以某一个数,然后将它们相加、减,得到目标热化学方程式,求出目标热化学方程式的ΔH与原热化学方程式之间ΔH的换算关系。
②当热化学方程式乘、除以某一个数时,ΔH也应相应地乘、除以某一个数;方程式进行加减运算时,ΔH也同样要进行加减运算,且要带“+”“−”符号,即把ΔH看作一个整体进行运算。
③将一个热化学方程式颠倒书写时,ΔH的符号也随之改变,但数值不变。
④在设计反应过程中,会遇到同一物质的三态(固、液、气)的相互转化,状态由固→液→气变化时,会吸热;反之会放热。
热点题型六:反应热大小的判断
有以下三个反应:
①H2(g)+O2(g)===H2O(l) ΔH1=-a kJ·mol-1
②H2(g)+O2(g)===H2O(g) ΔH2=-b kJ·mol-1
③2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH3=-c kJ·mol-1
(1)由物质的状态判断
物质的气、液、固三态变化时的能量变化如下:
如上述反应中:a>b。
(2)由ΔH的符号判断
比较反应热大小时不能只比较ΔH数值,还要考虑其符号。如上述反应中ΔH1ΔH2。
(3)由化学计量数判断:当反应物、生成物的状态相同时,化学计量数越大,放热反应的ΔH越小,吸热反应的ΔH越大。如上述反应中:c=2a,ΔH1ΔH3。
(4)由反应进行的程度判断:对于可逆反应,参加反应的物质的量相同和状态相同时,反应进行的程度越大,热量变化越大。
【例1】以下反应中,∆H1<∆H2的是
A.C(s)+ O2(g)=CO(g) ∆H1;C(s) + O2(g) =CO2(g) ∆H2
B.2H2(g)+O2(g) =2H2O(g) ∆H1;2H2(g)+O2(g) =2H2O(l) ∆H2
C.S(s) + O2(g) =SO2(g) ∆H1;S(g) + O2(g) =SO2(g) ∆H2
D.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ∆H1;NaOH(aq)+CH3COOH(aq)=CH3COONa(aq)+H2O(l) ∆H2
【答案】D
【解析】A.燃烧反应为放热反应,焓变为负,由C(s)+ O2(g)=CO(g) ∆H1和C(s) + O2(g) =CO2(g) ∆H2可知,后者是完全燃烧,放出热量多,即△H1>△H2,故A不符合题意;B.燃烧反应为放热反应,焓变为负,由2H2(g)+O2(g) =2H2O(g) ∆H1和2H2(g)+O2(g) =2H2O(l) ∆H2可知,反应物相同,生成物在液态水能量低,则后者放热多,即△H1>△H2,故B不符合题意;C.燃烧反应为放热反应,焓变为负,由S(s) + O2(g) =SO2(g) ∆H1和S(g) + O2(g) =SO2(g) ∆H2可知,生成物相同,反应物中气态S的能量高,则后者放热多,即△H1>△H2,故C不符合题意;D.中和反应为放热反应,焓变为负,由NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ∆H1和NaOH(aq)+CH3COOH(aq)=CH3COONa(aq)+H2O(l) ∆H2可知,稀的酸碱生成1molH2O (1)放出的热量为中和热,醋酸电离吸热,后者放出热量少,即△H1<△H2,故D符合题意;答案为D。
【例2】已知燃料丙烷(C3H8)完全燃烧后只有CO2和H2O不会造成环境污染,已知有以下四个热化学反应方程式:
①C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(g) ΔH=-a kJ/mol
②C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(l) ΔH=-b kJ/mol
③2C3H8(g)+9O2(g)=4CO2(g)+2CO(g)+8H2O(l) ΔH=-c kJ/mol
④C3H8(g)+O2(g)= CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-d kJ/mol
其中a、b、c、d最大的是
A.a B.b C.c D.d
【答案】C
【解析】①与②相比生成液态水比气态水放出的热量多,所以b>a,④中各物质的量均为①中的一半,所以d=a,③中与②相比,2 mol C3H8燃烧生成4 mol CO2和2 mol CO,相当于此反应中的2 mol C3H8有1 mol完全燃烧,1 mol不完全燃烧,故放出的热量c大于b,所以c最大,综上所述故选C。
【变式1】已知:①S(g) +O2(g)= SO2(g) △H1 ②S(s)+O2(g)=SO2(g) △H2,下列说法正确的是
A.硫燃烧过程中将化学能转化全部为热能
B.相同条件下,1 mol S(s) 比l mol S(g) 燃烧更剧烈
C.两个过程的能量变化可用下图表示,△H1<△H2<0
D.两个反应中反应物的总键能都比生成物的总键能小
【答案】D
【解析】A.硫燃烧过程中主要将化学能转为热能,还有一部分转化为光能等,A不正确;B.相同条件下,硫蒸气比固态硫与空气的接触面积大,所以固态硫1 mol S(s) 没有l mol S(g) 燃烧剧烈,B不正确;C.能量图错误,固态硫的能量应比气态硫低,C不正确;D.两个反应都为放热反应,反应物的总能量大于生成物的总能量,则反应物的总键能都比生成物的总键能小,D正确;故选D。
【变式2】下列叙述不正确的是
A.已知P(白磷,s)=P(红磷,s) =-17.6kJ•mol-1,由此推知红磷更稳定
B.常温下反应2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s)能自发进行,则<0
C.用CH3COOH溶液和NaOH溶液反应测定中和热:CH3COOH(aq)+NaOH(aq)=CH3COONa(aq)+H2O(1) >-57.3kJ•mol-1
D.已知2C(s)+2O2(g)=2CO2(g) =a,2C(s)+O2(g)=2CO(g) =b,则a>b
【答案】D
【解析】A.已知P(白磷,s)=P(红磷,s) =-17.6kJ•mol-1,说明等质量的白磷所具有的总能量比红磷的高,故由此推知红磷更稳定,A正确;B.常温下反应2Na2SO3(s)+O2(g)=2Na2SO4(s),该反应正反应是一个气体体积减小的方向,即<0,故该反应要能自发进行,必须<0,B正确;C.CH3COOH是弱酸,在溶液中存在电离平衡,而弱电解质的电离是一个吸热过程,故用CH3COOH溶液和NaOH溶液反应测定中和热:CH3COOH(aq)+NaOH(aq)=CH3COONa(aq)+H2O(1) >-57.3kJ•mol-1,C正确;D.已知2C(s)+2O2(g)=2CO2(g) =a,2C(s)+O2(g)=2CO(g) =b,前者是碳完全燃烧,后者为不完全燃烧,故前者放出的热量更多,故a<b,D错误;故答案为:D。
比较反应热大小的方法
方法一:利用盖斯定律进行比较
如:①2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH1
②2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH2
由①-②可得2H2O(l)===2H2O(g) ΔH=ΔH1-ΔH2>0,则ΔH1>ΔH2。
方法二:利用能量变化图进行比较
由图像可以看出放出或吸收热量的多少,若是放热反应,放出的热量越多,ΔH越小;若是吸热反应,吸收的热量越多,ΔH越大,故ΔH1>ΔH2。
热点题型七:反应机理
反应机理是用来描述某一化学变化所经由的全部基元反应,就是把一个复杂反应分解成若干个基元反应,然后按照一定规律组合起来,从而达到阐述复杂反应的内在联系,以及总反应与基元反应内在联系之目的。
机理详细描述了每一步转化的过程,包括过渡态的形成,键的断裂和生成,以及各步的相对速率大小等。完整的反应机理需要考虑到反应物、催化剂、反应的立体化学、产物以及各物质的用量。
过渡状态理论认为,反应物分子并不只是通过简单碰撞直接形成产物,而是必须形成活性中间体,即过渡状态,过渡状态的能量较高。从反应物达到这个过渡状态需吸收一定的能量,叫活化能。催化剂能改变中间过渡状态,即反应的活化能,但不能改变总反应的反应热。
正确理解活化能与反应热的关系
①催化剂能降低反应所需的活化能,但不影响焓变的大小。
②在无催化剂的情况下,E1为正反应的活化能,E2为逆反应的活化能,ΔH=E1-E2。
【例1】H2O2是重要的绿色消毒液和氧化剂,研究其分解反应有重要意义。在含有少量I-的溶液中,H2O2分解的机理是:ⅰ.H2O2 + I-= H2O + IO-;ⅱ.H2O2 + IO-=H2O + O2↑+ I-。分解反应过程中能量变化如图所示,下列判断不正确的是
A.I-改变了H2O2分解的路径,曲线②为含有I-的反应过程
B.反应i和ii均为放热过程
C.反应i的反应速率比反应ii慢
D.I-不能改变总反应的能量变化
【答案】B
【解析】A.根据题意得出I-改变了H2O2分解的路径,曲线②为含有I-的反应过程,故A正确;B.曲线②中,根据图中信息得到反应i是反应物质总能量低于生成物总能量,是吸热反应,故B错误;C.根据图中信息反应i的活化能大于反应ii的活化能,因此反应i的反应速率比反应ii慢,故C正确;D.催化剂不能改变反应的活化能,因此I-不能改变总反应的能量变化,故D正确。
综上所述,答案为B。
【例2】2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)反应过程中的能量变化如图所示。
下列说法正确的是
A.a为有催化剂时的反应能量变化
B.该反应为放热反应,降低温度可以增加有碰撞次数
C.该反应的ΔH=E3-E2
D.SO2和O2的总能量一定高于SO3的能量
【答案】A
【解析】A.催化剂可降低反应的活化能,则图示a为有催化剂时的反应能量变化,A正确;B.根据图示能量变化关系可知,反应物的总能量大于生成物的总能量,该反应为放热反应,降低温度,反应速率降低,减小有效碰撞次数,B错误;C.反应的焓变等于反应物的活化能减去生成物的活化能,即该反应的ΔH=E1-E2,C错误;D.没有给出反应物与生成物的用量,无法比较总能量大小,D错误;故选A。
【变式1】十氢萘()是具有高储氢密度的氢能载体。其脱氢过程的反应为:
①
②
下,进行高压液态十氢萘催化脱氢实验,一定时间内测得显著低于。判断的能量示意图正确的是
A. B.
C. D.
【答案】B
【解析】A.图中△H2<0,故A不选;B.图中△H1>0,△H2>0,且反应①的活化能大于反应②,故B选;C.图中为放热反应,故C不选;D.图中反应①的活化能小于反应②,故D不选;故选B。
【变式2】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 mol·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=-129.6
C.催化乙烯加氢效果较好的催化剂是AuF
D.两种过渡态物质中较稳定的是过渡态1
【答案】B
【解析】A. 该反应生成物具有的能量低,为放热反应,故A错误;B.由反应物、生成物的总能量可知a=-129.6kJ/mol-0=-129.6kJ/mol, a=-129.6,故B正确;C. 由图可知AuPF3+对应的活化能小,则催化效果好,故C错误;D. 过渡态1所处状态能量高于状态2,两种过渡态物质中较稳定的是过渡态2,故D错误;故选B。
1.焓变与反应发生的条件、反应进行是否彻底无关。
2.催化剂能降低反应所需的活化能,但不影响焓变的大小。
3.化学反应一定伴随着能量的变化,其能量变化主要表现为热量的变化,但这并不是唯一的表现形式,如发光、发电等。有能量变化的过程并不一定是化学变化过程,如物质的三态变化时伴随着能量的变化。
4.物质具有的能量越低,物质的稳定性越强。
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