鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的热效应第1课时导学案

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第1节 eq \b\lc\|(\a\vs4\al\c1(,,,,,,)) 化学反应的热效应
第1课时 化学反应的反应热、焓变
eq \a\vs4\al(化学反应的反应热)
1．化学反应的基本特征：一是物质发生了变化，二是能量发生了变化。
2．反应热
(1)概念：当化学反应在一定的温度下进行时，反应所释放或吸收的热量称为该反应在此温度下的热效应，简称反应热。
(2)符号：用Q表示，反应吸热时，Q为 eq \a\vs4\al(正) 值；反应放热时，Q为 eq \a\vs4\al(负) 值。
3．热化学：用实验方法和理论方法研究反应热的化学分支称为热化学。
4．反应热的测定
(1)仪器——量热计
①温度计的作用：测量反应前后溶液温度的变化值。
②搅拌器的作用：使反应快速充分进行、体系的温度均匀。
③内筒是反应容器，外筒起保温作用。
(2)原理：Q＝－C(T2－T1)，式中：C表示溶液及量热计的热容；T1、T2分别表示反应前和反应后体系的温度。
(3)操作：将反应物加入内筒并搅拌使之迅速反应，测量反应前后溶液温度的变化值。
[名师点拨]
(1)物理变化中的能量变化不是反应热。如物质的三态变化、NH4NO3溶于水吸热、浓硫酸稀释放热等。
(2)反应放热或吸热与反应条件无关。
1．下列说法正确的是( )
A．吸热反应不加热就不会发生
B．需要加热才能发生的反应一定是吸热反应
C．反应是放热还是吸热必须看反应物和反应产物所具有的总能量的相对大小
D．放热的反应在常温下一定很容易发生
解析：选C 有的吸热反应不加热也会发生，如氯化铵固体与氢氧化钡晶体的反应，故A错误；有的放热反应也需要加热，如碳的燃烧，故B错误；反应物和反应产物所具有的总能量的相对大小决定反应是放热还是吸热，反应物的总能量大于反应产物所具有的总能量为放热反应，反之为吸热反应，故C正确；有的放热反应常温下不容易发生，也需要加热，如碳与氧气的反应，故D错误。
2．下列说法正确的是( )
A．化学反应都伴随着能量变化
B．伴有能量变化的物质变化都是化学变化
C．化学反应可能发生颜色变化，有颜色变化的物质变化一定是化学变化
D．碘升华时放出能量
解析：选A 物质发生化学变化时，光、电、热等能量可转化为化学能，化学能也可转化为光、电、热等能量，A正确；有些物理变化也伴随着能量变化，如物质的三态变化，B错误；化学反应可能发生颜色变化，如H2＋I2⇌2HI，2NO＋O2===2NO2，但有颜色变化的物质变化不一定是化学变化，如活性炭使红墨水褪色，C错误；碘升华吸收能量，D错误。
eq \a\vs4\al(中和热的测定)
[实验] 利用简易量热计测定室温下中和反应的反应热。
(1)实验用品
①仪器：量热计、量筒(100 mL)、温度计、烧杯(250 mL)。
②药品：1.0 ml·L－1盐酸，1.0 ml·L－1NaOH溶液，1.0 ml·L－1硝酸，1.0 ml·L－1KOH溶液。
(2)实验步骤
①向量热计内筒中加入1.0 ml·L－1的盐酸100 mL，盖上杯盖，插入温度计，匀速搅拌后记录初始温度T1。
②向250 mL的烧杯中加入1.0 ml·L－1的NaOH溶液100 mL，调节其温度，使之与量热计中盐酸的温度相同。
③快速地将烧杯中的碱液倒入量热计中，盖好杯盖，匀速搅拌，记录体系达到的最高温度T2。
④近似认为溶液的比热等于水的比热，根据溶液温度升高的数值计算此中和反应的反应热。
用同样的方法分别测定KOH溶液与盐酸反应、NaOH溶液与硝酸反应的反应热。
(3)数据处理
计算：根据溶液温度升高的数值，计算中和反应的反应热，近似认为反应后溶液的密度为1 g·cm－3，溶液的比热近似取常温下液态水的比热C＝4.18 kJ·K－1·kg－1。根据Q＝－C(T2－T1)计算。
(4)实验结论
实验测得三组中和反应的反应热相同，即中和热相同。
[问题探讨]
1．用同样的方法分别测定NaOH溶液与盐酸反应、KOH溶液与盐酸反应、NaOH溶液与稀硝酸反应的反应热，所测得的上述三个中和反应的反应热相同吗？为什么？
提示：相同。
原因：参加反应的物质都是强酸、强碱，它们在水中是完全电离的，中和反应的离子方程式都是H＋＋OH－===H2O，反应都在室温下进行，且参加反应的n(H＋)和n(OH－)都相同，所以这三个反应的反应热也相同。
2．若用100 mL 1.1 ml·L－1NaOH溶液和100 mL 1.0 ml·L－1的盐酸进行该实验，所测的反应热数值会更加准确，为什么？
提示：氢氧化钠稍过量，有利于盐酸全部参加反应。
3．若用相同浓度的醋酸溶液代替盐酸进行实验(已知醋酸电离吸收热量)测得的中和热的数值会如何变化？
提示：变小。
4．采取哪些措施可以提高测定反应热的准确度？
提示：(1)取三次测量所得温度差的平均值进行计算；
(2)所用酸、碱是强酸和强碱的稀溶液(浓酸和浓碱相互混合会因稀释放出热量)。
5．若实验过程中所用盐酸为100 mL 1.0 ml·L－1，NaOH溶液为100 mL 1.0 ml·L－1，温度差为(T2－T1)。两者发生反应所放出的热量是多少？
提示：Q＝－C(T2－T1)＝－(m1＋m2)·c·(T2－T1)＝－(100＋100)×10－3×4.18×(T2－T1)kJ＝－0.836(T2－T1)kJ。
1．强酸和强碱的稀溶液发生中和反应，其中和反应的反应热是相等的。
2．强酸和弱碱或弱酸和强碱的稀溶液发生中和反应时，其反应热的数值一般偏小，因为弱电解质的电离是吸热的。
3．中和反应的实质是H＋＋OH－===H2O。若反应过程中有其他物质生成(如生成不溶性物质等)，这部分反应热不包括在中和反应的反应热之内。
4．实验中有两个关键
(1)隔热关键——装置保温、隔热效果好，减少热量的损失，使用简易量热计，其优点是保温效果好。
(2)测量关键——准确测量酸、碱的初始温度及反应后溶液的最高温度。
①实验中只用一支温度计，在每次测量酸、碱及混合液的温度后，必须用水洗净并用滤纸擦干再使用。
②在测量反应混合液的温度时要随时读取温度值，记录下最高温度值。
5．中和热
(1)含义：在25 ℃和101 kPa下，强酸的稀溶液与强碱的稀溶液发生中和反应生成1 ml水所放出的热量。
(2)数值：57.3 kJ·ml－1。
1．在测定中和反应的反应热的实验中，下列叙述错误的是( )
A．向量热计中加入盐酸，盖上杯盖，搅拌后的温度即为初始温度
B．实验中可使酸液或碱液稍微过量
C．向量热计中加入碱液时，碱液的温度应与酸液的温度相同
D．可以用KOH溶液代替NaOH溶液，浓硫酸代替盐酸
解析：选D 可以用KOH溶液代替NaOH溶液，但不能用浓硫酸代替盐酸，因为浓硫酸溶于水时会放出热量，影响测定结果。
2．把温度为13 ℃、浓度为1.0 ml·L－1的酸溶液和1.1 ml·L－1的碱溶液各50 mL 混合[溶液密度均为1 g·mL－1，所生成溶液的比热容c＝4.184 J·K－1·g－1]，轻轻搅动。测得酸碱混合液的温度变化数据如下：
(1)试计算上述两组实验测出的中和反应的反应热：ΔH1和ΔH2分别是多少？
(2)实验中碱液过量的目的是什么？
(3)两组实验结果有差异的原因是什么？
解析：(1)根据给出的酸和碱的物质的量，酸为0.050 ml，碱为0.055 ml，碱是过量的，应以酸计算，算出生成0.050 ml水放出的热量，进而得出生成1 ml水放出的热量，即可得出两组实验测出的中和热数值。
|ΔH1|＝5.69×104 J·ml－1＝56.9 kJ·ml－1
|ΔH2|＝5.27×104 J·ml－1＝52.7 kJ·ml－1
(2)碱液过量是为了提高实验准确度，保证盐酸完全反应；NH3·H2O易挥发，使NH3·H2O浓度下降，故应过量。
(3)NaOH是强碱，在水溶液中完全电离，与HCl中和时放热较多，NH3·H2O是弱碱，只有小部分电离，发生电离时要吸热，中和时放热较少。
答案：(1)ΔH1和ΔH2分别是－56.9 kJ·ml－1和－52.7 kJ·ml－1。
(2)使盐酸完全反应，提高实验的准确度。
(3)NaOH是强电解质，NH3·H2O是弱电解质，NH3·H2O 电离时吸收热量。
eq \a\vs4\al(化学反应的内能变化与焓变)
[情境素材]
1 ml H2和1 ml Cl2反应生成2 ml HCl的能量转化关系如图所示：
[情境探究]
1．上述化学反应的能量变化是由反应前后物质所具有的内能不同而引起的。什么是内能？内能与哪些因素有关？反应中内能的变化如何表示？
提示：内能是体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。内能的大小除了与物质的种类、数量及聚集状态(即气态、液态或固态等)有关外，还与体系的温度、压强有关。内能的符号为U。化学反应中内能的变化可以写作：
ΔU＝U(反应产物)－U(反应物)。如果U(反应产物)>U(反应物)，则反应吸收能量；反之，若U(反应产物)2．化学反应中内能的变化与化学反应的反应热有何关系？
提示：如果反应过程中体系没有做功(如反应前后体系体积不变且没有做电功等其他功)，则ΔU＝Q；如果反应后体系的内能是增加的，即U(反应产物)>U(反应物)，则Q>0，反应吸热；反之，反应放热。
3．化学键断裂和形成时，与能量有什么关系？反应的焓变与其又有什么关系？
提示：化学键断裂时吸收能量，化学键形成时放出能量。反应的焓变等于两者之差。
4．焓变与反应吸热或放热的关系是什么？
提示：若ΔH>0，则反应为吸热反应，若ΔH<0，则反应为放热反应。
5．该反应是吸热反应还是放热反应？(通过计算回答)
提示：ΔH＝436 kJ·ml－1＋243 kJ·ml－1－2×431 kJ·ml－1＝－183 kJ·ml－1<0，故该反应为放热反应。
1．焓变与吸热反应、放热反应的关系
[名师点拨]
同一物质所聚集的状态不同，所具有的能量也不同，“焓”也不同，一般来说，气态>液态>固态。
2．焓变与化学键变化的关系
即：ΔH＝反应物的化学键断裂吸收的能量总和－反应产物的化学键形成放出的能量总和。
3．焓变与物质能量变化的关系
4．ΔH的计算方法
(1)ΔH＝反应物断键吸收的总能量－反应产物成键释放的总能量。
(2)ΔH＝反应产物所具有的总能量－反应物所具有的总能量。
5．常见的放热反应和吸热反应
(1)常见的放热反应
①活泼金属与水或酸的反应，如2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑；
②酸、碱中和反应；
③燃烧反应，如C＋O2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) CO2；
④大多数化合反应，如CaO＋H2O===Ca(OH)2。
(2)常见的吸热反应
①大多数的分解反应，如CaCO3 eq \(=====,\s\up7(高温)) CO2↑＋CaO；
②Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体常温下进行的反应；
③NaHCO3与盐酸的反应；
④两个特殊反应：C＋H2O(g) eq \(=====,\s\up7(高温)) CO＋H2和C＋CO2 eq \(=====,\s\up7(高温)) 2CO。
1．下列关于反应ΔU的说法中正确的是( )
A．ΔU<0时，反应吸收能量
B．ΔU>0时，反应放出能量
C．化学反应体系处于静止状态时，ΔU＝Q＋W
D．ΔU＝ΔH
解析：选C ΔU＝U(反应产物)－U(反应物)>0时，反应吸收能量，故A、B错误；体系处于静止状态时，体系整体的动能和势能没有变化，体系的能量变化可以以热和功的形式呈现，故ΔU＝Q＋W，C正确，在等压反应中若没有功的存在，则ΔU＝ΔH，故D错误。
2．下列图示变化为吸热反应的是( )
解析：选A 图中反应物总能量小于反应产物总能量，该反应为吸热反应，故A选；图中反应物总能量大于反应产物总能量，该反应为放热反应，故B不选；浓硫酸稀释过程放热，为物理变化，不属于化学反应，故C不选；Zn与稀盐酸的反应为放热反应，故D不选。
[分级训练·课课过关]___________________________________________
1．下列说法正确的是( )
A．化学反应除了生成新的物质外，还伴随着能量的变化
B．据能量守恒定律，反应物的总能量一定等于反应产物的总能量
C．放热的化学反应不需要加热就能发生
D．吸热反应不加热就不会发生
解析：选A 化学反应的本质特征是有新物质的生成，形成新化学键释放的能量与断裂旧化学键吸收的能量不相等，所以化学反应除了生成新物质外，还伴随着能量的变化，A项正确；化学反应中反应产物的总能量不等于反应物的总能量，反应前后的能量差值为化学反应中的能量变化，B项错误；放热反应有的需要加热，如木炭的燃烧是一个放热反应，但需要点燃，C项错误；Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应是吸热反应，但不需要加热，D项错误。
2．下列反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应的是( )
A．铝片与稀盐酸反应
B．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应
C．灼热的炭与二氧化碳反应
D．甲烷在氧气中的燃烧反应
解析：选C Al与盐酸反应是放热反应，A项错误；B中反应是吸热反应，但不是氧化还原反应，B项错误；灼热的C和CO2反应是氧化还原反应，同时又是吸热反应，C项正确；甲烷的燃烧是放热反应，D项错误。
3．已知化学反应2C(s)＋O2(g) eq \(=====,\s\up7(点燃)) 2CO(g)、2CO(g)＋O2(g) eq \(=====,\s\up7(点燃)) 2CO2(g)都是放热反应。据此判断下列说法中不正确的是( )
A．12 g C所具有的能量一定高于28 g CO所具有的能量
B．56 g CO和32 g O2所具有的总能量大于88 g CO2所具有的总能量
C.12 g C和32 g O2所具有的总能量大于44 g CO2所具有的总能量
D．将一定质量的C燃烧，生成CO2比生成CO时放出的热量多
解析：选A 放热反应中反应物的总能量高于反应产物的总能量，即12 g C和16 g O2的总能量高于28 g CO所具有的能量。
4．下列变化一定为放热反应的是( )
A．H2O(g)→H2O(l)放出44 kJ热量
B．ΔH>0的化学反应
C．形成化学键时共放出862 kJ能量的化学反应
D．能量变化如图所示的化学反应
解析：选D H2O(g)→H2O(l)为物理变化；ΔH<0的化学反应为放热反应；形成化学键时共放出862 kJ能量的化学反应中ΔH不能确定是大于零还是小于零；当H反应物>H反应产物时，ΔH<0，反应放热。
5.在如图所示的装置中进行中和反应。通过测定反应过程中放出的热量可测定中和热。下列关于该实验的说法正确的是( )
A．从实验装置看(量筒未画出)，图中还缺少一个重要的仪器
B．做完一次完整的中和热测定实验，温度计需要使用2次
C．为了准确测定反应混合溶液的温度，实验中温度计的水银球应与内筒底部接触
D．由于实验过程中有热量的散失，所以测得的中和热ΔH比理论值要小
解析：选A 从实验装置看，图中还缺少的一个重要仪器是环形玻璃搅拌器，A正确；做完一次完整的中和热测定实验，需要测反应前酸液的温度、碱液的温度、中和反应时混合溶液的最高温度，所以温度计需要使用3次，B错误；实验中温度计的水银球不能接触内筒底部，C错误；中和热的ΔH是负值，由于实验过程中有热量的散失，所以测得的中和热ΔH比理论值要大，D错误。
明课程标准
扣核心素养
1.认识化学能可以与热能、电能等其他形式能量之间相互转化，能量的转化遵循能量守恒定律。
2.知道内能是体系内物质所含各种微观粒子的能量总和，受温度、压强、物质的聚集状态的影响。
3.认识恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示。
1.宏观辨识与微观探析：能从微观和宏观的角度解释化学反应中能量变化的本质。
2.变化观念与平衡思想：认识化学能与热能的相互转化，能量的转化遵循能量守恒定律。
实验
溶液温度/K
温度变化
ΔT/K
反应热/J
T1
T2
NaOH溶液与盐酸反应
KOH溶液与盐酸反应
NaOH溶液与硝酸反应
反应物
起始温度t1/℃
终了温度
t2/℃
反应热/ kJ·ml－1
HCl＋NaOH
13.0
19.8
ΔH1
HCl＋NH3·H2O
13.0
19.3
ΔH2
放热反应
吸热反应
反应体系放热焓减小，
ΔH<0
反应体系吸热焓增大，
ΔH>0
吸热反应
E1>E2
ΔH>0
放热反应
E1ΔH<0
放热反应
吸热反应
关系
反应物具有的总能量大于反应产物具有的总能量
反应物具有的总能量小于反应产物具有的总能量
表示
方法
ΔH<0
ΔH>0
图示