创新方案学年高中化学 第二章 化学反应与能量学案 新人教版必修2.docx
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创新方案学年高中化学第二章化学反应与能量学案新人教版必修2
第二章化学反应与能量
【目标导学】
1.知道化学键的断裂与形成是化学反应中能量变化的主要原因。
2.通过生产、生活中的实例了解化学能与热能的相互转化。
3.了解能量转化在生产、生活中的应用。
[基础梳理]
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
(1)原因
(2)实例
断裂1molH—H键(H—H―→2H)吸收436kJ能量,形成1molH—H键(2H―→H—H)释放436kJ能量;
断裂4molC—H键(CH4―→C+4H)吸收1660kJ能量,形成1molC—H键(C+H―→C—H)释放415kJ能量。
(3)结论:
化学键的断裂与形成是物质在化学反应中发生能量变化的主要原因。
①Q(吸)>Q(放):
反应吸收能量。
②Q(吸)<Q(放):
反应释放能量。
2.化学反应中能量变化的决定因素
结论:
化学反应中的能量变化取决于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。
二、化学能与热能的相互转化
1.两条基本的自然定律
(1)质量守恒定律:
物质转化时,总质量保持不变。
(2)能量守恒定律:
能量转化时,总能量保持不变。
2.化学能与热能的相互转化
(1)化学能转化为热能:
①盐酸与铝反应后,溶液温度升高,说明该反应是放热反应。
②Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应,烧杯变凉,玻璃片与烧杯间的水结成冰将它们粘在一起,说明该反应是吸热反应。
其化学方程式为Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl===BaCl2+2NH3↑+10H2O。
③中和热:
酸与碱发生中和反应生成1_mol_H2O时所释放的热量。
(2)热能转化为化学能:
人们利用热能可以促使化学反应的发生,从而探索物质的组成、性质或制备所需的物质,如高温冶炼金属、分解化合物等。
三、生物体中的能量转化
1.植物:
2.人:
淀粉等能量物质在体内的变化为:
化学能―→热能。
四、人类利用能源的三个阶段
[牛刀小试]
1.判断正误
(1)只要有化学键的断裂,一定发生化学反应。
( )
(2)断裂化学键释放出能量而生成新键则吸收能量。
( )
(3)当反应物的总能量大于生成物的总能量时,化学反应吸收能量。
( )
(4)化学反应的过程实际上是一个旧键断裂的过程。
( )
(5)化学反应必然伴随着能量变化。
( )
(6)化学反应中的能量变化全部是以热量的形式变化的。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×
2.想一想,连一连。
答案:
(1)—BE
(2)—ACD
3.下列说法中,正确的是( )
A.物质发生化学反应时不一定伴随着能量变化
B.伴随能量变化的物质变化都是化学变化
C.在一个确定的化学反应中,反应物的总能量与生成物的总能量一定不同
D.在一个确定的化学反应中,反应物的总能量总是高于生成物的总能量
解析:
选C 化学反应过程中一定伴随着能量的变化,A项错误;有些变化过程中伴随着能量变化,若该过程中没有化学键的变化,故该过程是物理变化非化学变化,如水的三态之间的变化,B项错误;一个确定的化学反应中反应物的总能量大于或小于生成物的总能量,但二者一定不同,故C项正确,D项错误。
4.某化学反应中,设反应物的总能量为E1,生成物的总能量为E2。
(1)若E1>E2,则该反应为________(填“放热”或“吸热”)反应。
该反应可用图________(填“A”或“B”)表示。
(2)若E1<E2,则该反应为________(填“放热”或“吸热”)反应。
该反应可用图________(填“A”或“B”)表示。
解析:
反应物总能量大于生成物总能量,为放热反应,应用图A表示;反应物总能量小于生成物总能量,为吸热反应,用图B表示。
答案:
(1)放热 A
(2)吸热 B
问题一 吸热反应与放热反应
[讲重点]
1.对吸热反应和放热反应的理解
用E表示物质自身的能量,用Q表示热量:
Q(吸)表示反应物中断裂旧化学键吸收的热量,Q(放)表示生成物中形成新化学键放出的热量。
吸热反应
放热反应
能量角度(宏观)
图示
变化
E(反应物) E(反应物)>E(生成物) 化学键变化(微观) Q(吸)>Q(放) Q(吸) 2.常见的吸热反应和放热反应 [特别提醒] 吸热反应和放热反应都是指化学反应,化学反应过程中都伴随着能量变化,但有能量变化的过程不一定是化学反应,如物质溶解产生的热量变化(NaOH溶解放热、NH4NO3溶解吸热)、稀释溶液引起的热量变化(浓硫酸用水稀释时放热)以及物质的三态(气态、液态、固态)变化引起的能量变化,都不是吸热反应或放热反应。 [举典例] 例题1 已知X+Y===M+N反应中的能量变化过程如图,则下列有关说法正确的是( ) 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小于形成生成物中化学键所放出的能量 D.X和Y的总能量一定低于M和N的总能量 [解析] 一个确定的化学反应是吸热还是放热,取决于反应物的总能量和生成物的总能量的相对大小;或取决于断开反应物中的化学键所吸收的总能量和形成生成物中的化学键所放出的总能量的相对大小。 [答案] D 吸热反应和放热反应的判断方法 (1)根据反应物和生成物的总能量大小判断——反应物的总能量大于生成物的总能量的反应为放热反应,反之为吸热反应。 (2)根据化学键断裂和形成时能量变化大小关系判断——破坏反应物中化学键吸收的总能量大于形成生成物中化学键放出的总能量的反应为吸热反应,反之为放热反应。 (3)根据经验规律判断——用常见的吸热反应和放热反应的反应类型来判断。 (4)根据生成物和反应物的相对稳定性判断——由稳定的物质生成不稳定的物质的反应为吸热反应,反之为放热反应。 (5)根据反应条件判断——凡是需持续加热才能进行的反应一般为吸热反应。 反之,一般为放热反应。 问题二 利用化学键数据计算化学反应中的能量变化 [讲重点] 1.过程分析 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: 断裂化学键 吸收的能量 形成化学键 放出的能量 H2 Cl2 HCl 1mol化学键 436kJ 243kJ 431kJ H2+Cl2 ===2HCl 共吸收436kJ+243kJ=679kJ 共放出862kJ 679kJ-862kJ=-183kJ,即反应放出183kJ热量 2.计算公式 利用化学键的能量变化计算化学反应中的能量变化: ΔQ=Q(吸)-Q(放) [特别提醒] (1)原子形成1mol化学键所放出的能量与断开1mol该化学键所吸收的能量相等。 (2)化学反应中能量变化遵循“能量守恒”,即能量既不能再生,也不能消失,只能由一种形式转化为另一种形式,在化学反应中,能量变化通常以热能、光能、机械能等形式表现出来,故在化学反应中,释放的能量大于放出的热量。 [举典例] 例题2 已知1g氢气完全燃烧生成水蒸气时放出能量121kJ,且氧气中1molO===O键完全断裂时需要吸收能量496kJ,水蒸气中1molH—O键形成时放出能量463kJ,则氢气中1molH—H键断裂时吸收能量为( ) A.920kJ B.557kJ C.436kJD.188kJ [解析] 由1gH2完全燃烧生成水蒸气时放出能量121kJ可知: 2gH2(即含1molH—H键)完全燃烧生成水蒸气时放出能量为121kJ×2=242kJ。 由化学方程式H2(g)+ O2(g) H2O(g),可设1molH—H键断裂吸收的能量为Q,则: Q+ ×496kJ-2×463kJ=-242kJ,得Q=436kJ。 [答案] C 利用化学键计算反应能量变化的注意点 化学反应中能量的变化值=反应物断裂化学键吸收的总能量-生成物形成化学键放出的总能量。 利用这一公式计算时要特别注意: (1)既可以利用化学键断裂(或形成)吸收(或放出)的能量计算化学反应的能量变化,又可以根据化学反应的能量变化计算某一个具体化学键断裂(或形成)吸收(或放出)的能量。 (2)计算得到的能量的变化值如果为正值,则该反应为吸热反应;如果是负值,则该反应为放热反应。 题组一 化学反应中的能量变化 1.下列关于化学反应的说法中不正确的是( ) A.化学反应过程中一定有热量释放出来 B.化学反应的特征是有新物质生成 C.化学反应的过程实际上是一个旧键断裂、新键形成的过程 D.在一确定的化学反应关系中,反应物的总能量与生成物的总能量一定不相等 解析: 选A 化学反应的本质特征是一定有新物质生成。 化学反应是吸热还是放热,取决于反应物总能量与生成物总能量的相对大小,或旧键断裂吸收能量与新键形成放出能量的相对大小。 2.下列说法正确的是( ) A.任何化学反应都伴随着能量的变化 B.H2O(g)―→H2O(l)该过程放出大量的热,所以该过程是化学变化 C.化学反应中能量的变化都表现为热量的变化 D.对于如图所示的过程,是吸收能量的过程 解析: 选A 任何化学反应都有能量的变化,但有能量变化的过程不一定是化学变化,如物质的三态变化,虽然存在能量变化,但不存在旧化学键的断裂与新化学键的形成,故不是化学变化,B项错误;化学反应中能量变化的形式有多种,除热能外,还有光能、电能等,C项错误;由图像知,该过程中反应物的总能量大于生成物的总能量,故该过程中放出了能量,D项错误。 3.如图所示,在小试管里加入2g新制备的无水硫酸铜,把小试管套在具支试管内。 在U形管内加入少量红墨水。 打开T形管螺旋夹,使U形管内两边的液面处于同一水平面。 再夹紧螺旋夹,把水滴入小试管内,白色的无水硫酸铜完全变成蓝色的五水硫酸铜晶体,可观察到U形管右侧的液面立即下降,左侧的液面上升。 (1)①写出上述反应的化学方程式: ________________________________________________________________________, ②该反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。 ③反应中的硫酸铜和水具有的总能量________(填“大于”或“小于”)硫酸铜晶体的总能量。 (2)如果U形管内两边的液面处于同一水平面后,在小试管内先加入Ba(OH)2·8H2O晶体,再加入NH4Cl固体,用玻璃棒不断搅拌,则可观察到U形管中的现象为________________________________________________________________________。 解析: (1)滴入水后,CuSO4+5H2O===CuSO4·5H2O,由现象U形管右侧液面下降,左侧液面上升,可知是具支试管内气体受热膨胀,压强增大所致,所以此反应是放热反应,CuSO4和H2O的总能量大于CuSO4·5H2O的总能量。 (2)Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl===BaCl2+2NH3↑+10H2O,反应吸热,导致具支试管内气体压强减小,U形管中右侧液面上升,左侧液面下降。 答案: (1)①CuSO4+5H2O===CuSO4·5H2O ②放热 ③大于 (2)U形管右侧液面上升,左侧液面下降 题组二 放热反应和吸热反应的判断 4.下列说法中正确的是( ) ①需要加热才能发生的反应一定是吸热反应 ②放热反应在常温下一定很容易发生 ③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相对大小 ④放热反应加热到一定温度引发后,停止加热反应也能继续进行 A.③④ B.①② C.①②③④D.②③④ 解析: 选A 需加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如木炭燃烧反应;放热反应常温下不一定容易发生,如木炭燃烧反应;反应是放热还是吸热取决于反应物、生成物所具有的总能量的相对大小;由于放热反应在反应过程中放出热量,可以维持反应继续进行,所以停止加热后反应也可以继续进行。 5.下列反应属于放热反应的是( ) A.氢氧化钡晶体和氯化铵晶体的反应 B.能量变化如图所示的反应 C.化学键断裂吸收的热量比化学键形成放出的热量多的反应 D.燃烧反应和酸碱中和反应 解析: 选D 氢氧化钡晶体和氯化铵晶体的反应属于吸热反应;如图所示,生成物的总能量比反应物的总能量大的反应为吸热反应;化学键断裂吸收的热量比化学键形成放出的热量多的反应为吸热反应。 6.某同学做如下实验,以检验反应中的能量变化。 (1)实验中发现反应后(a)中温度升高,由此可以判断(a)中反应是________(填“吸”或“放”,下同)热反应;(b)中温度降低,由此可以判断(b)中反应是________热反应。 (2)写出(a)中反应的离子方程式: ________________________________________________________________________。 (3)根据能量守恒定律,(b)中反应物的总能量应该________(填“高于”、“等于”或“低于”)其生成物的总能量。 解析: (1)反应后(a)中温度升高,(b)中温度降低,说明(a)中反应为放热反应,(b)中反应为吸热反应。 (2)铝与盐酸反应的离子方程式为2Al+6H+===2Al3++3H2↑。 (3)(b)中反应为吸热反应,根据能量守恒定律,(b)中反应物的总能量低于其生成物的总能量。 答案: (1)放 吸 (2)2Al+6H+===2Al3++3H2↑ (3)低于 题组三 化学反应中能量变化的计算 7.化学反应A2+B2===2AB的能量变化如图所示,则下列说法正确的是( ) A.该反应是吸热反应 B.断裂1molA—A键和1molB—B键能放出xkJ能量 C.断裂2molA—B键需要吸收ykJ的能量 D.2molAB的总能量高于1molA2和1molB2的总能量 解析: 选C 由图示知反应物总能量高于生成物总能量,该反应是放热反应,A、D项错误;断键时吸收能量,B项错误。 8.(重庆高考改编)SF6是一种优良的绝缘气体,分子结构中只存在SF键。 已知: 1molS(s)转化为气态硫原子吸收能量280kJ,断裂1molF—F、S—F键需吸收的能量分别为160kJ、330kJ。 则反应S(s)+3F2(g)===SF6(g)的能量变化为( ) A.放出1780kJ的能量 B.放出1220kJ的能量 C.放出450kJ的能量 D.吸收430kJ的能量 解析: 选B 断开3molFF键共需要吸收160kJ×3的能量,1molS变成气态需要吸收280kJ的能量,反应共吸收的能量为760kJ。 生成1molSF6释放330kJ×6=1980kJ的能量,因此反应S(s)+3F2(g)===SF6(g)放出能量: 1980kJ-760kJ=1220kJ。 9.表中的数据是破坏1mol物质中的化学键所消耗的能量: 物质 Cl2 Br2 I2 HCl HBr HI H2 能量(kJ) 243 193 151 432 366 298 436 根据上述数据回答下列问题: (1)下列物质本身具有的能量最低的是________。 A.H2 B.Cl2 C.Br2 D.I2 (2)下列氢化物中最稳定的是________。 A.HClB.HBrC.HI (3)X2+H2===2HX(X代表Cl、Br、I)的反应是吸热反应还是放热反应? ____________。 (4)相同条件下,X2(X代表Cl、Br、I)分别与氢气反应,当消耗等物质的量的氢气时,放出或吸收的热量最多的是____________。 解析: (1)、 (2)破坏1mol物质中的化学键所消耗的能量越大,则物质越稳定,所具有的能量越低。 (3)、(4)以氯元素为例计算断开1molCl—Cl键和H—H键需吸收能量: 243kJ+436kJ=679kJ,而形成2molHCl放出的能量为2×432kJ=864kJ,所以在Cl2+H2===2HCl反应中放出864kJ-679kJ=185kJ的热量,同理可计算在Br2+H2===2HBr、I2+H22HI反应中分别放出103kJ、9kJ的热量。 答案: (1)A (2)A (3)放热反应 (4)Cl2 (1)化学反应吸热还是放热取决于反应物总能量(E1)和生成物总能量(E2)的相对大小。 若E1>E2,则为放热反应;若E1 (2)若反应中,断裂反应物中的化学键吸收能量为Q(吸),形成生成物中的化学键放出能量为Q(放),则化学反应过程中的能量变为ΔQ=Q(吸)-Q(放),若ΔQ<0则为放热反应,若ΔQ>0则为吸热反应。 (3)①常见的放热反应: 所有的燃烧反应、酸碱中和反应、金属与酸的反应、绝大多数的化合反应。 ②常见的吸热反应: Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应,以C、H2、CO为还原剂的氧化还原反应,大多数的分解反应。 [对应学生用书 课时达标训练(四)] 一、选择题 1.下列说法不正确的是( ) A.利用太阳能等清洁能源代替化石燃料,有利于节约资源、保护环境 B.中和反应都是放热反应 C.已知金刚石在一定条件下转化成石墨是放热的,所以金刚石比石墨稳定 D.生石灰放入水中会显著放热 解析: 选C 金刚石在一定条件下转化成石墨是放热的反应,说明金刚石能量大于石墨的能量,能量越低的物质越稳定,即石墨比金刚石稳定,C项不正确。 2.下列关于化学反应与能量的说法不正确的是( ) A.化学反应一定遵循质量守恒定律和能量守恒定律 B.能量变化是化学反应的基本特征之一 C.化学变化中的能量变化主要是由化学键变化引起的 D.在一个确定的化学反应中,反应物的总能量总是高于生成物的总能量 解析: 选D 在一个确定的化学反应中,若反应物的总能量高于生成物的总能量,则化学反应放出能量;若反应物的总能量低于生成物的总能量,则化学反应吸收能量。 3.根据图示提供的信息,下列所得结论不正确的是( ) A.该反应为吸热反应 B.该反应一定有能量转化成了化学能 C.反应物比生成物稳定 D.因为生成物的总能量高于反应物的总能量,所以该反应不需要加热 解析: 选D 由图可知,生成物的总能量高于反应物的总能量,故一定有其他的能量转化成了化学能,该反应应为吸热反应,A、B正确;物质能量越低越稳定,C正确;吸热反应一般需要加热才能发生,D错误。 4.[双选]根据下面的信息,判断下列叙述正确的是( ) A.氢气跟氧气反应生成水的同时释放能量 B.氢气跟氧气反应生成水的同时吸收能量 C.1molH2跟 molO2反应生成1molH2O一定释放能量245kJ D.2molH2(g)跟1molO2(g)反应生成2molH2O(g)释放能量490kJ 解析: 选A、D ΔQ=Q(吸)-Q(放)=436kJ+249kJ-930kJ=-245kJ,因为ΔQ<0,所以该反应为放热反应,故A项正确,B项错误;生成2molH2O(g)时应放热2×245kJ=490kJ,故D项正确;C项中缺少物质的状态,所以释放的能量不一定是245kJ。 5.氢气在氯气中燃烧时发出苍白色火焰,在反应过程中,破坏1mol氢气中的化学键消耗的能量为akJ,破坏1mol氯气中的化学键消耗的能量为bkJ,形成1molHCl中的化学键释放的能量为ckJ。 下列关系中正确的是( ) A.a+b>c B.a+b>2c C.a+b 解析: 选D 断开1molH2中的化学键与断开1molCl2中的化学键消耗的总能量为(a+b)kJ,而形成2molHCl中的化学键放出总能量为2ckJ,因为H2与Cl2的反应是放热反应且释放了光能,故a+b<2c。 6.下列变化中属于吸热反应的是( ) ①液态水汽化 ②将胆矾加热变为白色粉末 ③苛性钠固体溶于水 ④氯酸钾分解制氧气 ⑤生石灰跟水反应生成熟石灰 ⑥干冰升华 A.①④ B.②④C.③⑤ D.④⑥ 解析: 选B 注意吸热或放热过程与吸热反应或放热反应的区别。 ②CuSO4·5H2O受热分解生成CuSO4和H2O,属于吸热反应。 ④KClO3分解是吸热反应。 ⑤是放热反应,①③⑥均为物理变化。 7. 有下列物质: ①NaOH固体;②浓硫酸;③NH4NO3晶体;④CaO固体。 现将它们分别装入有水的锥形瓶里,立即塞紧带U形管的塞子,发现U形管内滴有红墨水的液面呈现如图所示状态,判断加入的物质可能是( ) A.①②③④B.①②④ C.②③④D.①②③ 解析: 选B U形管内右侧液面高于左侧,说明锥形瓶中气体受热膨胀,NaOH固体、浓硫酸溶于水放热,NH4NO3晶体溶于水吸热,CaO与水反应放热。 8.已知2SO2+O2 2SO3为放热反应,对该反应的下列说法中正确的是( ) A.O2的能量一定高于SO2的能量 B.SO2和O2的总能量一定高于SO3的总能量 C.SO2的能量一定高于SO3的能量 D.因该反应为放热反应,故不必加热就可发生 解析: 选B 判断一个反应是放热反应还是吸热反应,关键看反应物的总能量与生成物的总能量的差值。 反应物的总能量高于生成物的总能量,反应放热,B项正确,A项和C项错误;放热反应只表明反应物总能量比生成物总能量高,而加热是反应的条件,两者无必然联系,许多放热反应也必须加热才能开始进行。 9.近年来各大型运动会所用火炬的燃料多采用丙烷,其燃烧时发生反应的化学方程式为C3H8+5O2 3CO2+4H2O。 下列说法中不正确的是( ) A.火炬燃烧时化学能只转化为热能 B.所有的燃烧反应都会释放热量 C.1molC3H8和5molO2所具有的总能量大于3molCO2和4molH2O所具有的总能量 D.丙烷完全燃烧的产物对环境无污染,故丙烷为环保型燃料 解析: 选A 火炬燃烧时,化学能转化为热能和光能,A不正确;所有的燃烧反应都属于放热反应,B正确;依据反应物总能量与生成物总能量的相对大小和放热(吸热)反应的关系可知,C正确;因为丙烷燃烧的产物是CO2和H2O,对环境无污染,D正确。 10.下列说法正确的是( ) A.由H原子形成1molH—H键要吸收热量 B.N2性质非常稳定,是因为N2分子中含有氮氮三键,要破坏氮氮三键需吸收更多的能量 C.在稀溶液中,酸与碱发生中和反应生成H2O时所释放的热量称为中和热 D.伴有能量变化的物质变化都是化学变化 解析: 选B 形成新化学键需要放出热量,故A不正确;物质本身的能量越低,键能越大,越稳定,破坏化学键需要的能量也就越多,故B正确;在稀溶液中,酸与碱发生中和反应生成1molH2O时所释放的热量称为中和热,C不正确;水变为冰,放出热量,但属物理变化,D不正确。 11.制造太阳能电池需要高纯度的硅,工业上制高纯度的硅常用以下化学反应实现: ①Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+
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