高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的方向第1课时学案及答案

第1节　化学反应的热效应

第1课时　化学反应的反应热　化学反应的内能变化与焓变

一、化学反应的反应热

1．反应热

(1)定义

当化学反应在一定的温度下进行时，反应所释放或吸收的热量。

(2)表示符号

用Q表示

(3)单位

kJ·mol－1或 J·mol－1。

微点拨：(1)物理变化中的能量变化不是反应热。如物质的三态变化，物质的溶解等。

(2)反应放热或吸热与反应条件无关。

2．反应热的测定

(1)仪器——量热计

(2)原理

Q＝－C(T2－T1)，其中C表示溶液及量热计的热容，其单位为J·K－1；T1、T2分别表示反应前和反应后体系的温度。

微点拨：(1)热力学温度与摄氏温度的换算关系：T＝t＋273.15 K。

(2)热容(C)与比热容(比热)的关系：

比热＝。

(3)常温下，液态水的比热为4.18 kJ·K－1·kg－1。

二、化学反应的内能变化与焓变

1．反应体系的能量

2．内能

(1)定义：是体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。符号：_U。

(2)内能大小的影响因素

内能的大小除了与物质的种类、数量及聚集状态(即气态、液态或固态等)有关，还与体系的温度、压强有关。

(3)反应体系的能量变化

在一般情况下，反应体系处于静止状态，即体系整体的动能和势能没有变化，体系的能量变化可表示为ΔU＝U(反应产物)－U(反应物)＝Q＋W。

当反应过程中体系没有做功时，则ΔU＝Q。ΔU>0，反应吸收能量；ΔU<0，反应释放能量。

微点拨：(1)化学反应体系能量变化中的功是指除热能外，体系与环境之间交换的其他形式的能(如电能、光能、机械能等)。

(2)微观粒子的能量包括分子的平动、转动、振动以及电子和原子核的运动等。

3．等压反应的反应热——焓变

(1)等压反应

在反应前后压强不变的条件下发生的化学反应，如在敞口容器中进行的反应。

(2)焓变及单位

①定义：反应产物的焓与反应物的焓之差。

②表达式：ΔH＝H(反应产物)－H(反应物)＝Qp。

其中Qp表示等压条件下化学反应的反应热。焓变的单位为

kJ·mol－1或J·mol－1。

(3)化学反应的焓变示意图

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)化学反应过程中一定伴随着能量的变化。(　　)

(2)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化，单位为kJ或J。(　　)

(3)化学反应中反应物总能量一定大于反应产物总能量。(　　)

(4)吸热反应的ΔH＜0，放热反应的ΔH＞0。(　　)

(5)反应体系的内能变化就是反应热。(　　)

提示：(1)√　

(2)×　反应热、焓变均指化学反应中的能量变化，单位为kJ·mol－1或

J·mol－1。

(3)×　放热反应：E(反应物)＞E(反应产物)，吸热反应：E(反应物)＜E(反应产物)。

(4)×　吸热反应：ΔH＞0，放热反应：ΔH＜0。

(5)×　反应体系的内能变化等于反应热和功的加和，如果反应过程中体系没有做功，则反应体系的内能变化就是反应热。

2．下列说法正确的是(　　)

A．焓变是指1 mol物质参加反应时的能量变化

B．当反应放热时ΔH>0，反应吸热时ΔH<0

C．在加热条件下发生的反应均为吸热反应

D．一个化学反应中，当反应物的总能量大于反应产物的总能量时，反应放热，ΔH为负值

D　[反应物的物质的量越多，则焓变的绝对值越大，A项错误；反应是否需要加热，只是引发反应的条件，与反应放热还是吸热无关，C项错误；在反应中物质所具有的总能量减少，反应就放热，此时ΔH<0，因此B项错误、D项正确。]

3．量热计直接测出的是(　　)

A．质量的变化 B．能量的变化

C．温度的变化 D．电流的变化

C　[量热计直接测出的是反应前后的温度差。]

测定中和反应的反应热

(素养养成——科学探究与创新意识)

在实验室用如图所示装置测定中和反应的反应热。

图1　　　　　　　　　   　图2

1．用50 mL 0.50 mol·L－1的盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1的NaOH溶液，在如图所示的装置中分别进行中和反应反应热的测定，测定的结果是否相同？哪个结果更接近于真实值？为什么？

提示：两种装置测定的结果不同。用图2装置测定中和反应的反应热更接近于真实值。因为图2装置热量损失少。

2．谈一谈中和反应的反应热测定实验成功与否的关键是什么？

提示：中和反应的反应热测定实验成功的关键是比较准确地配制一定物质的量浓度的溶液，量热器要尽量做到保温、绝热且可使体系温度尽快达到一致；在量热的过程中要尽量避免热量的散失。

1．中和反应的实质是H＋和OH－反应生成H2O。若反应过程中有其他物质生成(如生成不溶性物质、难电离物质等)，这部分反应热不在中和反应反应热之内。

2．测定中和反应的反应热需注意的几个问题

(1)实验中要用强酸、强碱的稀溶液(0.1～0.55 mol·L－1)。

(2)操作时动作要快，尽量减少热量的损失，使用绝热装置，避免热量散发到反应体系外。

(3)测量盐酸的温度后，要将温度计上的酸冲洗干净后，再测量NaOH溶液的温度，避免酸、碱在温度计的表面反应放热而影响测量结果。

(4)读取的中和反应的温度(T2)是反应混合液的最高温度。

(5)不能用弱酸或弱碱，因弱酸、弱碱电离时吸收热量而使测量数值偏低。

(6)中和反应的反应热的数值是57.3 kJ·mol－1，测定时与强酸、强碱的用量无关。

1．中和反应的反应热测定实验中下列说法错误的是(　　)

A．一组完整实验数据需要测温度三次

B．烧杯间填满碎纸屑是为了减少实验过程中热量散失

C．可用铜做的环形搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，因铜和盐酸不反应

D．在量取NaOH溶液和HCl溶液体积时均仰视，测得中和热数值将偏大

C　[一组完整实验数据需要测实验前酸的温度、碱的温度和反应过程中的最高温度，故A正确；实验的关键是保温工作，烧杯间填满碎纸屑是为了保温，减少实验过程中热量散失，故B正确；金属的导热性很好，用铜做的环形搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，会导致热量的散失，使测得中和热数值偏小，故C错误；在量取溶液体积时仰视，则实际量取体积偏高，测得中和热数值将偏大，故D正确。]

2．50 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液在如图所示的装置中进行中和反应。通过测定反应过程中所放出的热量可计算中和反应的反应热。

回答下列问题：

(1)从实验装置看，图中还缺少的一种玻璃仪器是________________。

(2)两烧杯间填满碎纸屑的作用是__________________________________

______________________________________________________________。

(3)实验中改用60 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液进行反应，与上述实验相比较，所放出的热量________(填“相等”或“不相等”)，中和反应的反应热________(填“相等”或“不相等”)，理由是____________

___________________________________________________________________。

(4)用相同浓度和体积的氨水代替NaOH溶液进行上述实验，测得中和反应的反应热的数值与57.3 kJ·mol－1相比较会________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。

(5)大烧杯上如不盖硬纸板，求得的中和反应的反应热数值________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。

[解析]　(1)根据量热计的构造可知该装置还缺少的仪器是环形玻璃搅拌棒。

(2)中和反应的反应热测定实验成败的关键是保温工作，大小烧杯之间填满碎纸屑的作用是减少实验过程中的热量损失。

(3)反应放出的热量和所用酸、碱的量有关，若用60 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液进行反应，与上述实验相比，生成水的量增多，所放出的热量多，但是中和反应的反应热是强酸和强碱反应生成1 mol水时放出的热量，与酸、碱的用量无关，所以用60 mL 0.50 mol·L－1盐酸进行上述实验，测得中和反应的反应热数值相等。

(4)氨水为弱碱，电离过程为吸热过程，所以用氨水代替稀氢氧化钠溶液反应，反应放出的热量偏小，求得的中和反应的反应热数值将会偏小。

(5)大烧杯上如不盖硬纸板，会有一部分热量散失，求得的中和反应的反应热数值将会偏小。

[答案]　(1)环形玻璃搅拌棒

(2)保温、隔热，减少热量散失

(3)不相等　相等　中和反应的反应热是生成1 mol水时放出的热量(其他合理答案也可)

(4)偏小　(5)偏小

强酸和弱碱或弱酸和强碱的稀溶液发生中和反应，反应热的数值一般小于57.3 kJ·mol－1，因为弱电解质的电离是吸热的。

焓变与化学键、物质能量之间的关系

(素养养成——宏观辨识与微观探析)

1 mol H2和1 mol Cl2反应生成2 mol HCl的能量转化关系如图所示：

1．断裂1 mol H2分子和1 mol Cl2分子中的化学键吸收的能量是多少？

提示：436 kJ·mol－1×1 mol＋243 kJ·mol－1×1 mol＝679 kJ。

2．由H原子形成1 mol H—H所放出的能量是多少？

提示：由H原子形成1 mol H—H所放出的能量等于断裂1 mol H—H吸收的能量，即436 kJ。

3．该反应是吸热反应还是放热反应？(通过计算回答)

提示：ΔH＝436 kJ·mol－1＋243 kJ·mol－1－2×431 kJ·mol－1＝－183

kJ·mol－1<0，故该反应为放热反应。

1．焓变与化学键变化的关系

化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因(如图)。

　     吸收能量E1

　　     　↓

反应物反应产物

　　     　↓

　       放出能量E2

E1>E2 　反应吸收能量　ΔH>0

E1<E2　反应放出能量　ΔH<0

2．焓变与物质能量变化的关系

1．已知氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中，破坏1 mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1 kJ，破坏1 mol氯气中的化学键消耗的能量为Q2 kJ，形成1 mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3 kJ，下列关系式中正确的是(　　)

A．Q1＋Q2>Q3 B．Q1＋Q2>2Q3

C．Q1＋Q2<Q3 D．Q1＋Q2<2Q3

D　[由于氢气在氯气中燃烧是放热反应，则ΔH<0，ΔH＝Q1＋Q2－2Q3，则Q1＋Q2－2Q3<0，即Q1＋Q2<2Q3，D正确。]

2．白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得深灰色固体——黑磷，其转化过程中能量变化如图所示。下列叙述中正确的是(　　)

A．黑磷比白磷稳定

B．黑磷与白磷互为同分异构体

C．白磷转化为黑磷是氧化还原反应

D．白磷转化为黑磷是吸热反应

A　[物质本身具有的能量越低越稳定，因白磷转化为黑磷是放热反应，故白磷不如黑磷稳定；两者互为同素异形体，两者之间的转化不是氧化还原反应。]

3．CO(g)与H2O(g)反应的能量变化如图所示，有关两者反应的说法正确的是(　　)

A．该反应为吸热反应

B．1 mol CO(g)和1 mol H2O(g)具有的总能量大于1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)具有的总能量

C．该反应不需要加热就能进行

D．1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)反应生成1 mol CO(g)和1 mol H2O(g)要放出41 kJ热量

B　[由能量变化可知，反应产物的总能量比反应物的总能量低，反应为放热反应，放热反应也有可能需要加热后才能进行；当1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)反应生成1 mol CO(g)和1 mol H2O(g)时，要吸收41 kJ热量。]

(1)反应物总能量大于反应产物总能量的反应为放热反应，其逆反应过程为吸热反应。

(2)加热条件下进行的反应可能是吸热反应，也可能是放热反应，反应是吸热反应还是放热反应取决于反应物总能量与反应产物总能量的相对大小，与反应条件无关。

2017年5月，中国首次海域天然气水合物(可燃冰)试采成功。天然气水合物甲烷含量占80%～99.9%，燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多，而且储量丰富，全球储量足够人类使用约1 000年，因而被各国视为未来石油、天然气的替代能源。

1．可燃冰燃烧是放热反应还是吸热反应？其反应热大于0还是小于0?

提示：放热反应。其反应热小于0。

2．可燃冰燃烧为什么伴随着能量变化？试从宏观角度和微观角度分别分析。

提示：宏观角度：反应物总能量与反应产物总能量不相等，故化学反应都伴随着能量变化；微观角度：因为断裂反应物中的化学键吸收的能量与形成反应产物中的化学键时放出的能量不相等，故伴随着能量变化。

3．若可燃冰在一个恒压容器中与空气反应，其反应热是否等于体系内能的变化？为什么？

提示：否。因为反应产生气体使体系体积发生改变，有体积功存在，ΔU＝Q＋W。

通过本情境素材中从宏观角度、微观角度分析化学反应能量变化的原因，以及对内能变化与反应热的关系的分析，提升了“宏观辨识与微观探析”的核心素养。

1．(素养题)2020年3月9日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射北斗系统第54颗导航卫星。卫星顺利进入预定轨道。卫星发射中涉及许多的化学反应与能量变化。下列说法不正确的是(　　)

A．反应热既包括放热反应放出的热量，又包括吸热反应吸收的热量

B．化学反应可分为吸热反应和放热反应

C．化学反应中的能量变化多少与反应物的量有关

D．化学反应中的能量变化都是以热能形式表现出来的

D　[化学反应中的能量变化主要是化学能与热能之间的转化，但化学能也可以转化为光能、电能等。]

2．下列反应中反应产物总能量高于反应物总能量的是(　　)

A．碳酸钙受热分解 B．乙醇燃烧

C．Al与Fe2O3反应 D．CaO溶于水

A　[反应产物总能量高于反应物总能量的反应为吸热反应，B、C、D三项反应均为放热反应。]

3．下列变化为放热的化学反应的是(　　)

A．H2O(g)===H2O(l)

B．2HI(g)===H2(g)＋I2(g)

C．形成化学键时共放出能量862 kJ的化学反应

D．能量变化如图所示的化学反应

D　[A项不属于化学反应；B项为吸热反应；C项中化学反应是放热反应还是吸热反应取决于断开反应物中的化学键吸收的能量与形成反应产物的化学键放出能量的相对大小，该项说法无法确定该反应是放热反应还是吸热反应。]

4．(双选)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(　　)

A．1 mol N2(g)和1 mol O2(g)反应吸收的能量为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

AB　[反应热就是断裂旧化学键吸收的总能量和形成新化学键所放出的总能量的差值，所以该反应的反应热ΔH＝946 kJ·mol－1＋498 kJ·mol－1－2×632

kJ·mol－1＝＋180 kJ·mol－1，故该反应是吸热反应，选项A、B正确；氮气和氧气反应需要在放电条件下，选项C不正确；NO不是酸性氧化物，和氢氧化钠溶液不反应，选项D不正确。]

5．在测定中和反应的反应热的实验中，下列叙述错误的是(　　)

A．向量热计中加入盐酸，盖上杯盖，搅拌后的温度即为初始温度

B．实验中可使酸液或碱液稍微过量

C．向量热计中加入碱液时，碱液的温度应与酸液的温度相同

D．可以用KOH溶液代替NaOH溶液，浓硫酸代替盐酸

D　[可以用KOH溶液代替NaOH溶液，但不能用浓硫酸代替盐酸，因为浓硫酸溶于水时会放出热量，影响测定结果。]

6．实验室用50 mL 0.50 mol·L－1盐酸、50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液和如图所示装置进行测定中和热的实验得到下表中的数据。

请完成下列问题：

(1)实验时用搅拌器搅拌溶液的方法是______________，不能用铜丝搅拌棒代替搅拌器的理由是__________________________________________________

___________________________________________________________________。

(2)经数据处理，t2－t1＝3.4 ℃。则该实验测得的反应热Q＝________。[盐酸和NaOH溶液的密度按1 g·cm－3计算，反应后混合溶液的比热容按4.18 J·(g·℃)－1计算]

[解析]　(1)对于本实验，让氢氧化钠和盐酸尽可能地完全反应是减小误差的一个方面，所以实验时用的反应搅拌器旋转上下搅动，同时可防止损坏温度计，做好保温工作是减小误差的另一个重要方面，所以用搅拌器而不用铜丝搅拌棒。

(2)Q＝－[100 g×4.18 J·(g·℃)－1×3.4 ℃]＝－1 421.2 J。

[答案]　(1)旋转上下搅动　铜导热快，热量损失大　

(2)－1 421.2 J