高中鲁科版 (2019)第1章 化学反应与能量转化第1节 化学反应的热效应第1课时导学案

第1节　化学反应的热效应

第1课时　化学反应的反应热与焓变

学习目标

1.通过对体系和环境的学习,知道内能的定义,进一步掌握吸热反应、放热反应、反应热等概念,能从多角度认识放热反应和吸热反应。

2.通过中和反应实验,掌握中和反应反应热的测定方法。

3.通过对反应热与焓、焓变的学习,能够进行反应热的简单计算。掌握微观角度利用化学键键能数据来计算反应热的方法。

学习任务1　化学反应的反应热

1.体系和环境

(1)人为划定的研究对象(物质系统)称为体系。

(2)体系以外的其他部分称为环境。

(3)体系分类。

①敞开体系——与环境间既有物质交换又有能量交换(例如,在敞口烧杯中进行中和反应)。

②封闭体系——与环境间只有能量交换(例如,橡皮塞密封的试管反应体系)。

③孤立体系——与环境间既没有物质交换也没有能量交换(例如,在保温瓶内进行反应,密封瓶口)。

2.反应热的概念

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。

3.反应热的符号

反应热通常用符号Q表示,并且约定反应吸热时Q取正值,反应放热时Q取负值。

微点拨:反应热的正、负和数学意义上的正、负不同,只是为了区分吸、放热。

4.中和反应反应热的测定

(1)仪器:用于测定反应热的仪器称为量热计。

(2)简易量热计的构造及作用。

(3)实验数据处理与计算。

原理计算公式:Q=-C(T2-T1)。其中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。

(4)实验步骤。

①向量热计内筒中加入1.0 mol·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 mol·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重复实验操作三次,记录每次的实验数据,取其平均值作为计算依据。

(5)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,其比热容认为与液态水相同,所以反应后溶液的比热容c=4.18 kJ·K-1·kg-1。该实验中盐酸和氢氧化钠溶液反应放出的热量是0.836(T2-T1)kJ,生成1 mol水时的反应热为8.36(T2-T1)kJ·mol-1。

微点拨:中和热为稀溶液中,强酸与强碱发生中和反应生成1 mol液态水时所释放的热量。

　某同学学习了量热计的结构之后,在家自制简易量热计并测定中和反应的反应热。步骤如下:①首先制作外筒,有塑料圆形盒、玻璃圆形盒,他选择塑料圆形盒;②然后制作内筒,他用一次性纸杯;③他在塑料外筒内填满泡沫塑料碎块,然后放入一次性纸杯;④他用板状泡沫塑料做了一个圆形盖子,盖子上插入一根塑料杆做的搅拌棒和一根玻璃温度计;⑤他选择用食用白醋和干燥剂氧化钙制成的澄清石灰水反应测定中和反应的反应热。

探究　量热计的构造和用法

问题1:他为什么选择塑料圆形盒,并在内外杯之间填充泡沫塑料?

提示:塑料、泡沫塑料导热性差,可防止热量散失,保温效果较好。

问题2:请判断一次实验中需要测量几次温度?

提示:三次,分别为澄清石灰水的温度、白醋的温度及两者反应后所能达到的最高温度。

问题3:该同学测定的中和反应的反应热与课本中实验所测的结果是否一样?为什么?

提示:不一样;因为该同学所测反应热不仅包含中和反应的热量变化,还包含了醋酸电离(醋酸属于弱酸)的热效应。

常见的吸、放热反应

(1)常见的吸热反应:大多数的分解反应,大多数以碳、一氧化碳、氢气为还原剂的氧化还原反应,Ba(OH)2·8H2O和NH4Cl的反应等。

(2)常见的放热反应:大多数化合反应、金属与酸(或水)的反应、燃烧及缓慢氧化、中和反应、铝热反应等。

题点一　中和反应反应热的测定

1.(2021·重庆长寿月考)如图为用稀盐酸和稀NaOH溶液测定中和反应反应热的装置,下列有关说法错误的是(　C　)

A.小烧杯口与大烧杯口要相平

B.该装置缺少玻璃搅拌器

C.加入NaOH溶液的正确操作是分三次沿玻璃棒缓慢加入

D.烧杯间填满碎泡沫塑料的主要作用是保温隔热,减少热量的损失

解析:小烧杯与大烧杯口相平可减少热量散失,使测得的中和热数值更加准确,故A正确;为使中和反应快速、完全进行,需要用环形玻璃搅拌器搅拌,由图可知该装置缺少环形玻璃搅拌器,故B正确;将NaOH溶液一次性快速加入盛有稀盐酸的小烧杯中,反应会快速进行完全,热量损耗少,测得的中和热数值更准确,故C错误;烧杯间填满碎泡沫塑料的主要作用是保温隔热,减少热量的损失,故D正确。

2.(2021·河南范县月考)将V1 mL 1.0 mol·L-1HCl溶液和V2 mL未知浓度的NaOH溶液混合均匀后测量并记录溶液温度,实验结果如图所示(实验中始终保持V1+V2=50,溶液混合前温度为21 ℃)。下列叙述不正确的是(　B　)

A.该实验表明化学反应的化学能可能转化为热能

B.NaOH溶液的浓度为1.0 mol·L-1

C.该实验提供的数据能粗略计算出此中和反应的反应热

D.实验室测量中和反应的反应热应多次测量取平均值

解析:根据图像可知,随反应进行体系温度升高,故该实验表明化学反应的化学能可能转化为热能,A正确;由图像可知,盐酸与氢氧化钠的反应是放热反应,该过程中化学能转化为热能,恰好反应时放出的热量最多,NaOH溶液的浓度为=1.5 mol·L-1,B错误;该实验提供了温度差,根据Q=m·c·ΔT计算反应放出的热量,C正确;实验室测量中和反应的反应热应多次测量取平均值以减少误差,D正确。

题点二　吸热反应与放热反应

3.(2022·山东德州期中)下列反应既属于氧化还原反应又属于吸热反应的是(　B　)

A.NaHCO3与盐酸的反应

B.灼热的炭与CO2的反应

C.镁条与稀盐酸的反应

D.Fe2O3与铝粉在高温下的反应

解析:NaHCO3与盐酸的反应属于非氧化还原反应,故A不符合题意;灼热的炭与CO2反应生成CO,有元素化合价变化,为氧化还原反应,同时为吸热反应,故B符合题意;镁条与稀盐酸的反应属于氧化还原反应,但属于放热反应,故C不符合题意;Fe2O3与铝在高温下的反应是铝热反应,是氧化还原反应,同时是放热反应,故D不符合题意。

4.下列反应属于吸热反应的是　　　　　(填序号)。 

①液态水汽化　②将胆矾加热变成白色粉末　

③浓硫酸稀释　④氯酸钾分解制氧气　⑤生石灰与水反应生成熟石灰　⑥Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl在常温下反应　⑦二氧化碳与赤热的炭反应生成一氧化碳

解析:①液态水汽化是物质状态的变化,不是化学反应;②将胆矾加热变为白色粉末,发生反应CuSO4·5H2OCuSO4+5H2O,是吸热反应;③浓硫酸稀释放出热量,是物理变化;④氯酸钾分解制氧气,发生反应2KClO32KCl+3O2↑,是吸热反应;⑤生石灰与水反应生成熟石灰,CaO+H2OCa(OH)2,是放热反应;⑥Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl在常温下反应,Ba(OH)2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O,是吸热反应;⑦二氧化碳与赤热的炭反应生成一氧化碳,C+CO22CO,是吸热反应。因此属于吸热反应的是②④⑥⑦。

答案:②④⑥⑦

吸、放热反应与反应条件加热的关系

吸热反应不一定需要加热条件,如氢氧化钡晶体与氯化铵的反应。放热反应也可能需要加热条件,如铝热反应需要高温引发。所以反应是否需要加热与反应吸、放热没有关系。如果一个反应需要“持续不断加热”则一般属于吸热反应,而一个反应“开始需要加热引发”,反应开始后无需“持续加热”则一般为放热反应。

学习任务2　化学反应的内能变化与焓变

1.化学反应的内能变化

(1)内能的概念与影响因素。

①内能的概念:内能是体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。

②影响因素: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。

(2)内能的符号及内能变化。

①内能的符号是 U。

②内能的变化:ΔU=U(反应产物)-U(反应物)。

③反应吸、放能量与内能的关系。

如果U(反应产物)>U(反应物),则反应吸收能量;如果U(反应产物)<U(反应物),则反应释放能量。

2.化学反应的焓变

(1)焓与焓变。

(2)反应热和焓变的关系。

微点拨:焓变、恒容反应热QV、恒压反应热Qp属于不同的热力学参数。只有恒压条件,无光、电能量变化时焓变才等于反应热。实际上一般我们经常用的是“焓变”这个概念,而基本不用“反应热”这一概念。

　焓的本质是非常抽象的,要理解焓得先从布朗运动谈起。1827年,英国植物学家布朗发现花粉在水面上不停地运动,且运动轨迹极不规则。起初人们以为是外界影响,如振动或液体对流等,后经实验证明这种运动的原因不在外界,而在液体内部。原来花粉在水面运动是受到各个方向水分子的撞击引起的,于是这种运动称为布朗运动,布朗运动表明液体分子在不停地做无规则运动。分子间存在相互作用力,即化学上所说的分子间作用力。所以分子间具有由它们的相对位置决定的势能,称为分子势能。分子势能与弹簧弹性势能的变化相似。物体的体积发生变化时,分子间距也发生变化,所以分子势能同物体的体积有关系。物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和称为物体的热力学能,也称内能。焓是流动式物质的热力学能和流动功之和,也可认为是做功能力。中学阶段焓变可以从两个角度加以认识。

探究1　从焓的角度认识焓变

问题1:用图示表示放热反应、吸热反应的焓与焓变的关系。

提示:

问题2:焓的高低与物质的稳定性有什么关系?

提示:焓(能量)越低物质越稳定,焓(能量)越高物质越不稳定。

问题3:从焓的角度看,焓变与焓的关系是什么?

提示:ΔH=H(生成物)-H(反应物)。

探究2　从化学键的角度认识焓变

问题4:从化学键的角度看,化学变化的本质是什么?

提示:旧键的断裂、新键的形成。

问题5:旧化学键断裂及新化学键形成过程中,物质稳定性如何变化?能量又如何变化?

提示:旧化学键断裂,物质会从稳定状态变为不稳定状态,物质能量会升高(吸收能量);新化学键形成,物质会从不稳定状态变为稳定状态,物质能量会降低(释放能量)。

问题6:从化学键的角度看,焓变与键能有什么关系?

提示:ΔH=E(反应物)-E(生成物)(E代表总键能)。

键能并非一种能量。一种物质中键能越大,说明该物质越稳定,其总能量越低。从焓的角度计算焓变是用生成物的总焓减去反应物的总焓,而从键能的角度计算焓变是用反应物总键能减去生成物总键能。

题点一　ΔH图像问题

1.已知化学反应A2(g)+B2(g)2AB(g)的能量变化如图,下列叙述正确的是(　D　)

A.每生成2分子AB吸收b kJ热量

B.该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量

C.该反应热ΔH=-(a-b)kJ·mol-1

D.断裂1 mol A—A键和1 mol B—B键,吸收a kJ能量

解析:依据图像判断,1 mol A2和1 mol B2反应生成2 mol AB,每生成2 mol AB吸收(a-b)kJ热量,A错误;依据图像可知,该反应中反应物的总能量低于生成物的总能量,该反应的ΔH=+(a-b)kJ·mol-1,B、C错误;断裂1 mol A—A键和1 mol B—B键,吸收a kJ能量,D正确。

2.(2021·山东高青月考)常温下,CuSO4(s)和CuSO4·5H2O(s)溶于水及CuSO4·5H2O(s)受热分解的能量变化如图所示,下列说法不正确的是(　A　)

A.CuSO4·5H2O(s)受热分解是放热反应

B.ΔH3>ΔH2

C.将CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高

D.将CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低

解析:分解反应是吸热反应,故A错误;由图可知,ΔH2<0、ΔH3>0,可知ΔH3>ΔH2,故B正确;由图可知,CuSO4(s)溶于水放出热量,则会使溶液温度升高,故C正确;由图可知,CuSO4·5H2O(s)溶于水吸收能量,则会使溶液温度降低,故D正确。

题点二　ΔH与键能的关系

3.(2021·安徽宿州期中)化学反应过程可视为旧化学键断裂和新化学键形成的过程,H—H键的键能为436 kJ·mol-1,H—Cl键的键能为431 kJ·mol-1。已知Cl2(g)+H2(g)2HCl(g)　ΔH=-183 kJ·mol-1,则Cl—Cl键的键能为(　A　)

A.243 kJ·mol-1 B.351 kJ·mol-1

C.268 kJ·mol-1 D.862 kJ·mol-1

解析:ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能=(x+436)kJ·mol-1-2×431 kJ·mol-1=-183 kJ·mol-1,解得x=243,则Cl—Cl键的键能为243 kJ·mol-1,故选A。

4.(2021·山西太原期中)已知:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1。相关化学键的键能(指气态分子中1 mol化学键解离成气态原子所吸收的能量)如下表所示。下列说法错误的是(　D　)

A.过程N2(g)2N(g)吸收能量

B.过程N(g)+3H(g)NH3(g)放出能量

C.x=945.6

D.1 mol N2(g)与足量H2(g)充分反应,放出92.4 kJ 的热量

解析:化学键断裂需要吸收能量,A正确;形成化学键时释放能量,B正确;x+436×3-391×6=-92.4,解得x=945.6,C正确;N2(g)与H2(g)反应生成2 mol NH3(g),放出92.4 kJ的热量,该反应为可逆反应,1 mol氮气不能完全转化为2 mol氨气,D错误。

(1)ΔH图像问题牢牢把握:ΔH=H(生成物)-H(反应物)。

(2)ΔH与键能关系问题牢牢把握:ΔH=E(反应物)-E(生成物)(E代表总键能)。

【知识整合】

【易错提醒】

1.误认为化学变化可能没有能量变化。其实现代科学尚未发现没有能量变化的化学反应。

2.化学变化过程不仅有热能变化,有些化学变化还伴随光、电等能量变化,比如燃烧反应发光。

3.加热条件下发生的反应不一定是吸热反应。例如,燃烧反应一般都需要点燃(加热到着火点),但都属于放热反应。

4.误认为浓硫酸溶于水放热,属于“放热反应”。其实浓硫酸稀释属于物理变化,物理变化很多也有热量变化,但不能称之为“吸热反应”或“放热反应”,只能称为“吸热过程”或“放热过程”。

5.误认为吸热反应会导致温度升高,放热反应会导致温度降低。其实不然,吸热反应是把热能转化为化学能,所以热能减少温度降低,放热反应是把化学能转化成热能,所以热能增多温度升高。这与吸、放热的物理变化不同,凉铁块吸热温度会升高,热铁块冷却放热温度会降低。