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第6讲化学反应与热能
第6讲化学能与热能
【考点1】焓变与热化学方程式
1.反应热(焓变)
(1)定义:
在恒压条件下进行的反应的热效应。
符号:
ΔH。
单位:
kJ·mol-1或kJ/mol。
(2)表示方法
吸热反应:
ΔH>0;放热反应:
ΔH<0。
(3)产生原因
化学反应过程中旧键断裂吸收的能量与新键形成放出的能量不相等,故化学反应均伴随着能量变化。
(4)常见的放热反应和吸热反应
放热反应:
①可燃物的燃烧;②酸碱中和反应;③大多数化合反应;④金属跟酸的置换反应;⑤物质的缓慢氧化;⑥铝热反应等。
吸热反应:
①大多数分解反应;②盐的水解;③Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应;④碳和水蒸气、C和CO2的反应等。
2.反应热的本质
图示
a、b、c表示的意义
微观
宏观
a表示断裂旧化学键吸收的能量;b表示形成新化学键放出的能量;c表示反应热
a表示活化能;b表示活化分子结合成生成物所释放的能量;c表示反应热
3.热化学方程式
(1)概念
表示参加反应物质的量和反应热的关系的化学方程式。
(2)意义
表明了化学反应中的物质变化和能量变化。
如:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)ΔH=-571.6kJ·mol-1
表示:
2mol氢气和1mol氧气反应生成2mol液态水时放出571.6kJ的热量。
(3)热化学方程式的书写要求
①注明反应的温度和压强(25℃、101kPa下进行的反应可不注明)。
②注明反应物和生成物的状态:
固态(s)、液态(l)、水溶液(aq)、气态(g)。
③热化学方程式中各物质的化学计量数只表示物质的物质的量,而不表示分子个数(或原子个数),因此可以写成分数。
④热化学方程式中不用“↑”和“↓”。
⑤热化学方程式能反映出该反应已完成的数量。
由于ΔH与反应物的物质的量有关,所以热化学方程式中物质的化学计量数必须与ΔH相对应,如果化学计量数加倍,则ΔH也要加倍。
当反应向逆反应方向进行时,其反应热与正反应的反应热数值相等,符号相反。
【小思提示】
正确理解活化能与反应热的关系
(1)催化剂能降低反应所需活化能,但不影响焓变的大小。
(2)在无催化剂的情况下,E1为正反应的活化能,E2为逆反应的活化能,即E1=E2+|ΔH|。
根据键能计算反应中的焓变
(1)计算公式:
ΔH=反应物的键能总和-生成物的键能总和。
(2)根据键能计算反应热的关键是正确找出反应物和生成物所含共价键的数目,如H2O分子中含有2个H—O共价键,NH3分子中含有3个N—H共价键等。
要注意晶体结构中化学键的情况,常见的有1molP4含有6molP—P键,1mol晶体硅含有2molSi—Si键,1mol石墨晶体中含有1.5molC—C键,1mol金刚石含有2molC—C键,1molSiO2含有4molSi—O键等。
书写热化学方程式要“五查”
(1)查热化学方程式是否配平。
(2)查各物质的聚集状态是否正确。
(3)查ΔH的“+”“-”符号是否正确。
(4)查反应热的单位是否为kJ·mol-1。
(5)查反应热的数值与化学计量数是否对应。
【例1】某反应的反应过程中能量变化如图所示(图中E1表示正反应的活化能,E2表示逆反应的活化能)。
下列有关叙述正确的是( )
A.该反应为放热反应
B.催化剂能改变该反应的焓变
C.催化剂能降低该反应的活化能
D.逆反应的活化能大于正反应的活化能
【小思点评】由题图可以看出,反应物的总能量低于生成物的总能量,故该反应为吸热反应,A项错误;催化剂不能改变反应的焓变,B项错误;由图像可以看出,催化剂能降低该反应的活化能,C项正确;由图像可以看出E1>E2,即逆反应的活化能小于正反应的活化能,D项错误。
本题答案为C
【例2】某反应过程中体系的能量变化如图所示,下列说法错误的是( )
A.反应过程可表示为
―→
―→
B.E1为反应物的总能量与过渡态的能量差,称为正反应的活化能
C.正反应的热效应ΔH=E1-E2<0,所以正反应为放热反应
D.此图中逆反应的热效应ΔH=E1-E2<0,所以逆反应为放热反应
【小思点评】由图可知,正反应放热,ΔH为负值;逆反应吸热,ΔH为正值,D错误。
。
故答案为D。
【例3】已知1g氢气完全燃烧生成液态水时放出热量143kJ,18g水蒸气变成液态水放出44kJ的热量。
其他相关数据如下表:
O==O
H—H
H—O(g)
1mol化学键断裂时
需要吸收的能量/kJ
496
436
x
则表中x为( )
A.920B.557C.463D.188
【小思点评】根据题意,可得热化学方程式为2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-572kJ·mol-1;而18g水蒸气变成液态水时放出44kJ热量,则2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH=-484kJ·mol-1,即-484kJ=2×436kJ+496kJ-4xkJ,解得x=463。
故答案为C。
【例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:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【小思点评】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,ΔH=+(a-b)kJ·mol-1。
本题答案为A2(g)+B2(g)===2AB(g) ΔH=+(a-b)kJ·mol-1
【例5】写出下列反应的热化学方程式
(1)一定量N2(g)与一定量H2(g)在一定条件下反应生成2molNH3(g),放出92.2kJ热量。
________________________________________________________________________。
(2)14gN2(g)与适量的O2(g)在一定条件下反应生成NO(g),吸收34kJ热量。
________________________________________________________________________。
(3)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___________________________。
(4)在25℃、101kPa下,一定质量的无水乙醇完全燃烧时放出热量QkJ,其燃烧生成的CO2用过量饱和石灰水吸收可得100gCaCO3沉淀,则乙醇燃烧的热化学方程式为____________。
(5)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_________________________。
【小思点评】本题答案为
(1)N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.2kJ·mol-1
(2)N2(g)+O2(g)===2NO(g)ΔH=+68kJ·mol-1
(3)SiH4(g)+2O2(g)===SiO2(s)+2H2O(l)ΔH=-1427.2kJ·mol-1
(4)C2H5OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+3H2O(l)ΔH=-2QkJ·mol-1
(5)4CuCl(s)+O2(g)===2CuCl2(s)+2CuO(s)ΔH=-177.6kJ·mol-1
【考点二】盖斯定律及反应热的计算
1.盖斯定律
(1)内容:
对于一个化学反应,无论是一步完成还是分几步完成,其反应热是相同的。
即:
化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关,而与反应的途径无关。
(2)意义:
间接计算某些反应的反应热。
(3)应用
转化关系
反应热间的关系
aA
B、A
B
ΔH1=aΔH2
A
B
ΔH1=-ΔH2
ΔH=ΔH1+ΔH2
2.利用盖斯定律计算反应热
(1)运用盖斯定律的技巧——“三调一加”
一调:
根据目标热化学方程式,调整已知热化学方程式中反应物和生成物的左右位置,改写已知的热化学方程式。
二调:
根据改写的热化学方程式调整相应ΔH的符号。
三调:
调整中间物质的化学计量数。
一加:
将调整好的热化学方程式及其ΔH相加。
(2)运用盖斯定律的三个注意事项
①热化学方程式乘以某一个数时,反应热的数值必须也乘上该数。
②热化学方程式相加减时,物质之间相加减,反应热也必须相加减。
③将一个热化学方程式颠倒时,ΔH的“+”“-”随之改变,但数值不变。
【例1】反应热比较选项判断
(1)一个反应一步完成或几步完成,两者相比,经过的步骤越多,放出的热量越少( )
(2)H2(g)+
O2(g)===H2O(g) ΔH1和2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH2中的ΔH1<ΔH2( )
(3)已知相同条件下2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g) ΔH1,反应2SO2(g)+O2(g)
2SO3(s) ΔH2,则ΔH1>ΔH2( )
(4)C(石墨,s)===C(金刚石,s) ΔH>0,说明石墨比金刚石稳定( )
【小思点评】
(1)一个反应的ΔH大小只与反应的始态和终态有关,与途径无关。
(2)比较ΔH大小时要注意其正负号。
(4)物质的能量越低越稳定,化学键的键能越高越稳定。
本题答案为
(1)×
(2)× (3)√ (4)√
【例2】已知:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH1
3H2(g)+Fe2O3(s)===2Fe(s)+3H2O(g) ΔH2
2Fe(s)+
O2(g)===Fe2O3(s) ΔH3
2Al(s)+
O2(g)===Al2O3(s) ΔH4
2Al(s)+Fe2O3(g)===Al2O3(s)+2Fe(s) ΔH5
下列关于上述反应焓变的判断正确的是( )
A.ΔH1<0,ΔH3>0
B.ΔH5<0,ΔH4<ΔH3
C.ΔH1=ΔH2+ΔH3
D.ΔH3=ΔH4+ΔH5
【小思点评】大多数化合反应为放热反应,而放热反应的反应热(ΔH)均为负值,故A错误;铝热反应为放热反应,故ΔH5<0,而2Fe(s)+
O2(g)===Fe2O3(s) ΔH3③,2Al(s)+
O2(g)===Al2O3(s) ΔH4④,由④-③可得:
2Al(s)+Fe2O3(s)===Al2O3(s)+2Fe(s) ΔH5=ΔH4-ΔH3<0,可得ΔH4<ΔH3、ΔH3=ΔH4-ΔH5,故B正确,D错误;已知:
3H2(g)+Fe2O3(s)===2Fe(s)+3H2O(g) ΔH2②,2Fe(s)+
O2(g)===Fe2O3(s) ΔH3③,将(②+③)×
可得:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH1=
(ΔH2+ΔH3),故C错误。
故答案为B。
【例3】室温下,将1mol的CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低,热效应为ΔH1,将1mol的CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高,热效应为ΔH2;CuSO4·5H2O(s)受热分解的化学方程式为CuSO4·5H2O(s)
CuSO4(s)+5H2O(l),热效应为ΔH3。
则下列判断正确的是( )
A.ΔH2>ΔH3B.ΔH1<ΔH3
C.ΔH1+ΔH3=ΔH2D.ΔH1+ΔH2>ΔH3
【小思点评】方法一:
“虚拟”路径法。
根据盖斯定律:
ΔH1=ΔH3+ΔH2
由于ΔH1>0,ΔH3>0,ΔH2<0
所以ΔH1<ΔH3。
方法二:
方程式叠加法。
CuSO4·5H2O(s)===Cu2+(aq)+SO
(aq)+5H2O(l)ΔH1>0 ①
CuSO4(s)===Cu2+(aq)+SO
(aq) ΔH2<0 ②
CuSO4·5H2O(s)
CuSO4(s)+5H2O(l) ΔH3>0 ③
②+③:
CuSO4·5H2O(s)===Cu2+(aq)+SO
(aq)+5H2O(l)ΔH1=ΔH2+ΔH3
由于ΔH1>0,ΔH2<0,ΔH3>0,所以ΔH1<ΔH3。
本题答案为B
【例4】在1200℃时,天然气脱硫工艺中会发生下列反应:
H2S(g)+
O2(g)===SO2(g)+H2O(g) ΔH1
2H2S(g)+SO2(g)===
S2(g)+2H2O(g) ΔH2
H2S(g)+
O2(g)===S(g)+H2O(g) ΔH3
2S(g)===S2(g) ΔH4
则ΔH4的正确表达式为( )
A.ΔH4=
(ΔH1+ΔH2-3ΔH3)B.ΔH4=
(3ΔH3-ΔH1-ΔH2)
C.ΔH4=
(ΔH1+ΔH2-3ΔH3)D.ΔH4=
(ΔH1-ΔH2-3ΔH3)
【小思点评】给题中方程式依次编号为①、②、③、④,由①+②-③×3得:
3S(g)===
S2(g)(ΔH1+ΔH2-3ΔH3),故2S(g)===S2(g) ΔH4=
(ΔH1+ΔH2-3ΔH3)。
本题答案为A
【例5】在25℃、101kPa时,C(s)、H2(g)、CH3COOH(l)的燃烧热分别为393.5kJ·mol-1、285.8kJ·mol-1、870.3kJ·mol-1,则2C(s)+2H2(g)+O2(g)===CH3COOH(l)的反应热为( )
A.-488.3kJ·mol-1B.+488.3kJ·mol-1
C.-191kJ·mol-1D.+191kJ·mol-1
【小思点评】由题知表示各物质燃烧热的热化学方程式分别为
①C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH=-393.5kJ·mol-1;
②H2(g)+
O2(g)===H2O(l) ΔH=-285.8kJ·mol-1;
③CH3COOH(l)+2O2(g)===2CO2(g)+2H2O(l)ΔH=-870.3kJ·mol-1。
则所求方程式可由反应①×2+②×2-③得出,反应热为-488.3kJ·mol-1。
本题答案为A。
【例6】FeSO4可转化为FeCO3,FeCO3在空气中加热反应可制得铁系氧化物材料。
已知25℃、101kPa时:
4Fe(s)+3O2(g)===2Fe2O3(s)ΔH=-1648kJ·mol-1
C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH=-393kJ·mol-1
2Fe(s)+2C(s)+3O2(g)===2FeCO3(s)ΔH=-1480kJ·mol-1
FeCO3在空气中加热反应生成Fe2O3的热化学方程式是_______________________________。
【小思点评】将所给热化学方程式标号:
4Fe(s)+3O2(g)===2Fe2O3(s) ΔH=-1648kJ·mol-1 ①
C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH=-393kJ·mol-1 ②
2Fe(s)+2C(s)+3O2(g)===2FeCO3(s)ΔH=-1480kJ·mol-1 ③
根据盖斯定律:
③×(-2)+①+②×4可得总方程式。
本题答案为4FeCO3(s)+O2(g)===2Fe2O3(s)+4CO2(g) ΔH=-260kJ·mol-1
【例7】通过以下反应可获得新型能源二甲醚(CH3OCH3)。
下列说法不正确的是( )
①C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)ΔH1=akJ·mol-1
②CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g)ΔH2=bkJ·mol-1
③CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)ΔH3=ckJ·mol-1
④2CH3OH(g)===CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH4=dkJ·mol-1
A.反应①、②为反应③提供原料气
B.反应③也是CO2资源化利用的方法之一
C.反应CH3OH(g)===
CH3OCH3(g)+
H2O(l)的ΔH=
kJ·mol-1
D.反应2CO(g)+4H2(g)===CH3OCH3(g)+H2O(g)的ΔH=(2b+2c+d)kJ·mol-1
【小思点评】A项,反应①、②提供CO2和H2,正确;B项,反应③将CO2转化为有机原料,是CO2的资源利用,正确;C项,反应生成液态水,放出热量大于
,错误;D项,目标反应可由反应②×2+③×2+④获得,计算反应热为(2b+2c+d)kJ·mol-1,正确。
本题答案为C。
【小纳自测】
1.页岩气是从页岩层中开采出来的天然气,是一种重要的非常规天然气资源。
我国的页岩气储量超过其他任何一个国家,可采储量有1275万亿立方英尺。
这些储量足够中国使用300多年,有关页岩气的叙述错误的是( )
A.页岩气属于一种新能源
B.页岩气属于一次能源
C.页岩气属于清洁能源
D.页岩气属于不可再生能源
答案 A
解析 页岩气属于天然气,是化石燃料,是不可再生能源。
2.美国研究人员将CO和O附着在一种钉催化剂表面,用激光脉冲将其加热到2000K,成功观察到CO与O形成化学键生成CO2的全过程。
下列说法不正确的是( )
A.CO2属于酸性氧化物
B.CO与O形成化学键的过程中放出能量
C.钉催化剂可以改变该反应的焓变
D.CO与O形成化学键的过程中有电子转移
答案 C
解析 二氧化碳能和碱反应生成盐和水,说明二氧化碳是酸性氧化物,A项正确;原子结合形成化学键时放出热量,B项正确;催化剂只改变反应速率,不改变反应的焓变,C项错误;一氧化碳转化为二氧化碳时碳的化合价升高,所以一氧化碳和氧形成化学键的过程中有电子转移,D项正确。
3.下列说法正确的是( )
A.化学反应的反应热不仅与反应体系的始态和终态有关,还与反应的途径有关
B.能量的释放或吸收是以发生变化的物质为基础的,且以物质为主
C.根据盖斯定律,热化学方程式中的ΔH直接相加即可得总反应热
D.即使运用盖斯定律也无法计算出碳不完全燃烧时的反应热
答案 B
解析 化学反应的反应热与反应体系的始态和终态有关,而与反应的途径无关,A项错误;结合盖斯定律的内涵和应用可知C项错误;运用盖斯定律可计算出碳不完全燃烧时的反应热,D项错误。
4.下列有关热化学方程式的叙述,正确的是( )
A.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燃烧热
B.由N2O4(g)
2NO2(g) ΔH=-56.9kJ·mol-1,可知将1molN2O4(g)置于密闭容器中充分反应后放出热量为56.9kJ
C.由:
H+(aq)+OH-(aq)===H2O(l) ΔH=-57.3kJ·mol-1,可知:
含1molCH3COOH的溶液与含1molNaOH的溶液混合,放出热量为57.3kJ
D.已知101kPa时,2C(s)+O2(g)===2CO(g) ΔH=-221kJ·mol-1,则1mol碳完全燃烧放出的热量大于110.5kJ
答案 D
解析 A项,液态的水才是氢的稳定氧化物,错误;B项,N2O4(g)2NO2(g) ΔH=-56.9kJ·mol-1,这是一个可逆反应不可能完全反应,错误;C项,醋酸是弱电解质,电离的过程要吸收热量,因此1molCH3COOH的溶液与含1molNaOH的溶液混合,放出热量要小于57.3kJ,错误。
5.在25℃、101kPa下,1mol白磷(化学式为P4)完全燃烧放出的热量和4mol红磷(化学式为P)完全燃烧放出的热量关系如图所示:
由此判断,下列说法正确的是( )
A.由红磷转化为白磷是吸热反应,等质量时红磷比白磷能量高,白磷比红磷稳定
B.由红磷转化为白磷是放热反应,等质量时红磷比白磷能量低,红磷比白磷稳定
C.由红磷转化为白磷是放热反应,等质量时红磷比白磷能量高,白磷比红磷稳定
D.由红磷转化为白磷是吸热反应,等质量时红磷比白磷能量低,红磷比白磷稳定
答案 D
解析 由图像知:
白磷比红磷能量高,能量越高越不稳定,故红磷比白磷稳定,红磷转化为白磷时需要吸收能量,属于吸热反应。
6.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.①B.④C.②③④D.①②③
答案 C
解析 ΔH有正、负之分,比较时要连同“+”“-”在内一起比较,类似数学中的正、负大小的比较。
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等量的固态硫变为硫蒸气时吸收热量,故在与O2反应产生同样的SO2时,气态硫放出的热量多,即ΔH3>ΔH4;③发生同样的燃烧反应,物质的量越多,放出的热量越多,故ΔH5>ΔH6;④碳酸钙分解吸收热量,ΔH7>0,CaO与H2O反应放出热量,ΔH8<0,显然ΔH7>ΔH8。
7.下列图示与对应的叙述相符的是( )
A.图甲中的ΔH1>ΔH2
B.图乙表示可逆反应A(s)+3B(g)2C(g) ΔH>0
C.图丙表示充满NO2气体的试管,倒置于水槽中,向其中缓慢通入氧气直至试管中全部充满水,假设溶质不扩散,溶质的物质的量浓度与通入氧气的体积关系
D.由图丁可说明烯烃与H2加成反应是放热反应,虚线表示在有催化剂的条件下进行
答案 C
解析 ΔH1、ΔH2、ΔH3均小于零,且ΔH1=ΔH2+ΔH3,故A错误;平衡常数不会随压强的改变而改变,故B错误;试管中发生的总反应为4NO2+O2+2H2O===4HNO3,所以随氧气通入,溶质的物质的量浓度不变,故C正确;催化剂会降低反应的活化能,故D错误。
8.一定条件下,在水溶液中1molCl-、ClO
(x=1,2,3,4)的能量(kJ)相对大小如图所示,下列有关说法正确的是( )
A.e是ClO
B.b→a+c反应的活化能为60kJ·mol-1
C.a、b、c、d、e中c最稳定
D.b→a+d反应的热化学方程式为3ClO-(aq)===ClO
(aq)+2Cl-(aq) ΔH=-116kJ·mol-1
答案 D
解析 A项,e中Cl元素化合价为+7价,而ClO
中Cl元素化合价为+5价,错误;B项,b→a+c反应的活化能为40kJ·mol-1,错误;C项,a、b、c、d、e中a能量最低,所以最稳定,错误;D项,b→a+d,根据转移电子守恒得该反应方程式为3ClO-===ClO
+2Cl-,反应热=64kJ·mol-1
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- 第6讲 化学反应与热能 化学反应 热能