高中化学苏教版 (2019)选择性必修1第一单元 化学反应的热效应第一课时导学案

这是一份高中化学苏教版 (2019)选择性必修1第一单元 化学反应的热效应第一课时导学案，共14页。


[问题探讨]
1．天然气燃烧过程中涉及哪些能量变化？
提示：天然气燃烧时将化学能转化为热能和光能。
2．反应热、ΔH之间有什么关系？
提示：恒压条件下，体系只做体积功，不做其他功(如电功等)，则ΔH与反应热相等。
3．如何从宏观认识放热反应和吸热反应？
提示：宏观可从反应物、生成物的总能量的相对大小去分析。
1．反应热产生的原因
化学反应前后体系的内能(符号为U)发生了变化。 内能是体系内物质的各种能量的总和，受温度、压强、物质的聚集状态和组成的影响。
2．焓与焓变
(1)焓：是与内能有关的物理量，符号为H。
(2)焓变：同一反应中生成物与反应物的焓值差，符号为ΔH，单位为kJ·ml－1。
数学表达式为ΔH＝H(生成物)－H(反应物)。
3．反应热与焓变的关系
在恒压条件下进行的化学反应，其焓变等于该反应的反应热。由于化学反应大多是在敞口容器中进行的，故反应体系的压强与外界压强相等，即反应是在恒压条件下进行的。所以如不作特殊说明，化学反应的反应热等于该反应的焓变(ΔH)。因此，高中阶段学习中的反应热用ΔH表示。
4．焓变与放热反应、吸热反应的关系
[名师点拨]
(1)焓研究的对象是物质，焓变研究的对象是某一个化学变化过程。
(2)当反应物总焓(总能量)大于生成物总焓(总能量)时，ΔH<0，该反应为放热反应，反之则为吸热反应，ΔH>0。
1．已知某反应的焓变如图所示，下列说法正确的是( )
A.该反应为放热反应
B.该反应为吸热反应
C.生成物的焓小于反应物的焓
D.反应物的总能量大于生成物的总能量
解析：选B ΔH＝H(生成物)－H(反应物)，ΔH>0时为吸热反应。由图像可知，生成物的焓大于反应物的焓，反应物的总能量小于生成物的总能量。
2．下列变化一定为放热的化学反应的是( )
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，A项错误；ΔH>0，反应吸收热量，B项错误；不知道断裂化学键时吸收能量的情况，无法确定反应是放热还是吸热，C项错误；由题图可知H(生成物) eq \a\vs4\al(探究化学反应中的能量变化)
N2与O2在放电时发生反应生成NO，下面是反应N2(g)＋O2(g)===2NO(g)的过程中的能量变化图。
[问题探讨]
1．断裂1 ml N2分子、1 ml O2分子中的化学键吸收的总能量是多少？形成2 ml NO分子中的化学键释放的总能量是多少？由此计算该反应的ΔH是多少？
提示：断键吸收的总能量为946 kJ·ml－1＋498 kJ·ml－1＝1 444 kJ·ml－1。形成化学键放出的总能量为2×632 kJ·ml－1＝1 264 kJ·ml－1。则反应N2(g)＋O2(g)===2NO(g)吸收的热量为1 444 kJ·ml－1－1 264 kJ·ml－1＝180 kJ·ml－1，即反应的ΔH＝180 kJ·ml－1。
2．根据图示中的数据计算2NO(g)===N2(g)＋O2(g)的焓变(ΔH)是多少？与问题1中的ΔH相比，得出的结论是什么？
提示：ΔH＝断裂化学键吸收的总能量－形成化学键释放的总能量＝(2×632 kJ·ml－1)－(946 kJ·ml－1＋498 kJ·ml－1)＝－180 kJ·ml－1。正、逆反应的焓变(ΔH)数值相等，符号相反。
3．N2(g)和O2在高温、足够大的压力下会生成NO(g)，那么该反应的ΔH是否发生变化？
提示：ΔH不发生变化，ΔH仍为180 kJ·ml－1；因为化学反应的焓变(ΔH)与反应条件无关。
1．焓变产生的微观原因
当E1>E2时，反应吸收能量
当E1化学反应中的能量变化，本质上是由于化学反应中旧化学键断裂时吸收的能量与新化学键形成时释放的能量不同所导致的。因此，化学键的断裂和形成是化学反应过程中伴随能量变化的根本原因。在恒温、恒压条件下，化学反应中的能量变化以热的形式表现出来，这就是反应热，也称化学反应的焓变。
图示：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) 放热反应
图中a表示2 ml SO2、1 ml O2分子中的化学键断裂时吸收的能量；b表示2 ml SO3分子中的化学键形成时放出的能量，ΔH＝a－b<0，该反应为放热反应。
2．焓变产生的宏观原因
从物质内能角度分析，若化学反应中反应物的总能量大于生成物的总能量，反应物转化为生成物时释放能量，则该反应为放热反应，反应的ΔH为负值；反之，则为吸热反应，反应的ΔH为正值。如下图所示为化学变化过程中的能量变化。
3．计算焓变的两种方法
(1)宏观角度计算：ΔH＝生成物总焓－反应物总焓
(2)微观角度计算：反应物的总键能－生成物的总键能。可以简单记忆为反应热(ΔH)等于反应物断键吸热与生成物成键放热的代数和，吸热取正值，放热取负值。
[拓展] 常见物质的分子中的化学键数目
例如，已知N≡N键的键能为941 kJ·ml－1，N—N键的键能为193 kJ·ml－1，且N4的空间构型为正四面体形()，则反应2N2(g)===N4(g)的反应热ΔH＝2×941 kJ·ml－1－6×193 kJ·ml－1＝724 kJ·ml－1。
[名师点拨]
(1)正、逆反应的ΔH数值相等，但符号相反。
(2)可逆反应的反应热(ΔH)是指反应物完全转化为生成物时的理论数据。
(3)物质本身能量越低越稳定，如石墨转化成金刚石是吸热反应(ΔH>0)，则金刚石的能量更高，故石墨的稳定性大于金刚石。
1．如下图所示，有关化学反应和能量变化的说法不正确的是( )
A.图a表示的是放热反应的能量变化
B.图b表示反应物的化学键断裂吸收的总能量高于生成物的化学键形成释放的总能量
C.图b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表示的反应不需要加热就一定能发生，图b表示的反应一定需要加热才能发生
解析：选D 图a中反应物的总能量大于生成物的总能量，表示的是放热反应，A项正确；图b表示的是吸热反应，故反应物的化学键断裂吸收的总能量高于生成物的化学键形成释放的总能量，B项正确；氯化铵固体与氢氧化钡晶体的反应是吸热反应，C项正确；放热反应、吸热反应的发生与反应是否需要加热无关，D项错误。
2．键能是两原子间形成1 ml新键(或其逆过程)时释放(或吸收)的能量。已知下列物质的键能：
则反应：N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g)的ΔH＝________________。
解析：ΔH＝反应物断键吸收的总能量－生成物成键释放的总能量＝946 kJ·ml－1＋3×436 kJ·ml－1－6×391 kJ·ml－1＝2 254 kJ·ml－1－2 346 kJ·ml－1＝－92 kJ·ml－1。
答案：－92 kJ·ml－1
eq \a\vs4\al(热化学方程式的书写)
CCS技术是将工业和有关能源产业中所产生的CO2进行捕捉与封存的技术，被认为是拯救地球、应对全球气候变化最重要的手段之一。其中一种以天然气为燃料的“燃烧前捕获系统”的简单流程图如图所示(部分条件及物质未标出)。
[问题探讨]
1．CH4在催化剂作用下实现第一步反应，也称为甲烷的不完全燃烧，1 g CH4不完全燃烧时放出2.21 kJ的热量，你能写出该反应的热化学方程式吗？
提示：甲烷不完全燃烧的化学方程式为2CH4＋O2===2CO＋4H2，1 g CH4的物质的量为 eq \f(1 g,16 g·ml－1) ＝ eq \f(1,16) ml，则2 ml CH4不完全燃烧放出的热量为2.21 kJ×16×2＝70.72 kJ。因此，第一步反应的热化学方程式为2CH4(g)＋O2(g)===2CO(g)＋4H2(g) ΔH＝－70.72 kJ·ml－1。
2．第二步中涉及的化学反应为CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)，其反应过程的能量变化如图所示：
你能写出该反应的热化学方程式吗？
提示：由图可知，1 ml CO(g)与1 ml H2O(g)完全反应生成1 ml CO2(g)和1 ml H2(g)，放出41 kJ的热量，故反应的热化学方程式为CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41 kJ·ml－1。
3．已知H2燃烧的热化学方程式如下：
①H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(l)
ΔH1＝－285.8 kJ·ml－1
②H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(g)
ΔH2＝－241.8 kJ·ml－1
③2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)
ΔH3＝－571.6 kJ·ml－1
仔细分析以上三个热化学方程式，解决以下两个问题。
(1)为什么热化学方程式中必须注明各物质的状态？
提示：由热化学方程式①、②可知，均是1 ml H2与0.5 ml O2反应生成1 ml H2O，但生成H2O的状态不同时，反应放出的热量不同，由此可知，反应放出(或吸收)热量的多少与物质的状态密切相关，因此，书写热化学方程式时要注明物质的状态。
(2)同一反应不同的热化学方程式中的焓变(ΔH)与化学计量数之间有何关系？
提示：对比热化学方程式①、③可知，同一反应不同的热化学方程式中的ΔH与物质的化学计量数成正比，即ΔH3＝2ΔH1＝2×(－285.8)kJ·ml－1＝－571.6 kJ·ml－1。
1．热化学方程式
(1)概念：能够表明反应所释放或吸收的热量的化学方程式。
(2)意义：表明了化学反应中的物质变化和能量变化。
如热化学方程式H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(l)
ΔH(298 K)＝－285.8 kJ·ml－1的意义：在298 K时，1 ml H2(g)和 eq \f(1,2) ml O2(g)完全反应生成1 ml H2O(l)时放出的热量为285.8 kJ。
2．书写热化学方程式的方法
(1)写出符合质量守恒定律的化学方程式
热化学方程式中各物质化学式前的化学计量数不表示分子个数，只表示物质的量，因此，可以用整数或简单分数表示。
(2)标明反应的温度和压强
反应的温度或压强不同时，其ΔH也可能不同。对于25 ℃、101 kPa时进行的反应，可以不标明。
(3)标明物质的状态
因为物质发生状态的变化时也伴随着能量的变化，所以书写热化学方程式时必须标明物质的状态。通常用g、l、s、aq分别表示气态、液态、固态、水溶液。
(4)用ΔH表示化学反应释放或吸收的热量
放热反应的ΔH的符号为“－”，吸热反应的ΔH的符号为“＋”(“＋”可省略)；ΔH的常用单位是kJ·ml－1。
3．书写热化学方程式时需注意的问题
(1)热化学方程式书写的常见误区
①热化学方程式中不用标明反应条件(如“加热”“高温”“催化剂”等)。
②由于已经标明了物质的状态，所以在热化学方程式中不再用“↑”“↓”来标记气体生成物和难溶生成物。
③热化学方程式中一般用“===”(可逆反应中用“”)，即使是有机反应的热化学方程式中也不用“―→”。
(2)热化学方程式中化学式前面的化学计量数必须与ΔH相对应，若化学计量数加倍，则ΔH的数值也要加倍。
(3)当反应逆向进行时，其反应热与正反应的反应热的数值相等，符号相反。
[名师点拨]
(1)ΔH的单位为kJ·ml－1，它并不是指每摩尔具体物质反应时伴随的能量变化是多少千焦，而是指给定形式的具体反应以各物质的化学计量数来计量其物质的量时伴随的能量变化是多少千焦。
(2)可逆反应的ΔH和实际吸收或放出热量的区别：不论化学反应是否可逆，热化学方程式中ΔH都表示反应按照化学计量数所表示的物质的量完全反应所释放或吸收的热量。如2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＝－197 kJ·ml－1是指2 ml SO2(g)和1 ml O2(g)完全转化为 2 ml SO3(g)时释放的热量为197 kJ。若在相同的温度和压强下，向某容器中加入2 ml SO2(g)和1 ml O2(g)，反应达到平衡时放出的热量为Q，因反应不能进行彻底，故Q<197 kJ。
1．在常温常压下，1 g H2在足量Cl2中燃烧生成HCl气体，放出92.3 kJ的热量。下列有关热化学方程式正确的是 ( )
A．H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)
ΔH＝－92.3 kJ·ml－1
B．H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)
ΔH＝92.3 kJ·ml－1
C．H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)
ΔH＝184.6 kJ·ml－1
D．2HCl(g)===H2(g)＋Cl2(g)
ΔH＝184.6 kJ·ml－1
解析：选D H2在Cl2中燃烧生成HCl气体，1 g H2燃烧放出92.3 kJ的热量，则1 ml(即2 g)H2燃烧放出184.6 kJ的热量，化学反应放出热量，ΔH的符号为“－”。则H2在Cl2中燃烧生成HCl气体的热化学方程式为H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g) ΔH＝－184.6 kJ·ml－1。一个放热反应的逆反应是吸热反应，并且在其他条件相同时，正、逆反应的ΔH的绝对值相等，符号相反。则该题的四个选项中只有D项是正确的。
2．写出下列反应的热化学方程式：
(1)1 ml C2H5OH(l)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)，放出1 366.8 kJ热量：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)1 ml C(石墨，s)与适量H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g)，吸收131.3 kJ热量：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)1.7 g NH3(g)发生催化氧化反应生成气态产物，放出22.67 kJ的热量：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)C2H5OH燃烧的化学方程式为C2H5OH＋3O2 eq \(=====,\s\up7(点燃)) 2CO2＋3H2O，那么，相应的热化学方程式为C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l) ΔH＝－1 366.8 kJ·ml－1。
(2)1 ml C(石墨，s)反应吸收131.3 kJ热量，则相应的热化学方程式为C(石墨，s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋131.3 kJ·ml－1。
(3)1.7 g NH3的物质的量为0.1 ml，1 ml NH3完全反应放出的热量为226.7 kJ，则4 ml NH3完全反应放出的热量为226.7 kJ×4＝906.8 kJ。那么相应的热化学方程式为4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝－906.8 kJ·ml－1或NH3(g)＋ eq \f(5,4) O2(g)===NO(g)＋ eq \f(3,2) H2O(g) ΔH＝－226.7 kJ·ml－1。
答案：(1)C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l)
ΔH＝－1 366.8 kJ·ml－1
(2)C(石墨，s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)
ΔH＝＋131.3 kJ·ml－1
(3)4NH3(g)＋5O2(g)===4NO(g)＋6H2O(g) ΔH＝－906.8 kJ·ml－1或NH3(g)＋ eq \f(5,4) O2(g)===NO(g)＋ eq \f(3,2) H2O(g) ΔH＝－226.7 kJ·ml－1
eq \a\vs4\al(理解与辨析能力)
已知：H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(g)，反应过程中的能量变化如图所示，则：
(1)a、b、c分别代表什么意义？
a________________________________________________________________________；
b________________________________________________________________________；
c________________________________________________________________________。
提示：H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)与2H(g)＋O(g)之间的能量差是H2―→2H(g)和 eq \f(1,2) O2(g)―→O(g)过程中断开H—H键和O===O键需吸收的能量和。所以a代表旧键断裂吸收的能量，b代表2H(g)和O(g)结合成H2O(g)所放出的能量，c则代表断键所吸收的能量与成键所释放的能量之差，即反应热。
(2)该反应是________反应(填“吸热”或“放热”)，ΔH________0(填“>”或“<”)。
提示：由图可知该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量，所以该反应为放热反应，ΔH<0。
1．反应热(ΔH)＝(a－b)kJ·ml－1。
2．反应热(ΔH)取决于反应物具有的总能量和生成物具有的总能量。
3．加入催化剂可以使反应过程—能量曲线的“山峰”降低，改变了反应过程，但加入催化剂前后反应物和生成物的总能量差不变，即前后的“落差”不变，故加入催化剂不影响反应的ΔH，如下图所示(图中b表示加入催化剂后的能量变化)。
下图是1 ml NO2和1 ml CO反应生成CO2和NO过程中能量变化的示意图，请写出NO2和CO反应的热化学方程式：_______________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：由图可知其热化学方程式为NO2(g)＋CO(g)===CO2(g)＋NO(g) ΔH＝E1－E2＝134 kJ·ml－1－368 kJ·ml－1＝－234 kJ·ml－1。
答案：NO2(g)＋CO(g)===CO2(g)＋NO(g) ΔH＝－234 kJ·ml－1
[分级训练·课课过关]_________________________________________________
1．下列过程中ΔH小于零的是( )
A．氯酸钾分解制氧气
B．氯化铵受热分解
C．碳还原水蒸气
D．实验室用锌和稀硫酸反应制氢气
解析：选D ΔH小于零说明该反应是放热反应。A、B、C项均是吸热反应，错误；D项，实验室用锌和稀硫酸反应制氢气为金属与酸的反应，是放热反应，正确。
2．H2与O2发生反应的过程用模型表示如下(“－”表示化学键)：
下列有关说法不正确的是( )
A．过程Ⅰ是吸热过程
B．过程Ⅲ一定是放热过程
C．该反应过程所有旧化学键都断裂，且形成了新化学键
D．该反应的能量转化只能以热能的形式进行
解析：选D 过程Ⅰ分子中的化学键断裂，形成原子，属于吸热过程，A项正确；过程Ⅲ为新化学键形成的过程，属于放热过程，B项正确；过程Ⅰ中所有的旧化学键都断裂，过程Ⅲ为新化学键形成的过程，C项正确；该反应可通过燃料电池实现化学能到电能的转化，D项错误。
3．下列热化学方程式书写正确的是(已知焓变的绝对值均正确)( )
A．2SO2＋O2 eq \(,\s\up7(500 ℃),\s\d5(V2O5)) 2SO3 ΔH＝－196.6 kJ·ml－1
B．4H2(g)＋2O2(g)===4H2O(l)
ΔH＝－1 143.2 kJ·ml－1
C．C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝393.5 kJ
D．C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝393.5 kJ·ml－1
解析：选B A中未注明各物质的聚集状态，也不需要标注反应条件，C、D中ΔH的符号错误，放热反应的ΔH<0，且C中ΔH的单位也错误。
4．已知在25 ℃、101 kPa下，1 g C8H18(辛烷)完全燃烧生成二氧化碳和液态水时放出48.4 kJ热量。表示该反应的热化学方程式正确的是( )
A．C8H18(l)＋ eq \f(25,2) O2(g)===8CO2(g)＋9H2O(g)
ΔH＝－48.4 kJ·ml－1
B．C8H18(l)＋ eq \f(25,2) O2(g)===8CO2(g)＋9H2O(l)
ΔH＝－5 517.6 kJ·ml－1
C．C8H18(l)＋ eq \f(25,2) O2(g)===8CO2(g)＋9H2O(l)
ΔH＝5 517.6 kJ·ml－1
D．C8H18(l)＋ eq \f(25,2) O2(g)===8CO2(g)＋9H2O(l)
ΔH＝－48.4 kJ·ml－1
解析：选B C8H18(辛烷)的摩尔质量为114 g·ml－1，所以1 ml C8H18(辛烷)完全燃烧生成二氧化碳和液态水时放出5 517.6 kJ热量。
5．我国自主研制的“天宫二号”飞行器的外壳覆盖了一种新型结构陶瓷材料，其主要成分是氮化硅，该陶瓷材料可由石英固体与焦炭颗粒在高温的氮气流中通过如下反应制得：3SiO2＋6C＋2N2 eq \(=====,\s\up7(高温),\s\d5( )) Si3N4＋6CO，该反应变化过程中的能量变化如图所示。回答以下问题。
(1)上述反应中的还原剂是________，其还原产物是________。
(2)该反应________(填“吸热”或“放热”)，反应热ΔH________0(填“>”“<”或“＝”)。
解析：(1)由3SiO2＋6C＋2N2 eq \(=====,\s\up7(高温),\s\d5( )) Si3N4＋6CO知，反应中碳元素的化合价由0升高到＋2，氮元素的化合价由0降低到－3。故反应中的还原剂是C，还原产物为Si3N4。
(2)该反应过程中，反应物的总能量大于生成物的总能量，则该反应为放热反应，ΔH<0。
答案：(1)C Si3N4 (2)放热 <
明课程标准
扣核心素养
1.知道内能是体系内物质的各种能量的总和，受温度、压强、物质的聚集状态和组成的影响。
2.认识化学能与热能的相互转化，恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示。
3.能辨识化学反应中的能量转化形式，能解释化学反应中能量变化的本质。
4.能用热化学方程式表示反应中的能量变化。
变化观念与平衡思想：能认识化学变化伴随着能量变化，并能定量分析化学变化伴随发生的能量变化。
证据推理与模型认知：能从宏观和微观结合上收集证据，分析化学变化中的能量吸收或释放的原因。
放热反应
吸热反应
H(反应物)>H(生成物)
H(反应物)物质
CO2
(C===O)
CH4
(C—H)
白磷(P4)
(P—P)
H2O
(H—O)
键数
2
4
6
2
化学键
H—H键
N≡N键
N—H键
键能/( kJ·ml－1)
436
946
391