化学反应原理专题1第一单元第3课时.docx
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化学反应原理专题1第一单元第3课时
第3课时 能源的充分利用
[目标导航] 1.正确认识标准燃烧热和热值的概念,学会利用燃烧热进行相关计算。
2.知道能源是人类生存和社会发展的重要基础,知道使用化石燃料的利弊和新能源的开发。
一、标准燃烧热
1.标准燃烧热的概念:
在101kPa下,1mol物质完全燃烧的反应热。
物质完全燃烧是指物质中含有的氮元素转化为N2(g),氢元素转化为H2O(l),碳元素转化为CO2(g)。
标准燃烧热的单位是kJ·mol-1。
2.标准燃烧热的意义:
甲烷的标准燃烧热为890.3kJ·mol-1,或ΔH=-890.3kJ·mol-1,它表示101kPa时,1molCH4完全燃烧生成CO2气体和液态H2O时放出890.3kJ的热量。
3.标准燃烧热的计算:
由燃烧热定义可知:
101kPa时,可燃物完全燃烧产生的热量=可燃物的物质的量×其标准燃烧热,即Q放=n(可燃物)×|ΔH|,或变式一下求物质的标准燃烧热:
ΔH=-
。
此公式中的ΔH是指物质的标准燃烧热,而不是指一般反应的反应热。
4.热值:
1g物质完全燃烧所放出的热量叫做该物质的热值。
议一议
1.1molH2完全燃烧生成H2O(g)放出的热量就是H2的燃烧热,这种说法是否正确?
答案 不正确,应生成液态水。
2.怎样理解“完全燃烧生成稳定的氧化物”?
答案 是指单质(或化合物)燃烧后变为最稳定的氧化物(不能再燃烧了),“稳定”既包含化学性质的稳定,也包含物质所处状态的稳定。
如C(s)―→CO2(g);H2(g)―→H2O(l);S(s)―→SO2(g);
NH3(g)―→N2(g)+H2O(l);CH4(g)―→CO2(g)+H2O(l)。
3.怎样规范描述物质的标准燃烧热?
答案 标准燃烧热的叙述有两种形式,一是用文字表示,此时用相应的数值和单位,一般不再写“-”,如乙炔的标准燃烧热为1300kJ·mol-1;二是用ΔH表示,此时必须用“负号”表示,如乙炔的标准燃烧热ΔH=-1300kJ·mol-1。
二、能源的充分利用
1.定义
能提供能量的资源,它包括化石燃料、阳光、风力、流水、潮汐以及柴草等。
2.化石燃料
化石燃料包括煤、石油、天然气,其缺点是蕴藏量有限;不能再生;利用率低;污染环境。
3.新能源
新能源主要包括:
太阳能、氢能、地热能、风能、海洋能和生物质能。
4.能源的分类
分类
再生能源
非再生能源
常规能源
新能源
常规能源
新能源
一次能源
(直接获得)
水能
太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等
煤、石油、天然气等
核能等
二次能源
(间接获得)
煤制品、石油制品、电能、氢能、火药等
议一议
1.解决化石燃料枯竭的措施有哪些?
答案
(1)提高能源利用率;
(2)开发新的能源;(3)节约现有的能源。
2.燃料充分燃烧的条件有哪些?
怎样提高燃料的燃烧效率?
答案 燃料充分燃烧的条件一是要有足够的空气,二是燃料与空气有足够大的接触面积。
提高燃料的燃烧效率应采取以下措施:
(1)通入足量空气,使燃料充分燃烧;空气足量但要适量,否则,过量的空气会带走部分热量。
(2)增大燃料与空气的接触面积,通常将大块固体燃料粉碎,液体燃料雾化。
如:
将煤气化或液化。
3.“能源分类相关图”如图所示,以下能源中哪些符合图中的阴影部分?
①煤炭 ②石油 ③潮汐能 ④水能 ⑤生物质能
⑥天然气 ⑦太阳能 ⑧风能 ⑨沼气 ⑩地热能
⑪海洋能 ⑫核能
答案 ⑤⑦⑧⑨
一、标准燃烧热与中和热的比较
例1
下列说法正确的是( )
A.1mol硫酸与1molBa(OH)2完全中和所放出的热量为中和热
B.25℃、101kPa时,1molS和2molS的标准燃烧热相等
C.CO是不稳定的氧化物,它能继续和氧气反应生成稳定的CO2,所以CO的燃烧反应一定是吸热反应
D.101kPa时,1mol碳燃烧所放出的热量为碳的标准燃烧热
解析 A项,1molH2SO4与1molBa(OH)2反应生成2molH2O,同时还有BaSO4沉淀生成,不符合中和热的定义;B项,标准燃烧热与可燃物的物质的量无关;C项,CO的燃烧属于放热反应;D项,1mol碳燃烧不一定生成1molCO2。
答案 B
反思归纳
标准燃烧热和中和热的区别与联系
标准燃烧热
中和热
相同点
能量变化
放热反应
ΔH
ΔH<0,单位:
kJ·mol-1
不同点
反应物的量
可燃物的物质的量是1mol(O2的量不限)
可能是1mol,也可能不是
生成物的量
不限量
H2O是1mol
反应热的含义
101kPa下,1mol物质完全燃烧的反应热;不同可燃物,标准燃烧热不同
稀溶液中,酸与碱反应生成1molH2O时的反应热。
强酸强碱的中和热ΔH=-57.3kJ·mol-1
变式训练1 下列热化学方程式书写正确的是(ΔH的绝对值均正确)( )
A.C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(g)
ΔH=-1367.0kJ·mol-1(标准燃烧热)
B.NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l)
ΔH=57.3kJ·mol-1(中和热)
C.S(s)+O2(g)===SO2(g)
ΔH=-296.8kJ·mol-1(反应热)
D.2NO2===O2+2NO ΔH=116.2kJ·mol-1(反应热)
答案 C
解析 A中表示标准燃烧热时,应生成稳定的氧化物,水应为液态;B中中和反应为放热反应;D中各物质均未注明状态。
二、标准燃烧热的计算
例2
已知:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)
ΔH=-571.6kJ·mol-1;
C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(l)
ΔH=-2220kJ·mol-1。
设氢气和丙烷的混合气体5mol完全燃烧时放出热量3847kJ,则混合气体中氢气与丙烷的体积比是( )
A.1∶3B.3∶1
C.1∶4D.1∶1
解析 本题为反应热和混合物的计算问题。
方法一:
常规解法——列方程组。
设混合气体中氢气和丙烷的物质的量分别为x和y,由燃烧的热化学方程式可知H2的标准燃烧热为285.8kJ·mol-1,丙烷的标准燃烧热为2220kJ·mol-1,则可得下列方程组:
解得x≈3.75mol,y≈1.25mol。
方法二:
估算法(仅适用于选择题)。
由题意可知:
H2的燃烧热为285.8kJ·mol-1,C3H8的燃烧热为2220kJ·mol-1,5mol混合气体完全燃烧共放出3847kJ的热量。
由此可得C3H8的物质的量一定小于2mol,则H2的物质的量一定大于3mol,故H2与C3H8的体积比一定大于3∶2,从而选出正确答案。
方法三:
混合物的相关计算的另一种常规思维方法是+字交叉法。
把5mol混合气体看作纯净物,则该气体的平均燃烧热为3847kJ÷5mol=769.4kJ·mol-1,有:
得n(H2)∶n(C3H8)=1450.6∶483.6≈3∶1,故二者的体积之比为3∶1。
故正确答案为B。
答案 B
方法技巧
有关标准燃烧热的计算方法
(1)该可燃物的燃烧热ΔH计算燃烧反应所释放的热量。
其标准燃烧热是以1mol物质完全燃烧所放出的热量来定义的,因此计算标准燃烧热时先应计算出可燃物的物质的量[n(可燃物)],然后根据计算公式Q放=n(可燃物)×|ΔH|或变式一下求物质的标准燃烧热:
ΔH=
。
(ΔH是指物质的标准燃烧热)
(2)有关燃烧热的混合物的计算方法
①列方程组法。
列方程组法思路简单,应用普遍,但求解过程繁杂。
②+字交叉法。
如例2:
H2的燃烧热数值
C3H8燃烧热数值
推出:
=
=
=
变式训练2 已知下列两个热化学方程式:
H2(g)+
O2(g)===H2O(l)
ΔH=-285.0kJ·mol-1
C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(l)
ΔH=-2220.0kJ·mol-1
(1)实验测得H2和C3H8的混合气体共5mol,完全燃烧生成液态水时放热6262.5kJ,则混合气体中H2和C3H8的体积比为。
(2)已知:
H2O(l)===H2O(g) ΔH=44.0kJ·mol-1,写出丙烷燃烧生成CO2和气态水的热化学方程式:
。
答案
(1)1∶1
(2)C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(g)
ΔH=-2044kJ·mol-1
解析
(1)设H2、C3H8的物质的量分别为n(H2)、n(C3H8),则
解得:
n(H2)=2.5mol n(C3H8)=2.5mol
在相同p、T时,
=
=
=1∶1。
(2)由H2O(l)===H2O(g) ΔH=44.0kJ·mol-1
则4molH2O(l)变为H2O(g)吸热为176kJ,故
C3H8(g)+5O2(g)===3CO2(g)+4H2O(g)
ΔH=-2044kJ·mol-1。
1.下列说法不正确的是( )
A.化石燃料在任何条件下都能充分燃烧
B.化石燃料在燃烧过程中能产生污染环境的CO、SO2等有害气体
C.直接燃烧煤不如将煤进行深加工后再燃烧的效果好
D.固体煤变为气体燃料后,燃烧效率将提高
答案 A
解析 化石燃料只有在适当的温度和有氧气存在的情况下才能燃烧充分,A项不正确;化石燃料不经过处理直接燃烧可产生污染物CO、SO2等有害气体,B项正确;化石燃料(煤)经深加工后变为气体燃料,不仅减少SO2等对大气的污染,而且能提高燃烧效率,C、D项均正确。
2.下列有关能量转换的说法不正确的是( )
A.煤燃烧是化学能转化为热能的过程
B.化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能
C.动物体内葡萄糖被氧化成CO2是化学能转变成热能的过程
D.植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成热能的过程
答案 D
解析 C选项,葡萄糖被氧化放出热量,化学能转化为热能,正确;D选项,应该是太阳能转化为化学能,不正确。
3.下列关于2C4H10(g)+13O2(g)===8CO2(g)+10H2O(l)
ΔH=-5800kJ·mol-1的叙述中错误的是( )
A.该反应的反应热为ΔH=-5800kJ·mol-1,是放热反应
B.该反应的ΔH与各物质的状态有关,与化学计量数也有关
C.该式的含义为25℃、101kPa下,2molC4H10气体完全燃烧生成CO2和液态水时放出热量5800kJ
D.该反应为丁烷燃烧的热化学方程式,由此可知丁烷的标准燃烧热为5800kJ·mol-1
答案 D
解析 根据标准燃烧热的定义,丁烷的物质的量应为1mol,故题中方程式不是丁烷的标准燃烧热的热化学方程式,由题中方程式可知,丁烷的标准燃烧热为2900kJ·mol-1,再根据热化学方程式的书写注意事项及意义可知,A、B、C正确,D错误。
4.下列热化学方程式中,ΔH(ΔH的绝对值都正确)能正确表示物质的标准燃烧热的是( )
A.CO(g)+
O2(g)===CO2(g)
ΔH=-283.0kJ·mol-1
B.C(s)+
O2(g)===CO(g)
ΔH=-110.5kJ·mol-1
C.H2(g)+
O2(g)===H2O(g)
ΔH=-241.8kJ·mol-1
D.2C8H18(l)+25O2(g)===16CO2(g)+18H2O(l)
ΔH=-11036kJ·mol-1
答案 A
解析 本题旨在考查标准燃烧热的定义。
B项不是物质完全燃烧生成稳定的氧化物;C项生成物H2O(g)不是稳定的氧化物,其稳定的氧化物为H2O(l);D项不是1mol的物质完全燃烧,B、C、D均不符合标准燃烧热的定义。
5.已知25℃、101kPa下,碳、氢气、乙烯和葡萄糖的标准燃烧热依次是393.5kJ·mol-1、285.8kJ·mol-1、1411.0kJ·mol-1、2800kJ·mol-1,则热化学方程式正确的是( )
A.C(s)+
O2(g)===CO(g)
ΔH=-393.5kJ·mol-1
B.2H2(g)+O2(g)===2H2O(g)
ΔH=571.6kJ·mol-1
C.C2H4(g)+3O2(g)===2CO2(g)+2H2O(g)
ΔH=-1411.0kJ·mol-1
D.
C6H12O6(s)+3O2(g)===3CO2(g)+3H2O(l)
ΔH=-1400kJ·mol-1
答案 D
解析 A项中碳燃烧应生成CO2,A错;B、C项中H2O应为液态,且B中为放热反应,ΔH<0,B、C错;D项中C6H12O6(s)的标准燃烧热为2800kJ·mol-1,则
molC6H12O6(s)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)时放热为1400kJ,D正确。
[基础过关]
一、能源的分类
1.关于能源,以下说法不正确的是( )
A.煤、石油、天然气等燃料属不可再生能源
B.煤、石油、水煤气可从自然界直接获取,属一次能源
C.太阳能是一次能源、新能源、可再生能源
D.潮汐能来源于月球引力做功
答案 B
解析 煤、石油、天然气等化石燃料蕴藏量有限,不可再生,最终将会枯竭,A正确;煤、石油等可从自然界直接获取,属一次能源,但水煤气是由焦炭与H2O(g)在高温下反应制取,属二次能源,B错误;太阳能既是一次能源、新能源,还是可再生能源,C正确;潮汐能来自于月球引力,D正确。
2.以节能减排为基础的低碳经济是保持社会可持续发展的战略举措。
下列做法违背发展低碳经济的是( )
A.发展氢能和太阳能
B.限制塑料制品的使用
C.提高原子利用率,发展绿色化学
D.尽量用纯液态有机物代替水作溶剂
答案 D
解析 所谓低碳经济,是指在可持续发展理念的指导下,通过技术创新、制度创新、产业新型、新能源开发等多种手段,尽可能地减少煤炭、石油等高碳能源消耗,减少温室气体排放,达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。
发展氢能和太阳能,限制塑料的使用和发展绿色化学,都符合低碳经济。
3.氢气是一种很有前途的能源物质。
以水为原料大量制取氢气的最理想的途径是( )
A.利用太阳能直接使水分解产生氢气
B.用焦炭和水制取水煤气后分离出氢气
C.用Fe跟HCl反应制取氢气
D.由热电站提供电力,电解水产生氢气
答案 A
解析 用焦炭为原料生成H2,要消耗大量焦炭,只能解决能源利用问题,不能解决能源紧缺问题;热电站需要消耗煤炭,冶炼铁也要消耗煤炭,并且能量在转化过程中都有损失,这都不是最理想的途径;地球上水的储量巨大,太阳能取之不尽,所以A是最理想的制氢途径。
二、标准燃烧热的概念
4.下列说法中正确的是( )
A.物质燃烧放出的热量是标准燃烧热
B.1molC燃烧生成CO时放出的热量就是C的标准燃烧热
C.1molH2燃烧生成水时放出的热量是H2的标准燃烧热
D.相同条件下,1molH2O(l)完全分解吸收的热量与H2、O2化合生成1molH2O(l)放出的热量值相等
答案 D
解析 标准燃烧热是指在25℃、101kPa下,1mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时放出的热量,显然A项错误;B项中碳燃烧生成的稳定化合物应为CO2,错误;C项中H2燃烧时的条件及生成水的状态不确定,1molH2燃烧生成水放出的热量不一定是H2的标准燃烧热,故错误;根据能量守恒定律可知,D项正确。
5.下列关于反应热的描述中正确的是( )
A.HCl和NaOH反应的中和热ΔH=-57.3kJ·mol-1,则H2SO4和Ca(OH)2反应的中和热ΔH=2×(-57.3)kJ·mol-1
B.CO(g)的标准燃烧热是283.0kJ·mol-1,则2CO2(g)===2CO(g)+O2(g)反应的ΔH=2×283.0kJ·mol-1
C.反应热有正负之分,标准燃烧热ΔH全部是正值
D.1mol甲烷燃烧生成气态水和二氧化碳所放出的热量是甲烷的标准燃烧热
答案 B
解析 中和热是以生成1molH2O(l)作为标准的,因此A不正确;标准燃烧热是指1mol纯物质完全燃烧生成稳定氧化物所放出的热量,因此B正确,D不正确;标准燃烧热ΔH都是负值,C不正确。
6.下面均是正丁烷与氧气反应的热化学方程式(25℃,101kPa):
①C4H10(g)+
O2(g)===4CO2(g)+5H2O(l)
ΔH=-2878kJ·mol-1
②C4H10(g)+
O2(g)===4CO2(g)+5H2O(g)
ΔH=-2658kJ·mol-1
③C4H10(g)+
O2(g)===4CO(g)+5H2O(l)
ΔH=-1746kJ·mol-1
④C4H10(g)+
O2(g)===4CO(g)+5H2O(g)
ΔH=-1526kJ·mol-1
由此判断,正丁烷的标准燃烧热ΔH为( )
A.-2878kJ·mol-1B.-2658kJ·mol-1
C.-1746kJ·mol-1D.-1526kJ·mol-1
答案 A
解析 标准燃烧热是指在25℃、101kPa时,1mol纯物质完全燃烧生成稳定氧化物时所放出的热量。
因此正丁烷完全燃烧的产物应为CO2(g)和H2O(l),所以正丁烷的标准燃烧热为ΔH=-2878kJ·mol-1。
三、有关标准燃烧热的计算
7.已知在一定条件下,CO的标准燃烧热为283kJ·mol-1,CH4的标准燃烧热为890kJ·mol-1,由1molCO和3molCH4组成的混合气体在上述条件下充分燃烧,释放的热量为( )
A.2912kJB.2953kJ
C.3236kJD.3867kJ
答案 B
解析 1molCO完全燃烧放出的热量为1mol×283kJ·mol-1=283kJ,3molCH4完全燃烧放出的热量为3mol×890kJ·mol-1=2670kJ,释放的总热量为283kJ+2670kJ=2953kJ。
8.已知:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-571.6kJ·mol-1
CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890kJ·mol-1
现有H2与CH4的混合气体112L(标准状况),使其完全燃烧生成CO2和H2O(l),若实验测得反应放热3695kJ,则原混合气体中H2与CH4的物质的量之比是( )
A.1∶1B.1∶3C.1∶4D.2∶3
答案 B
解析 由2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-571.6kJ·mol-1知,燃烧1molH2放出的热量为285.8kJ。
由CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890kJ·mol-1知,燃烧1molCH4放出的热量为890kJ。
设112L(即5mol)混合气体中H2的物质的量为x,则285.8kJ·mol-1×x+890kJ·mol-1×(5-x)=3695kJ,解得:
x=1.25mol,n(H2)∶n(CH4)=1.25mol∶3.75mol=1∶3。
四、燃烧热的综合应用
9.航天飞船可用肼(N2H4)和过氧化氢(H2O2)为动力源。
已知1g液态肼和足量液态过氧化氢反应生成氮气和水蒸气时放出20.05kJ的热量。
下列说法中错误的是( )
A.该反应中肼作还原剂
B.液态肼的燃烧热为20.05kJ·mol-1
C.该动力源的突出优点之一是生成物对环境无污染
D.肼和过氧化氢反应的热化学方程式为
N2H4(l)+2H2O2(l)===N2(g)+4H2O(g)
ΔH=-641.6kJ·mol-1
答案 B
解析 从元素化合价变化看,
H4―→
2,N2H4被氧化,作还原剂,A项正确;由于1g液态肼与足量液态过氧化氢反应放热20.05kJ,则1molN2H4(l)参加反应放热20.05kJ×32=641.6kJ,故D项正确;反应产物为N2和H2O,故不会造成污染,C项正确;与燃烧热的概念不符,B项错误。
10.已知25℃、101kPa时,乙烯和乙炔(C2H2)标准燃烧热的热化学方程式分别为
C2H4(g)+3O2(g)===2CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-1411kJ·mol-1
C2H2(g)+
O2(g)===2CO2(g)+H2O(l)
ΔH=-1300kJ·mol-1,又知燃烧时火焰的温度乙炔高于乙烯。
据此,下列说法不正确的是( )
A.物质的燃烧热热值越大,火焰温度越高
B.相同条件下等体积乙烯和乙炔完全燃烧时,乙炔放热较少
C.25℃、101kPa时,1mol乙烯完全燃烧生成气态产物时,放出的热量小于1411kJ
D.乙烷(C2H6)的标准燃烧热ΔH<-1411kJ·mol-1
答案 A
解析 物质燃烧时火焰温度与该物质燃烧的量、燃烧速率及是否充分燃烧等因素有关,选项A错;由方程式化学计量数及ΔH的值可知,选项B正确;由于气态水冷凝为液态时会放热,选项C正确;根据乙烯、乙炔的燃烧热变化情况可知,乙烷的标准燃烧热ΔH应比乙烯小,选项D正确。
11.一些烷烃的标准燃烧热如下表:
化合物
标准燃烧热
(kJ·mol-1)
化合物
标准燃烧热(kJ·mol-1)
甲烷
891.0
正丁烷
2878.0
乙烷
1560.8
异丁烷
2869.6
丙烷
2221.5
2甲基丁烷
3531.3
下列说法正确的是( )
A.正戊烷的标准燃烧热大约是3540kJ·mol-1
B.热稳定性:
正丁烷>异丁烷
C.乙烷燃烧的热化学方程式为
2C2H6(g)+7O2(g)===4CO2(g)+6H2O(g)
ΔH=-1560.8kJ·mol-1
D.相同质量的烷烃,碳的质量分数越大,燃烧放出的热量越多
答案 A
解析 由正丁烷和异丁烷的燃烧热数据可推出,正戊烷比2甲基丁烷的燃烧热略大些,A正确;正丁烷和异丁烷燃烧生成等量的相同的物质,即生成新化学键时所放出的热量相等,1mol正丁烷完全燃烧放出的热量比1mol异丁烷完全燃烧放出的热量多,即1mol正丁烷与O2反应时断键所吸收的能量比1mol异丁烷与O2反应时断键所吸收的能量少,从而说明正丁烷的热稳定性小于异丁烷;C项中的ΔH=-3121.6kJ·mol-1且H2O应为液态;D项1gCH4燃烧放出55.69kJ的热量,1gC2H6燃烧放出52.03kJ的热量,D项错误。
[能力提升]
12.科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇,并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。
已知H2(g)、CO(g)和CH3OH(l)的标准燃烧热ΔH分别为-285.8kJ·mol-1、-283.0kJ·mol-1和-726.5kJ·mol-1。
请回答下列问题:
(1)用太阳能分解
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