学年新教材高中化学化学反应与能量转化第1课时化学反应中能量变化的本质及转化形式教案鲁科版必修二.docx
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学年新教材高中化学化学反应与能量转化第1课时化学反应中能量变化的本质及转化形式教案鲁科版必修二
第1课时 化学反应中能量变化的本质及转化形式
[核心素养发展目标] 1.认识常见的吸热反应与放热反应,会设计实验探究化学反应过程中存在能量变化,培养“科学探究与创新意识”。
2.了解化学反应存在能量变化的实质;能从化学键的角度认识化学变化产生能量变化的原因,形成“结构决定性质”的观念,促进“宏观辨识与微观探析”核心素养的发展。
一、化学反应中能量变化
1.活动探究
(1)铁粉和稀盐酸反应
(2)锌粉和柠檬酸的反应
(3)碳酸氢钠和柠檬酸反应
2.结论
化学反应都伴随着能量变化,有的吸收能量,有的释放能量。
3.吸热反应与放热反应
(1)概念:
吸热反应即最终表现为吸收热量的化学反应,放热反应即最终表现为释放热量的化学反应。
(2)常见的吸热反应和放热反应
①吸热反应:
碳酸氢钠和柠檬酸的反应、大多数分解反应(如CaCO3分解)、CO2和碳单质的反应(C+CO2
2CO)等。
②放热反应:
燃烧反应、金属和酸的反应、中和反应、大多数化合反应(如H2和O2生成H2O)。
为探究Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体反应的能量变化,某小组做了如下实验,装置及操作如图。
现象:
混合物呈糊状,闻到刺激性气味,玻璃片和烧杯间的水结成冰而粘连在一起。
问题探究:
(1)该反应为吸热反应还是放热反应?
提示 由水结冰现象,可知该反应为吸热反应。
(2)该反应的方程式为:
Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl===BaCl2+2NH3↑+10H2O。
(3)缓解肿胀的冰袋中盛放的是硝酸铵和水,两者混合,也可制冷,这一过程也发生了吸热反应吗?
提示 NH4NO3溶于水是物理变化,其过程是吸热过程,但不是吸热反应,因为没有生成新物质。
(4)需要加热或点燃的反应一定是吸热反应,这种说法对吗?
提示 不对,加热和点燃是反应的条件,和反应是吸热还是放热没有直接关系,反应是吸热还是放热,是由物质内部能量决定的。
(1)反应过程中不一定有能量变化( × )
(2)化学反应必然伴随着能量变化( √ )
(3)NaOH固体溶于水,溶液温度升高,故为放热反应( × )
提示 放热反应必须为化学反应,NaOH溶于水为物理变化,虽溶液温度升高,但不为放热反应。
(4)所有的化合反应都是放热反应( × )
提示 并不是所有的化合反应都是放热反应,如碳和二氧化碳化合生成一氧化碳的反应就为吸热反应。
(5)所有的分解反应都是吸热反应( × )
提示 并不是所有的分解反应都是吸热反应,如H2O2分解为H2O和O2的反应就是放热反应。
1.生活中每时每刻都发生着各种化学反应,下列反应不一定属于放热反应的是( )
A.H2SO4与Ba(OH)2溶液的反应
B.燃烧反应
C.复分解反应
D.中和反应
答案 C
解析 H2SO4与Ba(OH)2溶液混合,生成沉淀和水,是放热反应;燃烧是指剧烈的发光、发热的反应,因而都是放热反应;复分解反应,有的是放热反应,如酸碱中和反应,有的是吸热反应,如氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应。
2.下列说法正确的是( )
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有的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.只有③B.只有①②
C.①②③D.②③
答案 A
解析 加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如铜在氯气中燃烧;放热反应在常温下不一定容易发生,如N2与H2合成NH3;需要加热才能发生的放热反应,如果反应放出的热量达到反应所需要的热量,停止加热反应也能继续进行,如Fe+S
FeS。
3.下列反应中,属于放热反应的是__________,属于吸热反应的是____________(填序号)。
①煅烧石灰石(主要成分是CaCO3)制生石灰(CaO)
②燃烧蜂窝煤取暖 ③炸药爆炸 ④硫酸与氢氧化钾溶液反应 ⑤生石灰与水作用制熟石灰 ⑥食物腐败
⑦碳与水蒸气反应制得水煤气
答案 ②③④⑤⑥ ①⑦
二、化学反应中能量变化的本质及转化形式
1.化学反应中能量转化的原因
(1)从化学键的角度——微观角度
E1<E2,反应释放能量(放热反应),释放能量:
E2-E1;
E1>E2,反应吸收能量(吸热反应),吸收能量:
E1-E2。
(2)从物质本身所具有的能量角度理解——宏观角度
反应物的总能量>生成物的总能量,是放热反应;
反应物的总能量<生成物的总能量,是吸热反应。
2.化学反应中能量转化的形式
(1)化学反应的能量变化还可以看作是“储存”在物质内部的能量(化学能)转化为热能、电能或光能等释放出来的过程。
(2)化学反应的能量变化也可以看作是热能、电能或光能等转化为物质内部的能量(化学能)被“储存”起来的过程。
(1)所有的燃烧均是放热反应(√)
提示 燃烧是“发光、发热”的剧烈的化学反应,因此,所有的燃烧都是放热反应。
(2)化合反应均是放热反应,分解反应均是吸热反应(×)
提示 一般的化合反应为放热反应,但C+CO2
2CO,为吸热反应,一般的分解反应为吸热反应,但H2O2的分解反应为放热反应。
(3)需要加热才能发生的反应一定是吸热反应,放热反应在常温下一定容易发生(×)
提示 一个反应是吸热还是放热取决于反应物总能量和生成物总能量的相对大小,而与反应开始时是否需要加热无关,如H2和O2在点燃条件下可瞬间发生,放出大量的热,而在常温下,H2和O2则很难发生反应。
(4)对于一个化学反应来说,当化学键断裂时所吸收能量大于化学键形成时所释放能量时,反应放热(×)
提示 当旧键断裂吸收能量大于新键形成释放能量时,反应为吸热反应。
(5)已知在一定温度、压强下,等质量的石墨转化为金刚石需要吸收热量,则金刚石比石墨更稳定(×)
提示 在相同条件下,能量越低越稳定,故石墨更稳定。
1.已知断开1molH—H共价键需要吸收436kJ能量,断开1molO2中共价键需吸收498kJ能量,形成1molH—O共价键需要释放465kJ能量。
试据下图所示。
(1)试通过计算证实氢气和氧气生成1mol水蒸气是放热还是吸热反应。
提示 断开1molH2和
molO2形成2molH和1molO吸收的总能量为436kJ+498kJ×
=685kJ,生成1mol水蒸气需释放465kJ×2=930kJ能量,故氢气和氧气生成1mol水蒸气要释放930kJ-685kJ=245kJ能量。
(2)试从化学键断裂和生成的角度,画出生成1molH2O所对应能量变化图示。
提示
2.在一定条件下,A和B反应可生成C,其能量变化如图所示:
(1)若E1>E2,则反应体系总能量________(填“升高”或“降低”),该反应为________(填“吸热”或“放热”)反应,原因是______________________________________。
(2)若E1<E2,则反应体系总能量________(填“升高”或“降低”),该反应为________(填“吸热”或“放热”),原因是____________________________________________。
(3)若该反应为吸热反应,则反应过程中化学键和能量变化正确的为________(填序号)。
注 a为断裂旧化学键吸收的能量,b为形成新化学键释放的能量。
答案
(1)降低 放热 反应物的部分内能通过化学反应转化为热能释放给环境
(2)升高 吸热 反应物从环境中吸收能量 (3)②
解析 吸热反应是反应物的总能量小于生成物的总能量,也是断裂旧化学键吸收的能量大于形成新化学键释放的总能量,而放热反应与上述相反。
放热反应和吸热反应的比较
类型
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
①E1>E2:
反应吸收能量(吸热反应)
②E1<E2:
反应放出能量(放热反应)
常见类型
(1)大多数化合反应;
(2)酸碱中和反应;
(3)燃烧反应,如木炭、CH4、H2、CO等在空气中的燃烧,H2在Cl2中的燃烧等;
(4)金属与酸的反应;
(5)铝热反应
(1)大多数分解反应,如CaCO3
CaO+CO2↑等;
(2)消石灰与NH4Cl固体反应;
(3)C和CO2的反应
1.在含少量铝粉的试管中滴入稀盐酸,产生大量气泡,且试管壁发热。
该反应为( )
A.放热反应B.吸热反应
C.化合反应D.复分解反应
答案 A
解析 金属和酸反应生成氢气的反应为放热反应,方程式为2Al+6HCl===2AlCl3+3H2↑,为置换反应,故选A。
2.下列说法正确的是( )
A.化学键断裂的过程中放出热量
B.化学键形成的过程中需要吸收热量
C.伴有能量变化的物质变化都是化学变化
D.化学反应除了生成新的物质外,还伴随着能量的变化
答案 D
解析 化学键断裂需要吸收热量,而形成新化学键需释放热量,故A、B项错误;伴有能量变化的物质变化不一定都是化学变化,如浓硫酸溶于水放出大量热量,但属于物理变化,故C项错误。
3.在研究物质变化时,人们可以从不同的角度、不同的层面来认识物质变化时所引起的化学键及其能量变化,据此判断以下叙述中错误的是( )
A.化学反应中物质变化的实质是旧化学键断裂和新化学键形成
B.物质燃烧可看成“储存”在物质内部的能量转化为热能、光能等能量释放出来
C.需要加热才能发生的反应一定是吸热反应
D.在化学反应中,破坏旧化学键吸收的能量大于形成新化学键释放的能量时,该反应是吸热反应
答案 C
解析 需要加热的反应不一定是吸热反应,如C+O2
CO2,Fe+S
FeS都是放热反应,所以说反应是吸热还是放热与反应条件无关,反应是吸热还是放热只与反应物和生成物的能量的相对高低或破坏旧化学键吸收的能量与形成新化学键释放出的能量的相对大小有关。
4.下列图示变化为吸热反应的是( )
答案 A
解析 A项中生成物的总能量高于反应物的总能量,只能通过吸收能量才能实现;B项则恰好相反;C项中浓硫酸溶于水要放出热量,但此过程是物理变化,没有发生化学反应;D项是典型的放热反应。
5.如图所示,把试管放入盛有25℃的澄清饱和石灰水的烧杯中,先在试管中放入几根镁条,再用胶头滴管滴加5mL稀硫酸于试管中。
试回答下列问题:
(1)实验中观察到的现象是_________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)产生上述现象的原因是______________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)写出有关反应的离子方程式:
___________________________________________。
(4)由实验推知,MgSO4和H2的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)镁条和硫酸的总能量。
答案
(1)①镁条逐渐溶解;②试管中有气泡产生;③烧杯内的澄清饱和石灰水变浑浊
(2)镁条与稀硫酸反应产生氢气,该反应是放热反应,而Ca(OH)2的溶解度随温度的升高而降低,饱和石灰水中的Ca(OH)2析出使溶液变浑浊
(3)Mg+2H+===Mg2++H2↑
(4)小于
解析 本题是以实验为背景的综合题,解答此题的关键:
(1)镁是活泼金属,与稀硫酸剧烈反应释放能量。
(2)Ca(OH)2在水中的溶解度随着温度的升高而降低。
(4)对于放热反应,形成新化学键释放的能量大于断裂旧化学键需要吸收的能量。
课时对点练
A组 基础对点练
题组一 化学反应中的能量变化
1.(2019·河南林州一中高一期中)下列说法错误的是( )
A.任何化学反应都伴随着能量变化
B.化学反应中能量变化的大小与反应物的质量无关
C.化学变化中的能量变化主要是由化学键变化引起的
D.能量变化是化学反应的基本特征之一
答案 B
解析 化学反应的本质是旧键的断裂和新键的形成,断裂化学键吸收能量,形成化学键放出能量,所以能量变化是化学反应的基本特征之一,化学反应必然伴随着能量变化,化学反应中能量变化的大小与反应物的质量有关,故B错误。
2.“即食即热型”快餐适合外出时携带和食用,其内层中有用铝箔包裹的已加工好的真空包装食品,外层有分别包装的两包化学物质,拉动预留在外的拉线使这两种化学物质相互作用,放出的热量便可对食物进行加热。
这两包化学物质最合理的组合是( )
A.浓硫酸和水B.生石灰和水
C.熟石灰和水D.硝酸铵和水
答案 B
解析 选项中只有浓硫酸与水、生石灰与水相互作用是明显放热的,但浓硫酸为腐蚀品,不适用于食物加热,且浓硫酸与水混合所得的稀硫酸能与铝箔反应,故不适用。
3.下列说法正确的是( )
A.吸热反应需要加热才能发生
B.放热反应在常温下就能进行
C.化学反应就是将化学能转化为热能的反应
D.反应是放热还是吸热与是否加热没有直接的关系
答案 D
解析 A项,有些吸热反应不需要加热就能发生,如柠檬酸与碳酸氢钠的反应;B项,放热反应在常温下不一定发生,如木炭和氧气的反应;C项,化学反应能量转化除热量外,还有光能等形式转化,如Mg条燃烧;D项,反应是吸热还是放热和物质本身“贮存”的能量有关,和反应条件无直接关系,故选D。
题组二 化学键与反应中能量变化关系
4.如图是化学反应中物质变化和能量变化的示意图。
若E1>E2,则下列反应符合该示意图的是( )
A.NaOH溶液与稀盐酸的反应
B.锌与稀盐酸的反应
C.消石灰与氯化铵固体的反应
D.一氧化碳在空气中的燃烧反应
答案 C
解析 若E1>E2,则表明该反应吸收能量。
A项的反应放出热量;B项,锌与稀盐酸反应放出热量;C项,消石灰与氯化铵固体反应吸收热量;D项,燃烧反应放出热量。
5.(2018·厦门高一质检)氢气燃烧生成水蒸气的能量变化如图所示。
下列说法正确的是( )
A.燃烧时化学能全部转化为热能
B.断开1mol氢氧键吸收930kJ能量
C.相同条件下,1mol氢原子的能量为E1,1mol氢分子的能量为E2,则2E1<E2
D.该反应生成1mol水蒸气时能量变化为245kJ
答案 D
解析 燃烧时化学能可转化为热能、光能等形式,故A项错误;由题图可知,断开2mol氢氧键吸收930kJ的能量,故B项错误;氢分子变成氢原子要吸收能量,所以2E1>E2,故C项错误;该反应生成1mol水蒸气时的能量变化为930kJ-436kJ-249kJ=245kJ,故D项正确。
6.最新报道,科学家首次用X射线激光技术观察到CO与O在催化剂表面形成化学键的过程。
反应过程的示意图如下:
下列说法正确的是( )
A.CO和O生成CO2是吸热反应
B.在该过程中,CO断键形成C和O
C.CO和O形成了含有共价键的CO2
D.状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O2反应的过程
答案 C
解析 A项,由图知反应物总能量大于生成物总能量,为放热反应,错误;B项,由图示可知,反应过程不存在CO的断键过程,错误;C项,由状态Ⅰ→状态Ⅲ可知,CO和O在催化剂表面形成CO2,正确;D项,状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO和O反应过程,错误。
题组三 化学能与能量转化形式及应用
7.反应A+B―→C(放热反应)分两步进行:
①A+B―→X(吸热反应);②X―→C(放热反应)。
下列示意图中,能正确表示总反应过程中能量变化的是( )
答案 D
解析 因为A+B―→C为放热反应,则A和B的总能量大于C的总能量,故A、B错误;又A+B―→X为吸热反应,故A和B的总能量小于X的总能量,X―→C为放热反应,X的总能量大于C的总能量,故排除C,选D项。
8.关于吸热反应和放热反应,下列说法错误的是( )
A.放热反应一定不需要加热
B.化学反应中的能量形式除热量外,还可以是光能、电能等
C.化学反应过程中的能量变化遵守能量守恒定律
D.反应物的总能量高于生成物的总能量时,发生放热反应
答案 A
解析 物质在发生化学变化时,既有物质变化,也有能量变化,化学反应中的能量除热量外,还可以是光能、电能等形式,B项正确;化学反应过程中,能量不会凭空产生,也不会凭空消失,一种能量可以转化为另一种能量,遵守能量守恒定律,C项正确;反应物的总能量高于生成物的总能量时,多余的能量会释放出来,故发生的是放热反应,D项正确。
9.已知:
①能量越低的物质越稳定;②白磷转化为红磷是放热反应。
据此,下列说法中正确的是( )
A.在相同条件下,红磷比白磷稳定
B.在相同条件下,白磷比红磷稳定
C.红磷和白磷的结构相同
D.红磷容易发生自燃而白磷不会自燃
答案 A
解析 白磷转化成红磷是放热反应,红磷的能量更低,红磷更稳定,故A项正确,B项错误;红磷和白磷的结构不同,故C项错误;相同条件下,红磷较白磷稳定,红磷不容易发生自燃而白磷容易自燃,故D项错误。
10.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。
③参与反应的硫酸铜和水具有的总能量________(填“大于”或“小于”)生成的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
________________________________________________________________________。
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
解析
(1)滴入水后发生反应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,参与反应的CuSO4和H2O的总能量大于生成的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。
B组 综合强化练
1.(2019·安徽六安一中月考)下列对于反应中能量变化的表述正确的是( )
A.放热反应中,反应物的总能量大于生成物的总能量
B.断开化学键的过程会放出能量
C.任何化学反应过程中都可能伴随能量变化
D.氧化还原反应均为吸热反应
答案 A
解析 断开化学键要吸收能量;有些放热反应也需要加热,如木炭燃烧;氧化还原反应既可以是吸热反应,也可以是放热反应,如Mg与盐酸反应生成H2和MgCl2,该反应是放热反应。
2.(2019·扬州中学期末)在研究物质变化时,可以从不同角度和层面来认识物质变化时所引起的化学键及能量变化,对N2+3H22NH3(放热反应)的理解错误的是( )
A.该反应物质变化的实质是断裂了N≡N和H—H键,同时生成N—H键
B.该反应为放热反应,原因是反应物N2和H2的总能量大于生成物NH3的总能量
C.该反应为放热反应,因此放热反应不需要条件,在常温下就可以反应
D.该反应能量变化的实质是断裂旧键所吸收的总能量小于产生新化学键所释放的总能量
答案 C
解析 化学反应物质变化和能量变化的本质都是旧化学键断裂和新化学键的形成,故A、B、D都正确,放热反应有时也需要条件,因为在一定条件下才能使旧化学键断裂,从而引发反应,故C项错误。
3.某反应由两步反应A→B→C构成,它的反应能量曲线如图,下列叙述正确的是( )
A.两步反应均为吸热反应
B.三种物质中C最稳定
C.A与C的能量差为E4
D.A→B的反应,反应条件一定要加热
答案 B
解析 由图像可知A物质能量低于B物质能量,B物质能量高于C物质能量,所以A→B为吸热反应,B→C为放热反应,A项错误;三种物质中C物质所具有的能量最低,最稳定,B项正确;A与C所具有的能量差值为E4-(E1+E3-E2),C项错误;A→B为吸热反应,但反应不一定需要加热,D项错误。
4.(2019·郑州高一联考)已知反应NO2(g)+CO(g)===NO(g)+CO2(g)的能量变化如图所示,下列说法正确的是( )
A.图中A→B的过程为放热过程
B.1molNO2和1molCO的键能总和大于1molNO和1molCO2的键能总和
C.该反应为氧化还原反应
D.1molNO2(g)和1molCO(g)的总能量低于1molNO(g)和1molCO2(g)的总能量
答案 C
解析 A状态的能量低于B状态,则图中A→B的过程为吸热过程,A项错误;反应物总能量高于生成物总能量,反应为放热反应,即断键吸收的能量低于成键放出的能量,则1molNO2和1molCO的键能总和小于1molNO和1molCO2的键能总和,B项错误;反应中C和N元素化合价发生变化,则该反应为氧化还原反应,C项正确;由题图可知,反应物总能量高于生成物总能量,则1molNO2(g)和1molCO(g)的总能量高于1molNO(g)和1molCO2(g)的总能量,D项错误。
5.(2018·南昌校级期中)已知H+H―→H2,形成1molH2放出436kJ热量,下列说法正确的是( )
A.氢气分子中每个氢原子都达到8电子稳定结构
B.相同条件下,1molH2的能量比2molH的能量低
C.1molH2转化为2molH要放出436kJ热量
D.氢原子比氢气分子更稳定
答案 B
解析 氢气分子中每个氢原子都达到2电子稳定结构,A项错误;2molH放出能量生成1molH2,则1molH2的能量低于2molH的能量,B项正确,C项错误;氢原子没有氢气分子稳定,D项错误。
6.氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。
在反应过程中,断裂1molH2中的化学键消耗的能量为Q1kJ,断裂1molCl2中的化学键消耗的能量为Q2kJ,形成1molHCl中的化学键释放的能量为Q3kJ。
下列关系式中,正确的是( )
A.Q1+Q2>Q3B.Q1+Q2>2Q3
C.Q1+Q2<Q3D.Q1+Q2<2Q3
答案 D
解析 破坏1molH2中的化学键消耗的能量为Q1kJ,则H—H键键能为Q1kJ·mol-1,破坏1molCl2中的化学键消耗的能量为Q2kJ,则Cl—Cl键键能为Q2kJ·mol-1,形成1molHCl中的化学键释放的能量为Q3kJ,则H—Cl键键能为Q3kJ·mol-1,对于反应H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g),反应物的总键能-生成物的总键能=Q1kJ·mol-1+Q2kJ·mo
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