第八单元 化学反应与能量（1）
2015-11-19 09:33:44 来源： 撰稿：董啸 摄影摄像： ; 评论：0 点击：
第八单元 化学反应与能量（1）
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授课人：董 啸 |
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①掌握反应热、燃烧热和中和热等重要概念。 |
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教学目标： |
②理解中和热测定的方法及数据处理方法，了解误差分析方法。 |
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③掌握热化学方程式的概念及正确书写热化学方程式。 |
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教学重点： |
反应热计算 |
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教学难点： |
盖斯定律的应用 |
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教学方法： |
分析比较法 |
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教学过程： |
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基础知识精析
一、反应热
1.化学反应的基本特征：
反应后有新物质生成，同时还伴随着能量变化，通常表现为热量的变化。
2.反应热：
在化学反应中吸收或放出的热量就叫反应热。符号用△H表示，单位kJ／mol。
3.放热反应和吸热反应
化学上把有热量放出的反应叫做放热反应；把吸收热量的化学反应叫做吸热反应。△H>O为吸热反应，△H<O为放热反应。
4．反应热的计算和判断
由于反应热表示的是化学反应发生后，体系能量的变化情况，所以反应热有如下几种判断和计算方法：
①利用总能量计算和判断：
化学反应究竟吸热还是放热主要取决于反应物的总能量与生成物总能量的高低。
反应热等于生成物的总能量减去反应物的总能量。
△H=E(生成物总能量)－E(反应物总能量)
若反应物的总能量高于生成物的总能量则发生反应时，就有一部分能量变成热能释放出来，即放热反应。
若反应物所具有的总能量低于生成物的总能量，则在发生化学反应时，反应物就需要吸收能量才能转化为生成物，即吸热反应。
②利用能量变化计算和判断
反应热等于破坏反应物吸收的能量减去产生生成物放出的能量。
△H=E1- E2
当破坏反应物吸收的能量小于产生生成物放出的能量，为放热反应；
当破坏反应物吸收的能量大于产生生成物放出的能量，为吸热反应。
③利用化学键计算和判断：
反应热等于反应物的总键能减去生成物的总键能。
△H=E(反应物总键能)－E(生成物总键能)
若反应物的总键能大于生成物的总键能时吸热反应；
若反应物的总键能小于生成物的总键能时放热反应。
5.常见的放热反应和吸热反应
①常见放热反应：
可燃物的燃烧；酸碱中和反应；大多数化合反应；金属跟酸的置换反应；物质的缓慢氧化。
②常见吸热反应：
大多数分解反应；盐的水解和弱电解质的电离；Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应；碳和水蒸气、C和CO2的反应。
深度思考
1．同质量的硫粉在空气中燃烧和在纯氧中燃烧，哪一个放出的热量多，为什么？
答案 在空气中燃烧放出的热量多，因在纯氧中燃烧火焰明亮，转化成的光能多，故放出的热量少。
2．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”
(1)放热反应不需要加热就能反应，吸热反应不加热就不能反应 ( )
(2)物质发生化学变化都伴有能量的变化 ( )
(3)伴有能量变化的物质变化都是化学变化 ( )
(4)吸热反应在任何条件都不能发生 ( )
(5)Na转化为Na＋时，吸收的能量就是该过程的反应热 ( )
(6)水蒸气变为液态水时放出的能量就是该变化的反应热 ( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)×
解析 (5)(6)是物理变化过程，其能量变化不能称为反应热。
二、热化学方程式
1、概念：
①表示反应所放出或吸收热量的化学方程式，叫做热化学方程式。
②表示参与化学反应的物质的物质的量和反应热的关系的化学方程式。
2、表示意义：
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、书写方法：写方程、标状态、算热量。
【注意】
①标明△H的数值及正负号；注明反应物、生成物的聚集状态(s、l、g、aq)。
②化学式前的计量数可以是整数或分数，△H的数值与化学式前计量数有关，△H的数值与反应方程式中化学式前面的化学计量数成比例，计量数加倍，△H数值也要加倍，单位仍是kJ／mol。
③注明测定条件，若为25℃，1.01×105Pa可不注明。
深度思考
1．ΔH的单位“kJ·mol－1”的含义是什么？
答案 “kJ·mol－1”并不是指每摩尔具体物质反应时伴随的能量变化，而是指给定形式的具体反应的能量变化。如2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH＝－483.6 kJ·mol－1，此反应的反应热是指每摩尔反应[2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)]放出的热量为483.6 kJ。ΔH与化学反应方程式的写法有关，如H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－241.8 kJ·mol－1。另外反应热还与反应物的状态有关，如2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH＝－571.6 kJ·mol－1。
2．怎样理解可逆反应中的反应热？
答案 无论化学反应是否可逆，热化学方程式中的反应热ΔH都表示反应进行到底(完全转化)时的能量变化。如2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＝－196.64 kJ·mol－1，ΔH是指2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)完全转化为2 mol SO3(g)时放出的能量。若在相同的温度和压强下，向某容器中加入2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)，反应达到平衡时放出的能量为Q，因反应不能完全转化为SO3(g)，故Q<196.64 kJ。
3．实验室用4 mol SO2与2 mol O2在一定条件下进行下列反应：2SO2(g)＋O2(g)=2SO3(g) ΔH＝－196.64 kJ·mol－1，当放出314.624 kJ热量时，SO2的转化率为________。
答案 80%
4、判断正误
热化学方程式的正误判断是一个常考题型，通常判断方法是“五看”：
(1) 看各物质的聚集状态是否正确；
(2) 看ΔH的“＋”、“－”符号是否正确；
(3) 看反应热的数值与化学计量数是否对应；
(4)看方程式是否配平；
(5) 看反应热的单位是否为kJ·mol－1。
三、燃烧热和中和热
1、燃烧热
①概念：在101kPa时，lmol物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热，单位为kJ／mol。
“完全燃烧”，是指物质中下列元素完全转变成对应的氧化物：C→CO2(g)，H→H2O(l)，S→SO2(g)等。
例如，由碳燃烧生成一氧化碳的反应及氢气燃烧生成水蒸气的反应对应的反应热都不属于燃烧热。
②表示意义：
例如：C的燃烧热为393.5 kJ／mol，表示在101 kPa时，1molC完全燃烧放出393．5 kJ的热量。
③书写热化学方程式：
燃烧热是以1 mol物质完全燃烧所放出的热量来定义的，因此书写表示燃烧热的热化学方程式时应以燃烧1mol物质为标准来配平其余物质的化学计量数。
C8H18(l)＋O2(g)===8CO2(g)＋9H2O(l) ΔH＝－5 518 kJ·mol－1，即C8H18的燃烧热为5 518 kJ·mol－1。
④放出热量的计算：Q(放)=n(可燃物)×△H
2、中和热
（1）概念：
在稀溶液中，酸跟碱发生中和反应生成1molH2O，这时的反应热叫中和热。
H+(aq)+OH-(aq)=H2O(1)；△H=－57．3 kJ／mol
注意：必须以生成1mol水为标准；中和反应的对象为稀溶液；强酸与强碱中和时生成1molH2O均放热57．3kJ。弱酸或弱碱电离时要吸收热量，所以它们参与中和反应时的中和热小于57．3 kJ。
(2)重要实验：中和热的测定
①测定原理：
测定一定量的酸与碱发生中和反应生成H2O时所释放的热量，通过计算，得出生成1molH2O时的反应热，即为中和热。
ΔH＝
c＝4.18 J·g－1·℃－1＝4.18×10－3 kJ·g－1·℃－1；n为生成H2O的物质的量。
②实验过程：
在100mL烧杯中加入50mL 0.50mol/L的盐酸，测其温度。另用量筒量取50mL0.55mol/LNaOH溶液，测其温度，并一次倒入烧杯中，并注意保温。用环形玻璃棒搅拌，观察反应中溶液温度的变化过程，并作好记录。
③实验步骤：
(1)准备绝热装置:在大烧杯底部垫泡沫塑料(或纸条)使放入的小烧杯杯口与大烧杯杯口相平。然后再在大、水烧杯之间填满泡沫塑料。
(2)量取反应物的体积，测量其温度:先量取50 mL．50 mol·L-1盐酸，倒入小烧杯中，用温度计测量盐酸的温度。然后再量取50 mL 0.50mol·L-1 NaOH溶液，用温度计测量其温度。
(3)测量反应后的温度:把温度计和环形玻璃棒放入小烧杯的盐酸中，并把量筒中的NaOH溶液一次倒入小烧杯中。轻轻搅拌溶液，并准确读取混合溶液的最高温度，记为终止温度。
(4)重复实验:重复实验两次，取测量所得数据的平均值作为计算依据。
(5)根据数据计算中和热。
【注意】
①保温效果一定要好，小烧杯与大烧杯的杯口要相平。
②盐酸和NaOH的浓度要准确。
③宜用有0.1分度的温度计，温度计水银球应浸没在溶液中。
④读取反应温度时要谨慎细致，读准最高温度。
深度思考
1．装置中碎泡沫塑料(或纸条)及泡沫塑料板的作用是什么？
答案 保温、隔热，减少实验过程中热量的损失。
2．怎样才能保证酸、碱完全反应？
答案 使碱稍稍过量。
3．怎样用环形玻璃搅拌棒搅拌溶液，不能用铜丝搅拌棒代替的理由是什么？
答案 实验时应用环形玻璃搅拌棒上下搅动；因为铜传热快，热量损失大，所以不能用铜丝搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒。
4．本实验中用稍过量的NaOH的原因教材中说是为保证盐酸完全被中和。试问：在反应中若因为有放热现象，而造成少量HCl在反应中挥发，则测得的中和热________(填“偏大”、“偏小”或“不变”)。
答案 偏小
〖教后记〗
题组训练 反应热的基本计算方法
1．某反应过程中体系的能量变化如图所示，下列说法错误的是 ( )
A．反应过程可表示为
B．E1为反应物的平均能量与过渡态的能量差，称为正反应的活化能
C．正反应的热效应为ΔH＝E1－E2<0，所以正反应为放热反应
D．此图中逆反应的热效应ΔH＝E1－E2<0，所以逆反应为放热反应
答案 D
解析 该图表示的正反应放热，ΔH为负值，逆反应吸热，ΔH为正值，D错误。
2．(2011·重庆理综，13)SF6是一种优良的绝缘气体，分子结构中只存在S—F键。已知：1 mol S(s)转化为气态硫原子吸收能量280 kJ，断裂1 mol F—F、S—F键需要吸收的能量分别为160 kJ、330 kJ，则S(s)＋3F2(g)===SF6(g)的反应热ΔH为________。
答案 －1 220 kJ·mol－1
解析 断裂1 mol S—S键吸收能量280 kJ，断裂3 mol F—F键吸收能量3×160 kJ，则吸收的总能量为Q吸＝280 kJ＋3×160 kJ＝760 kJ，释放的总能量为Q放＝330 kJ×6＝1 980 kJ，由反应方程式：S(s)＋3F2(g)===SF6(g)可知，ΔH＝760 kJ·mol－1－1 980 kJ·mol－1＝－1 220 kJ·mol－1。
3．通常把拆开1 mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可用于估算化学反应的反应热(ΔH)，化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。下面列举了一些化学键的键能数据，供计算使用。
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化学键 |
Si—O |
Si—Cl |
H—H |
H—Cl |
Si—Si |
Si—C |
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键能/kJ·mol－1 |
460 |
360 |
436 |
431 |
176 |
347 |
工业上的高纯硅可通过下列反应制取：SiCl4(g)＋2H2(g)===Si(s)＋4HCl(g)，该反应的反应热(ΔH)为________。
答案 ＋236 kJ·mol－1
解析 SiCl4、H2和HCl分子中共价键的数目容易计算，而产物硅属于原子晶体，可根据原子晶体的结构计算晶体硅中的共价键的数目。1 mol晶体硅中所含的Si—Si键为2 mol，即制取高纯硅反应的反应热ΔH＝4×360 kJ·mol－1＋2×436 kJ·mol－1－(2×176 kJ·mol－1＋4×431 kJ·mol－1)＝＋236 kJ·mol－1。
题组一 热化学方程式的书写
1．依据事实，写出下列反应的热化学方程式。
(1)适量的N2和O2完全反应，每生成23 g NO2吸收16.95 kJ 热量。N2与O2反应的热化学方程式为____________________。
(2)SiH4是一种无色气体，遇到空气能发生爆炸性自燃，生成SiO2和液态H2O。已知室温下2 g SiH4自燃放出热量89.2 kJ。SiH4自燃的热化学方程式为______。
(3)已知拆开1 mol H—H键、1 mol N—H键、1 mol N≡N键分别需要的能量是436 kJ、391 kJ、946 kJ，则N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为_______。
(4)在25 ℃、101 kPa下，一定质量的无水乙醇完全燃烧时放出热量Q kJ，其燃烧生成的CO2用过量饱和石灰水吸收可得100 g CaCO3沉淀，则乙醇燃烧的热化学方程式为_____________。
答案 (1)N2(g)＋2O2(g)===2NO2(g) ΔH＝＋67.8 kJ·mol－1
(2)SiH4(g)＋2O2(g)===SiO2(s)＋2H2O(l) ΔH＝－1 427.2 kJ·mol－1
(3)N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g) ΔH＝－92 kJ·mol－1
(4)C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l) ΔH＝－2Q kJ·mol－1
解析 (1)23 g NO2的物质的量为0.5 mol，则生成2 mol NO2吸收的热量为67.8 kJ。吸热反应ΔH为正值，故反应的热化学方程式为：
N2(g)＋2O2(g)===2NO2(g) ΔH＝＋67.8 kJ·mol－1。
(2)2 g SiH4自燃放出热量89.2 kJ,1 mol SiH4自燃放出热量1 427.2 kJ，故热化学方程式为SiH4(g)＋2O2(g)===SiO2(s)＋2H2O(l) ΔH＝－1 427.2 kJ·mol－1。
(3)N2(g)＋3H2(g)===2NH3(g) ΔH＝(946＋436×3－391×6)kJ·mol－1＝－92 kJ·mol－1。
(4)根据C原子守恒有：C2H5OH～2CO2～2CaCO3。生成100 g CaCO3沉淀，则乙醇为0.5 mol，据此可写出反应的热化学方程式。
2.右图是NO2和CO反应生成CO2和NO过程中能量变化示意图，请写出NO2和CO反应的热化学方程式：_______________。
答案 NO2(g)＋CO(g)===CO2(g)＋NO(g) ΔH＝－234 kJ·mol－1
解析 由图可知，产物总能量低于反应物总能量，该反应是放热反应，ΔH＝E1－E2＝134 kJ·mol－1－368 kJ·mol－1＝－234 kJ·mol－1。
题组二 热化学方程式的判断
3．实验测得：101 kPa时，1 mol H2完全燃烧生成液态水，放出285.8 kJ的热量；1 mol CH4完全燃烧生成液态水和CO2，放出890.3 kJ的热量。下列热化学方程式的书写正确的是 ( )
①CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝＋890.3 kJ·mol－1
②CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝－890.3 kJ·mol－1
③CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－890.3 kJ·mol－1
④2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH＝－571.6 kJ·mol－1
A．仅有② B．仅有②④
C．仅有②③④ D．全部符合要求
答案 B
4．下列热化学方程式书写正确的是(ΔH的绝对值均正确) ( )
A．S(s)＋O2(g)===SO3(g) ΔH＝－315 kJ·mol－1(燃烧热)
B．NaOH(aq)＋HCl(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l) ΔH＝－57.3 kJ·mol－1(中和热)
C．C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O ΔH＝－1 368.8 kJ·mol－1(反应热)
D．2H2O(g)===2H2(g)＋O2(g) ΔH＝－483.6 kJ·mol－1(反应热)
答案 B
题组一 燃烧热、中和热的含义及表达
1．已知反应：
①101 kPa时，2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－221 kJ·mol－1
②稀溶液中，H＋(aq)＋OH－(aq)===H2O(l) ΔH＝－57.3 kJ·mol－1。
下列结论正确的是 ( )
A．碳的燃烧热大于110.5 kJ·mol－1
B．反应①的反应热为221 kJ·mol－1
C．98%的浓硫酸与稀氢氧化钠溶液反应生成1 mol水的中和热为－57.3 kJ·mol－1
D．稀醋酸与稀氢氧化钠溶液反应生成1 mol水时放出57.3 kJ的热量
答案 A
2．下列关于热化学反应的描述中正确的是 ( )
A．已知H＋(aq)＋OH－(aq)===H2O(l) ΔH＝－57.3 kJ·mol－1，则H2SO4和Ba(OH)2反应的反应热ΔH＝2×(－57.3) kJ·mol－1
B．燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的热化学方程式是CH3OH(g)＋O2(g)===CO2(g)＋2H2(g) ΔH＝－192.9 kJ·mol－1，则CH3OH(g)的燃烧热为192.9 kJ·mol－1
C．H2(g)的燃烧热是285.8 kJ·mol－1，则2H2O(g)===2H2(g)＋O2(g) ΔH＝＋571.6 kJ·mol－1
D．葡萄糖的燃烧热是2 800 kJ·mol－1，则C6H12O6(s)＋3O2(g)===3CO2(g)＋3H2O(l) ΔH＝－1 400 kJ·mol－1
答案 D
题组二 中和热测定误差分析和数据处理
3．利用如图所示装置测定中和热的实验步骤如下：
①用量筒量取50 mL 0.50 mol·L－1盐酸倒入小烧杯中，测出盐酸温
度；②用另一量筒量取50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液，并用另一温度计测出其温度；③将NaOH溶液倒入小烧杯中，设法使之混合均匀，测得混合液最高温度。回答下列问题：
(1)为什么所用NaOH溶液要稍过量？____________。
(2)倒入NaOH溶液的正确操作是__________(填序号)。
A．沿玻璃棒缓慢倒入；B．分三次少量倒入；C．一次迅速倒入
(3)使盐酸与NaOH溶液混合均匀的正确操作是________(填序号)。
A．用温度计小心搅拌
B．揭开硬纸片用玻璃棒搅拌
C．轻轻地振荡烧杯
D．用套在温度计上的环形玻璃搅拌棒轻轻地搅动
(4)现将一定量的稀氢氧化钠溶液、稀氢氧化钙溶液、稀氨水分别和1 L 1 mol·L－1的稀盐酸恰好完全反应，其反应热分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3，则ΔH1、ΔH2、ΔH3的大小关系为________________。
(5)假设盐酸和氢氧化钠溶液的密度都是1 g·cm－3，又知中和反应后生成溶液的比热容c＝4.18 J·g－1·℃－1。为了计算中和热，某学生实验记录数据如下：
|
实验序号 |
起始温度t1/ ℃ |
终止温度t2/ ℃ |
|
|
盐酸 |
氢氧化钠溶液 |
混合溶液 |
|
|
1 |
20.0 |
20.1 |
23.2 |
|
2 |
20.2 |
20.4 |
23.4 |
|
3 |
20.5 |
20.6 |
23.6 |
依据该学生的实验数据计算，该实验测得的中和热ΔH＝__________(结果保留一位小数)。
(6)________(填“能”或“不能”)用Ba(OH)2溶液和硫酸代替氢氧化钠溶液和盐酸，理由是_____________________________________。
答案 (1)确保盐酸被完全中和 (2)C (3)D (4)ΔH1＝ΔH2<ΔH3
(5)－51.8 kJ·mol－1 (6)不能 H2SO4与Ba(OH)2反应生成BaSO4沉淀的生成热会影响反应的反应热
解析 (1)在中和热的测定实验中为了确保反应物被完全中和，常常使加入的一种反应物稍微过量一些。
(2)为了减小热量损失，倒入NaOH溶液应该一次迅速倒入。
(3)使盐酸与NaOH溶液混合均匀的正确操作：用套在温度计上的环形玻璃搅拌棒轻轻地搅动。
(4)稀氢氧化钠溶液和稀氢氧化钙溶液中溶质都完全电离，它们的中和热相同，稀氨水中的溶质是弱电解质，它与盐酸的反应中一水合氨的电离要吸收热量，故中和热要小一些(注意中和热与ΔH的关系)。
(5)取三次实验的平均值代入公式计算即可。
(6)因为硫酸与Ba(OH)2溶液反应生成BaSO4沉淀的生成热会影响反应的反应热，故不能用Ba(OH)2溶液和硫酸代替氢氧化钠溶液和盐酸。
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