第1节 化学反应的热效应.docx

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第1节化学反应的热效应

第1章　化学反应与能量转化

第1节　化学反应的热效应

1.了解反应热的定义，了解反应热效应的定量描述与反应条件有关。

2.初步学习测定反应热的基本原理和方法。

3.了解反应焓变的定义，明确反应焓变与反应热的关系。

4.能正确书写热化学方程式，能结合实例说明热化学方程式所表示的含义。

5.了解盖斯定律，并能运用盖斯定律进行有关反应焓变的简单计算。

6.了解化学反应能量变化的实质，能举例说明化学能与热能的相互转化。

一、化学反应的反应热

1．反应热

（1）概念：

化学上规定，当化学反应在一定的温度下进行时，反应所___释放或吸收___的热量称为该反应在此温度下的热效应，简称为反应热。

（2）符号：

用Q表示，Q＞0，表示__反应吸热_；Q＜0，表示_反应放热__。

2.反应热的测定

（1）主要仪器：

__量热计_，它由内外两个筒组成，内筒是__反应容器__，外筒起__保温__作用。

（2）操作：

将反应物加入__内_筒并将之迅速混合，测量反应前后溶液温度的变化值。

（3）计算：

公式为__Q＝－C（T2－T1）__。

其中，C表示溶液及量热计的_热容_，T1、T2分别表示反应前和反应后体系的_温度_。

二、化学反应的焓变

1．焓：

用来描述物质所具有的的__能量_物理量，符号：

__H_，单位：

___kJ·mol－1__，用它的变化来描述化学反应的__反应热_。

2．反应焓变

（1）定义：

反应产物的总焓与反应物的总焓之差，符号：

_ΔH_。

（2）表达式：

ΔH＝_H（反应产物）－H（反应物）___。

（3）意义：

如果ΔH＞0，即反应产物的焓大于反应物的焓，说明反应是_吸收_能量的，为吸热反应；若ΔH＜0，即反应产物的焓小于反应物的焓，说明反应是___释放__能量的，为放热反应。

思考

1．如何从微观与宏观角度判断一个化学反应是放热反应还是吸热反应？

答案：

从宏观角度，反应物的总能量大于生成物，是放热反应；反应物的总能量小于生成物，是吸热反应。

从微观角度，化学键的断裂所吸收的能量大于化学键的形成所释放的能量，是吸热反应；化学键的断裂所吸收的能量小于化学键的形成所释放得能量，是放热反应。

三、热化学方程式

1．定义

在热化学中，将一个化学反应的__物质__变化和反应的_焓变_同时表示出来的化学方程式。

2．意义

热化学方程式不仅表示__物质_的变化，还表明了__能量_的变化。

例如：

C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g）

ΔH＝131.3kJ·mol－1，表示在_298K__和__101kPa_的条件下，___1mol_C（s）和__

1mol___H2O（g）完全反应生成1molCO（g）和1molH2（g）时__吸收_的热量为131.3kJ。

3．书写热化学方程式的注意事项

（1）要在物质的__化学式_后面用括号注明物质的_聚集状态__。

一般用英文字母g、l和s分别表示物质为__气_态、__液_态和___固_态。

水溶液中的溶质则用___aq__表示。

（2）ΔH后要注明__反应条件__，因为在不同__条件___下进行同一反应，其__能量变化__是不同的。

在溶液中的反应应注明___温度__以及___溶液__的浓度。

（3）ΔH的单位是_J·mol－1___或__kJ·mol－1__。

（4）若化学方程式中各物质的__化学计量数__加倍，则ΔH的__绝对值__也加倍，因此热化学方程式中各物质的化学计量数只表示反应中各物质的__物质的量__，而不表示粒子个数；若反应逆向进行，则ΔH改变___符号__，但ΔH的_绝对值___不变。

思考

2．热化学方程式和普通的化学方程式有何不同？

答案：

（1）热化学方程式要用ΔH表示出反应的热效应，普通的化学方程式不用表示；

（2）热化学方程式的系数表示的是参加反应的物质的量，可以整数，也可以是分数，普通的化学方程式的系数只能是整数；

（3）热化学方程式要标明参加反应的物质的状态，普通的化学方程式不用标明；

（4）热化学方程式不仅表示出化学反应的物质变化，还能表示出能量变化，普通的化学方程式仅能表示物质的变化。

四、反应焓变的计算

1．盖斯定律

对于一个化学反应，无论是___一步完成还是分几步完成___，其反应焓变都是一样的。

即化学反应的焓变只与反应体系的__始态和终态__有关，与反应进行的具体__途径__无关。

2．计算方法

应用盖斯定律可以间接地计算一些难以通过实验测量的反应的焓变。

则ΔH＝__ΔH1＋ΔH2____＝____ΔH3＋ΔH4＋ΔH5___。

活学

活用

1．下列反应中，生成物的总焓大于反应物的总焓的是（　　）

A．氢气在氧气中燃烧　B．铁丝在氧气中燃烧

C．硫在氧气中燃烧D．焦炭在高温下与水蒸气反应

解析：

生成物的总焓大于反应物的总焓，该反应为吸热反应，故D项正确。

答案：

D

2．热化学方程式C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g）

ΔH＝＋131.3kJ·mol－1表示（　　）

A．碳和水反应吸收131.3kJ能量

B．1mol碳和1mol水反应生成一氧化碳和氢气并吸收131.3kJ热量

C．1mol固态碳和1mol水蒸气反应生成一氧化碳气体和氢气，并吸热131.3kJ

D．1个固态碳原子和1分子水蒸气反应吸收131.3kJ热量

解析：

物质的量的多少未描述，状态也未描述，故A项错误；反应物和生成物的状态未标出，故B项错误；阐明意义时既说明物质的状态又描述了物质的量的多少，故C项正确；化学式前的计量数表该物质的量，1个固态碳原子和1分子水蒸气反应吸热131.3kJ/NA，故D项错误。

答案：

C

3．在298K、100kPa时，已知：

2H2O（g）===2H2（g）＋O2（g）　ΔH1;H2（g）＋Cl2（g）===2HCl（g）　ΔH2

2Cl2（g）＋2H2O（g）===4HCl（g）＋O2（g）　ΔH3

则ΔH3与ΔH1和ΔH2间的关系正确的是（　　）

A．ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2B．ΔH3＝ΔH1＋ΔH2

C．ΔH3＝ΔH1－2ΔH2D．ΔH3＝ΔH1－ΔH2

解析：

①2H2O（g）===2H2（g）＋O2（g）　ΔH1；

②H2（g）＋Cl2（g）===2HCl（g）　ΔH2；

③2Cl2（g）＋2H2O（g）===4HCl（g）＋O2（g）　ΔH3；

则反应③＝①＋2×②，

由盖斯定律可知，ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2。

答案：

A

知识点一　化学反应的反应热中的概念辨析

1．放热反应与吸热反应的异同（见下表）

　类型比较　

放热反应

吸热反应

定义

有热量放出的化学反应

吸收热量的化学反应

形成

原因

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

与化学

键强弱

的关系

生成物分子成键时释放的总能量大于反应物分子断裂时吸收的总能量

生成物分子成键时释放的总能量小于反应物分子断裂时吸收的总能量

表示方法

ΔH＜0

ΔH＞0

图示

实例

H2（g）＋Cl2（g）===2HCl（g）

ΔH＝－184.6kJ·mol－1

C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g）

ΔH＝＋131.3kJ·mol－1

温馨

提示

（1）无论是放热反应还是吸热反应都是指化学反应（即化学变化）而不仅仅是放出或吸收热量。

如浓H2SO4溶于水时是放热过程而非放热反应，NH4NO3溶于水时是吸热过程却不是吸热反应。

即放热（吸热）过程与放热（吸热）反应的实质是不一样的。

（2）物质三态的变化是放（或吸）热的过程。

如图所示为物质的气、液、固三态的变化与吸收或放出热量的关系。

2．中和热

概念：

在稀溶液中，酸和碱发生中和反应生成1mol水时所放出的热量。

（1）对于强酸和强碱的稀溶液反应，其中和热基本上是相等的，都约是57.3kJ·mol－1。

H＋（aq）＋OH－（aq）===H2O（l）　ΔH＝－57.3kJ·mol－1。

（2）对于强酸和弱碱（或弱酸和强碱）的稀溶液反应，中和热一般低于57.3kJ·mol－1，因为弱电解质的电离是吸热的。

如：

CH3COOH（aq）＋OH－（aq）===CH3COO－（aq）＋H2O（l）　ΔH＝－akJ·mol－1（其中a＜57.3）。

（3）中和反应的实质是H＋和OH－中和生成H2O。

若反应过程中有其他物质生成（如生成不溶性物质或难电离的其他物质等），这部分反应热不在中和热内。

3．燃烧热

概念：

25℃、101kPa时，1mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热。

单位为kJ·mol－1。

温馨提示

（1）燃烧热是反应热中的一种具体表现形式，Q为负值。

（2）25℃、101kPa时，1mol可燃物完全燃烧生成稳定的化合物。

（3）燃烧热通常是由实验测得的。

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

C．该反应不需要加热就能进行

D．1molCO2（g）和1molH2（g）反应生成1molCO（g）和1molH2O（g）要放出41kJ热量

解析：

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，但并不是不需要加热；当1molCO2（g）和1molH2（g）反应生成1molCO（g）和1molH2O（g）时，要吸收41kJ热量。

答案：

B

思路点拨：

反应物总能量大于反应产物总能量的反应为放热反应，其逆过程为吸热反应，与反应条件无必然的联系。

应用

1．下列物质间的反应，其能量变化符合右图的是（　　）

A．由Zn和稀H2SO4制氢气

B．灼热的炭粉与二氧化碳反应

C．Ba（OH）2·8H2O晶体和NH4Cl晶体混合

D．碳酸钙的分解

解析：

反应物具有的总能量高于生成物具有的总能量，该反应为放热反应。

活泼金属与酸反应是放热反应，故A项正确；碳与二氧化碳的反应、Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl的反应、碳酸钙高温分解都是吸热反应，故B、C、D三项错误。

答案：

A

知识点二　热化学方程式的书写及判断

1．热化学方程式书写的基本步骤

第一步写出化学反应方程式；第二步依据题目信息注明物质状态；第三步计算焓变数值；第四步确定焓变的符号（即正负号）；最后写出热化学方程式。

2．书写热化学方程式应注意的问题

（1）反应的焓变与各反应物和生成物的聚集状态有关，因此必须在方程式中每种物质的化学式后面必须用括号注明物质的聚集状态（s、l、g），不用标“↑”或“↓”，水溶液中的溶质则用“aq”表示。

（2）焓变与温度和压强等测定条件有关，所以书写时必须指明反应的温度和压强（298K、101kPa时，可不注明）。

（3）化学计量数只表示该物质的物质的量，不表示分子个数或原子个数。

（4）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。

若ΔH为“－”，表示反应为放热反应；若ΔH为“＋”，则表示反应为吸热反应。

（5）由于ΔH与反应完成的物质的量有关，所以方程式前面的化学计量数必须与ΔH相对应，若化学方程式中各物质的化学计量数加倍，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。

温馨

提示

比较反应热ΔH的相对大小时，注意ΔH的符号，即要带“＋”、“－”号比较，但比较反应放出或吸收的热量多少时要去掉“＋”、“－”号。

例2已知在25℃、101kPa时，1gC8H18燃烧生成CO2和H2O（l）时放出48.40kJ的热量，表示上述反应的热化学方程式正确的是（　　）

解析：

本题考查热化学方程式的书写，应注意以下几点：

①标明各物质的聚集状态，A中H2O的状态标错；②标明吸热还是放热，ΔH＞0时为吸热，ΔH＜0时为放热，本题放热ΔH＜0，故C错；③物质变化和能量变化要对应，显然D错。

答案：

B

思路点拨：

热化学方程式正误判断的“四看”：

“一看”化学原理是否正确；

“二看”状态是否标明；

“三看”反应热符号及单位是否正确；

“四看”反应热数值是否与系数和状态相对应。

应用

2．已知充分燃烧ag乙炔气体时生成1mol二氧化碳气体和液态水，并放出热量bkJ，则乙炔燃烧的热化学方程式正确的是（　　）

A．2C2H2（g）＋5O2（g）===4CO2（g）＋2H2O（l）　ΔH＝－4bkJ/mol

B．C2H2（g）＋5O2（g）===2CO2（g）＋H2O（l）　ΔH＝2bkJ/mol

C．2C2H2（g）＋5O2（g）===4CO2（g）＋2H2O（l）　ΔH＝－2bkJ/mol

D．2C2H2（g）＋5O2（g）===4CO2（g）＋2H2O（l）　ΔH＝bkJ/mol

解析：

乙炔燃烧是放热反应，ΔH＜0，故排除B、D两项；又因反应生成1mol二氧化碳时，放出热量为bkJ，则生成4molCO2应放出热量4bkJ，故A正确，C不正确。

答案：

A

知识点三　反应焓变的计算

1．根据热化学方程式进行计算：

焓变与反应物各物质的物质的量成正比。

如：

2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）　ΔH1＝－571.6kJ·mol－1，生成2molH2O（l），ΔH＝－571.6kJ·mol－1；生成1molH2O（l），ΔH＝－285.8kJ·mol－1。

2．根据反应物和生成物的总焓计算：

ΔH＝H（反应产物）－H（反应物）。

3．依据反应物化学键断裂与生成物化学键形成过程中的能量变化计算：

ΔH＝反应物的化学键断裂吸收的能量－生成物的化学键形成释放的能量＝反应物总键能－生成物总键能。

4．根据盖斯定律的计算。

5．根据比热公式求算：

Q＝－C·m·Δt。

例3共价键都有键能之说，键能是指拆开1mol共价键需要吸收的能量或者形成1mol共价键所放出的能量。

如H—H键的键能是436kJ/mol，H—Cl键的键能是431kJ/mol，Cl—Cl键的键能是247kJ/mol，H2和Cl2反应生成1molHCl放出的热量是（　　）

A．431kJ　　　　　　　B．179kJ

C．89.5kJD．以上说法都不对

解析：

在反应H2＋Cl22HCl中，断裂1molH—H键，1molCl—Cl键共吸收的能量为：

436kJ＋247kJ＝683kJ，生成2molHCl，共形成2molH—Cl键，放出的能量为：

2×431kJ＝862kJ，吸收的能量少，放出的能量多，该反应为放热反应，放出的热量为：

863kJ－672kJ＝179kJ，所以H2和Cl2反应生成1molHCl放出的热量是为89.5kJ，故选C。

答案：

C

应用

3．据下面的信息，判断下列叙述中正确的是（　　）

A．氢气与氧气反应生成水的同时吸收能量

B．氢气与氧气反应生成水，该反应的反应物的总能量小于生成物的总能量

C．1molH2（g）与0.5molO2（g）反应生成1molH2O（l），释放能量245kJ

D．2molH2（g）与1molO2（g）反应生成2molH2O（g），释放能量490kJ

解析：

依据反应的热效应＝反应物键能之和－生成物的键能之和＝436kJ＋249kJ－930kJ＝－245kJ；所以反应是放热反应；热化学方程式为：

H2（g）＋O2（g）===H2O（g）　ΔH＝－245kJ/mol。

氢气与氧气反应生成水的同时放出能量，故A项错误；氢气与氧气反应生成水是放热反应，根据能量守恒，该反应的反应物的总能量大于生成物的总能量，故B项错误；1molH2（g）与0.5molO2（g）反应生成1molH2O（g），释放能量245kJ，气态水变为液态水时放出热量，所以1molH2（g）与0.5molO2（g）反应生成1molH2O（l），释放能量大于245kJ，故C项错误；依据反应的热化学方程式H2（g）＋O2（g）===H2O（g）　ΔH＝－245kJ/mol，可知同乘以2得到2H2（g）＋O2（g）===2H2O（g）　ΔH＝－490kJ/mol，故D项正确。

答案：

D

例4发射卫星时可用肼（N2H4）为燃料，用二氧化氮为氧化剂，这两种物质反应生成氮气和水蒸气。

已知：

N2（g）＋2O2（g）===2NO2（g）

ΔH1＝67.7kJ·mol－1①

N2H4（g）＋O2（g）===N2（g）＋2H2O（g）

ΔH2＝－534kJ·mol－1②

试计算1mol肼和二氧化氮完全反应时放出的热量为________，写出肼与二氧化氮反应的热化学方程式：

__________________________________________

解析：

由题意可知，N2（g）＋2O2（g）===2NO2（g）　ΔH1＝67.7kJ·mol－1①，N2H4（g）＋O2（g）===N2（g）＋2H2O（g）　ΔH2＝－534kJ·mol－1②，根据盖斯定律，令②×2－①得2N2H4（g）－N2（g）===2N2（g）＋4H2O（g）－2NO2（g）　ΔH＝2ΔH2－ΔH1，整理得2N2H4（g）＋2NO2（g）===3N2（g）＋4H2O（g）　ΔH＝2ΔH2－ΔH1＝－534kJ·mol－1×2－67.7kJ·mol－1＝－1135.7kJ·mol－1，则1molN2H4与NO2完全反应时放出的热量为567.85kJ。

答案：

567.85kJ　2N2H4（g）＋2NO2（g）===3N2（g）＋4H2O（g）　ΔH＝－1135.7kJ·mol－1

4．盖斯定律在生产和科学研究中有很重要的意义。

有些反应的反应热虽然无法直接测得，但可通过间接的方法测定。

现根据下列2个热化学反应方程式：

FeO（s）＋CO（g）===Fe（s）＋CO2（g）

ΔH＝－218kJ/mol

Fe3O4（s）＋CO（g）===3FeO（s）＋CO2（g）

ΔH＝＋640.5kJ/mol

写出CO气体还原Fe3O4固体得到Fe固体和CO2气体的热化学反应方程式：

________________________________________________________________________

解析：

①FeO（s）＋CO（g）===Fe（s）＋CO2（g）

ΔH＝－218kJ/mol，

②Fe3O4（s）＋CO（g）===3FeO（s）＋CO2（g）

ΔH＝＋640.5kJ/mol，

依据盖斯定律计算②＋①×3得到：

4CO（g）＋Fe3O4（s）===3Fe（s）＋4CO2（g）

ΔH＝－13.5kJ/moL。

答案：

4CO（g）＋Fe3O4（s）===3Fe（s）＋4CO2（g）

ΔH＝－13.5KJ/moL

知识点四　化学反应中能量变化的实验探究

【实验目的】　测定强酸与强碱反应的反应热，体验化学反应的热效应。

【实验用品】　量热计、烧杯、量筒、氢氧化钠溶液、盐酸溶液

【实验原理】　中和热是指在稀溶液中，酸和碱发生中和反应而生成1molH2O时的反应热。

实验时，先测出盐酸和氢氧化钠溶液的起始温度，求其平均温度T1，两溶液混合充分反应后，读取混合液温T2，为了使计算简便，上述HCl、NaOH溶液的密度都近似为1g·cm－3，中和后生成溶液的比热容c＝4.18kJ·K－1·kg－1，则该中和反应放出热量为0.836（T2－T1）kJ。

例5分别取40mL的0.50mol/L盐酸与40mL0.55mol/L氢氧化钠溶液进行中和反应。

通过测定反应过程中所放出的热量可计算中和热。

请回答下列问题．

（1）中和热测定的实验中，用到的玻璃仪器有烧杯、温度计、________、________。

（2）为什么中和热测定中要用稍过量的碱（或酸）：

________________________________________________________________________。

（3）假设盐酸和氢氧化钠溶液的密度都是1g/cm3，又知中和后生成溶液的比热容C＝4.18J/（g·℃）。

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℃

最高温度t2℃

盐酸

氢氧化钠

混合溶液

1

20.1

20.1

23.2

2

20.2

20.2

23.1

3

20.5

20.5

25.3

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）。

（4）上述实验数值结果与中和热的理论值57.3kJ/mol有偏差，产生偏差的原因可能是（填字母）________。

a．实验装置保温、隔热效果差

b．量取盐酸与氢氧化钠溶液时仰视读数

c．分多次把NaOH溶液倒入盛有盐酸的小烧杯中

d．用温度计测定NaOH溶液起始温度后直接测定盐酸溶液的温度

解析：

（1）中和热测定的实验中，用到的玻璃仪器有烧杯、温度计、搅拌器以及量筒。

（2）在中和热测定的实验中，为了保证酸（或碱）能够完全被中和，往往使得一方过量。

（3）40mL的0.50mol/L盐酸与40mL0.55mol/L氢氧化钠溶液中，溶液质量m＝80mL×1g/mL＝80g，C＝4.18J/（g·℃），代入公式ΔH＝Q＝CmΔT得：

（4）a.实验装置保温、隔热效果必须好，否则影响实验结果，故a正确；b.量取NaOH溶液的体积时仰视读数，会导致所量的氢氧化钠体积偏大，故b正确；c.允许分多次把NaOH溶液倒入盛有硫酸的小烧杯中，故c错误；d.用温度计测定NaOH溶液起始温度后，要将温度计回零再测定H2SO4溶液的温度，故d正确。

答案：

（1）环形玻璃搅拌棒　量筒　

（2）为了保证酸（或碱）能够完全被中和或通过测量值求算的是反应生成1mol水时的反应热即中和热　

（3）－50.2kJ/mol　

（4）abd