选择性必修1第一章 化学反应的热效应第一节 反应热学案及答案

反应热　 焓变

一、反应热及其测定

1．认识体系与环境(以研究盐酸与NaOH溶液的反应为例)

2．反应热

(1)含义：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。

(2)测定方法：通过量热计直接测定。

注意：反应热概念中的“等温条件下”是指化学反应发生后，使反应后体系的温度恢复到反应前体系的温度，即反应前后体系的温度相等。

3．中和反应反应热的测定

(1)实验装置

(2)实验测量数据

①反应物温度(t1)的测量

用一个量筒量取50 mL 0.50 mol·L－1盐酸，打开杯盖，倒入量热计的内筒，盖上杯盖，插入温度计，测量并记录盐酸的温度。用水把温度计上的酸冲洗干净，擦干备用；用另一个量筒量取50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液，用温度计测量并记录NaOH溶液的温度，取两温度平均值为t1。

②反应后体系温度(t2)的测量

打开杯盖，将量筒中的NaOH溶液迅速倒入量热计的内筒，立即盖上杯盖，插入温度计，用搅拌器匀速搅拌。并准确读取混合溶液的最高温度，并记录为t2。

③重复上述步骤①至步骤②两次，记录每次的实验数据，取其平均值作为计算依据。

④实验数据处理

盐酸、氢氧化钠溶液为稀溶液，其密度近似地认为都是1 g·cm－3，反应后生成的溶液的比热容c＝4.18 J/(g·℃)。该实验中盐酸和NaOH溶液反应放出的热量是0.418(t2－t1) kJ，中和热为－ kJ·mol－1。

　(1)装置中的玻璃搅拌器能否用金属(不与酸、碱反应)质搅拌器代替？为什么？

[提示]　不能。原因是金属质搅拌器易导热，造成实验过程中热量损失。

(2)实验中为何使用0.55 mol·L－1 NaOH溶液与0.50 mol·L－1盐酸反应，而不是选用0.50 mol·L－1 NaOH溶液？

[提示]　碱过量的目的是为了保证盐酸完全被中和。

(3)能否用浓硫酸代替盐酸？对结果会产生什么影响？

[提示]　否。浓硫酸溶解于水时放热，所测中和热数值会偏大。

二、反应热与焓变

1．内能、焓、焓变

(1)内能(符号为U)：体系内物质的各种能量的总和，受温度、压强和物质的聚集状态等影响。

(2)焓(符号为H)：与内能有关的物理量。

(3)焓变：在等压条件下进行的化学反应(严格地说，对反应体系做功还有限定，中学阶段一般不考虑)，其反应热等于反应的焓变，符号：ΔH，单位：kJ/mol(或kJ·mol－1)。

(4)反应热与焓变的关系

2．从微观角度认识反应热的实质

(1)以H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)(25 ℃，101 kPa下)的能量变化为例，填写下表中的空白。

(2)化学键断裂和形成时的能量变化是化学反应中能量变化的主要原因。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)放热反应不需要加热就能反应，吸热反应不加热就不能反应。 (×)

(2)物质发生化学变化都伴有能量的变化。 (√)

(3)焓变和反应热虽然说法不同但意义完全相同。 (×)

某学校化学兴趣小组的同学利用如图装置测定中和反应反应热，实验步骤如下：

①用量筒量取50 mL 0.25 mol·L－1硫酸倒入小烧杯中，测出硫酸温度；

②用另一个量筒量取50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液，并用另一温度计测出其温度；

③将NaOH溶液倒入小烧杯中，设法使之混合均匀，测出混合液最高温度。

回答下列问题：

[问题1]　实验中NaOH溶液的浓度为什么是0.55 mol·L－1？实验步骤③倒入NaOH溶液的正确操作是什么？

[提示]　本实验中硫酸和氢氧化钠溶液的体积相同，为了保证硫酸充分反应，所以NaOH溶液的浓度略大于硫酸浓度。实验中为了减少热量的散失，应将NaOH溶液一次迅速倒入。

[问题2]　实验中使硫酸与NaOH溶液混合均匀的正确操作是怎样的？

[提示]　用套在温度计上的环形玻璃搅拌棒轻轻地搅动。

[问题3]　该实验小组获得实验数据如下表，请填写下表中的空白，并思考应如何处理实验数据？

[提示]　3.4 ℃　本实验应先求终止温度和起始温度的差值，再取平均值，以便发现差别较大的数据。若某数据与其他数据相差太大，应舍去。

[问题4]　近似地认为0.55 mol·L－1 NaOH溶液和0.25 mol·L－1硫酸溶液的密度都是1 g·cm－3，中和后生成溶液的比热容c＝4.18 J/(g·℃)。利用上述数据计算该反应中和热ΔH?

[提示]　ΔH＝－＝

－

≈－56.8 kJ·mol－1。

1．中和反应热的测定实验步骤

2．为了提高测定的准确度，可以采取的措施

(1)上述实验中硫酸和氢氧化钠溶液的体积相同，为了保证硫酸充分反应，所以NaOH溶液的浓度略大于硫酸浓度。

(2)硫酸和氢氧化钠溶液的浓度要小，若使用浓溶液，混合时会放出热量，放热增多。

(3)测定液体体积应准确无误，否则后面计算会引入误差，反应前和反应后温度计读数要准确，实验速度要快，减少热量的损失。

(4)实验测定温度时应该用同一支温度计，以减少实验系统误差；测定酸溶液温度后温度计要用水清洗干净，擦干后再测定碱溶液温度，否则温度计上附着的酸会中和碱而放热，导致测得的碱溶液起始温度偏高。

1．在测定中和热的实验中，下列说法正确的是(　　)

A．使用玻璃搅拌器是为了加快反应速率，减小实验误差

B．为了准确测定反应混合溶液的温度，实验中温度计水银球应与小烧杯底部接触

C．用0.5 mol·L－1 NaOH溶液分别与0.5 mol·L－1的盐酸、醋酸溶液反应，如所取的溶液体积相等，则测得的中和热数值相同

D．在测定中和热实验中需要使用的仪器有量筒、烧杯、滴定管、温度计等

A　[实验中温度计水银球不能接触烧杯底部，B不正确；醋酸是弱酸，电离时吸收热量，C不正确；在测定中和热实验中不需要滴定管，D不正确。]

2．50 mL 1.0 mol·L－1盐酸与50 mL 1.1 mol·L－1氢氧化钠溶液在如图所示装置中进行中和反应，并通过测定反应过程中所放出的热量来计算中和热。

请回答下列问题：

(1)大小烧杯间填满碎泡沫塑料的作用是_______________。

(2)________(填“能”或“不能”)将环形玻璃搅拌棒改为环形铜棒，其原因是___________________________________________________________________

________________________________________________________________。

(3)大烧杯上如不盖硬纸板，对求得中和热数值的影响是________(填“偏高”“偏低”或“无影响”)。

(4)如果改用60 mL 1.0 mol·L－1盐酸跟50 mL 1.1 mol·L－1氢氧化钠溶液进行反应，则与上述实验相比，所放热量________(填“增加”“减少”或“不变”)，理由是________________________；

所求中和热数值________(填“增加”“减少”或“不变”)，理由是____________________________________________________________________

________________________________________________________________。

[解析]　中和反应热测定实验，一是要防止热量损失，如大烧杯上加盖硬纸板、两个烧杯口要相平、在两个烧杯之间填充碎泡沫塑料或碎纸条、用环形玻璃搅拌棒搅拌而不能用金属棒(丝)搅拌、实验时动作要迅速等；二是酸、碱溶液浓度宜小不宜大，温度计读数要准确等。加过量碱溶液可使酸完全反应，碱过量对中和热测定没有影响。

[答案]　(1)减少热量损失　(2)不能　铜棒传导热的能力较强，使热量损失较多　(3)偏低　(4)增加　反应消耗的酸、碱增多，放出热量增加　不变　中和热是指稀强酸与稀强碱发生中和反应生成1 mol H2O(l)放出的热量，与酸、碱的用量无关

能量有各种不同的形式，它能从一种形式转化为另一种形式，或者从一物体传递给另一物体，但在转化和传递过程中，能量的总值是保持不变的(这叫能量守恒定律)。因此在化学反应过程中，与质量守恒一样，能量也是守恒的。

[问题1]　从能量变化的角度分析放热反应过程，如图所示：

E反应物总能量 E生成物总能量　热量

即反应前后化学反应除了遵循质量守恒外还要遵循能量守恒，如图所示，请从能量的角度分析化学反应中为什么一定存在能量变化？化学反应放热还是吸热取决于什么因素？

[提示]　由于化学反应中反应物能量之和与生成物能量之和不相等，所以化学反应中一定有能量变化。一个化学反应是释放能量还是吸收能量取决于：反应物总能量与生成物总能量的相对大小。

[问题2]　如图是氢气与氧气反应的示意图，从化学键的角度分析本图并完成下列讨论。

从化学键的角度分析，为什么化学反应中一定存在能量的变化？

[提示]　旧键断裂时吸收的能量与新键形成时放出的能量均不相等，所以任何化学反应都有能量变化。

1．从反应物和生成物的总能量相对大小的角度分析

2．从反应热的量化参数——键能的角度分析

1．生产液晶显示器的过程中使用的化学清洗剂NF3是一种温室气体，其存储能量的能力是CO2的12 000～20 000倍，在大气中的寿命可长达740年之久，以下是几种化学键的键能：

下列说法中正确的是(　　)

A．过程N2(g)―→2N(g)放出能量

B．过程N(g)＋3F(g)―→NF3(g)放出能量

C．反应N2(g)＋3F2(g)===2NF3(g)的ΔH＞0

D．NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与生成，仍可能发生化学反应

B　[A项，由N2(g)―→2N(g)化学键断裂需吸收能量；B项，N(g)＋3F(g)―→NF3(g)是化学键形成，放出能量；C项，ΔH＝(941.7＋154.8×3－283.0×6) kJ·mol－1＝－291.9 kJ·mol－1；D项，化学反应的实质是化学键的断裂和形成。]

2．单斜硫和正交硫是硫的两种同素异形体，下列说法正确的是(　　)

A．S(s，单斜)===S(s，正交)　ΔH3＝－0.33 kJ·mol－1

B．单斜硫比正交硫稳定

C．相同物质的量的正交硫比单斜硫所含有的能量高

D．①式表示断裂1 mol O2 中的共价键所吸收的能量比形成1 mol SO2中的共价键所放出的能量多297.16 kJ

A　[根据图知，单斜硫能量大于正交硫，所以单斜硫转化为正交硫放出热量，焓变＝(296.83－297.16)kJ·mol－1＝－0.33 kJ·mol－1，所以S(s，单斜)===S(s，正交)　ΔH3＝－0.33 kJ·mol－1，A正确；能量越低越稳定，相同质量的单斜硫所含能量大于正交硫所含能量，所以正交硫较稳定，B错误；根据图知，相同物质的量的正交硫比单斜硫所含有的能量低，C错误；①式反应需断裂单斜硫中S—S键和氧气中的O===O键，不仅仅是断裂1 mol O2中的共价键所吸收的能量，D错误。]

1．下列说法正确的是(　　)

A．需要加热才能发生的反应一定是吸热反应

B．化学反应中的能量变化都表现为热量变化

C．任何放热反应在常温下一定能发生

D．反应物和生成物所具有的总能量决定了反应是放热还是吸热

D　[化学反应的能量变化可以表现为很多方面，如转化为热能、电能、光能等。反应是放热还是吸热主要取决于反应物和生成物所具有的总能量的相对大小。放热反应和吸热反应都是在一定条件下发生的，反应开始需要加热的反应可能是吸热反应，也可能是放热反应。]

2．下列说法不正确的是(　　)

A．化学变化过程是原子的重新组合过程

B．化学反应的焓变用ΔH表示，单位是kJ·mol－1

C．化学反应的焓变ΔH越大，表示放热越多

D．化学反应中的能量变化不都是以热能形式表现出来的

C　[化学反应从微观角度考虑就是原子重新组合过程，A项正确；化学反应的焓变用ΔH表示，单位是kJ·mol－1,B项正确；ΔH有正、负符号，对于放热反应ΔH越大，表示放热越少，对于吸热反应ΔH越大，则表示吸热越多，C项错误；化学反应中的能量变化形式可以以热能、电能、光能等形式表现出来，D项正确。]

3．(2021·北京师大遵义附属学校高二月考)下列过程中ΔH小于零的是(　　)

A．Ba(OH)2 与 NH4Cl 固体混合

B．氯化铵分解得氨气

C．碳酸钙分解得二氧化碳

D．实验室制备氢气

D　[根据常见的放热反应有：所有的物质燃烧、金属与酸或水反应、中和反应、铝热反应、绝大多数化合反应等；常见的吸热反应有：绝大多数分解反应，个别的化合反应(如C和CO2)，Ba(OH)2·8H2O与氯化铵的反应。ΔH小于零的反应为放热反应。Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl混合反应、氯化铵受热分解、碳酸钙高温受热分解均属于吸热反应；实验室制备氢气是利用金属锌与稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，属于放热反应，选项D符合。]

4．(2021·广东深圳科学高中高二月考)如图所示，有关化学反应和能量变化的说法正确的是(　　)

图a　　　　　　　　　图b

A．图a表示的是吸热反应的能量变化

B．图b中反应物比生成物稳定

C．图a可以表示氯化铵固体与氢氧化钡晶体反应的能量变化

D．图a不需要加热就能发生，图b一定需要加热才能发生

B　[由题图a可知，反应物的总能量大于生成物的总能量，表示的是放热反应的能量变化，A错误；图b中反应物的总能量小于生成物的总能量，根据能量最低原理，则反应物比生成物稳定，B正确；氯化铵固体与氢氧化钡晶体反应为吸热反应，则不能用图a表示能量变化，C错误；图a表示的为放热反应，有些放热反应也需要加热才能发生，如碳的燃烧，D错误。]

5．硅是太阳能电池的重要材料。工业冶炼纯硅的一种原理是

粗硅冶炼：①SiO2＋2CSi＋2CO↑。

精炼硅：②Si＋3HClSiHCl3＋H2；

③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。

化学反应与能量变化如图所示，回答下列问题：

A　　　　　　　　B

(1)①是____________(填“吸热”或“放热”，下同)反应，②是____________反应，③是__________反应。

(2)反应②破坏反应物中的化学键所吸收的能量_________ (填“大于”或“小于”)形成生成物中化学键所放出的能量。

[解析]　(2)因为反应②是放热反应，所以破坏反应物中的化学键所吸收的能量小于形成生成物中化学键所放出的能量。

[答案]　(1)吸热　放热　吸热　(2)小于