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高考化学专题化学反应与能量
[考纲要求] 1.了解化学反应中能量转化的原因及常见的能量转化形式。
2.了解化学能与热能的相互转化,了解吸热反应、放热反应、反应热等概念。
3.了解热化学方程式的含义,能正确书写热化学方程式。
4.了解能源是人类生存和社会发展的重要基础。
了解化学在解决能源危机中的重要作用。
5.了解焓变(ΔH)与反应热的含义。
6.理解盖斯定律,并能运用盖斯定律进行有关反应焓变的计算。
7.理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
8.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
9.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
考点一 化学能与热能
1.从两种角度理解化学反应热
反应热图示
图像分析
微观
宏观
a表示断裂旧化学键吸收的能量;
b表示生成新化学键放出的能量;
c表示反应热
a表示反应物的活化能;
b表示活化分子形成生成物释放的能量;
c表示反应热
ΔH的计算
ΔH=H(生成物)-H(反应物)
ΔH=∑E(反应物键能)-∑E(生成物键能)
2.“五步”法书写热化学方程式
提醒 对于具有同素异形体的物质,除了要注明聚集状态之外,还要注明物质的名称。
如:
①S(单斜,s)+O2(g)===SO2(g)
ΔH1=-297.16kJ·mol-1
②S(正交,s)+O2(g)===SO2(g)
ΔH2=-296.83kJ·mol-1
③S(单斜,s)===S(正交,s)
ΔH3=-0.33kJ·mol-1
3.燃烧热和中和热应用中的注意事项
(1)均为放热反应,ΔH<0,单位为kJ·mol-1。
(2)燃烧热概念理解的三要点:
①外界条件是25℃、101kPa;②反应的可燃物是1mol;③生成物是稳定的氧化物(包括状态),如碳元素生成的是CO2,而不是CO,氢元素生成的是液态水,而不是水蒸气。
(3)中和热概念理解三要点:
①反应物的酸、碱是强酸、强碱;②溶液是稀溶液,不存在稀释过程的热效应;③生成产物水是1mol。
1.正误判断,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)
如图表示燃料燃烧反应的能量变化(×)
(2016·江苏,10A)
(2)在CO2中,Mg燃烧生成MgO和C。
该反应中化学能全部转化为热能(×)
(2015·江苏,4D)
(3)催化剂能改变反应的焓变(×)
(2012·江苏,4B)
(4)催化剂能降低反应的活化能(√)
(2012·江苏,4C)
(5)同温同压下,H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g)在光照和点燃条件下的ΔH不同(×)
(6)500℃、30MPa下,将0.5molN2(g)和1.5molH2(g)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(×)
2.(2019·海南,5)根据下图中的能量关系,可求得C—H的键能为( )
A.414kJ·mol-1B.377kJ·mol-1
C.235kJ·mol-1D.197kJ·mol-1
答案 A
解析 C(s)===C(g) ΔH1=717kJ·mol-1
2H2(g)===4H(g) ΔH2=864kJ·mol-1
C(s)+2H2(g)===CH4(g) ΔH3=-75kJ·mol-1
根据ΔH=反应物总键能-生成物总键能
-75kJ·mol-1=717kJ·mol-1+864kJ·mol-1-4E(C—H),解得E(C—H)=414kJ·mol-1。
3.(2016·海南,6)油酸甘油酯(相对分子质量884)在体内代谢时可发生如下反应:
C57H104O6(s)+80O2(g)===57CO2(g)+52H2O(l)
已知燃烧1kg该化合物释放出热量3.8×104kJ,油酸甘油酯的燃烧热ΔH为( )
A.3.8×104kJ·mol-1B.-3.8×104kJ·mol-1
C.3.4×104kJ·mol-1D.-3.4×104kJ·mol-1
答案 D
4.[2015·海南,16(3)]由N2O和NO反应生成N2和NO2的能量变化如图所示,若生成1molN2,其ΔH=________kJ·mol-1。
答案 -139
5.[2019·全国卷Ⅰ,28(3)]我国学者结合实验与计算机模拟结果,研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程,如图所示,其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。
可知水煤气变换的ΔH________0(填“大于”“等于”或“小于”)。
该历程中最大能垒(活化能)E正=________eV,写出该步骤的化学方程式____________________。
答案 小于 2.02 COOH*+H*+H2O*===COOH*+2H*+OH*(或H2O*===H*+OH*)
解析 观察始态物质的相对能量与终态物质的相对能量知,终态物质相对能量低于始态物质相对能量,说明该反应是放热反应,ΔH小于0。
过渡态物质相对能量与始态物质相对能量相差越大,活化能越大,由题图知,最大活化能E正=1.86eV-(-0.16eV)=2.02eV,该步起始物质为COOH*+H*+H2O*,产物为COOH*+2H*+OH*。
6.
(1)[2015·浙江理综,28
(1)]乙苯催化脱氢制苯乙烯反应:
+H2(g)
已知:
化学键
C—H
C—C
C==C
H—H
键能/kJ·mol-1
412
348
612
436
计算上述反应的ΔH=________kJ·mol-1。
答案 +124
解析 设“
”部分的化学键键能为akJ·mol-1,则ΔH=(a+348+412×5)kJ·
mol-1-(a+612+412×3+436)kJ·mol-1=+124kJ·mol-1。
(2)[2015·全国卷Ⅰ,28(3)]已知反应2HI(g)===H2(g)+I2(g)的ΔH=+11kJ·mol-1,1molH2(g)、1molI2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收436kJ、151kJ的能量,则1molHI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为____________kJ。
答案 299
解析 形成1molH2(g)和1molI2(g)共放出436kJ+151kJ=587kJ能量,设断裂2molHI(g)中化学键吸收2akJ能量,则有2a-587=11,得a=299。
[另解:
ΔH=2E(H—I)-E(H—H)-E(I—I),2E(H—I)=ΔH+E(H—H)+E(I—I)=11kJ·mol-1+436kJ·mol-1+151kJ·mol-1=598kJ·mol-1,则E(H—I)=299kJ·mol-1。
]
利用键能计算反应热,要熟记公式:
ΔH=反应物总键能-生成物总键能,其关键是弄清物质中化学键的数目。
在中学阶段要掌握常见单质、化合物中所含共价键的数目。
原子晶体:
1mol金刚石中含2molC—C键,1mol硅中含2molSi—Si键,1molSiO2晶体中含4molSi—O键;分子晶体:
1molP4中含有6molP—P键,1molP4O10(即五氧化二磷)中含有12molP—O键、4molP==O键,1molC2H6中含有6molC—H键和1molC—C键。
7.
(1)[2017·天津,7(3)]0.1molCl2与焦炭、TiO2完全反应,生成一种还原性气体和一种易水解成TiO2·xH2O的液态化合物,放热4.28kJ,该反应的热化学方程式为
________________________________________________________________________。
(2)[2015·天津理综,7(4)]随原子序数递增,八种短周期元素(用字母x等表示)原子半径的相对大小、最高正价或最低负价的变化如下图所示。
根据判断出的元素回答问题:
已知1mole的单质在足量d2中燃烧,恢复至室温,放出255.5kJ热量,写出该反应的热化学方程式:
___________________________________________________________。
(3)[2014·天津理综,7(4)]晶体硅(熔点1410℃)是良好的半导体材料。
由粗硅制纯硅过程如下:
Si(粗)
SiCl4
SiCl4(纯)
Si(硅)
写出SiCl4的电子式:
________________;在上述由SiCl4制纯硅的反应中,测得每生成1.12kg纯硅需吸收akJ热量,写出该反应的热化学方程式:
_________________________。
(4)[2015·安徽理综,27(4)]NaBH4(s)与水(l)反应生成NaBO2(s)和氢气(g),在25℃、101kPa下,已知每消耗3.8gNaBH4(s)放热21.6kJ,该反应的热化学方程式是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)===TiCl4(l)+2CO(g)
ΔH=-85.6kJ·mol-1
(2)2Na(s)+O2(g)===Na2O2(s)
ΔH=-511kJ·mol-1
(3)
SiCl4(g)+2H2(g)
Si(s)+4HCl(g) ΔH=+0.025akJ·mol-1
(4)NaBH4(s)+2H2O(l)===NaBO2(s)+4H2(g)
ΔH=-216kJ·mol-1
热化学方程式书写易出现的错误
(1)未标明反应物或生成物的状态而造成错误。
(2)反应热的符号使用不正确,即吸热反应未标出“+”号,放热反应未标出“-”号,从而导致错误。
(3)漏写ΔH的单位,或者将ΔH的单位写为kJ,从而造成错误。
(4)反应热的数值与方程式的计量数不对应而造成错误。
(5)对燃烧热、中和热的概念理解不到位,忽略其标准是1mol可燃物或生成1molH2O(l)而造成错误。
1.下列关于反应热和热化学反应的描述中正确的是( )
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)的燃烧热ΔH=-283.0kJ·mol-1,则2CO2(g)===2CO(g)+O2(g)反应的ΔH=+2×283.0kJ·mol-1
C.氢气的燃烧热ΔH=-285.5kJ·mol-1,则电解水的热化学方程式为2H2O(l)
2H2(g)+O2(g) ΔH=+285.5kJ·mol-1
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燃烧热
答案 B
解析 在稀溶液中,强酸跟强碱发生中和反应生成1mol液态H2O时的反应热叫做中和热,中和热是以生成1mol液态H2O为基准的,A项错误;CO(g)的燃烧热ΔH=-283.0kJ·mol-1,则CO(g)+
O2(g)===CO2(g) ΔH=-283.0kJ·mol-1,则2CO(g)+O2(g)===2CO2(g) ΔH=
-2×283.0kJ·mol-1,逆向反应时反应热的数值相等,符号相反,B项正确;电解2mol水吸收的热量和2molH2完全燃烧生成液态水时放出的热量相等,ΔH应为+571.0kJ·mol-1,C项错误;在101kPa时,1mol物质完全燃烧生成稳定的氧化物(水应为液态)时所放出的热量是该物质的燃烧热,D项错误。
2.已知:
2NO2(g)N2O4(g) ΔH1
2NO2(g)N2O4(l) ΔH2
下列能量变化示意图中,正确的是______(填字母)。
答案 A
解析 等质量的N2O4(g)具有的能量高于N2O4(l),因此等量的NO2(g)生成N2O4(l)放出的热量多,只有A项符合题意。
3.
(1)用CO2催化加氢可制取乙烯:
CO2(g)+3H2(g)
C2H4(g)+2H2O(g)。
若该反应体系的能量随反应过程变化关系如图所示,则该反应的ΔH=__________(用含a、b的式子表示)。
已知:
几种化学键的键能如下表所示,实验测得上述反应的ΔH=-152kJ·mol-1,则表中的x=________。
化学键
C==O
H—H
C==C
C—H
H—O
键能/(kJ·mol-1)
803
436
x
414
464
(2)甲烷自热重整是先进的制氢方法,包含甲烷氧化和蒸汽重整两个过程。
向反应系统中同时通入甲烷、氧气和水蒸气,发生的主要化学反应如下表,则在初始阶段,蒸汽重整的反应速率________(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷氧化的反应速率。
反应过程
化学方程式
焓变
ΔH/(kJ·mol-1)
活化能
Ea/(kJ·mol-1)
甲烷氧化
CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(g)
-802.6
125.6
CH4(g)+O2(g)===CO2(g)+2H2(g)
-322.0
172.5
蒸汽重整
CH4(g)+H2O(g)===CO(g)+3H2(g)
+206.2
240.1
CH4(g)+2H2O(g)===CO2(g)+4H2(g)
+158.6
243.9
(3)CO2在CuZnO催化下,可同时发生如下的反应Ⅰ、Ⅱ,其可作为解决温室效应及能源短缺问题的重要手段。
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH1=-57.8kJ·mol-1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
ΔH2=+41.2kJ·mol-1
某温度时,若反应Ⅰ的速率v1大于反应Ⅱ的速率v2,则下列反应过程的能量变化正确的是________(填字母)。
答案
(1)-(b-a)kJ·mol-1 764
(2)小于 (3)D
解析
(1)由图知1molCO2(g)和3molH2(g)具有的总能量大于
molC2H4(g)和2molH2O(g)具有的总能量,该反应为放热反应,反应的ΔH=生成物具有的总能量-反应物具有的总能量=-(b-a)kJ·mol-1。
ΔH=反应物的键能总和-生成物的键能总和=2E(C==O)+3E(H—H)-[
E(C==C)+2E(C—H)+4E(H—O)]=2×803kJ·mol-1+3×436kJ·mol-1-(
×xkJ·mol-1+2×414kJ·mol-1+4×464kJ·mol-1)=-152kJ·mol-1,解得x=764。
(2)从表中活化能数据可以看出,在初始阶段,蒸汽重整反应活化能较大,而甲烷氧化的反应活化能均较小,所以甲烷氧化的反应速率快。
(3)反应Ⅰ是放热反应,反应物的总能量大于生成物的总能量,反应Ⅱ是吸热反应,反应物的总能量小于生成物的总能量,因为反应Ⅰ的速率大于反应Ⅱ,因此反应Ⅰ的活化能低于反应Ⅱ,D正确。
催化剂能加快反应速率的原理是降低了反应的活化能,由此可推知反应的活化能越低,反应速率越快,相对来说反应就越易进行。
1.定律内容
一定条件下,一个反应不管是一步完成,还是分几步完成,反应的总热效应相同,即反应热的大小与反应途径无关,只与反应的始态和终态有关。
2.常用关系式
热化学方程式
焓变之间的关系
aA===B ΔH1
A===
B ΔH2
ΔH2=
ΔH1或ΔH1=aΔH2
aA===B ΔH1
B===aA ΔH2
ΔH1=-ΔH2
ΔH=ΔH1+ΔH2
3.答题模板——叠加法
步骤1 “倒”
为了将方程式相加得到目标方程式,可将方程式颠倒过来,反应热的数值不变,但符号相反。
这样,就不用再做减法运算了,实践证明,方程式相减时往往容易出错。
步骤2 “乘”
为了将方程式相加得到目标方程式,可将方程式乘以某个倍数,反应热也要相乘。
步骤3 “加”
上面的两个步骤做好了,只要将方程式相加即可得目标方程式,反应热也要相加。
1.[2019·北京,27
(1)②]已知反应器中还存在如下反应:
ⅰ.CH4(g)+H2O(g)===CO(g)+3H2(g) ΔH1
ⅱ.CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g) ΔH2
ⅲ.CH4(g)===C(s)+2H2(g) ΔH3
……
ⅲ为积炭反应,利用ΔH1和ΔH2计算ΔH3时,还需要利用____________反应的ΔH。
答案 C(s)+2H2O(g)===CO2(g)+2H2(g)[或C(s)+CO2(g)===2CO(g)]
2.[2019·全国卷Ⅱ,27
(1)]环戊二烯(
)是重要的有机化工原料,广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。
回答下列问题:
已知:
(g)===
(g)+H2(g) ΔH1=100.3kJ·mol-1①
H2(g)+I2(g)===2HI(g) ΔH2=-11.0kJ·mol-1②
对于反应:
(g)+I2(g)===
(g)+2HI(g)③
ΔH3=________kJ·mol-1。
答案 89.3
解析 将题给三个热化学方程式依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由反应①+反应②得反应③,则ΔH3=ΔH1+ΔH2=(100.3-11.0)kJ·mol-1=89.3kJ·mol-1。
3.[2019·全国卷Ⅲ,28
(2)]Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)===CuCl(s)+
Cl2(g) ΔH1=83kJ·mol-1
CuCl(s)+
O2(g)===CuO(s)+
Cl2(g) ΔH2=-20kJ·mol-1
CuO(s)+2HCl(g)===CuCl2(s)+H2O(g) ΔH3=-121kJ·mol-1
则4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=________kJ·mol-1。
答案 -116
解析 将已知热化学方程式依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由(①+②+③)×2得4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-116kJ·mol-1。
4.
(1)[2018·北京,27
(1)]近年来,研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。
过程如下:
反应Ⅰ:
2H2SO4(l)===2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g)
ΔH1=+551kJ·mol-1
反应Ⅲ:
S(s)+O2(g)===SO2(g)
ΔH3=-297kJ·mol-1
反应Ⅱ的热化学方程式:
__________________________________。
答案 3SO2(g)+2H2O(g)===2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254kJ·mol-1
解析 由题图可知,反应Ⅱ的化学方程式为3SO2+2H2O
2H2SO4+S↓。
根据盖斯定律,反应Ⅱ=-(反应Ⅰ+反应Ⅲ)可得:
3SO2(g)+2H2O(g)===2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254kJ·
mol-1。
(2)[2018·江苏,20
(1)]用水吸收NOx的相关热化学方程式如下:
2NO2(g)+H2O(l)===HNO3(aq)+HNO2(aq)
ΔH=-116.1kJ·mol-1
3HNO2(aq)===HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l)
ΔH=75.9kJ·mol-1
反应3NO2(g)+H2O(l)===2HNO3(aq)+NO(g)的ΔH=_____kJ·mol-1。
答案 -136.2
解析 将题给三个热化学方程式依次编号为①、②和③,根据盖斯定律可知,③=(①×3+②)/2,则ΔH=(-116.1kJ·mol-1×3+75.9kJ·mol-1)/2=-136.2kJ·mol-1。
(3)[2018·全国卷Ⅰ,28
(2)①]已知:
2N2O5(g)===2N2O4(g)+O2(g) ΔH1=-4.4kJ·mol-1
2NO2(g)===N2O4(g) ΔH2=-55.3kJ·mol-1
则反应N2O5(g)===2NO2(g)+
O2(g)的ΔH=________kJ·mol-1。
答案 +53.1
解析 令2N2O5(g)===2N2O4(g)+O2(g) ΔH1=-4.4kJ·mol-1 a
2NO2(g)===N2O4(g) ΔH2=-55.3kJ·mol-1 b
根据盖斯定律,a式×
-b式可得:
N2O5(g)===2NO2(g)+
O2(g) ΔH=+53.1kJ·mol-1。
(4)[2018·全国卷Ⅲ,28
(2)]SiHCl3在催化剂作用下发生反应:
2SiHCl3(g)===SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)
ΔH1=48kJ·mol-1
3SiH2Cl2(g)===SiH4(g)+2SiHCl3(g)
ΔH2=-30kJ·mol-1
则反应4SiHCl3(g)===SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH为________kJ·mol-1。
答案 114
解析 将题给两个热化学方程式依次编号为①、②,根据盖斯定律,由①×3+②可得:
4SiHCl3(g)===SiH4(g)+3SiCl4(g),则有ΔH=3ΔH1+ΔH2=3×48kJ·mol-1+(-30kJ·mol-1)=114kJ·mol-1。
(5)[2018·全国卷Ⅱ,27
(1)节选]CH4—CO2催化重整反应为CH4(g)+CO2(g)===2CO(g)+2H2(g)。
已知:
C(s)+2H2(g)===CH4(g)
ΔH=-75kJ·mol-1
C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH=-394kJ·mol-1
C(s)+
O2(g)===CO(g) ΔH=-111kJ·mol-1
该催化重整反应的ΔH=________kJ·mol-1。
答案 +247
解析 将题给三个反应依次编号为①、②、③:
C(s)+2H2(g)===CH4(g) ΔH=-75kJ·mol-1①
C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH=-394kJ·mol-1②
C(s)+
O2(g)===CO(g) ΔH=-111kJ·mol-1③
根据盖斯定律,由③×2-①-②可得:
CH4(g)+CO2(g)===2CO(g)+2H2(g)
ΔH=+247kJ·mol-1。
5.按要求回答下列问题
(1)[2017·全国卷Ⅲ,28(3)]已知:
As(s)+
H2(g)+2O2(g)===H3AsO4(s) ΔH1
H2(g)+
O2(g)===H2O(l) ΔH2
2As(s)+
O2(g)===As2O5(s) ΔH3
则反应As2O5(s)+3H2O(l)===2H3AsO4(s)的ΔH=________。
(2)[2017·全国卷Ⅰ,28
(2)]下图是通过热化学循环在较
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