化学必修2第一节 化学能与热能教案

这是一份化学必修2第一节 化学能与热能教案，共20页。

化学反应与能量
化学变化与生产、生活息息相关，化学变化过程中往往伴随有能量的变化，这些能量的变化往往以热量的形式表现出来，我们研究化学反应中的热效应，对化工生产有着重要的意义。化工设备中热交换器、余热锅炉、热风炉等都是为了综合利用热效应、提高产品产率、降低成本、创造效益，因此，研究化学反应中的反应热，对化工生产适宜条件的选择和设备设计以及对热能的合理利用都有重要意义。能源作为一种商品与国家战略、全球政治和实力紧密地交织在一起。能源问题是涉及人类生活和世界发展的社会热点，随着社会的发展和人们生活水平的提高，对能源的需求量越来越大，而它对周围的环境也产生越来越大的影响。在能源日趋紧张的今天，研究化学反应的反应热，如燃烧热、中和热等，对充分利用能源，提高能源利用率将有十分重要的意义。
电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，形形色色的各种电池(如干电池、燃料电池等)在工业生产、国家建设和日常生活中都有着广泛的应用。这些电池都是将化学能转变成电能的装置。
我们知道，化学反应往往需要在一定的条件下进行。例如，H2和N2化合生成NH3的反应，就需要在高温、高压和有催化剂存在的条件下进行。可见，研究化学反应的条件对日常生活、工农业生产和科学研究等具有重要的意义。为什么一个反应的进行需要这样或那样的条件呢？这就要从以下两个方面来认识：一个是反应进行的快慢，即化学反应速率问题；一个是反应进行的程度，也就是化学反应限度而题。这两个问题不仅是今后学习化学所必需的基础理论知识，也是选择化工生产适宜条件时所必须遵循的化学变化规律。
在本章里，我们将学习化学反应速率和化学平衡的有关知识，然后将运用化学反应速率和化学平衡等有关理论，分析一些简单的化工生产的实际问题。

第一节　化学能与热能

700多年前，著名的意大利旅行家马克·波罗到过中国，看见中国人烧煤炼铁，这是他生平第一次看到煤做燃料，马克·波罗在他的游记里记载了这件新鲜事。书中写到，中国有一种黑色石头，能燃烧，着起火来像火柴一样，而且终夜不灭。现代科学可以这样解释，煤中含有大量的碳，燃烧时放出热能。你一定想知道，这种能量从何而来？它与化学物质和化学反应有什么关系？请随我一起走进教材第二章第一节：化学能与热能。

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)化学反应的实质：原子的重新组合，即反应物中旧化学键的__断裂__和生成物中新化学键的__形成__的过程。
(2)化学反应中能量变化的原因。
①原因。

②实例。
断裂1 mol H—H键(H—H→2H)__吸收__436 kJ能量，
形成1 mol H—H键(2H→H—H)__放出__436 kJ能量；
断裂4 mol C—H 键(CH4→C＋4H)__吸收__1 660 kJ能量，
形成1 mol C—H 键(C—H→C＋H)__放出__415 kJ能量。
③结论。
化学反应中能量变化的主要原因是__化学键的断裂和形成__。
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在发生过程中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。可表示为：

即：反应物的总能量__>__生成物的总能量，则化学反应__放出__能量，反应为放热反应；
反应物的总能量__0，则该反应放出能量
C．该反应中的能量变化是Q1＋Q2－2Q3
D．由题意可知：Q1＋Q2＝2Q3
解析：Q1＋Q2为反应中断开化学键所需吸收的总能量，2Q3为生成新的化学键所要放出的总能量，若Q1＋Q2>2Q3，则总反应需要吸收能量，反之则是放出能量。该反应不是放出能量就是吸收能量，所以Q1＋Q2不可能等于2Q3。
2．(2018·山东日照期中)化学反应A2(g)＋B2(g)＝2AB(g)的能量变化如图所示，下列叙述中正确的是(　C　)

A．该反应为放热反应
B．每生成2个AB分子吸收(a－b)kJ热量
C．该反应中反应物的总键能大于生成物的总键能
D．断裂1 mol A—A键和1 mol B—B键，放出a kJ能量
解析：A项，由图可知，生成物能量总和大于反应物能量总和，因此该反应的过程吸收热量，为吸热反应，故错误；B项，依据图像分析判断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，故错误；C项，该反应是吸热反应，因此反应物的总键能大于生成物的总键能，故正确；D项，断裂1 mol A—A键和1mol B—B键，吸收a kJ能量，故错误。
3．(2018·重庆高一检测)下列反应一定属于放热反应的是(　C　)
①H2SO4与Ba(OH)2溶液的反应
②Mg与CH3COOH溶液的反应
③燃烧反应
④中和反应
⑤复分解反应
A．仅①②③　　　　　 B．仅①②④
C．仅①②③④ D．仅③④⑤
解析：金属与酸反应，中和反应，所有燃烧反应都是放热反应，复分解反应则不一定是放热反应。
4．(2018·黑龙江伊春二中期中)下列反应既是氧化还原反应，又是吸热反应的是(　C　)
A．铝片与稀硫酸的反应
B．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应
C．灼热的木炭与CO2的反应
D．甲烷在O2中的燃烧反应
解析：A项，为氧化还原反应，但不是吸热反应，故错误；B项，为吸热反应，但不是氧化还原反应，故错误；C项，C元素化合价发生变化，属于氧化还原反应，同时为吸热反应，故正确；D项，甲烷的燃烧为氧化还原反应和放热反应，故错误。
5．如图所示，把试管放入盛有25℃饱和石灰水的烧杯中，试管中开始放入几小块镁片，再用滴管滴入5 mL盐酸于试管中。

试回答下列问题：
(1)实验中观察到的现象是__①镁片上有大量气泡产生；②镁片逐渐溶解；③烧杯中析出晶体(或变浑浊)___。
(2)产生上述现象的原因是__见解析__。
(3)写出有关反应的离子方程式：__Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑__。
(4)由实验推知，MgCl2和H2总能量__小于__(填“大于”“小于”或“等于”)Mg和HCl的总能量。
解析：镁片与盐酸的反应是放热反应，是由于反应物(Mg和盐酸)的总能量高于生成物(MgCl2和H2)的总能量，放出的热量通过小试管传递给饱和石灰水，使Ca(OH)2的溶解度下降而析出Ca(OH)2固体。
6．为了探究化学能与热能的转化，某实验小组设计了如图所示的三套实验装置：

(1)上述三个装置中，不能验证“铜与浓硝酸的反应是吸热反应还是放热反应”的是__Ⅲ__(填装置序号)。
(2)某同学选用装置I进行实验(实验前U形管里液面左右相平)，在甲试管中加入适量Ba(OH)2溶液与稀硫酸，U形管中可观察到的现象是__左端液面降低，右端液面升高__，说明该反应属于__放热__(填“吸热”或“放热”)反应。
(3)为探究固体M溶于水的热效应，选择装置Ⅱ进行实验(反应在丙试管中进行)。
①若M为钠，则实验过程中烧杯中可观察到的现象是__产生气泡，反应完毕后，冷却至室温，烧杯中的导管内形成一段水柱__。
②若观察到烧杯中产生气泡，则说明M溶于水__可能是放热反应__(填“一定是放热反应”“一定是吸热反应”或“可能是放热反应”)，理由是__某些物质(如NaOH固体)溶于水放热，但不是放热反应__。
③若观察到烧杯中的玻璃管内形成一段水柱，则M可能是__硝酸铵(或其他合理答案)__。
(4)至少有两种实验方法能验证超氧化钾与水的反应(4KO2＋2H2O＝4KOH＋3O2↑)是放热反应还是吸热反应。
方法①：选择__I(或Ⅱ)__(填装置序号)进行实验；
方法②：取适量超氧化钾粉末用脱脂棉包裹并放在石棉网上，向脱脂棉上滴加几滴蒸馏水，片刻后，若观察到脱脂棉燃烧，则说明该反应是__放热__(填“吸热”或“放热”)反应。
解析：(1)装置I可通过U形管中红墨水液面的变化判断铜与浓硝酸的反应是放热反应还是吸热反应；装置Ⅱ可通过烧杯中是否产生气泡判断铜与浓硝酸的反应是放热反应还是吸热反应；装置Ⅲ只是一个铜与浓硝酸反应并将生成的气体用水吸收的装置，不能验证该反应是放热反应还是吸热反应。(2)Ba(OH)2溶液与稀硫酸的反应属于中和反应，中和反应都是放热反应，所以锥形瓶中气体受热膨胀，导致U形管左端液面降低，右端液面升高。(3)①若M为钠，钠与水反应生成NaOH和H2，该反应是放热反应，放出的热量使大试管中温度升高，气压增大，所以右边烧杯中有气泡产生；冷却后大试管中温度降低，气压减小，右边烧杯中的导管内会形成一段水柱。②若观察到烧杯里产生气泡，说明M溶于水放出热量。有热量放出的过程不一定属于放热反应，如浓硫酸、NaOH固体溶于水会放出热量，但是不属于放热反应。③若观察到烧杯里的玻璃管内形成一段水柱，说明M溶于水后导致大试管中温度降低，压强减小，证明M溶于水吸收热量，溶于水能够吸收热量的物质有NH4NO3等。(4)方法①：选择上述装置I(或Ⅱ)进行实验，I装置右边U形管中左端液面降低，右端液面升高(或装置Ⅱ烧杯内导管口有气泡冒出)，证明该反应为放热反应。方法②：取适量超氧化钾粉末用脱脂棉包裹并放在石棉网上，向脱脂棉上滴加几滴蒸馏水，片刻后，若观察到脱脂棉燃烧，则说明该反应放出大量热，使脱脂棉燃烧，证明该反应是放热反应。

基 础 巩 固
一、选择题
1．(2018·永州高一检测)已知断裂1 mol共价键所需要吸收的能量分别为H—H：436 kJ，I—I：151 kJ，H—I：299 kJ，下列对H2(g)＋I2(g)2HI(g)的反应类型判断错误的是(　B　)
A．放出能量的反应　　　 B．吸收能量的反应
C．氧化还原反应 D．可逆反应
解析：依题意，断裂1 mol H—H键和1 mol I—I键吸收的能量为436 kJ＋151 kJ＝587 kJ，生成2 mol H—I键放出的能量为299 kJ×2＝598 kJ，因为598 kJ>587 kJ，所以该反应的正反应是放出能量的反应；根据反应式可知该反应是可逆反应，也是氧化还原反应。
2．(2018·石家庄高一检测)金刚石与石墨是碳元素的两种结构不同的单质，彼此互称同素异形体。在100 kPa时，1 mol石墨转化为金刚石要吸收1.895 kJ的热能。据此判断在100 kPa压强下，下列说法正确的是(　B　)
A．金刚石比石墨更稳定
B．石墨比金刚石更稳定
C．1 mol金刚石比1 mol石墨的总能量低
D．1 mol金刚石转变为石墨需要吸收1.895 kJ能量
解析：1 mol石墨转化为金刚石时吸收1.895 kJ的热能，说明金刚石的能量高于石墨，石墨稳定，A项不正确，B项正确，C项不正确；1 mol金刚石转变为石墨时要放出1.895 kJ的能量，D项不正确。
3．(2018·汕头高一检测)化学反应中的能量变化是由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放出的能量不同引起的。如图为N2(g)和O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化：

下列说法中正确的是(　B　)
A．1 mol N2(g)和1 mol O2(g)反应放出的能量为180 kJ
B．1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有的总能量小于2 mol NO(g)具有的总能量
C．通常情况下，N2(g)和O2(g)混合能直接生成NO
D．NO是一种酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成盐和水
解析：根据图示可以看出拆开1 mol N2和1 mol O2需要吸收的能量分别为946 kJ和498 kJ，生成2 mol NO(g)放出的能量＝2 mol×632 kJ/mol。故反应吸收能量为180 kJ。选项B，N2和O2的反应是吸热反应，反应物的总能量小于生成物的总能量。选项C，N2与O2在高压放电时才能化合生成NO。选项D，NO不是酸性氧化物，不能与NaOH溶液反应。
4．(2018·上海高一期中)一定条件下，某容器中各微粒在反应前后变化的示意图如下，其中和代表不同元素的原子。

关于此反应说法错误的是(　A　)
A．一定属于吸热反应　　 B．一定属于可逆反应
C．一定属于氧化还原反应 D．一定属于分解反应
[解析]　观察示意图知该反应的反应物是一种，生成物是两种，该物质发生分解反应，一般的分解反应是吸热反应，但也有的分解反应如2H2O2===2H2O＋O2↑的反应是放热反应，A项错误，D项正确；根据图示可知有一部分反应物未参加反应，所以该反应是可逆反应，B项正确；该反应中反应物为化合物，生成物中有单质，元素化合价有变化，属于氧化还原反应，C项正确。
5．下图是两个反应的反应前后反应物总能量和生成物总能量的比较图，对于Ⅰ、Ⅱ两个反应的说法正确的是(　B　)

A．反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ也是放热反应
B．反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应
C．反应Ⅰ是吸热反应，反应Ⅱ也是吸热反应
D．反应Ⅰ不需要加热，反应Ⅱ必须加热
解析：若反应物总能量高于生成物总能量，则反应为放热反应，反之，为吸热反应；无论是吸热反应还是放热反应，都与反应需不需要加热无关。
6．已知反应A＋B===C＋D的能量变化如图所示，下列关于此反应的说法不正确的是(　B　)

A．是吸热反应
B．只有在加热条件下才能进行
C．生成物的总能量高于反应物的总能量
D．反应中断开化学键吸收的总能量高于形成化学键放出的总能量
解析：由图像可知，该反应生成物的总能量高于反应物的总能量，此反应是吸热反应；反应是放热还是吸热与反应条件无关；由于该反应吸热，故反应中断键吸收的总能量高于成键释放的总能量。
7．(2018·吉林实验中学期中)2A(g)===B(g)＋Q(Q代表能量，且Q>0)，下列能量变化示意图正确的是(　B　)

解析：该反应为放热反应，因此反应物的总能量大于生成物的总能量；任何物质由气态变为液态都是放热过程，故B正确。
二、非选择题
8．(2018·广东湛江期末)在研究化学反应中的能量变化时，我们通常做如图所示的实验：

在一个小烧杯里，加入20 g已研磨成粉末的氢氧化钡晶体[Ba(OH)2·8H2O]，将小烧杯放在事先已滴有3～4滴水的玻璃片上，然后向烧杯中加入约10 g NH4Cl晶体，并立即用玻璃棒迅速搅拌。
试回答下列问题：
(1)写出实验过程中发生反应的化学方程式：__Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3↑＋10H2O__。
(2)实验中要立即用玻璃棒迅速搅拌的原因是__使反应物迅速混合而充分反应，使温度迅速下降__。
(3)如果实验中没有看到“结冰”现象，可能的原因是(答出三条或三条以上原因)：
①__药品用量太少__；②__Ba(OH)2·8H2O晶体未研成粉末，反应太慢__；③__没有立即迅速搅拌__；④__环境温度太高__；
⑤__玻璃片上加水太多__；⑥__氢氧化钡晶体失水__。
(4)实验中即使不“结冰”，提起烧杯的时候，发现烧杯与玻璃片“粘在一起了”，原因是__水排开了烧杯底部与玻璃片之间的空气，在大气压的作用下，烧杯和玻璃片粘在一起__。
(5)试用简单的方法说明烧杯与玻璃片之间是因为“结冰”而粘在一起的：__看烧杯和玻璃片之间是否能够发生相对滑动，若不能，则是由于结冰而粘在一起__。
解析：要想证明该反应吸热，关键是让反应快速进行，从而在较短时间内使体系温度迅速下降。通过“结冰”现象推断反应吸热时，容易出现一个假象，因为即使不结冰的情况下，由于水排开了烧杯底部与玻璃片之间的空气，在大气压的作用下，烧杯和玻璃片也可能粘在一起，当然这种假象可以通过烧杯和玻璃片之间是否能够发生相对滑动来验证，如果是大气压的作用，它们之间可以发生相对滑动；如果是结冰的原因，它们之间不能发生相对滑动。
能 力 提 升
一、选择题
1．(2018·山西太原高一检测)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(　C　)
A．X的能量一定低于M的能量，Y的能量一定低于N的能量
B．因为该反应为吸热反应，故一定要加热反应才能进行
C．破坏反应物中的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
D．X和Y的总能量一定大于M和N的总能量
解析：A项，反应是放热还是吸热，必须用反应物的总能量与生成物的总能量比较，不能用某一反应物的能量与某一生成物的能量比较，错；B项，吸热反应有的也不需要加热，如氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的反应，错；D项，此反应为吸热反应，则X和Y的总能量一定小于M和N的总能量，错。
2．下列说法正确的是(　C　)
A．需要加热才能发生的反应一定是吸热反应
B．放热的反应在常温下一定很容易发生
C．放热反应还是吸热反应主要由反应物、生成物所具有的总能量的相对大小决定
D．吸热反应发生过程中要不断从外界获得能量，放热反应自始至终不需要外界提供能量
解析：由C＋O2CO2是放热反应可知A、B、D错误。放热反应还是吸热反应决定于反应物和生成物总能量的相对大小，因此C正确。
3．氢气可以在氧气中燃烧。在该反应中：断裂1 mol H—H键消耗的能量为Q1 kJ，断裂1 mol O===O 键消耗的能量为Q2 kJ，形成1 mol H—O键释放的能量为Q3 kJ。下列关系式中，正确的是(　C　)
A．2Q1＋Q2>Q3 B．Q1＋Q2>2Q3
C．2Q1＋Q2