浙江专用版学年高中化学 专题1 化学反应与能量变化微型专题重点突破二选修4.docx
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浙江专用版学年高中化学专题1化学反应与能量变化微型专题重点突破二选修4
化学反应与能量变化
[核心素养发展目标] 1.变化观念与平衡思想:
能从能量变化和能量守恒的角度认识热化学反应的相关概念和定律,理解热化学方程式的含义,能根据不同的信息条件书写热化学方程式。
2.证据推理与模型认知:
构建运用盖斯定律解决具体问题的思维方法模型,如书写相关反应的热化学方程式、计算反应热或比较反应热的大小等。
一、图像在化学反应能量变化中的应用
例1
某反应由两步反应ABC构成,其反应过程中能量变化的曲线如图所示(E1、E2、E3、E4表示活化能)。
下列有关叙述不正确的是( )
A.反应A―→C为放热反应
B.稳定性:
C>A>B
C.A―→C的反应中,ΔH=(E1+E3)-(E2+E4)
D.加入催化剂,E1、E2、E3、E4均不变
答案 D
解析 由物质A、C具有的能量知反应A―→C为放热反应。
物质具有的能量越低,稳定性越强,故稳定性:
C>A>B。
A―→B吸热(E1-E2),B―→C放热(E4-E3),故A―→C的ΔH为(E1-E2)-(E4-E3)=(E1+E3)-(E2+E4)。
加入催化剂,可使活化能降低,故D叙述不正确。
将化学反应中的能量变化过程通过图像的方式呈现出来,是这类题目的最大特点。
解答这类题目的关键:
(1)读懂图像,明确图像所提供的信息;
(2)根据图像提供的信息综合运用相关知识,分析、判断、计算。
变式1 当今社会,能源的发展已成为全世界共同关注的话题,乙烷、二甲醚的标准燃烧热较大,可用作燃料。
下图表示乙烷、二甲醚燃烧过程中的能量变化。
请回答下列问题:
(1)a=________。
(2)乙烷的标准燃烧热为________kJ·mol-1。
(3)等物质的量的液态乙烷比气态乙烷完全燃烧生成稳定的氧化物时放出的热量________(填“多”或“少”)。
(4)根据题图写出二甲醚完全燃烧时的热化学方程式:
________________________________________________________________________。
(5)从环保角度分析,放出相同的热量时选择__________(填“乙烷”或“二甲醚”)作为燃料产生的二氧化碳较少。
答案
(1)
(2)1560 (3)少
(4)CH3OCH3(g)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1455kJ·mol-1[或
CH3OCH3(g)+O2(g)===
CO2(g)+H2O(l) ΔH=-485kJ·mol-1] (5)乙烷
解析 先根据原子守恒确定a、b、c、d的值,然后依据标准燃烧热的概念等分析解答。
(1)反应生成1molH2O(l),根据原子守恒可确定a=
,b=
,c=1,d=
。
(2)由图可得
C2H6(g)+
O2(g)===
CO2(g)+H2O(l) ΔH=-520kJ·mol-1,所以乙烷的标准燃烧热为520kJ·mol-1×3=1560kJ·mol-1。
(3)由于液态乙烷具有的能量小于气态乙烷具有的能量,故等物质的量时,液态乙烷完全燃烧生成稳定的氧化物时放出的热量较少。
(5)由热化学方程式可知放出相同热量时,乙烷产生的二氧化碳较少。
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能量变化图像题的解题策略
(1)根据下图(能量变化关系图)判断吸、放热反应:
①A→B:
ΔH>0;属于吸热反应。
②B→C:
ΔH<0;属于放热反应。
(2)注意活化能在图示中的意义
①从反应物至最高点的能量差值表示正反应的活化能;
②从最高点至生成物的能量差值表示逆反应的活化能;
③催化剂只影响正、逆反应的活化能,而不影响反应的ΔH。
(3)进行反应热的有关计算时,要注意图示中反应物和生成物的物质的量。
二、根据已知信息书写热化学方程式
例2
燃烧ag液态乙醇生成二氧化碳气体和液态水,放出QkJ热量,经测定ag液态乙醇与足量钠反应生成标准状况下5.6L氢气。
则液态乙醇燃烧的热化学方程式表示正确的是( )
A.C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-QkJ·mol-1
B.C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(g) ΔH=-2QkJ·mol-1
C.C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-2QkJ·mol-1
D.C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=QkJ·mol-1
答案 C
解析 根据2C2H5OH+2Na―→2C2H5ONa+H2↑及生成标准状况下5.6LH2可求出ag液态乙醇的物质的量为0.5mol,根据0.5mol液态乙醇燃烧放出QkJ热量,可知1mol液态乙醇燃烧放出2QkJ热量,故可写出热化学方程式:
C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-2QkJ·mol-1。
根据已知信息书写热化学方程式的方法思路
(1)根据题目给出的信息,确定反应物和生成物,写出化学方程式,并标明各物质的状态。
(2)根据题中一定量反应物(或生成物)反应(或生成)时对应的热量变化,求出1mol反应物(或生成物)反应(或生成)时对应的热量变化,计算该反应的ΔH。
(3)注意特殊要求。
如表示中和热的热化学方程式中生成物H2O(l)的化学计量数必须是1。
变式2 写出下列反应的热化学方程式。
(1)SiH4是一种无色气体,遇到空气能发生爆炸性自燃,生成SiO2和液态H2O。
已知室温下2gSiH4自燃放出热量89.2kJ。
SiH4自燃的热化学方程式为____________________________
______________________________________________________________________________。
(2)CuCl(s)与O2反应生成CuCl2(s)和一种黑色固体。
在25℃、101kPa下,已知该反应每消耗1molCuCl(s),放热44.4kJ,该反应的热化学方程式是____________________________
____________________________________________________________________________。
(3)已知断开1molH—H键、1molN—H键、1molN≡N键需要的能量分别是436kJ、391kJ、946kJ,则N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为_________________________________
______________________________________________________________________________。
(4)已知化学反应A2(g)+B2(g)===2AB(g)的能量变化如图所示,请写出该反应的热化学方程式:
________________________________________________________________________。
(5)FeS2焙烧产生的SO2可用于制硫酸。
已知25℃、101kPa时:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH1=-197kJ·mol-1;
H2O(g)===H2O(l) ΔH2=-44kJ·mol-1;
2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g)2H2SO4(l) ΔH=-545kJ·mol-1。
则SO3(g)与H2O(l)反应的热化学方程式为_______________________________________。
答案
(1)SiH4(g)+2O2(g)===SiO2(s)+2H2O(l) ΔH=-1427.2kJ·mol-1
(2)4CuCl(s)+O2(g)===2CuCl2(s)+2CuO(s) ΔH=-177.6kJ·mol-1
(3)N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92kJ·mol-1
(4)A2(g)+B2(g)===2AB(g) ΔH=(a-b)kJ·mol-1
(5)SO3(g)+H2O(l)===H2SO4(l) ΔH=-130kJ·mol-1
解析
(1)2gSiH4自燃放出热量89.2kJ,1molSiH4自燃放出热量1427.2kJ,故热化学方程式为SiH4(g)+2O2(g)===SiO2(s)+2H2O(l) ΔH=-1427.2kJ·mol-1。
(2)由题意知,生成的黑色固体是氧化铜,根据得失电子守恒和原子守恒配平化学方程式。
再根据反应每消耗1molCuCl(s)放热44.4kJ可写出该反应的热化学方程式:
4CuCl(s)+O2(g)===2CuCl2(s)+2CuO(s) ΔH=-177.6kJ·mol-1。
(3)N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=(946+436×3-391×6)kJ·mol-1=-92kJ·mol-1。
(4)由图可知,生成物总能量高于反应物总能量,故该反应为吸热反应,热化学方程式为A2(g)+B2(g)===2AB(g)ΔH=(a-b)kJ·mol-1。
(5)2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH1=-197kJ·mol-1①;
H2O(g)===H2O(l) ΔH2=-44kJ·mol-1②;
2SO2(g)+O2(g)+2H2O(g)2H2SO4(l) ΔH3=-545kJ·mol-1③。
根据盖斯定律,由(③-①-②×2)×
得SO3(g)+H2O(l)===H2SO4(l) ΔH=-130kJ·mol-1。
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(1)“五步法”书写热化学方程式
一写方程式——写出配平的化学方程式。
二标状态——用s、l、g、aq标明物质的聚集状态。
三标条件——标明反应的温度和压强(101kPa、25℃时可不标注)。
四标ΔH——在方程式后写出ΔH,并根据信息注明ΔH的“+”或“-”。
五标数值——根据化学计量数计算并写出ΔH的值。
(2)“五审法”判断热化学方程式的正误
一审“+”“-”——放热反应ΔH一定为“-”,吸热反应ΔH一定为“+”。
二审单位——单位一定为“kJ·mol-1”,易错写成“kJ”或漏写。
三审状态——物质的状态必须正确,特别是溶液中的反应易写错。
四审数值——反应热的数值必须与方程式中的化学计量数相对应,即ΔH与化学计量数成正比。
当反应逆向进行时,其反应热与正反应的反应热值相等,符号相反。
五审是否符合概念——如标准燃烧热(燃料的化学计量数为1,生成稳定的氧化物)、中和热(H2O的化学计量数为1)的热化学方程式。
(3)热化学方程式的书写和判断不准确的常见原因:
①忽略了同素异形体的名称的标注。
②没有判断物质的聚集状态的标注是否正确。
③忽略了可逆反应不能完全转化的判断。
④ΔH的正、负及单位书写错误,放热反应的ΔH为“-”,吸热反应的ΔH为“+”,常省略,单位为kJ·mol-1。
⑤ΔH与热化学方程式中化学计量数不对应,相同的反应,化学计量数不同时,ΔH不同。
三、应用盖斯定律计算反应热(ΔH)
例3
黑火药是中国古代的四大发明之一,其爆炸的热化学方程式为:
S(s)+2KNO3(s)+3C(s)===K2S(s)+N2(g)+3CO2(g) ΔH=xkJ·mol-1
已知:
碳的标准燃烧热ΔH1=akJ·mol-1
S(s)+2K(s)===K2S(s) ΔH2=bkJ·mol-1
2K(s)+N2(g)+3O2(g)===2KNO3(s) ΔH3=ckJ·mol-1
则x为( )
A.3a+b-cB.c-3a-b
C.a+b-cD.c-a-b
答案 A
解析 本题已知的三个热化学方程式为:
①C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH1=akJ·mol-1
②S(s)+2K(s)===K2S(s) ΔH2=bkJ·mol-1
③2K(s)+N2(g)+3O2(g)===2KNO3(s) ΔH3=ckJ·mol-1
由盖斯定律可推出,3×①+②-③可得热化学方程式S(s)+2KNO3(s)+3C(s)===K2S(s)+N2(g)+3CO2(g) ΔH=xkJ·mol-1=(3a+b-c)kJ·mol-1。
应用盖斯定律计算ΔH的一般步骤
解题步骤
解题思路
第一步:
观察
对比已知的反应与需要求ΔH的反应,找出需要消去的物质
第二步:
思考
怎样消去这些物质,是相加还是相减或需要乘以某一个数后再相加减,此过程中要特别注意“剔除无关反应”
第三步:
运算
将热化学方程式按第二步的思路进行运算,得出新的热化学方程式
第四步:
计算
列出算式,代入数据计算
变式3 由盖斯定律结合下述反应方程式,回答问题:
(1)已知:
①C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH1;
②2CO(g)+O2(g)===2CO2(g) ΔH2;
③TiO2(g)+2Cl2(g)===TiCl4(s)+O2(g) ΔH3。
则TiO2(g)+2Cl2(g)+2C(s)===TiCl4(s)+2CO(g)的ΔH=________________(列出关于ΔH1、ΔH2、ΔH3的表达式)。
(2)已知:
温度过高时,WO2(s)转变为WO2(g)。
①WO2(s)+2H2(g)W(s)+2H2O(g) ΔH1=66.0kJ·mol-1
②WO2(g)+2H2(g)W(s)+2H2O(g) ΔH2=-137.9kJ·mol-1
则WO2(s)WO2(g)的ΔH=________________。
答案
(1)2ΔH1-ΔH2+ΔH3
(2)203.9kJ·mol-1
解析
(1)将热化学方程式①×2-②+③即得目标方程式,故ΔH=2ΔH1-ΔH2+ΔH3。
(2)由①-②可得WO2(s)WO2(g) ΔH=ΔH1-ΔH2=(66.0kJ·mol-1)-(-137.9kJ·mol-1)=203.9kJ·mol-1。
解题导引
观察已知反应与待求反应,找出其内在联系,再利用盖斯定律进行解答。
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运用盖斯定律计算反应热
计算反应热最基本的方法是应用盖斯定律。
其题目往往给出几个已知的热化学方程式,然后要求计算与之有关的目标热化学方程式的反应热,此时可应用盖斯定律进行计算。
应用盖斯定律计算反应热的关键在于设计反应过程。
计算时应注意以下几点:
(1)参照新的热化学方程式(目标热化学方程式),结合原热化学方程式(一般2~3个),进行合理“变形”,如热化学方程式左右颠倒或乘、除以某一个数,然后将它们相加、减,得到目标热化学方程式,求出目标热化学方程式的ΔH与原热化学方程式ΔH之间的换算关系。
(2)当热化学方程式乘、除以某一个数时,ΔH也应相应地乘、除以某一个数;热化学方程式进行加、减运算时,ΔH也同样要进行加、减运算,且要带“+”“-”符号,即把ΔH和方程式看作一个整体进行运算。
(3)将一个热化学方程式颠倒书写时,ΔH的符号也随之改变,但绝对值不变。
(4)在设计反应过程时,会遇到同一物质三种状态(固、液、气)的相互转化,当物质的状态由固→液→气变化时,会吸热,反之会放热。
其思维导图如下:
四、反应热(ΔH)的大小比较方法
例4
(2018·福州期中)下列各组热化学方程式的ΔH前者大于后者的是( )
①C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH1
C(s)+
O2(g)===CO(g) ΔH2
②S(s)+O2(g)===SO2(g) ΔH3
S(g)+O2(g)===SO2(g) ΔH4
③H2(g)+
O2(g)===H2O(l) ΔH5
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH6
④CaCO3(s)===CaO(s)+CO2(g) ΔH7
CaO(s)+H2O(l)===Ca(OH)2(aq) ΔH8
A.①②④B.①③④
C.②③④D.①②③
答案 C
解析 ①中第一个热化学方程式减去第二个热化学方程式可得CO(g)+
O2(g)===CO2(g) ΔH=ΔH1-ΔH2,该反应为放热反应,即ΔH1-ΔH2<0,所以ΔH1<ΔH2;②固态硫变为气态硫时需要吸收热量,故固态硫和气态硫与O2反应产生同样多的SO2(g)时,气态硫放出的热量多,即ΔH3>ΔH4;③同一燃烧反应,其他条件相同时,参与反应的反应物的物质的量越大,放出的热量越多,故ΔH5>ΔH6;④碳酸钙分解吸收热量,ΔH7>0,CaO(s)与H2O(l)反应放出热量,ΔH8<0,显然ΔH7>ΔH8。
(1)吸热反应的ΔH肯定比放热反应的大,吸热反应的ΔH>0,放热反应的ΔH<0。
(2)同一放热反应(吸热反应),其他条件相同时,参与反应的反应物的物质的量越大,放出(吸收)的热量越多,ΔH的值越小(大)。
(3)产物相同时,气态物质燃烧放出的热量比等量的同种固态物质燃烧放出的热量多;反应物相同时,生成液态物质放出的热量比生成等量的同种气态物质放出的热量多。
(4)生成等量的水时,强酸和强碱的稀溶液反应比弱酸和强碱(或弱碱和强酸,或弱酸和弱碱)的稀溶液反应放出的热量多。
(5)对于可逆反应,因反应不能进行完全,实际反应过程中放出或吸收的热量应按热化学方程式中物质的量与ΔH的关系换算。
变式4 已知有关甲烷燃烧的三个热化学方程式如下:
①CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(g) ΔH=akJ·mol-1
②CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=bkJ·mol-1
③
CH4(g)+O2(g)===
CO2(g)+H2O(l) ΔH=ckJ·mol-1
下列判断正确的是( )
A.甲烷的标准燃烧热为|a|kJ·mol-1
B.b>a
C.b=2c
D.a>c
答案 C
解析 表示CH4标准燃烧热的热化学方程式中,水应为液态,故|b|kJ·mol-1为甲烷的标准燃烧热,A项错误;因a、b均为负值,放出的热量越多,值越小,故b<a,B项错误;热化学方程式中ΔH与化学计量数成正比,故b=2c,C项正确;无法比较a、c的大小,D项错误。
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反应热的求算或大小比较方法
(1)如果化学计量数加倍,ΔH的绝对值也要加倍
例如,H2(g)+
O2(g)===H2O(l) ΔH1=-akJ·mol-1;
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH2=-bkJ·mol-1,其中ΔH2<ΔH1<0,且b=2a。
(2)同一反应,反应物或生成物的状态不同,反应热不同
在同一反应里,反应物或生成物状态不同时,要考虑A(g)
A(l)
A(s),或者从三状态自身的能量比较:
E(g)>E(l)>E(s),可知反应热大小亦不相同。
如S(g)+O2(g)===SO2(g) ΔH1=-akJ·mol-1
S(s)+O2(g)===SO2(g) ΔH2=-bkJ·mol-1
(3)晶体类型不同,产物相同的反应,反应热不同
如C(s,石墨)+O2(g)===CO2(g) ΔH1=-akJ·mol-1
C(s,金刚石)+O2(g)===CO2(g) ΔH2=-bkJ·mol-1
(4)根据反应进行的程度比较反应热大小
①其他条件相同,燃烧越充分,放出热量越多,ΔH越小,如C(s)+
O2(g)===CO(g) ΔH1;C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH2,则ΔH1>ΔH2。
②对于可逆反应,由于反应物不可能完全转化为生成物,所以实际放出(或吸收)的热量小于相应的热化学方程式中的ΔH的绝对值。
如:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-197kJ·mol-1,向密闭容器中通入2molSO2(g)和1molO2(g),发生上述反应,达到平衡后,放出的热量小于197kJ,但ΔH仍为-197kJ·mol-1。
(5)中和反应中反应热的大小不同
①浓硫酸和氢氧化钠固体反应生成1mol水时,放出的热量一定大于57.3kJ(浓硫酸稀释和氢氧化钠固体溶解时都会放出热量)。
②醋酸和NaOH溶液反应生成1mol水时,放出的热量一定小于57.3kJ(醋酸电离会吸热)。
③稀硫酸和Ba(OH)2溶液反应生成1mol水时,反应放出的热量一定大于57.3kJ(SO
和Ba2+反应生成BaSO4沉淀会放热)。
1.(2018·贵州思南中学期中)2017年6月,中国科学家在陕西进行了中国首次页岩气超临界二氧化碳压裂现场实验,并取得圆满成功,这标志着中国在自主探索陆相页岩气高效开发方面取得了重要的理论和技术突破。
页岩气的主要成分为甲烷(CH4),下列说法正确的是( )
A.页岩气属于二次能源
B.处理后的页岩气作为能源比煤作为能源对环境影响更小
C.甲烷完全燃烧过程中,C—H断裂时释放出热能
D.页岩气取之不尽,可供人类长久开采使用
答案 B
解析 页岩气的主要成分为甲烷,因此页岩气属于一次能源,A错误;甲烷是清洁能源,因此处理后的页岩气作为能源比煤作为能源对环境影响更小,B正确;甲烷完全燃烧过程中,C—H键断裂时吸收能量,C错误;页岩气的蕴藏量是有限的,不可能取之不尽,D错误。
2.(2018·永安市第一中学期中)下列说法正确的是( )
A.“煮豆燃豆萁,豆在釜中泣”诗中涉及的能量变化主要是化学能转化为热能和光能
B.已知4P(红磷,s)===P4(白磷,s) ΔH=17kJ·mol-1,则白磷比红磷更稳定
C.同温同压下,H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)在光照和点燃条件下的ΔH不同
D.已知H+(aq)+OH-(aq)===H2O(aq) ΔH=-57.3kJ·mol-1,则1molH2SO4与1molBa(OH)2反应的反应热ΔH=2×(-57.3)kJ·mol-1
答案 A
解析 物质能量越低,物质越稳定,该反应为吸热反应,即红磷的能量小于白磷,红磷比白磷更稳定,故B错误;ΔH只与始态和终态有关,与反应条件无关,因此在光照和点燃条件下,ΔH相同,故C错误;H2SO4和Ba(OH)2反应生成BaSO4也伴随能量的变化,ΔH不等于2×(-57.3)kJ·mol-1,故D错误。
3.(2019·台州市书生中学月考)下列热化学方程式正确的是( )
A.甲烷的标准燃烧热为-890.3kJ·mol-1,则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-890.3kJ·mol-1
B.500℃、30MPa下,将0.5molN2和1.5molH2置于密闭容器中充分反应生成NH3(g),放热19.3kJ,其热化学方程式为N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH=-38.6kJ·mol-1
C.已知在120℃、101kPa下,1gH2燃烧生成水蒸气放出121kJ热量,其热化学方程式为H2(g)+
O2(g)===H2O(g) ΔH=-242kJ·mol-1(120℃、101kPa)
D.25℃,101kPa时,强酸与强碱的稀溶液发生中和反应的中和热ΔH为-57.3kJ·mol-1,硫酸溶液与氢氧化钾溶液反应的热化学方程式为H2SO4(aq)+2KOH(aq)===K2SO4(aq)+2H2O(l) ΔH=-57.3kJ·mol-1
答案 C
解析 在通常情况下,水的稳定状态是液态,不是气态,A错误;氮气与氢气合成氨的反应是可逆反应,反应不能完全进行,B错误;中和热为57.3kJ·mol-1,
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