化学课堂导练必修2第一节 化学能与热能.docx

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化学课堂导练必修2第一节化学能与热能

化学反应与能量

化学变化与生产、生活息息相关，化学变化过程中往往伴随有能量的变化，这些能量的变化往往以热量的形式表现出来，我们研究化学反应中的热效应，对化工生产有着重要的意义。

化工设备中热交换器、余热锅炉、热风炉等都是为了综合利用热效应、提高产品产率、降低成本、创造效益，因此，研究化学反应中的反应热，对化工生产适宜条件的选择和设备设计以及对热能的合理利用都有重要意义。

能源作为一种商品与国家战略、全球政治和实力紧密地交织在一起。

能源问题是涉及人类生活和世界发展的社会热点，随着社会的发展和人们生活水平的提高，对能源的需求量越来越大，而它对周围的环境也产生越来越大的影响。

在能源日趋紧张的今天，研究化学反应的反应热，如燃烧热、中和热等，对充分利用能源，提高能源利用率将有十分重要的意义。

电能是现代社会中应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，形形色色的各种电池（如干电池、燃料电池等）在工业生产、国家建设和日常生活中都有着广泛的应用。

这些电池都是将化学能转变成电能的装置。

我们知道，化学反应往往需要在一定的条件下进行。

例如，H2和N2化合生成NH3的反应，就需要在高温、高压和有催化剂存在的条件下进行。

可见，研究化学反应的条件对日常生活、工农业生产和科学研究等具有重要的意义。

为什么一个反应的进行需要这样或那样的条件呢？

这就要从以下两个方面来认识：

一个是反应进行的快慢，即化学反应速率问题；一个是反应进行的程度，也就是化学反应限度而题。

这两个问题不仅是今后学习化学所必需的基础理论知识，也是选择化工生产适宜条件时所必须遵循的化学变化规律。

在本章里，我们将学习化学反应速率和化学平衡的有关知识，然后将运用化学反应速率和化学平衡等有关理论，分析一些简单的化工生产的实际问题。

第一节　化学能与热能

700多年前，著名的意大利旅行家马克·波罗到过中国，看见中国人烧煤炼铁，这是他生平第一次看到煤做燃料，马克·波罗在他的游记里记载了这件新鲜事。

书中写到，中国有一种黑色石头，能燃烧，着起火来像火柴一样，而且终夜不灭。

现代科学可以这样解释，煤中含有大量的碳，燃烧时放出热能。

你一定想知道，这种能量从何而来？

它与化学物质和化学反应有什么关系？

请随我一起走进教材第二章第一节：

化学能与热能。

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——微观角度：

（1）化学反应的实质：

原子的重新组合，即反应物中旧化学键的__断裂__和生成物中新化学键的__形成__的过程。

（2）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）__放出__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）__放出__415kJ能量。

③结论。

化学反应中能量变化的主要原因是__化学键的断裂和形成__。

2．化学反应中能量变化的决定因素——宏观角度：

一个确定的化学反应在发生过程中是吸收能量还是放出能量，取决于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。

可表示为：

即：

反应物的总能量__>__生成物的总能量，则化学反应__放出__能量，反应为放热反应；

反应物的总能量__<__生成物的总能量，则化学反应__吸收__能量，反应为吸热反应。

点拨：

任何一个化学反应均伴随能量的变化。

二、化学能与热能的相互转化

1．两个基本的自然规律——“质量守恒”和“能量守恒”。

质量守恒定律：

自然界中的物质发生转化时__总质量__不变；

能量守恒定律：

不同形式的能量发生转换时，__总能量__不变。

2．具体实例

实验操作

现象及结论

铝与稀盐酸反应

现象

有__气泡__产生，用温度计测量，水银柱上升

离子方程式

__2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑__

结论

活泼金属与酸的反应为__放热__

氢氧化钡晶体与氯化铵反应

现象

闻到__刺激性__气味，烧杯壁__发凉__；玻璃片和烧杯底黏在一起，混合物呈糊状

化学方程式

__Ba（OH）2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋10H2O＋2NH3↑__

结论

该反应为__吸热__反应

盐酸与氢氧化钠溶液

现象

混合后溶液温度比原两种溶液的温度__高__

离子方程式

__OH－＋H＋===H2O__

结论

酸碱中和反应为__放热__反应

3.化学反应中能量变化的应用：

利用化学能转化为热能进行生活、生产和科研，提供人类生存和发展所需要的能量和动力；利用热能转化为化学能进行化工生产、研制新物质。

点拨：

需要加热才能进行的反应不一定是吸热反应，不需要加热就能进行的反应也不一定是放热反应。

人类利用能源的三个阶段

——树枝杂草

　　↓

——煤、石油、天然气

　　↓

——太阳能、氢能、核能、风能、地热能等

1．（2018·山东青岛高一月考）化学反应的发生必然伴随能量的转化，其最根本的原因是（　B　）

A．化学反应中一定有新物质生成

B．化学反应中旧的化学键的断裂需要吸收能量，新的化学键的形成需要放出能量

C．化学反应通常需要加热等条件才能发生

D．能量变化是化学反应的基本特征之一

解析：

断裂旧键时，需要吸收一定的能量来克服原子（或离子）间的作用力，形成新键时，又要释放一定的能量，并且吸收和释放的能量不相等，所以化学反应必然伴随能量的变化。

2．（2018·宁夏石嘴山三中期中）下列说法中错误的是（　B　）

A．化学反应中的能量变化通常表现为热量的变化

B．需要加热才能发生的反应生成物的能量一定高于反应物的能量

C．化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因

D．反应物总能量和生成物总能量的相对大小决定了反应是放热还是吸热

解析：

A项，化学反应中的能量变化通常表现为热量的变化，放出热量或吸收热量，不符合题意；B项，碳等物质在氧气中燃烧需要加热，但生成物的总能量低于反应物的总能量，符合题意；C项，化学键的断裂吸收能量，化学键的形成放出能量，所以化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因，不符合题意；D项，反应物总能量和生成物总能量的相对大小决定了反应是放热还是吸热，不符合题意。

3．（2018·山东济宁高一月考）下列过程一定释放能量的是（　D　）

A．化合反应B．分解反应

C．分子拆成原子D．原子结合成分子

解析：

分子拆成原子是断开化学键的过程，吸收能量；原子结合成分子形成化学键的过程，释放能量。

4．（2018·山西太原阶段性测评）自热食品已成为现代生活的时尚。

自热食品包装中有两包发热剂，在这两包发热剂中最适合盛放的物质是（　B　）

A．熟石灰和水

B．生石灰和水

C．氯化钠和水

D．氯化铵和氢氧化钡晶体

解析：

A项，熟石灰溶于水没有显著热效应，故错误；B项，生石灰和水的反应是放热反应，故正确；C项，氯化钠溶于水，没有明显热效应，故错误；D项，氯化铵和氢氧化钡晶体的反应是吸热反应，故错误。

5．（2018·湖北荆州沙市中学检测）一种化学冰袋中含有Na2SO4·10H2O和NH4NO3，使用时将它们混合用手搓揉就可制冷，且制冷效果能维持一段时间。

以下关于其制冷原因的推测错误的是（　C　）

A．Na2SO4·10H2O脱水是吸热过程

B．较长时间制冷是由于Na2SO4·10H2O脱水是较慢的过程

C．铵盐在该条件下发生的复分解反应是吸热反应

D．NH4NO3溶于水会吸收热量

解析：

A项，Na2SO4·10H2O脱水是吸热过程，不符合题意；B项，因为十水硫酸钠脱水较慢，且硝酸铵溶于水吸热，因此制冷效果可以维持较长时间，不符合题意；C项，铵盐不会自身发生复分解反应，且不具备与Na2SO4·10H2O发生复分解反应的条件，符合题意；D项，硝酸铵溶于水吸热，不符合题意。

6．（2018·重庆高一期末）能源是人类赖以生存和发展不可缺少的因素。

请回答下列有关问题：

（1）人类利用能源分为三个阶段，即__柴草时期__、__化石能源时期__、__多能源结构时期__。

（2）矿物能源是现代人类社会赖以生存的重要物质基础，目前，全球仍主要处于化石能源时期。

下列不属于化石能源的是（　D　）

A．石油　　　B．煤

C．天然气D．生物质能

以C、CnH2n＋2、CH4为代表，写出其完全燃烧的化学方程式：

__C＋O2

CO2__；

__CnH2n＋2＋

O2

nCO2＋（n＋1）H2O__；__CH4＋2O2

CO2＋2H2O__。

并比较分析等质量的三种燃料完全燃烧，对环境的负面影响最小的是__CH4__。

（3）有人对能源提出了以下看法：

A．化石能源属于不可再生能源，只会越用越少

B．生物质能是一种可再生能源，有广泛的应用前景

C．太阳能、氢能、核能、地壳地表能都属于新能源

D．我国人口众多，资源相对匮乏，环境承载能力较弱，因此要建设节约型社会

对上述看法你认为合理的有__ABCD__。

知识点一　吸热反应和放热反应的判断和理解

问题探究：

1．NaOH固体溶于水放热，NaOH固体溶于水是放热反应吗？

2．加热条件下进行的反应是否一定是吸热反应，常温下进行的反应是否一定是放热反应？

探究提示：

1.吸热反应和放热反应均是化学反应。

注意明确某些吸热过程和放热过程不属于化学反应。

如：

NaOH固体溶于水，浓硫酸稀释都属于放热过程；二者都不是化学反应，也就不属于放热反应。

2．都不一定。

化学反应是吸热还是放热，与反应条件无关，而是取决于反应过程中破坏旧化学键吸收总能量与形成新化学键放出总能量的相对大小。

常温下进行的反应有的放热（如中和反应），有的吸热（如NH4Cl和Ba（OH）2·8H2O的反应）。

加热条件下进行的反应有的放热（如Fe＋S

FeS），有的吸热（如C＋CO2

2CO）。

知识归纳总结：

1．放热反应与吸热反应的比较：

放热反应

吸热反应

定义

释放热量的化学反应

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键时吸收的总能量

生成物分子成键时释放的总能量小于反应物分子断键时吸收的总能量

反应过程图示

2．常见的放热反应和吸热反应

3．放热反应和吸热反应的判断方法

（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能量大于形成生成物中化学键放出的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。

用常见吸热和放热的反应类型来判断。

典例1（2018·山东德州高一期末）下列关于化学反应与能量的说法正确的是（　D　）

A．化学反应中一定有物质变化但不一定有能量变化

B．CaO＋H2O===Ca（OH）2是放热反应，说明CaO的能量高于Ca（OH）2的能量

C．Ba（OH）2·8H2O晶体与氯化铵晶体反应不需要加热就能发生，说明该反应是放热反应

D．H2→2H的过程需要吸收能量

解析：

化学反应过程中，发生物质变化的同时一定伴随着能量变化，A项错误；反应物的总能量高于生成物的总能量的反应是放热反应，CaO＋H2O===Ca（OH）2是放热反应，说明CaO与H2O的总能量高于Ca（OH）2的能量，B项错误；反应是吸热还是放热，与反应条件无必然联系，尽管Ba（OH）2·8H2O晶体与氯化铵晶体不需要加热就能反应，但该反应是吸热反应，C项错误；H2→2H，氢分子中化学键断裂，吸收能量，D项正确。

规律方法指导：

（1）三个“不一定”：

①需加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如碳和氧气的反应；②放热反应常温下不一定容易发生，如铝热反应；③吸热反应也不一定需要加热，如Ba（OH）2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。

（2）吸热反应和放热反应都是化学变化，如浓硫酸稀释是放热过程，但不是放热反应；如升华、蒸发、蒸馏等过程是吸热过程，但不是吸热反应。

〔变式训练1〕下列反应过程吸收能量的是（　A　）

解析：

吸收能量的反应特征是反应物的总能量小于生成物的总能量。

由选项A的图像可知生成物比反应物能量高，反应过程需要吸收能量；由选项B、D的图像可知生成物比反应物能量低，反应过程释放能量；选项C中的生成物和反应物能量相同。

知识点二　利用化学键计算化学反应中的能量变化

问题探究：

1．化学反应中，反应物和生成物具有的总能量是否相同？

并从该角度解释：

2H2＋O2

2H2O为什么是放热反应？

2．如果仅从化学键角度分析，NaCl溶于水的过程是吸热还是放热？

探究提示：

1.一定不相同。

化学反应都伴随着能量的变化，所以反应物和生成物具有的总能量一定不相同。

在H2燃烧的反应中，反应物H2和O2具有的总能量大于H2O具有的总能量，反以该反应是放热反应。

2．NaCl溶于水，NaCl===Na＋＋Cl－，只有化学键断

裂，没有化学键形成，因此NaCl溶于水时要吸收热量。

知识归纳总结：

1．化学键与能量变化的关系

2．计算公式

用Q（吸）表示反应物分子化学键断裂时吸收的总能量，Q（放）表示生成物分子化学键形成时放出的总能量。

公式：

ΔQ＝Q（吸）－Q（放）

利用化学键形成和断裂时的能量变化计算化学反应中的能量变化：

ΔQ＝Q（吸）－Q（放）

典例2（2018·湛江高一检测）肼（H2NNH2）是一种高能燃料，有关化学反应的能量变化如题图所示，已知断裂1mol化学键所需的能量（kJ）：

N≡N为942、O===O为500、N—N为154，则断裂1molN—H键所需的能量（kJ）是（　B　）

A．194　　　　　　　　　B．391

C．516D．658

解析：

利用图示可知肼和氧气变成原子时断键需要的能量为2752KJ－534kJ＝2218kJ。

肼和氧气断键变为原子时要断裂1个N—N,4个N—H,1个O===O键，所以1×154kJ＋4×（断裂1molN—H键所需的能量）＋1×500kJ＝2218kJ，解得断裂1molN—H键所需的能量为391kJ，选B。

〔变式训练2〕（2018·包头高一检测）已知：

2H2（g）＋O2（g）===2H2O（g）反应放出的热量为483.6kJ。

有关键能数据如表所示：

化学键

H—H

O===O

键能/kJ·mol－1

436

498

则水分子中O—H键键能为（　A　）

A．463.4kJ·mol－1　　B．926.8kJ·mol－1

C．221.6kJ·mol－1D．413kJ·mol－1

解析：

设水分子中O—H键键能为xkJ·mol－1，则反应放出的热量ΔQ＝Q（放）－Q（吸）＝2×2x－（436×2＋498）＝483.6，则x＝463.4。

1．化学键与能量

物质中的原子之间是通过化学键相结合的。

断开物质中的化学键要吸收能量，而形成物质中的化学键要放出能量。

如下表：

化学键的变化与能量的关系（25℃、101kPa）。

化学键的变化

能量的变化

断开1molH—H键

吸收436kJ能量

生成1molH—H键

放出436kJ能量

断开1molC—H键

吸收415kJ能量

生成1molC—H键

放出415kJ能量

点拨：

①断开和形成1mol相同的化学键吸收和放出的能量数值相同。

②化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因。

③物质的键能越大，则该物质具有的能量越低。

〔即时训练〕

（2018·湖南郴州期末）生产液晶显示器的过程中使用的化学清洗剂NF3是一种温室气体，其储存能量的能力是CO2的12000～20000倍，在大气中的寿命可长达740年之久，以下是几种化学键的键能：

化学键

N≡N

F—F

N—F

能量/kJ·mol－1

941.7

154.8

283.0

下列说法中正确的是（　B　）

A．过程N2（g）→2N（g）放出能量

B．过程N（g）＋3F（g）→NF3（g）放出能量

C．反应N2（g）＋3F2（g）===2NF3（g）是吸热反应

D．NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与生成，仍可能发生化学反应

解析：

A项，N2（g）→2N（g）表示断裂化学键的过程，应吸收能量。

B项，N（g）＋3F（g）→NF3（g）表示形成新化学键的过程，应放出能量。

C项，根据键能的数值，分别计算旧化学键断裂时吸收的总能量与新化学键形成时释放的总能量，比较二者的大小确定反应的能量变化。

吸收能量（941.7kJ＋154.8kJ×3）<放出能量（283.0kJ×6），故为放热反应。

D项，化学反应一定有化学键的断裂与生成。

若NF3吸收能量后没有化学键的断裂与生成，则一定不发生化学变化，可能发生物理变化。

1．已知反应：

A2＋B2===2AB，断开1molA2中的化学键消耗的能量为Q1kJ，断开1molB2中的化学键消耗的能量为Q2kJ，生成1molAB中的化学键释放的能量为Q3kJ，下列说法中正确的是（　C　）

A．若该反应吸收能量，则可以得出：

Q1>Q3

B．若Q1＋Q2－2Q3>0，则该反应放出能量

C．该反应中的能量变化是Q1＋Q2－2Q3

D．由题意可知：

Q1＋Q2＝2Q3

解析：

Q1＋Q2为反应中断开化学键所需吸收的总能量，2Q3为生成新的化学键所要放出的总能量，若Q1＋Q2>2Q3，则总反应需要吸收能量，反之则是放出能量。

该反应不是放出能量就是吸收能量，所以Q1＋Q2不可能等于2Q3。

2．（2018·山东日照期中）化学反应A2（g）＋B2（g）＝2AB（g）的能量变化如图所示，下列叙述中正确的是（　C　）

A．该反应为放热反应

B．每生成2个AB分子吸收（a－b）kJ热量

C．该反应中反应物的总键能大于生成物的总键能

D．断裂1molA—A键和1molB—B键，放出akJ能量

解析：

A项，由图可知，生成物能量总和大于反应物能量总和，因此该反应的过程吸收热量，为吸热反应，故错误；B项，依据图像分析判断1molA2和1molB2反应生成2molAB，每生成2molAB吸收（a－b）kJ热量，故错误；C项，该反应是吸热反应，因此反应物的总键能大于生成物的总键能，故正确；D项，断裂1molA—A键和1molB—B键，吸收akJ能量，故错误。

3．（2018·重庆高一检测）下列反应一定属于放热反应的是（　C　）

①H2SO4与Ba（OH）2溶液的反应

②Mg与CH3COOH溶液的反应

③燃烧反应

④中和反应

⑤复分解反应

A．仅①②③　　　　　B．仅①②④

C．仅①②③④D．仅③④⑤

解析：

金属与酸反应，中和反应，所有燃烧反应都是放热反应，复分解反应则不一定是放热反应。

4．（2018·黑龙江伊春二中期中）下列反应既是氧化还原反应，又是吸热反应的是（　C　）

A．铝片与稀硫酸的反应

B．Ba（OH）2·8H2O与NH4Cl的反应

C．灼热的木炭与CO2的反应

D．甲烷在O2中的燃烧反应

解析：

A项，为氧化还原反应，但不是吸热反应，故错误；B项，为吸热反应，但不是氧化还原反应，故错误；C项，C元素化合价发生变化，属于氧化还原反应，同时为吸热反应，故正确；D项，甲烷的燃烧为氧化还原反应和放热反应，故错误。

5．如图所示，把试管放入盛有25℃饱和石灰水的烧杯中，试管中开始放入几小块镁片，再用滴管滴入5mL盐酸于试管中。

试回答下列问题：

（1）实验中观察到的现象是__①镁片上有大量气泡产生；②镁片逐渐溶解；③烧杯中析出晶体（或变浑浊）___。

（2）产生上述现象的原因是__见解析__。

（3）写出有关反应的离子方程式：

__Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑__。

（4）由实验推知，MgCl2和H2总能量__小于__（填“大于”“小于”或“等于”）Mg和HCl的总能量。

解析：

镁片与盐酸的反应是放热反应，是由于反应物（Mg和盐酸）的总能量高于生成物（MgCl2和H2）的总能量，放出的热量通过小试管传递给饱和石灰水，使Ca（OH）2的溶解度下降而析出Ca（OH）2固体。

6．为了探究化学能与热能的转化，某实验小组设计了如图所示的三套实验装置：

（1）上述三个装置中，不能验证“铜与浓硝酸的反应是吸热反应还是放热反应”的是__Ⅲ__（填装置序号）。

（2）某同学选用装置I进行实验（实验前U形管里液面左右相平），在甲试管中加入适量Ba（OH）2溶液与稀硫酸，U形管中可观察到的现象是__左端液面降低，右端液面升高__，说明该反应属于__放热__（填“吸热”或“放热”）反应。

（3）为探究固体M溶于水的热效应，选择装置Ⅱ进行实验（反应在丙试管中进行）。

①若M为钠，则实验过程中烧杯中可观察到的现象是__产生气泡，反应完毕后，冷却至室温，烧杯中的导管内形成一段水柱__。

②若观察到烧杯中产生气泡，则说明M溶于水__可能是放热反应__（填“一定是放热反应”“一定是吸热反应”或“可能是放热反应”），理由是__某些物质（如NaOH固体）溶于水放热，但不是放热反应__。

③若观察到烧杯中的玻璃管内形成一段水柱，则M可能是__硝酸铵（或其他合理答案）__。

（4）至少有两种实验方法能验证超氧化钾与水的反应（4KO2＋2H2O＝4KOH＋3O2↑）是放热反应还是吸热反应。

方法①：

选择__I（或Ⅱ）__（填装置序号）进行实验；

方法②：

取适量超氧化钾粉末用脱脂棉包裹并放在石棉网上，向脱脂棉上滴加几滴蒸馏水，片刻后，若观察到脱脂棉燃烧，则说明该反应是__放热__（填“吸热”或“放热”）反应。

解析：

（1）装置I可通过U形管中红墨水液面的变化判断铜与浓硝酸的反应是放热反应还是吸热反应；装置Ⅱ可通过烧杯中是否产生气泡判断铜与浓硝酸的反应是放热反应还是吸热反应；装置Ⅲ只是一个铜与浓硝酸反应并将生成的气体用水吸收的装置，不能验证该反应是放热反应还是吸热反应。

（2）Ba（OH）2溶液与稀硫酸的反应属于中和反应，中和反应都是放热反应，所以锥形瓶中气体受热膨胀，导致U形管左端液面降低，右端液面升高。

（3）①若M为钠，钠与水反应生成NaOH和H2，该反应是放热反应，放出的热量使大试管中温度升高，气压增大，所以右边烧杯中有气泡产生；冷却后大试管中温度降低，气压减小，右边烧杯中的导管内会形成一段水柱。

②若观察到烧杯里产生气泡，说明M溶于水放出热量。

有热量放出的过程不一定属于放热反应，如浓硫酸、NaOH固体溶于水会放出热量，但是不属于放热反应。

③若观察到烧杯里的玻璃管内形成一段水柱，说明M溶于水后导致大试管中温度降低，压强减小，证明M溶于水吸收热量，溶于水能够吸收热量的物质有NH4NO3等。

（4）方法①：

选择上述装置I（或Ⅱ）进行实验，I装置右边U形管中左端液面降低，右端液面升高（或装置Ⅱ烧杯内导管口有气泡冒出），证明该反应为放热反应。

方法②：

取适量超氧化钾粉末用脱脂棉包裹并放在石棉网上，向脱脂棉上滴加几滴蒸馏水，片刻后，若观察到脱脂棉燃烧，则说明该反应放出大量热，使脱脂棉燃烧，证明该反应是放热反应。

基础巩固

一、选择题

1．（2018·永州高一检测）已知断裂1mol共价键所需要吸收的能量分别为H—H：

436kJ，I—I：

151kJ，H—I：

299