高中化学人教版 (2019)必修 第二册第一节 化学反应与能量变化精品第1课时学案

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第一节 化学反应与能量变化


第1课时 化学反应与热能





吸热反应和放热反应





1．实验探究


2.概念


(1)放热反应：释放热量的化学反应。


(2)吸热反应：吸收热量的化学反应。


3．常见的吸热反应和放热反应


(1)常见的放热反应：金属与水或酸的反应、燃烧反应、大多数化合反应、中和反应等。


(2)常见的吸热反应：氢氧化钡晶体与氯化铵的反应、盐酸与碳酸氢钠的反应、C＋CO2eq \(=====,\s\up7(高温))2CO、C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))CO＋H2、大多数分解反应等。





1．下列反应不一定属于放热反应的是( )


A．燃烧反应


B．H2SO4与Ba(OH)2溶液的反应


C．Mg与盐酸的反应


D．复分解反应


解析：选D。所有燃烧反应、金属与酸的反应、中和反应都属于放热反应，复分解反应则不一定属于放热反应。


2．下列反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应的是( )


A．铝片与稀盐酸的反应


B．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应


C．灼热的碳与CO2的反应


D．甲烷在氧气中的燃烧


解析：选C。2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑既属于氧化还原反应，又属于放热反应，A项错误；Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3↑＋10H2O既属于非氧化还原反应，又属于吸热反应，B项错误；灼热的碳与CO2的反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应，C项正确；甲烷在氧气中的燃烧既属于氧化还原反应，又属于放热反应，D项错误。


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)化学反应过程


eq \x(反应物)eq \(――→,\s\up7(旧化学键断裂))eq \x(\a\al(原子或,原子团))eq \(――→,\s\up7(新化学键形成))eq \x(生成物)


(2)化学反应中能量变化的原因





(3)实例分析[以H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)反应为例]





①根据上图填写下表


②该反应放出(填“放出”或“吸收”)__183 kJ热量。


2．化学反应中能量变化的决定因素——宏观角度


结论：化学反应中的能量变化决定于反应物的总能量和生成物的总能量的相对大小。





化学反应中能量变化的计算


Q(吸)表示反应物中化学键断裂时吸收的总能量，Q(放)表示生成物中化学键形成时放出的总能量，则公式为ΔQ＝Q(吸)－Q(放)。


ΔQ＝Q(吸)－Q(放)eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(ΔQ0，为吸热反应))


应用公式计算化学反应中的能量变化时，不仅要注意参加反应的各物质的物质的量，还要注意1 ml物质中化学键的数目。





1．化学反应的发生必然伴随着能量的转化，其最根本的原因是( )


A．化学反应中一定有新物质生成


B．化学反应中旧化学键的断裂需要吸收能量，新化学键的形成需要放出能量


C．化学反应通常需要加热等条件才能发生


D．能量变化是化学反应的基本特征之一


解析：选B。旧键断裂时，需要吸收一定的能量来克服原子(或离子)间的作用力，新键形成时，又要释放一定的能量，因吸收和释放的能量不相等，所以化学反应必然伴随能量的变化。


2．已知2SO2＋O22SO3为放热反应，对该反应的下列说法正确的是( )


A．O2的能量一定高于SO2的能量


B．SO2和O2的总能量一定高于SO3的总能量


C．SO2的能量一定高于SO3的能量


D．因该反应为放热反应，故不必加热就可以发生


解析：选B。判断一个反应是放热反应还是吸热反应，关键看反应物的总能量与生成物的总能量的差值。如果反应物的总能量高于生成物的总能量，反应放热，B项正确，A、C项错误；放热反应只表明反应物总能量比生成物总能量高，而加热是反应的条件，两者无必然联系，许多放热反应也必须加热才能开始进行，D项错误。


3．在H2与Cl2生成HCl的反应中，已知断裂1 ml H—H键吸收的能量为a kJ，断裂1 ml Cl—Cl键吸收的能量为b kJ，形成1 ml H—Cl键放出的能量为c kJ，则生成1 ml HCl 放出的能量为( )


A．(c－a－b) kJ B．(a＋b－c) kJ


C．(2c－a－b) kJ D．(2c－a－b)/2 kJ


解析：选D。由于H2与Cl2反应生成HCl的化学方程式为H2＋Cl2===2HCl，在该反应中断裂化学键吸收的能量是(a＋b) kJ，形成化学键放出的能量是2c kJ，所以在该反应中生成2 ml HCl放出的能量为(2c－a－b) kJ，则生成1 ml HCl放出的能量为(2c－a－b)/2 kJ。


能源的利用





1．常规能源


(1)化石燃料(人类利用最多的常规能源)：主要包括煤、石油和天然气。


(2)特点：①短期内不可再生，储量有限；


②燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是大气污染物的主要来源。


2．新能源


(1)理想新能源：太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。


(2)特点：资源丰富、可以再生、对环境无污染。





1.“能源分类相关图”如图所示，四组能源选项中全部符合图中阴影部分的能源是( )


A．煤炭、石油、潮汐能


B．水能、生物质能、天然气


C．太阳能、风能、沼气


D．地热能、海洋能、核能


解析：选C。A项，煤炭、石油不是新能源，也不是可再生能源；B项，天然气不是新能源，也不是可再生能源；D项，地热能是来自地球内部的能源，核能不是可再生能源，也不是来自太阳的能源。


2．氢气是未来的理想能源，理由是( )


①可以再生 ②燃烧时不污染环境 ③用于制取H2的水资源丰富 ④密度小，便于运输


A．①②③ B．②③④


C．①③④ D．①②③④


解析：选A。氢气密度小，但氢气是可燃性气体，不便于贮存和运输。


3．下列有关能量的说法不正确的是( )


A．化石能源物质内部贮存着大量的能量


B．植物的光合作用使太阳能转化为化学能


C．由石墨制金刚石是吸热反应，故石墨的能量比金刚石的能量低


D．燃料燃烧时只是将化学能转化为热能


解析：选D。化石能源物质内部贮存着大量的能量，燃烧时放热，A正确；植物的光合作用是太阳能转化为化学能的过程，B正确；吸热反应中反应物的总能量小于生成物的总能量，C正确；燃料燃烧时，化学能主要转化为热能，还有一部分转化为光能等其他形式的能量，D错误。


合格考训练


1．下列对化学反应的认识错误的是( )


A．会引起化学键的变化


B．会产生新的物质


C．必然引起物质状态的变化


D．必然伴随着能量的变化


解析：选C。化学反应的本质是化学键的断裂和形成，表现为有新物质生成，并伴随着能量的变化，而化学变化中的反应物和生成物的状态在反应前后可能相同，也可能不相同，故C项符合题意。


2．一种“即食即热型快餐”适合外出旅行时使用，其内层是用铝箔包裹的并已加工好的真空包装食品，外层则是分别包装的两包化学物质，使用时拉动预留在外的拉线，使这两种化学物质反应，此时便可对食物进行加热，这两包化学物质最适宜的选择是( )


A．浓硫酸与水 B．生石灰与水


C．熟石灰与水 D．氯化钠与水


解析：选B。浓硫酸溶于水虽然放热，但浓硫酸是液体，又具有强烈的腐蚀性，不适宜给食品加热；相同质量的生石灰和熟石灰分别溶于水，前者放出的热量比后者多；氯化钠溶于水能量变化不明显。


3．在下列化学变化中，反应物总能量低于生成物总能量的是( )


A．2H2＋O2eq \(=====,\s\up7(点燃))2H2O


B．CaCO3eq \(=====,\s\up7(高温))CaO＋CO2↑


C．CaO＋CO2===CaCO3


D．C2H5OH＋3O2eq \(=====,\s\up7(点燃))2CO2＋3H2O


解析：选B。当反应物总能量低于生成物总能量时，该反应为吸热反应，H2、C2H5OH的燃烧均为放热反应；CaO与CO2的化合反应属于放热反应；CaCO3的分解反应属于吸热反应。


4．已知反应N2(g)＋3H2(g)eq \(,\s\up7(催化剂),\s\d5(高温、高压))2NH3(g)，有关物质的化学键键能(拆开1 ml化学键所需要的能量)如下，则该反应生成2 ml NH3时的能量变化是( )


A．吸收46.5 kJ B．放出46.5 kJ


C．吸收93.0 kJ D．放出93.0 kJ


解析：选D。旧键断裂需要吸收的能量为945.0 kJ/ml＋3×436.0 kJ/ml＝2 253.0 kJ/ml。因为1 ml NH3中含有3 ml N—H键，化学反应中生成2 ml NH3，共含有6 ml N—H键，所以新键形成放出的能量为6×391.0 kJ/ml＝2 346.0 kJ/ml。旧键断裂吸收的能量小于新键形成放出的能量，则该反应为放热反应，反应放出的能量为2 346.0 kJ/ml－2 253.0 kJ/ml＝93.0 kJ/ml，即该反应生成2 ml NH3时放出的能量为93.0 kJ。


5．硅是太阳能电池的重要材料。工业冶炼纯硅的原理如下：


粗硅冶炼：①SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。


精炼硅：②Si＋3HCleq \(=====,\s\up7(高温))SiHCl3＋H2；


③SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up7(高温))Si＋3HCl。


有关的化学反应与能量变化如下图所示，回答下列问题：





(1)①是________反应，②是________反应，③是________反应。(填“吸热”或“放热”)


(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


6．如图所示，把试管放入盛有25 ℃饱和澄清石灰水的烧杯中，试管中开始放入几小块镁片，再用滴管滴入5 mL稀盐酸于试管中，试回答下列问题：





(1)实验中观察到的现象是________________________________________________


________________________________________________________________________。


(2)产生上述现象的原因是__________________________________________________


________________________________________________________________________。


(3)从能量的角度看：该反应中反应物断键吸收的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)生成物成键释放的总能量；氯化镁溶液和氢气的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)镁片和稀盐酸的总能量。


解析：(1)镁与盐酸剧烈反应，可观察到产生大量气泡，反应放出热量，使饱和澄清石灰水温度升高，析出固体溶质，观察到溶液变浑浊。


(2)镁与盐酸剧烈反应，产生氢气并放出大量的热，氢氧化钙的溶解度随温度的升高而减小，饱和澄清石灰水升温后析出氢氧化钙晶体使溶液变浑浊。


(3)从能量的角度看，该反应放出热量，故反应物断键吸收的总能量小于生成物成键释放的总能量。当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热，故MgCl2溶液和H2的总能量小于镁片和稀盐酸的总能量。


答案：(1)镁片上有大量气泡产生；镁片逐渐溶解；烧杯中析出晶体，溶液变浑浊


(2)镁与盐酸反应产生氢气，该反应为放热反应；Ca(OH)2在水中的溶解度随温度的升高而减小，故析出Ca(OH)2晶体


(3)小于 小于


等级性测试


1．为消除目前燃料燃烧时产生的环境污染，同时缓解能源危机，有关专家提出了利用太阳能制取氢能的构想。下列说法正确的是( )





A．H2O的分解反应是放热反应


B．氢能源已被普遍使用


C．氢气不易贮存和运输，无开发利用价值


D．2 ml H2O具有的总能量低于2 ml H2和1 ml O2具有的总能量


解析：选D。水的分解是吸热反应，A错误；氢能源由于受贮存和运输等因素的限制，还未普遍使用，但有巨大的开发利用价值，B、C错误；2 ml H2在1 ml O2中完全燃烧生成2 ml H2O，并放出大量的热，故2 ml H2O具有的总能量低于2 ml H2和1 ml O2具有的总能量，D正确。


2．将铁粉和硫粉混合后加热，待反应一发生立即停止加热，反应仍可持续进行，直至反应完全，生成新物质硫化亚铁。该现象说明了( )


A．该反应是吸热反应


B．该反应是放热反应


C．铁粉和硫粉在常温下可以发生反应


D．硫化亚铁的能量高于铁粉和硫粉的总能量


解析：选B。反应发生后立即停止加热，反应仍可持续进行，说明该反应为放热反应，A错误，B正确；该反应需要加热才能发生，常温下不能进行，C错误；该反应是放热反应，所以反应物的总能量高于生成物的总能量，即铁粉和硫粉的总能量高于硫化亚铁的能量，D错误。


3．下列图示变化为吸热反应的是( )





解析：选A。A项中生成物的总能量大于反应物的总能量，需吸收能量才能实现；B项则恰好相反；C项中浓硫酸溶于水放出热量，此过程是物理变化，没有发生化学反应；D项是放热反应。


4．环保型燃料——丙烷燃烧时发生反应的化学方程式为C3H8＋5O2eq \(――→,\s\up7(点燃))3CO2＋4H2O。下列说法中不正确的是( )


A．燃烧时化学能只转化为热能


B．所有的燃烧反应都会释放热量


C．1 ml C3H8和5 ml O2所具有的总能量大于3 ml CO2和4 ml H2O所具有的总能量


D．丙烷完全燃烧的产物对环境无污染，故丙烷为环保型燃料


解析：选A。丙烷燃烧时部分化学能转化为光能，A项错；燃烧反应都是放热反应，B项对；因为丙烷燃烧为放热反应，所以根据反应的化学方程式可知，C项对；丙烷完全燃烧时产物为CO2与H2O，对环境无污染，D项对。


5．已知反应X＋Y===M＋N为吸热反应，对这个反应，下列说法中正确的是( )


A．X的能量一定低于M，Y的能量一定低于N


B．因该反应为吸热反应，故一定要加热，反应才能进行


C．破坏反应物中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


D．X和Y的总能量一定低于M和N的总能量


解析：选D。吸热反应中反应物的总能量低于生成物的总能量，不能单指某一种反应物与某一种生成物的能量大小，A错误，D正确；吸热反应不一定必须加热才能发生，B错误；从微观角度解释，吸热反应中破坏反应物中化学键所吸收的能量大于形成生成物中化学键所放出的能量，C错误。


6．将盛有NH4HCO3粉末的小烧杯放入盛有少量醋酸的大烧杯中。然后向小烧杯中加入盐酸，反应剧烈，醋酸逐渐凝固。下列说法正确的是( )


A．NH4HCO3和盐酸的反应是放热反应


B．该反应中，热能转化为产物内部的能量


C．该反应中，反应物的总能量高于生成物的总能量


D．NH4HCO3的能量一定低于NH4Cl的能量


解析：选B。醋酸逐渐凝固，说明NH4HCO3与盐酸反应使醋酸的温度降低，因此该反应为吸热反应，A错误；吸热反应中反应物吸收的能量转化为生成物内部的能量储存在生成物中，B正确；由于NH4HCO3和盐酸的反应是吸热反应，故反应物的总能量低于生成物的总能量，C错误；NH4HCO3与盐酸的反应是吸热反应，反应物的总能量低于生成物的总能量，而NH4HCO3仅是两种反应物之一、NH4Cl仅是三种生成物之一，故无法得出NH4HCO3的能量一定低于NH4Cl的能量的结论，D错误。


7．由图分析，下列叙述正确的是( )





A．A(g)===B(g)＋C(g)和B(g)＋C(g)===A(g)两个反应吸收或放出的能量不相等


B．A(g)===B(g)＋C(g)是放热反应


C．A(g)具有的能量高于B(g)和C(g)具有的总能量


D．B(g)＋C(g)===A(g)是放热反应


解析：选D。根据能量守恒定律可知，选项A错误；A(g)具有的能量低于B(g)和C(g)具有的总能量，故A(g)===B(g)＋C(g)为吸热反应，B(g)＋C(g)===A(g)为放热反应，选项B、C错误，选项D正确。


8．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，其储存能量的能力是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)是吸热反应


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：选B。A项不正确，N2(g)―→2N(g)表示断裂化学键的过程，应吸收能量。B项正确，N(g)＋3F(g)―→NF3(g)表示形成化学键的过程，放出能量。C项不正确，根据键能的数值，分别计算旧化学键断裂时吸收的总能量与新化学键形成时释放的总能量，比较二者的大小确定反应的能量变化，吸收的总能量(941.7 kJ＋154.8 kJ×3)＜放出的总能量(283.0 kJ×6)，故为放热反应。D项不正确，化学反应一定有化学键的断裂与生成，若NF3吸收能量后没有化学键的断裂与生成，则一定不发生化学变化，可能发生物理变化。


9．某同学做如下实验，以检验反应中的能量变化。





(1)在实验中发现反应后(a)中温度升高，由此可以判断(a)中反应是________热反应；(b)中温度降低，由此可以判断(b)中反应是________热反应。


(2)写出铝与盐酸反应的离子方程式：_____________________________________。


(3)根据能量守恒定律，(b)中反应物的总能量应该________生成物的总能量(填“低于”或“高于”)。


解析：(1)反应后(a)中温度升高，(b)中温度降低，说明(a)反应为放热反应，(b)反应为吸热反应。


(2)铝与盐酸反应的离子方程式为2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。


(3)(b)中反应为吸热反应，其反应物的总能量应该低于生成物的总能量。


答案：(1)放 吸 (2)2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑ (3)低于


10．下图是某同学设计的放热反应的观察装置，其实验操作如下：





①按图示将实验装置连接好；


②在U形管内加入少量红墨水，打开T形管的全部弹簧夹，使U形管内两边的液面处于同一水平面，再关闭弹簧夹c；


③向盛有1 g氧化钙的小试管中滴入2 mL左右的水，观察现象。


试回答下列问题：


(1)实验前必须进行的第一步实验操作是____________________________________。


(2)实验中观察到的现象是_________________________________________________。


(3)该实验的原理是_______________________________________________________


________________________________________________________________________。


(4)写出实验中发生反应的化学方程式：_________________________________


________________________________________________________________________。


(5)说明CaO、H2O的能量与Ca(OH)2的能量之间的关系：________________________________________________________________________。


(6)若实验中将CaO换成NaCl，还能否观察到相同的现象？______(填“能”或“否”)。


答案：(1)检查装置气密性


(2)U形管内红墨水的液面左边下降，右边上升


(3)CaO和H2O反应放出热量，使大试管中的空气受热膨胀，引起U形管中红墨水的液面左低右高


(4)CaO＋H2O===Ca(OH)2


(5)1 ml CaO与1 ml H2O的总能量大于1 ml Ca(OH)2的能量


(6)否


11．已知化学反应N2＋3H22NH3的能量变化如图所示。





(1)1 ml N和3 ml H生成1 ml NH3(g)是________能量的过程(填“吸收”或“释放”)。


(2)由eq \f(1,2) ml N2(g)和eq \f(3,2) ml H2(g)反应生成 1 ml NH3(g)的过程中释放了________kJ能量。


答案：(1)释放 (2)b－a








课程标准
核心素养
1.认识物质具有能量，认识吸热反应与放热反应。


2.了解化学反应体系能量改变与化学键的断裂和形成有关。


3.知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化。4.体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料的重要性。
1.变化观念与平衡思想：知道化学变化需要一定条件，并遵循一定规律；认识化学变化的本质是有新物质生成，并伴有能量的转化。


2.宏观辨识与微观探析：能从宏观(反应物和生成物的总能量)和微观(化学键的断裂和形成)相结合的视角分析化学反应中能量的变化。
实验


操作
实验


现象
(1)看到有气泡产生；


(2)用手触摸反应后的试管，手感到发烫；


(3)温度计指示溶液温度升高
(1)闻到刺激性气味；


(2)用手触摸杯壁下部，有冰凉的感觉；


(3)用手拿起烧杯，木片粘结到烧杯的底部；


(4)烧杯内反应物呈糊状
实验


结论
该反应放出热量
该反应吸收热量
化学


方程


式
Mg＋2HCl===MgCl2＋H2↑
Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3↑＋10H2O
化学键
断裂或形成1 ml化学键时的能量变化
反应中的能量变化
Cl—Cl
吸收243 kJ
共吸收679 kJ
H—H
吸收436 kJ
H—Cl
放出431 kJ
共放出862 kJ
放热反应
吸热反应
图示
能量相


对大小
反应物的总能量大于生成物的总能量
反应物的总能量小于生成物的总能量
课堂小结
化学键
N≡N
N—H
H—H
键能/(kJ/ml)
945.0
391.0
436.0
化学键
N≡N
F—F
N—F
键能/(kJ·ml－1)
941.7
154.8
283.0