高中化学人教版 (新课标)必修2第一节 化学能与热能教学设计

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第一节　化学能与热能


1．知道化学键的断裂与形成是化学反应中能量变化的主要原因。
2．知道反应物与生成物总能量的相对高低是反应过程中能量变化的决定因素。
3．通过生产、生活中的实例了解化学能与热能的相互转化。

一、化学键与化学反应中能量变化的关系
1．化学反应中能量变化的原因(微观角度)
(1)组成物质的原子(或原子团)之间是通过化学键相结合的。
(2)当物质发生化学反应时，断开反应物中的化学键要吸收能量，而形成生成物中的化学键要放出能量。
(3)化学键的断裂与形成是物质在化学反应中发生能量变化的主要原因。
2．化学反应中能量变化的决定因素(宏观角度)
一个确定的化学反应是吸热还是放热，决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。
(1)反应物的总能量大于生成物的总能量，则化学反应释放能量。如图A所示。

(2)反应物的总能量小于生成物的总能量，则化学反应吸收能量。如图B所示。
二、化学能与热能的相互转化
1．两条基本的自然定律
(1)质量守恒定律：自然界中的物质发生转化时，总质量保持不变。
(2)能量守恒定律：一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量，但是体系包含的总能量保持不变。
2．化学能与热能的相互转化
(1)化学能转化为热能
①盐酸与铝反应，溶液温度升高，说明该反应是放热反应。
②Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应，烧杯变凉，玻璃片与烧杯粘在一起，说明该反应是吸热反应。化学方程式为Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3·H2O＋8H2O。
③中和热：酸与碱发生中和反应生成1 mol H2O时释放的热量。
(2)热能转化为化学能
人们利用热能可以促使化学反应的发生，从而探索物质的组成、性质或制备所需的物质，如高温冶炼金属、分解化合物等。
三、人类利用能源的三个阶段
1．柴草时期：从火的发现至18世纪产业革命，以树枝杂草为主要能源。
2．化石能源时期：从18世纪中期到现代，以煤、石油、天然气为主要能源。
3．多能源结构时期：以可再生能源和清洁能源(绿色能源)为主要能源，主要包括太阳能、氢能、核能、生物质能等。

1．(2018·甘肃师大附中期末)绿色能源是指使用过程中不排放或排放极少污染物的能源，如一级能源中的水能、地热、天然气等；二级能源中电能、氢能等。下列能源属于绿色能源的是(　　)
①太阳能　②风能　③石油　④煤　⑤潮汐能　⑥木材
A．①②③ B．③④⑤
C．④⑤⑥ D．①②⑤
解析：石油和煤是化石燃料，燃烧除了产生大量的二氧化碳之外，也会产生二氧化硫等有毒的气体，煤还有固体废弃物需要处理，③④不属于绿色能源；木材属于传统能源，燃烧除了产生大量的二氧化碳之外，还有固体废弃物需要处理，并且破坏绿化，⑥不属于新能源；太阳能、风能和潮汐能是清洁、无污染的新能源，属于绿色能源。
答案：D
2．已知2H2＋O22H2O，关于该反应的下列说法错误的是(　　)
A．该反应是一个放热反应
B．参加反应的氢气和氧气的总能量高于反应生成的水的总能量
C．该反应是一个吸热反应
D．参加反应的氢气和氧气的总质量等于反应生成的水的总质量
解析：A、B、D三项正确；C项该反应为放热反应，错误。
答案：C
3．(2018·佛山市第一中学期中)下列各图中，表示正反应是吸热反应的图是(　　)


解析：当反应物的总能量大于生成物的总能量，此时反应放热，当反应物的总能量小于生成物的总能量，此时反应吸热，故选A项。
答案：A

　吸热反应与放热反应

放热反应
吸热反应
定义
释放热量的化学反应
吸收热量的化学反应
宏观解释
反应物具有的总能量大于生成物具有的总能量
反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量
微观解释
生成物分子成键时释放的总能量大于反应物分子断键时吸收的总能量
生成物分子成键时释放的总能量小于反应物分子断键时吸收的总能量
图示


常见实例
①大部分化合反应
②金属和水或酸的反应
③可燃物的燃烧反应及缓慢氧化反应
④酸和碱的中和反应
⑤铝热反应
①大部分分解反应
②较典型的反应：
Ba(OH)2·8H2O和NH4Cl反应
C＋CO22CO
C＋H2O(g)CO＋H2等
　(2018·北京师大附中期中)下列事实描述不正确的是(　　)
A．高温煅烧石灰石的反应中，反应物总能量高于生成物总能量
B．中和反应中，反应物总能量高于生成物总能量
C．铝粉和盐酸反应时，溶液温度通常会上升
D．氢氧化钡晶体和氯化铵晶体的反应是吸热反应
【解析】　石灰石分解是吸热反应，应是反应物总能量低于生成物总能量，A错误；中和反应是放热反应，应是反应物总能量高于生成物的总能量，B正确；铝粉和盐酸反应属于放热反应，因此溶液温度通常会上升，C正确；氢氧化钡晶体和氯化铵晶体在常温下就能发生反应，但属于吸热反应，D正确。
【答案】　A
　(2018·信阳高级中学期中)下列变化过程，属于吸热反应的是(　　)
①碳与水蒸气反应　②将胆矾加热变为白色粉末　③浓H2SO4稀释　④氯化铵晶体溶于水　⑤H2在Cl2中燃烧
⑥液态水变成水蒸气　⑦NH4Cl晶体与Ba(OH)2·8H2O混合搅拌　⑧碳酸钙热分解
A．①②④⑥⑦⑧　 B．①②⑥⑦
C．④⑥⑦⑧ D．①②⑦⑧
解析：③④⑥不是化学反应，错误；H2在Cl2中燃烧，是放热反应，⑤错误；①②⑦⑧是吸热反应。
答案：D
　利用化学键数据计算化学反应中的能量
1．化学键与能量变化的关系
化学键的断裂和形成是物质在化学反应中发生能量变化的主要原因。利用化学键的能量变化可粗略计算化学反应过程中的能量变化。
以H2＋Cl2===2HCl为例，利用化学键的能量变化计算，化学反应中的能量变化，1 mol H2和1 mol Cl2反应生成2 mol HCl的能量转化如图所示：

断裂1 mol H—H键和1 mol Cl—Cl键吸收的总能量
436 kJ＋243 kJ＝679 kJ，
形成2 mol H—Cl键放出的总能量
431 kJ＋431 kJ＝862 kJ，
反应的热量变化为679 kJ－862 kJ＝－183 kJ，即反应放出183 kJ热量。
2．相关计算公式
(1)ΔQ＝Q(吸)－Q(放)
(2)ΔQ＝Q(吸)－Q(放)＝反应物的总键能－生成物的总键能。
Q(吸)指反应物断键吸收的总能量，Q(放)指生成物形成化学键释放的总能量，ΔQ表示化学反应吸收或放出能量的多少。

物质的稳定性与物质具有的能量的关系
(1)物质的能量越低越稳定，参加反应时，化学键断裂吸收的能量就越多；而如果是通过新化学键形成而生成该物质时，放出的能量就越多。
(2)物质的能量越高越不稳定，参加反应时，化学键断裂吸收的能量就越少；该物质化学性质活泼，而形成该物质时，放出的能量就越少。
　已知2 mol H2完全燃烧生成水蒸气放出热量484 kJ，且1 mol H—H键断裂时吸收热量为436 kJ，水蒸气中1 mol H—O键形成时放出热量463 kJ，则O2中1 mol O===O键完全断裂时吸收热量(　　)
A．496 kJ　　 B．188 kJ
C．557 kJ D．920 kJ
【解析】　根据反应方程式2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)，可知2 mol H2完全燃烧生成2 mol H2O(g)放出热量484 kJ，可设1 mol O===O键完全断裂吸收的热量为Q，则ΔQ＝Q(吸)－Q(放)＝2×436 kJ＋Q－4×463 kJ＝－484 kJ，解得Q＝496 kJ。
【答案】　A
　(2018·湖南师大附中期中)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，如表所示是几种化学键的键能：
化学键
N≡N
F—F
N—F
键能(kJ·mol－1)
946
154.8
283.0
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)为吸热反应
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
解析：N2(g)―→2N(g)为化学键的断裂过程，应该吸收能量，A错误；N(g)＋3F(g)―→NF3(g)为形成化学键的过程，放出能量，B正确；反应N2(g)＋3F2(g)===2NF3(g)的ΔH＝(946＋3×154.8－283.0×6)kJ·mol－1＝－287.6 kJ·mol－1，ΔH＜0，属于放热反应，C错误；化学反应的实质是旧键的断裂和新键的形成，NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与生成，则不能发生化学反应，D错误。
答案：B

1.(2018·北京师大附中期中)未来可再生能源和清洁能源将成为人类利用新能源的主力军，下列关于能源的叙述正确的是(　　)
A．化石燃料是可再生能源
B．风能、太阳能是清洁能源
C．化石燃料都是清洁能源
D．氢能是不可再生的清洁能源
解析：化石燃料属于不可再生能源，A错误；风能、太阳能对环境无影响，是清洁能源，B正确；化石燃料燃烧时会产生二氧化硫等污染物，不是清洁能源，C错误；氢气燃烧的产物是水，电解水可以获得氢气，因此氢能是可再生的清洁能源，D错误。
答案：B
2．下列选项属于释放能量的化学反应的是(　　)
A．糖类在人体内缓慢氧化
B．浓硫酸稀释
C．碳和二氧化碳生成一氧化碳
D．碳酸钙分解成氧化钙和二氧化碳
解析：A项化学反应放热，符合题意；B项不是化学反应，不符合题意；C、D两个化学反应吸热，不符合题意。
答案：A
3．如图是化学反应中物质变化和能量变化的示意图。若E1>E2，则下列反应符合该示意图的是(　　)

A．NaOH溶液与稀盐酸的反应
B．锌与稀盐酸的反应
C．氢氧化钡与氯化铵固体的反应
D．一氧化碳在空气中的燃烧反应
解析：由于吸收的能量大于反应放出的能量，故反应总的能量变化为吸收能量，A、B、D三项的三个反应为放热反应；C项反应为吸热反应，故选C项。
答案：C
4．(2018·云南民族大学附中期中)CH4在O2中燃烧生成CO2和气态H2O的反应是一个放热反应，在反应过程中(　　)
A．核能转化成热能
B．化学能转化成热能
C．生成物的总能量等于反应物的总能量
D．生成物的总能量大于反应物的总能量
解析：CH4在O2中燃烧生成CO2和气态H2O的反应为放热反应，在放热反应过程中化学能转化成热能，反应物的总能量大于生成物的总能量，B正确。
答案：B
5．在一定条件下，M与N反应可生成P和Q，其能量变化如下图：

(1)若E1>E2，反应体系的总能量________(填“升高”或“降低”)，为________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)若E1 _________________。
解析：反应是放热反应还是吸热反应，取决于反应物和生成物总能量的高低，若反应物总能量高于生成物总能量，由能量守恒可知，该反应过程释放能量，使体系能量降低，为放热反应，否则就得从环境中吸收能量，表现为吸热反应，体系能量升高。
答案：(1)降低　放热　(2)升高　吸热　反应物从环境中吸收能量


1．(2018·南昌市第二中学月考)下列变化过程中一定不存在化学能与热能相互转化的是(　　)
A．烧制陶瓷 B．冰融化成水
C．粮食酿酒 D．使用火药
解析：烧制陶瓷是化学变化，该反应过程是吸热反应， 有化学能与热能的相互转化，A不符合题意；冰融化是物质状态的改变，只有热量变化，没有化学能转化成热能，B符合题意；粮食酿酒是放热反应，是化学能转化成热能，C不符合题意；火药爆炸放出热量，是化学能转化成热能，D不符合题意。
答案：B
2．“摇摇冰”是一种即冷即用的饮料。吸食时将饮料罐隔离层中的物质和水混合后摇动即会制冷，该化学物质是(　　)
A．固体硝酸铵 B．氯化钠
C．生石灰 D．固体氢氧化钠
解析：根据题意可知该变化过程吸热，A项NH4NO3溶于水吸热，符合题意；B项NaCl溶于水，既不放热也不吸热，不符合题意；C、D两项溶于水放出热量，不符合题意。
答案：A
3．已知反应A＋B===C＋D为放热反应，对该反应的下列说法中正确的是(　　)
A．A的能量一定高于C
B．B的能量一定高于D
C．A和B的总能量一定高于C和D的总能量
D．该反应为放热反应，故不必加热就一定能发生
解析：放热反应说明A和B的总能量一定高于C和D的总能量，选C项。
答案：C
4．据报道，某国一集团拟在太空建造巨大的集光装置，把太阳光变成激光用于分解海水制氢气：2H2O2H2↑＋O2↑。下列说法不正确的是(　　)
A．水的分解反应为放热反应
B．氢气是理想的能源
C．使用氢气作燃料有助于控制温室效应
D．在这一反应中，光能转化为化学能
解析：H2O分解需要吸收能量，属于吸热反应，且该过程中光能转化为化学能，故A错，D正确；氢气的燃烧产物只有水，不会产生CO2，利于控制温室效应。故B、C正确。
答案：A
5．(2018·宁夏育才中学期中)根据下图提供的信息，下列所得结论不正确的是(　　)

A．该反应是吸热反应
B．该反应一定需要加热才能发生
C．该反应可能是碳酸钙的分解反应
D．该反应不可能是铝与氧化铁的反应
解析：根据图象可知，反应物能量低于生成物，反应是吸热反应，A正确；吸热反应在常温下也可能发生，比如氢氧化钡晶体和氯化铵反应就是常温下进行的吸热反应，B错误；碳酸钙的分解反应为吸热反应，C正确；铝与氧化铁的反应为放热反应，一定不是吸热反应，D正确。
答案：B
6．根据图中包含的信息分析，下列叙述正确的是(　　)

A．氢气与氯气反应生成1 mol氯化氢气体，反应吸收248 kJ的能量
B．436 kJ/mol是指断开1 mol H2中的H—H键需要放出436 kJ的能量
C．氢气与氯气反应生成2 mol氯化氢气体，反应放出183 kJ的能量
D．431 kJ/mol是指生成2 mol HCl中的H—Cl键需要放出431 kJ的能量
解析：反应生成2 mol氯化氢气体放出的热量：431 kJ/mol×2 mol－436 kJ/mol－248 kJ/mol＝183 kJ/mol，A项错误；436 kJ/mol是指断开1 mol H2中的H—H键需要吸收436 kJ的能量，B项错误；反应生成2 mol氯化氢气体放出的热量：431 kJ/mol×2 mol－436 kJ/mol－248 kJ/mol＝183 kJ/mol，故C项正确；431 kJ/mol是指生成1 mol HCl中的H—Cl键需要放出431 kJ的能量，D项错误。
答案：C
7．在一个小烧杯里加入 20 g Ba(OH)2·8H2O晶体，将小烧杯放在事先已滴有3～4滴水的玻璃片上。然后加入10 g NH4Cl晶体，并用玻璃棒迅速搅拌。
(1)实验中玻璃棒的作用是_______________________________。
(2)写出有关化学方程式_________________________________，该反应属于________反应(填基本反应类型)。
(3)实验中观察到的现象有______________________________、________________________________和反应混合物呈糊状。反应呈糊状的原因是________________________________。
(4)通过________现象，说明该反应为________(填“吸”或“放”)热反应，这是由于反应物的总能量________(填“高”或“低”)于生成物的总能量。
解析：固＋固反应，为提高反应速率，增大反应物接触面积常采用研磨、搅拌等方法。Ba(OH)2·8H2O和NH4Cl反应属于复分解反应。该反应是吸热反应，由于晶体中含有水分，产物应为糊状。结冰也反映出了该反应中生成物总能量大于反应物总能量。
答案：(1)搅拌，使混合物充分接触并起反应
(2)Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3·H2O＋8H2O　复分解　(3)玻璃片上结冰而与小烧杯粘在一起　产生少许刺激性气味气体　反应发生时有水生成　(4)结冰(黏结)　吸　低
8．下表中的数据是破坏1 mol物质中的化学键所消耗的能量(kJ)：
物质
Cl2
Br2
I2
HCl
HBr
HI
H2
能量(kJ)
243
193
151
432
366
298
436
根据表中的数据回答下列问题：
(1)下列物质本身具有的能量最低的是________。
A．H2 B．Cl2
C．Br2 D．I2
(2)下列氢化物中最稳定的是________。
A．HCl B．HBr
C．HI
(3)X2＋H2===2HX(X代表Cl、Br、I)分别与氢气反应，当消耗等物质的量的氢气时，放出或吸收的热量最多的是________。
(4)若无表中的数据，你能正确回答出问题(3)吗？你的依据是什么？
解析：(1)(2)破坏1 mol物质中的化学键所消耗的能量越大，则物质越稳定，所具有的能量越低。(3)以氯元素为例计算，断开1 mol Cl—Cl键和H—H键需吸收能量：243 kJ＋436 kJ＝679 kJ，而形成2 mol HCl放出的能量为2×432 kJ＝864 kJ，所以在Cl2＋H2===2HCl反应中放出864 kJ－679 kJ＝185 kJ的能量，同理可计算在Br2＋H2===2HBr，I2＋H2===2HI反应中分别放出103 kJ、9 kJ的热量，所以Cl2与H2反应时，放出的热量最多。(4)Cl2、Br2、I2属于同主族元素的单质，非金属性：Cl>Br>I，所以稳定性：HI 答案：(1)A　(2)A　(3)Cl2　(4)能，元素的非金属性越强，则生成的氢化物越稳定，越易反应，放出的能量越多。

1．已知强酸与强碱在稀溶液中发生中和反应生成1 mol H2O时放出57.3 kJ热量，用500 mL 0.6 mol/L的稀H2SO4跟含1 mol NaOH的溶液反应，放出的热量是(　　)
A．68.76 kJ B．57.3 kJ
C．34.38 kJ D．17.19 kJ
解析：NaOH(aq)＋H2SO4(aq)===Na2SO4(aq)＋H2O(l)，放出57.3 kJ的热量。500 mL 0.6 mol/L的稀H2SO4与含1 mol NaOH的溶液反应时NaOH过量，以H2SO4进行计算生成的水为n(H2O)＝500 mL×10－3L/mL×0.6 mol/L×2＝0.6 mol，所以中和反应所产生的热量为：0.6 mol×57.3 kJ/mol＝34.38 kJ。C正确。
答案：C
2．有专家指出，如果对燃烧产物如CO2、H2O、N2等利用太阳能使它们重新组合，那么，不仅可以消除对大气的污染，还可以节约燃料，缓解能源危机。观察下图所示，判断在此构想的物质循环中太阳能最终转化为(　　)

A．化学能 B．电能
C．生物质能 D．热能
解析：根据题给信息及图中转化关系可知利用太阳能使CO2、H2O、N2等重新组合，由图知这些物质组合成可燃物，可燃物燃烧可转化为燃烧产物并放出热量，燃烧产物又利用太阳能转化为燃料，如此循环，可判断出太阳能最终转化为热能，故选D项。
答案：D
3．(2018·北京师大附中期中)关于下图的说法不正确的是(　　)

A．1 mol I2(s)与1 mol H2(g)化合生成2 mol HI(g)气体时，需要吸收5 kJ的能量
B．2 mol HI(g)分解生成1 mol I2(g)与1 mol H2(g)时需要吸收12 kJ的能量
C．1 mol I2(s)变为1 mol I2(g)时需要吸收17 kJ的能量
D．I2(g)与H2(g)生成HI(g)气体的反应是吸热反应
解析：由图可知，1 mol I2(s)＋1 mol H2(g)吸收5 kJ热量生成2 mol HI(g)，A正确；由图可知，1 mol I2(g)＋1 mol H2(g)放出12 kJ热量生成2 mol HI(g)，则2 mol HI气体分解生成1 mol碘蒸气与1 mol H2时需要吸收12 kJ的能量，B正确；由图可知，1 mol I2(g)变为1 mol I2(s)放出17 kJ的热量，则1 mol固态碘变为1 mol碘蒸气时需要吸收17 kJ的能量，C正确；由图可知，1 mol I2(g)＋1 mol H2(g)放出12 kJ热量生成2 mol HI(g)，应为放热反应，D错误。
答案：D
4.某学生用如图装置进行化学反应X＋2Y===2Z能量变化情况的研究。当往试管中滴加试剂Y时，看到导管甲处液面下降、导管乙处液面上升，关于该反应的下列叙述正确的是(　　)
①该反应为放热反应　②生成物的总能量比反应物的总能量高　③该反应过程可以看成是“贮存”于X、Y内部的能量部分转化为热量而释放出来
A．①②③ B．①③
C．①② D．③
解析：导管甲液面下降，乙液面上升，说明反应放热，使管内空气受热膨胀，管内气压增大，B正确。
答案：B
5．如图所示，把试管放入盛有25 ℃饱和石灰水的烧杯中，试管中开始放入粉末状的二氧化锰，再用胶头滴管滴入5 mL 10%的过氧化氢溶液于试管中。试回答下列问题：

(1)实验中观察到的现象__________________________________
____________________________________。
(2)产生上述现象的原因是_________________________________
______________________________________________________________________________________________________________________。
(3)写出反应的化学方程式________________________________
____________________________________。
(4)由实验推知，O2和H2O的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)H2O2的总能量。
解析：双氧水在二氧化锰的催化作用下分解生成氧气和水，化学方程式为2H2O22H2O＋O2↑，该反应是放热反应，所以O2和H2O的总能量小于H2O2的总能量；由于Ca(OH)2的溶解度随温度的升高而降低，所以烧杯中的溶液变浑浊。
答案：(1)试管内有气泡冒出，烧杯内溶液变浑浊
(2)H2O2分解放出O2，该反应放热，使烧杯中饱和石灰水的温度升高而析出氢氧化钙晶体　(3)2H2O22H2O＋O2↑　(4)小于