苏教版 (2019)必修 第二册第二单元 化学反应中的热导学案

第二单元　化学反应中的热

基础课时3　放热反应与吸热反应

知识点一　放热反应与吸热反应

1．化学反应中的能量转化

(1)煤炭的燃烧：化学能→热能、光能。

(2)CaCO3的高温分解：热能→化学能。

(3)植物的光合作用：光能→化学能。

(4)电解水制H2：电能→化学能。

2．吸热反应、放热反应

(1)实验探究：

(2)概念：把放出热的反应称为放热反应，把吸收热的反应称为吸热反应。

(3)常见的放热反应和吸热反应：

3．化学反应中能量变化的原因

(1)化学反应中能量变化的决定因素——宏观角度：

①物质总能量与化学反应能量变化的关系：

Ⅰ　　　　　　　　　　Ⅱ

②图Ⅰ中反应物的总能量大于生成物的总能量，反应放出能量；

③图Ⅱ中反应物的总能量小于生成物的总能量，反应吸收能量。

(2)从化学键角度分析化学反应中能量变化的原因——微观角度：

①物质发生化学反应时，需要吸收能量以断开反应物中的化学键，在形成生成物中的化学键时放出能量。

②化学反应中的能量变化可以用图形象表示出来：

若E1>E2，反应吸收能量；若E1<E2，反应放出能量。

　判断下列说法是否正确。(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)碳在空气中燃烧生成CO2，该反应中化学能全部转化为热能。 (×)

提示：燃烧过程中除了转化为热能还转化为光能等其他能量。

(2)硝酸铵溶于水温度降低，该变化是吸热反应。 (×)

提示：硝酸铵溶于水温度降低是物理变化，不是化学变化，吸热反应必须是化学变化。

(3)植物光合作用都能发生化学变化，并伴随能量的转化。 (√)

提示：任何一个化学反应中都伴随着能量的变化。

　下列反应中，哪些属于放热反应？哪些属于吸热反应？

①煅烧石灰石(主要成分是CaCO3)制生石灰(CaO)；

②燃烧蜂窝煤取暖；

③炸药爆炸；

④硫酸与氢氧化钾溶液反应；

⑤生石灰与水作用制熟石灰；

⑥食物腐败；

⑦碳与水蒸气反应制水煤气。

提示：放热反应：②③④⑤⑥，吸热反应：①⑦。

知识点二　热化学方程式

1．概念

表示反应中放出或吸收热量的化学方程式，叫做热化学方程式。

2．意义

不仅表明了化学反应中的物质变化，也表明了化学反应中的能量变化。

3．书写热化学方程式的注意事项

(1)要标明所有物质在反应条件下的状态，用g、l、s分别代表气态、液态、固态。

(2)用ΔH表示反应放出或吸收的热，负值表示在该条件下反应放热，正值表示在该条件下反应吸热，单位kJ·mol－1。

(3)热化学方程式中各物质前的化学计量数不表示分子个数，只表示物质的量。因此，它可以用整数，还可以用简单分数表示。对于相同物质的反应，当化学计量数不同时，其ΔH不同。

　热化学方程式H2(g)＋O2(g)===H2O(g)ΔH＝－241.8 kJ·mol－1，表示的意义是什么？

提示：1 mol氢气与 mol的氧气完全反应生成1 mol水蒸气可放出241.8 kJ热量。

　1 mol Al2O3(s)完全分解生成2 mol Al和 mol O2，吸收1 675.5 kJ热量，写出该反应的热化学方程式。

提示：2Al2O3(s)===4Al(s)＋3O2(g)  ΔH＝3 351 kJ·mol－1

材料1：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。以反应H2＋Cl2===2HCl为例：

材料2：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]　断裂1 mol H—H键和1 mol Cl—Cl键形成H和Cl键，能量有什么变化？数值为多少？

提示：吸收能量。数值为436 kJ＋243 kJ＝679 kJ。

[问题2]　H与Cl形成2 mol H—Cl键，能量有什么变化？数值为多少？

提示：放出能量。数值为2×431 kJ＝862 kJ。

[问题3]　1 mol H2与1 mol Cl2生成2 mol HCl气体，能量有什么变化？数值为多少？

提示：放出能量。数值为2×431 kJ－436 kJ－243 kJ＝183 kJ。

[问题4]　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。

1．从化学键的角度理解化学反应过程中的能量变化

化学反应过程中的能量变化来源于化学反应过程中旧化学键断裂与新化学键形成时的能量变化。

(1)若反应物中的化学键断开时吸收的能量高于生成物成键释放的能量，则该反应吸收能量，吸收的能量＝反应物分解吸收的总能量－生成物形成释放的总能量。

(2)若反应物中的化学键断开时吸收的能量低于生成物成键释放的能量，则该反应放出能量，放出的能量＝生成物形成释放的总能量－反应物分解吸收的总能量。

2．从总能量的角度理解化学反应过程中的能量变化

一个确定的化学反应是吸收能量还是放出能量取决于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。具体情况见下表：

【例题1】　断开1 mol H—H键、1 mol N—H键、1 mol N≡N键分别需要吸收的能量为436 kJ、391 kJ、946 kJ。(不考虑可逆反应)

(1)1 mol N2完全反应生成NH3需________(填“吸收”或“放出”)能量________kJ。

(2)1 mol H2完全反应生成NH3需________(填“吸收”或“放出”)能量________kJ。

【思维建模】　解答利用键能计算热量的试题思路

[解析]　(1)N2＋3H22NH3，生成2 mol NH3形成6 mol N—H键时，要放出6×391 kJ＝2 346 kJ的能量；断开1 mol N≡N键和3 mol H—H键时，吸收的能量为946 kJ＋3×436 kJ＝2 254 kJ，整个过程中的能量变化为放出能量是2 346 kJ—2 254 kJ＝92 kJ。

(2)根据N2＋3H22NH3，3 mol H2完全反应生成2 mol NH3需放出92 kJ能量，则1 mol H2完全反应生成NH3需放出92 kJ÷3≈30.67 kJ能量。

[答案]　(1)放出　92　(2)放出　30.67

化学反应中的热与化学键键能的关系

(1)键能：在标准状况下，将1 mol气体分子AB(g)解离为气体原子A(g)、B(g)所需的能量，用符号E表示，单位为kJ·mol－1。

(2)物质所含能量越低，物质越稳定，键能越大，断裂其化学键所需能量越高，而形成其化学键所释放的能量也越多，反之亦然。

(3)对于可逆反应来说，若正反应是放热反应，则逆反应是吸热反应，反之亦然。

1．化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。共价键的键能是两种原子间形成1 mol共价键(或其可逆过程)时释放(或吸收)的能量。已知H—H键的键能为436 kJ·mol－1、Cl—Cl 键的键能为243 kJ·mol－1、H—Cl键的键能为x，若1 mol H2(g)与1 mol Cl2(g)反应生成2 mol HCl(g)放出183 kJ的热量，则x为(　　)

A．496 kJ·mol－1 B．431 kJ·mol－1

C．862 kJ·mol－1 D．248 kJ·mol－1

B　[2x－436 kJ·mol－1－243 kJ·mol－1＝183 kJ·mol－1，解得：x＝431 kJ·mol－1。]

2．已知化学反应N2＋3H22NH3的能量变化如图所示：

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

(2)由 mol N2(g)和 mol H2(g)生成1 mol NH3(g)的过程________(填“吸收”或“释放”)__________ kJ能量。

[解析]　如果反应物具有的总能量大于生成物具有的总能量，整个反应就放出能量，反之就吸收能量。

(1)由图像可知1 mol N和3 mol H具有的总能量比1 mol NH3(g)的能量高 b kJ，所以1 mol N和3 mol H生成 1 mol NH3(g)是释放能量的过程。

(2)由图像可知 mol N2(g)和 mol H2(g)总能量比1 mol N和3 mol H具有的总能量低a kJ，而1 mol NH3(g)具有的总能量比1 mol N和3 mol H具有的总能量低b kJ，b>a，所以由 mol N2(g)和 mol H2(g)生成 1 mol NH3(g)的过程释放出(b－a) kJ能量。

[答案]　(1)释放　(2)释放　(b－a)

氢气在氧气中燃烧的热量变化，可用下列热化学方程式分别表示：

①2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol－1

②H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－285.8 kJ·mol－1

③H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－241.8 kJ·mol－1

[问题1]　①与化学方程式2H2＋O22H2O相比较，有何特点？

提示：注明了反应物、生成物的状态；在化学方程式的右边注明了反应热ΔH的正负、数值和单位。

[问题2]　①与②相比较，ΔH不同的原因是什么？

提示：化学计量数不同，参加反应的H2的物质的量不同，ΔH不同。

[问题3]　②和③相比较，ΔH不同的原因是什么？

提示：生成H2O的状态不同，ΔH不同。

[问题4]　③表示的意义是什么？

提示：在一定条件下，1 mol氢气与 mol氧气完全反应，生成1 mol气态水，放出241.8 kJ的热量。

1．热化学方程式的书写步骤及要求

2．“五看”法判断热化学方程式的正误

一看方程式是否配平；

二看各物质的聚集状态是否正确；

三看ΔH的“＋”“－”符号是否正确；

四看反应热的单位是否为“kJ·mol－1”；

五看反应热的数值与化学计量数是否对应。

【例题2】　请写出298 K、101 kPa时，下列反应的热化学方程式。

(1)1 mol CH4与2 mol氧气反应生成1 mol CO2和2 mol H2O，放热890.3 kJ。

(2)用CO(g)还原1 mol Fe2O3(s)，放热24.8 kJ。

【解题指南】　解答本题需要注意以下两点

(1)热化学方程式的书写。

(2)注意标明物质的状态及反应热的符号、单位。

[解析]　(1)1 mol CH4与2 mol氧气反应生成1 mol CO2和2 mol　H2O，放热890.3 kJ，则该反应的热化学方程式是CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－890.3 kJ·mol－1。

(2)用CO(g)还原1 mol Fe2O3(s)，放热24.8 kJ，则该反应的热化学方程式是3CO(g)＋Fe2O3(s)===3CO2(g)＋2Fe(s)　ΔH＝－24.8 kJ·mol－1。

[答案]　(1)CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)

ΔH＝－890.3 kJ·mol－1

(2)3CO(g)＋Fe2O3(s)===3CO2(g)＋2Fe(s)

ΔH＝－24.8 kJ·mol－1

3．在常温常压下，1 g H2在足量Cl2中完全燃烧生成HCl气体，放出92.3 kJ 的热量。下列热化学方程式中正确的是(　　)

A．H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH＝－92.3 kJ·mol－1

B．H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH＝92.3 kJ·mol－1

C．H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)　ΔH＝184.6 kJ·mol－1

D．2HCl(g)===H2(g)＋Cl2(g)　ΔH＝184.6 kJ·mol－1

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 mol (2 g)H2燃烧放出184.6 kJ的热量，化学反应放出热量，ΔH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·mol－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，ΔH是原ΔH的相反数。则该题的四个选项中只有D是正确的。]

4．根据所给信息完成下列热化学方程式：

(1)已知1 mol C(s)与适量H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g)，吸收131.3 kJ热量，请写出该反应的热化学方程式：_______________。

(2)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，请写出该反应的热化学方程式_____________________________________________

____________________________________________________________________。

(3)已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ·mol－1，请写出1 mol NH3分解对应的热化学方程式：________________________________________

__________________________________________________________________。

(4)已知一些化学键的键能数据如表所示：

请根据键能数据写出CH4(g)和F2(g)反应生成CF4(g)和HF(g)的热化学方程式：________________________________________________________________

___________________________________________________________________。

[解析]　(2)1.7 g NH3的物质的量为0.1 mol，则4 mol NH3发生反应放出的热量为22.67 kJ×40＝906.8 kJ，1 mol NH3完全反应放出的热量为226.7 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·mol－1或NH3(g)＋O2(g)===NO(g)＋H2O(g)　ΔH＝－226.7 kJ·mol－1。

(4)首先根据反应物和生成物写出反应方程式，注明各物质的状态，化学反应的反应热等于断裂旧化学键吸收的能量和形成新化学键放出的能量的差，根据键能数据可知，所求反应的反应热ΔH＝414 kJ·mol－1×4＋155 kJ·mol－1×4－489 kJ·mol－1×4－565 kJ·mol－1×4＝－1 940 kJ·mol－1。

[答案]　(1)C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)

ΔH＝131.3 kJ·mol－1

(2)NH3(g)＋O2(g)===NO(g)＋H2O(g)

ΔH＝－226.7 kJ·mol－1

(3)NH3(g)N2(g)＋H2(g)　ΔH＝46.2 kJ·mol－1

(4)CH4(g)＋4F2(g)===CF4(g)＋4HF(g)

ΔH＝－1 940 kJ·mol－1

1．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．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

[答案]　B

2．下列图示变化为吸热反应的是(　　)

A　　　　　　B　　　　　C　　　D

A　[A项中生成物的总能量高于反应物的总能量，只能通过吸收能量才能实现；B项则恰好相反；C项中浓硫酸溶于水要放出热量，但此过程是物理变化，没有发生化学反应；D项是放热反应。]

3．已知反应A2＋B2===2AB，断裂1 mol A2中的化学键消耗的能量为Q1 kJ，断裂1 mol B2中的化学键消耗的能量为Q2 kJ，形成1 mol AB中的化学键释放的能量为Q3 kJ，则下列说法正确的是(　　)

A．若A2和B2的总能量之和大于生成的AB的总能量，则反应放热

B．若A2和B2的总能量之和小于生成的AB的总能量，则反应放热

C．若该反应放出能量，则Q1＋Q2＞Q3

D．若该反应吸收能量，则Q1＋Q2＜Q3

A　[若反应物总能量之和大于生成物总能量之和，则反应放热，反之，反应吸热。若断裂反应物化学键消耗的能量小于形成生成物化学键释放的能量，则反应放热，反之，反应吸热。]

4．下列反应是吸热反应的是(　　)

A．硫的燃烧

B．水的分解

C．食物的氧化变质

D．中和反应

[答案]　B

5.(1)20世纪30年代，Eyring和Pzer在碰撞理论的基础上提出化学反应的过渡态理论：化学反应并不是通过简单的碰撞就能完成的，而是在反应物到生成物的过程中经过一个高能量的过渡态。如图是NO2和CO反应生成CO2和NO过程中的能量变化示意图，说明这个反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，NO2和CO的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)CO2和NO的总能量。

(2)已知在高温、高压、催化剂作用下，1 mol石墨转化为金刚石，吸收1.9 kJ的热量。

①该反应________(填“是”或“不是”)吸热反应。

②石墨和金刚石相比，________能量高，________更稳定。

③推测石墨与金刚石各1 mol在相同条件下燃烧，________放出的热量多。

[解析]　(1)根据图像可知，反应物的总能量大于生成物的总能量，反应放热；(2)1 mol石墨转化为金刚石吸收1.9 kJ的热量，属于吸热反应，金刚石的能量高，石墨的能量低，故石墨更稳定，石墨与金刚石各1 mol在相同条件下燃烧时金刚石放出的热量多。

[答案]　(1)放热　大于　(2)①是　②金刚石　石墨　③金刚石