苏教版高中化学选修四《化学反应原理》《化学反应的焓变》学案2新版.docx
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苏教版高中化学选修四《化学反应原理》《化学反应的焓变》学案2新版
第一单元 化学反应中的热效应
第1课时 化学反应的焓变
[学习目标]
1.了解反应热和焓变的含义,知道吸热反应和放热反应的概念。
2.理解化学反应过程中能量变化的原因。
3.知道热化学方程式的概念,能通过比较的方法理解热化学方程式与化学方程式的区别。
4.能正确书写热化学方程式并利用其进行简单计算。
[重点·难点]
1.热化学方程式的书写及简单计算。
2.反应过程中能量变化的原因。
1.反应热
(1)定义:
化学上规定,当化学反应的反应物与生成物的温度相同时,反应所吸收或释放的热量称为该反应在此温度下的热效应,简称反应热。
(2)浓H2SO4稀释时放出的热是否为反应热?
答案 只有在化学反应过程中放出或吸收的热量才通常叫做反应热;而物理变化中的能量变化不是反应热,如NH4NO3溶于水的吸热、浓H2SO4的稀释放热等过程中所涉及的热量都不是反应热。
2.焓变
在恒温和恒压的条件下,化学反应过程中吸收或释放的热量称为反应的焓变。
符号用ΔH表示,单位一般用kJ·mol-1。
3.放热反应和吸热反应
(1)生成物释放的总能量与反应物吸收的总能量的相对大小决定化学反应是吸热反应还是放热反应。
①当ΔH<0时,为放热反应,反应体系能量降低。
②当ΔH>0时,为吸热反应,反应体系能量升高。
(2)下列反应中,属于吸热反应的是③⑤,属于放热反应的是①②④。
①燃烧反应 ②铝热反应 ③氯化铵与消石灰的反应 ④金属与酸反应 ⑤C+H2O(g)
CO+H2
4.热化学方程式
(1)概念及表示意义
能表示参加反应的物质的量和反应热的关系的化学方程式,叫做热化学方程式。
热化学方程式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。
H2(g)+
O2(g)===H2O(l) ΔH=-285.5kJ·mol-1,表示在25℃、101kPa,1molH2与
molO2完全反应生成1mol液态水时放出的热量是285.8kJ。
(2)书写
热化学方程式各物质前的化学计量数只表示物质的量,不表示分子数,因此,它可以是整数,也可以是小数或分数。
对于相同物质的反应,当化学计量数不同时,其ΔH不同。
即使化学计量数相同,当反应物、生成物的状态不同时,ΔH也不同。
(3)写出下列反应的热化学方程式:
(1)1molC2H5OH(l)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l),放出1366.8kJ热量:
______________。
(2)1molC(石墨)与适量H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g),吸收131.3kJ热量:
______________。
(3)1.7gNH3(g)发生催化氧化反应生成气态产物,放出22.67kJ的热量:
____________。
答案
(1)C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1366.8kJ·mol-1
(2)C(石墨,s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)ΔH=131.3kJ·mol-1
(3)4NH3(g)+5O2(g)===4NO(g)+6H2O(g)ΔH=-906.8kJ·mol-1
或NH3(g)+
O2(g)===NO(g)+
H2O(g) ΔH=-226.7kJ·mol-1
解析
(1)C2H5OH燃烧的化学方程式为C2H5OH+3O2
2CO2+3H2O,那么,相应的热化学方程式为C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1366.8kJ·mol-1。
(2)1molC(石墨)完全反应吸收131.3kJ热量,则相应的热化学方程式为C(石墨,s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH=131.3kJ·mol-1。
(3)1.7gNH3的物质的量为0.1mol,则4molNH3发生反应放出的热量为22.67kJ×40=906.8kJ,1molNH3完全反应放出的热量为226.7kJ。
那么相应的热化学方程式为4NH3(g)+5O2(g)===4NO(g)+6H2O(g) ΔH=-906.8kJ·mol-1或NH3(g)+
O2(g)===NO(g)+
H2O(g) ΔH=-226.7kJ·mol-1。
一、化学反应过程中能量变化的原因
1.物质的总能量与反应热的关系
类型
比较
放热反应
吸热反应
关系
反应物具有的总能量大于生成物具有的总能量
反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量
表示方法
ΔH<0
ΔH>0
图示
实例
H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g) ΔH=-183kJ·mol-1
C(s)+H2O(g)===
CO(g)+H2(g)
ΔH=131.3kJ·mol-1
2.化学键与反应热的关系
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
生成物
放出能量E2
①E1>E2 反应吸收能量 ΔH>0
②E1 3.由化学键的形成和断裂过程的能量变化求焓变的公式 ΔH=反应物的化学键断裂吸收的能量总和-生成物的化学键形成时放出的能量总和。 ①反应物的化学键断裂吸收的能量总和>生成物的化学键形成时放出的能量总和,反应吸热。 ②反应物的化学键断裂吸收的能量总和<生成物的化学键形成时放出的能量总和,反应放热。 【典例导悟1】 下列说法正确的是( ) A.反应焓变是指1mol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,当反应物能量大于生成物能量时,反应放热,ΔH为“-” 解析 焓变是生成物的总焓与反应物的总焓之差,它与反应物的量有关,而与反应条件(如是否加热)没有直接关系,所以A、C两项不正确;ΔH>0时,物质的总能量增加,反应吸热;ΔH<0时,物质的总能量减少,反应放热,B项错误;在反应中若物质所具有的总能量减少,反应就放热,反之就吸热,因此D项正确。 答案 D 二、热化学方程式 1.热化学方程式与普通化学方程式的区别 普通化学方程式 热化学方程式 化学计量数 整数,既表示微粒个数又表示微粒的物质的量 可以是整数也可以是分数,只表示微粒的物质的量 物质状态 不要求注明 必须在物质或微粒之后注明 ΔH符号及 单位 无 必须注明 意义 表明了化学反应中物质的变化 不仅表明了化学反应中物质的变化,而且表明了化学反应中能量的变化 2.下列热化学方程式书写正确的是②⑤;错误的是①③④,错误的原因是①中未注明物质状态,③中单位不对,应为kJ·mol-1,④中应标上“-”,即ΔH=-393.5_kJ·mol-1。 ΔH=-196.6kJ·mol-1 ②2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)ΔH=-571.6kJ·mol-1 ③C(s)+O2(g)===CO2(g)ΔH=-393.5kJ ④C(s)+O2(g)===CO2(g)ΔH=393.5kJ·mol-1 ⑤H2O(l)===H2(g)+ O2(g)ΔH=285.8kJ·mol-1 总结 与普通化学方程式相比,书写热化学方程式时除遵循书写化学方程式的要求外,还应注意以下五点: (1)注意标明物质的聚集状态 方程式中每种物质的化学式后面用括号注明物质的聚集状态(g、l、s),不用标“↑”或“↓”,水溶液用aq表示。 (2)注意注明必要的反应条件 焓变与温度和压强等测定条件有关,所以书写时必须在ΔH后指明反应的温度和压强(298K、101kPa时,可不注明)。 (3)注意明确系数的含义 系数只表示该物质的物质的量,不表示分子个数或原子个数,因此热化学方程式中系数也可以是分数。 (4)注意ΔH的单位及符号 ΔH的单位是J·mol-1或kJ·mol-1,ΔH只能写在化学方程式的右边,表示正向反应的焓变。 ΔH<0表示为放热反应;ΔH>0,则表示为吸热反应。 (5)注意同一反应中系数与ΔH数值的对应关系 化学方程式中各物质的系数加倍,则ΔH的数值也加倍;若反应逆向进行,则ΔH改变符号,但绝对值不变。 【典例导悟2】298K、101kPa时,强酸与强碱的稀溶液发生中和反应的中和热为-57.3kJ·mol-1,辛烷的燃烧热为-5518kJ·mol-1。 下列热化学方程式书写正确的是( ) A.2H+(aq)+SO (aq)+Ba2+(aq)+2OH-(aq)===BaSO4(s)+2H2O(l) ΔH=-57.3kJ·mol-1 B.KOH(aq)+ H2SO4(aq)=== K2SO4(aq)+H2O(l) ΔH=-57.3kJ·mol-1 C.C8H18(l)+ O2(g)===8CO2(g)+9H2O(g)ΔH=-5518kJ·mol-1 D.2C8H18(g)+25O2(g)===16CO2(g)+18H2O(l)ΔH=-5518kJ·mol-1 解析 H2SO4与Ba(OH)2溶液反应,不仅生成了H2O还有BaSO4生成,因此A项放出的热量比57.3kJ×2还多,A项错误;辛烷的燃烧热是指1mol辛烷完全燃烧生成CO2气体和液态水时放出的热量是5518kJ,C、D项均错误。 答案 B 1.下列说法正确的是( ) A.化学反应中的能量变化,都表现为热量的变化 B.需要加热才能发生的化学反应,一定是吸热反应 C.放热反应在常温下一定很容易发生 D.反应是放热还是吸热必须看反应物和生成物所具有的总能量的大小 2.下列反应中既是氧化还原反应,又是吸热反应的是( ) A.铝与稀盐酸反应 B.灼热的炭与二氧化碳反应 C.甲烷在空气中燃烧 D.Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应 3.沼气是一种能源,它的主要成分是CH4。 0.5molCH4完全燃烧生成CO2气体和液态H2O时,放出445kJ热量,则下列热化学方程式中正确的是( ) A.2CH4(g)+4O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l)ΔH=890kJ·mol-1 B.CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)ΔH=890kJ·mol-1 C.CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)ΔH=-890kJ·mol-1 D. CH4(g)+O2(g)=== CO2(g)+H2O(l)ΔH=-890kJ·mol-1 4.下列说法或表示方法正确的是( ) A.等物质的量的硫蒸气和硫固体分别完全燃烧,后者放出热量多 B.在稀溶液中,H+(aq)+OH-(aq)===H2O(l) ΔH=-57.3kJ·mol-1,若将含0.5molH2SO4的浓硫酸与含1molNaOH的溶液混合,放出的热量大于57.3kJ C.由C(石墨)===C(金刚石) ΔH=1.90kJ·mol-1可知,金刚石比石墨稳定 D.在101kPa时,2gH2完全燃烧生成液态水,放出285.8kJ热量,则H2燃烧的热化学方程式为2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-285.8kJ·mol-1 5.已知299K时,合成氨反应N2(g)+3H2(g)===2NH3(g) ΔH=-92.0kJ·mol-1,将此温度下的1molN2和3molH2放在一密闭容器中,在催化剂存在时进行反应。 测得反应放出的热量为(假定测量过程中没有能量损失)( ) A.一定小于92.0kJB.一定大于92.0kJ C.一定等于92.0kJD.无法确定 6.关于热化学方程式: H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g) ΔH=-184.6kJ·mol-1的叙述正确的是( ) A.一分子H2和Cl2反应,放出热量184.6kJ B.1molH2和Cl2完全反应生成2molHCl放出的热量为184.6kJ C.在298K、101kPa时,1mol气态H2和1mol气态Cl2完全反应生成2molHCl气体,放出的热量为184.6kJ D.在298K、101kPa时,1mol气态H2和1mol气态Cl2完全反应生成2molHCl气体,吸收的热量为184.6kJ 7.由右图分析,有关叙述正确的是( ) A.A―→B+C和B+C―→A两个反应吸收或放出的能量不等 B.A―→B+C是放热反应 C.A具有的能量高于B和C具有的能量总和 D.A―→B+C是吸热反应,则B+C―→A必然是放热反应 8.已知在相同状况下,要使同一化学键断裂需要吸收的能量等于形成该化学键放出的能量。 下列说法正确的是( ) A.电解熔融的Al2O3可以制得金属铝和氧气,该反应是一个放出热量的反应 B.水分解产生氢气和氧气时放出热量 C.相同状况下,反应2SO2+O2===2SO3是一个放热反应,则反应2SO3===2SO2+O2是一个吸热反应 D.氯化氢分解成氢气和氯气时放出热量 9.“西气东输”是西部开发的重点工程,这里的气是指天然气,其主要成分是甲烷。 工业上将碳与水在高温下反应制得水煤气,水煤气的主要成分是CO和H2,两者的体积比约为1∶1。 已知1molCO气体完全燃烧生成CO2气体放出283kJ热量;1molH2完全燃烧生成液态水放出286kJ热量;1molCH4气体完全燃烧生成CO2气体和液态水放出890kJ热量。 (1)写出H2完全燃烧生成液态水的热化学方程式: _______________________ ____________________________________________________________________; 若1molCH4气体完全燃烧生成CO2气体和水蒸气,放出的热量__________890kJ(填“>”、“=”或“<”)。 (2)忽略水煤气中其他成分,相同状况下若得到相等的热量,所需水煤气与甲烷的体积比约为________;燃烧生成的CO2的质量比约为________。 10. (1)高中教材中有这样一个实验: 在两支试管中分别加入3mL稀盐酸(均足量)(只有浓度小于1mol·L-1的稀盐酸跟Na2CO3和NaHCO3反应才能根据反应的剧烈程度区分开来,浓度较高则反应现象都是同样的剧烈),将两个各装有0.3gNaHCO3和Na2CO3粉末的小气球分别套在两支试管口上。 将气球内的NaHCO3或Na2CO3同时倒入试管中,观察到现象如下: ①试管中(填产生沉淀或气体及反应速率等相关现象)______________________ ____________________________________________________________________; ②试管中气球大小(包含试管)体积之比约为(填最简单整数比)Ⅰ∶Ⅱ=________; ③甲同学用手触摸试管,发现盛NaHCO3粉末的试管变冷,而盛Na2CO3粉末的试管温度升高。 由此他得出: 不管其状态如何,NaHCO3和盐酸反应为吸热反应,而Na2CO3和盐酸反应为放热反应。 甲得出的结论是否正确________(填“正确”或“不正确”)。 (2)为研究是吸热反应还是放热反应,继续进行了下列实验(每次实验各做3次平行实验,取平均值): (注: 每组固体全溶解且完全反应) 序号 试剂1 试剂2 混合前温度 混合后最高或最低温度 A 50mL水 2.5gNaHCO3固体 20℃ 18.5℃ B 50mL水 3.2gNa2CO3固体 20℃ 23.3℃ C 50mL稀盐酸 2.5gNaHCO3固体 20℃ 17.4℃ D 50mL稀盐酸 3.2gNa2CO3固体 20℃ 24.4℃ 请你帮助填写相关内容: 1该研究报告的题目是___________________________________________ ____________________________________________________________________; ②该实验中所用的仪器除试管、药匙(或V形纸槽)、气球、下端带环状玻璃棒、烧杯、量筒、保温瓶外,还需要的仪器名称为________和________________; ③通过上述实验可得出两条结论: a.Na2CO3溶液和盐酸的反应是______(吸热或放热)反应; b.NaHCO3溶液和盐酸的反应是______(吸热或放热)反应。 参考答案 1.答案 D 解析 放热和吸热是化学反应中能量表现的主要形式,它取决于反应物和生成物所具有的总能量的相对大小,但吸热和放热不是化学反应中能量变化的惟一形式。 反应开始需要加热,该反应可能是吸热反应,也可能是放热反应,吸热反应和放热反应在一定条件下都能发生,但特定情况下也可能都不发生。 2.答案 B 解析 A为放热反应;B为吸热反应且发生氧化还原反应;C为放热反应;D为吸热反应但不是氧化还原反应。 3.答案 C 解析 0.5molCH4完全燃烧生成CO2气体和液态H2O时,放出445kJ热量,即1molCH4完全燃烧生成CO2气体和液态H2O时,放出890kJ热量。 根据书写热化学方程式的规定,要注明物质的聚集状态,标出反应的热效应,只有C项正确。 4.答案 B 解析 由于硫固体变成硫蒸气需要吸热,故等物质的量的硫蒸气和硫固体分别完全燃烧,后者放出热量少,A错;浓硫酸稀释时放热,B正确;由C(石墨)===C(金刚石) ΔH=1.90kJ·mol-1,由吸热反应可知,金刚石能量比石墨高,所以,石墨比金刚石稳定,C错;根据燃烧热定义可知D错。 5.答案 A 解析 反应热是指反应完全进行时放出或吸收的热量。 1molN2和3molH2放在密闭容器中,在催化剂存在时进行的反应为可逆反应,是不能进行到底的,因此反应放出的热量一定小于92.0kJ。 6.答案 C 解析 7.答案 D 解析 本题考查化学反应中的能量变化,由图可知,B+C的能量高于A的能量,则反应B+C―→A一定是放热反应;反之,A―→B+C则是吸热反应。 根据能量守恒定律,两反应的反应热在数值上相等,符号相反。 8.答案 C 解析 由题意可以推测,如果一个反应过程放出热量,那么使该反应向反方向进行则需要吸收热量,所以C正确;另外氢气和氧气反应、氢气和氯气反应、铝和氧气反应都是放出热量的反应,与它们相反的反应: 水、Al2O3和氯化氢的分解都应该是吸收热量的反应,A、B、D错误。 9.答案 (1)2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)ΔH=-572kJ·mol-1 < (2)3∶1 3∶2 解析 (1)1molH2完全燃烧生成液态水放出286kJ热量,根据热化学方程式的书写要求,则2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-572kJ·mol-1。 因气态水变为液态水要放热,故1molCH4完全燃烧生成CO2和水蒸气,放出的热量小于890kJ。 (2)设放出的热量为890kJ,所需CH4的体积为Vm,则所需水煤气的体积为: ×2Vm≈3Vm故 = = 。 由CO~CO2 CH4~CO2知3体积水煤气得1.5体积CO2,1体积甲烷得1体积CO2,故燃烧生成的CO2质量比为 = 。 10.答案 (1)①两支试管中都产生大量气泡,但盛NaHCO3的试管中反应速率要快得多 ②42∶53 ③不正确 (2)①《NaHCO3、Na2CO3和盐酸反应过程中热效应的研究》 ②托盘天平 温度计 ③a.放热 b.吸热 解析 (1)①Na2CO3、NaHCO3与酸反应在同一条件下速率不同,NaHCO3反应速率更快。 ②等质量时NaHCO3放出CO2更多。 ③甲的操作方法不正确,NaHCO3反应激烈,产生CO2速率快,带出热量快,仅根据手感来确定是不科学的。 另外,结论也不正确,反应热与物质的状态有关。 (2)①研究报告的题目是根据探究的目的来定的,因此要分析整个实验,弄清实验目的,然后才能确定探究的课题。 ②是由实验原理、设计出的实验方案或装置确定所用的仪器。 Na2CO3、NaHCO3固体与盐酸反应的热效应由固体溶解和形成的溶液与盐酸反应的热效应两个部分组成。 NaHCO3(s)===Na+(aq)+HCO (aq) ΔH1>0 HCO (aq)+H+(aq)===H2O(l)+CO2(g)ΔH2>0 NaHCO3(s)+H+(aq)===Na+(aq)+H2O(l)+CO2(g) ΔH3>0 NaHCO3溶解是吸热过程,HCO (aq)和H+(aq)的反应是吸热反应,NaHCO3(s)和盐酸反应的反应热近似等于ΔH1和ΔH2之和(因为还需加上NaHCO3的饱和溶液稀释成无限稀溶液所吸收的热量),降温更明显; Na2CO3(s)===2Na+(aq)+CO (aq)ΔH4<0 CO (aq)+2H+(aq)===H2O(l)+CO2(g)ΔH5<0 Na2CO3(s)+2H+(aq)===2Na+(aq)+H2O(l)+CO2(g) ΔH6<0 Na2CO3的溶解是放热过程,CO (aq)和H+(aq)的反应是放热反应,Na2CO3(s)和盐酸反应的反应热近似等于ΔH4和ΔH5之和(因为还需加上Na2CO3的饱和溶液稀释成无限稀溶液所吸收的热量),升温更明显。 由于NaHCO3固体溶解过程吸收的热量(ΔH1)小于NaHCO3固体与盐酸反应吸收的热量(ΔH3),即ΔH1<ΔH3,而(近似于)ΔH3=ΔH1+ΔH2,即所得到ΔH2>0,所以说明盐酸与NaHCO3溶液反应为吸热反应。 同理Na2CO3溶液和盐酸的反应是放热反应。
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