12 第2章 第2节 第1课时 化学反应中能量变化的本质及转化形式(基础课)-【名师导航】2024-2025学年高中化学必修第二册同步讲义(鲁科版)

第2节　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(基础课) 素养 目标 1．通过生产、生活、实验中的实例，了解化学能与热能的相互转化，建立吸热反应、放热反应的概念，从能量变化的视角认识化学反应，形成“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。 2．关注与化学有关的社会热点问题，认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料的重要性，增强节约能源及环境保护等意识，形成“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。 旧知 回顾 1．相邻原子间存在的强相互作用称为化学键，故要破坏这种相互作用就要消耗能量。 2．化学变化的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成，旧化学键断裂需要吸收能量，新化学键形成会释放能量。 3．化学变化不但生成其他物质，而且还伴随着能量的变化，这种能量变化常表现为吸热、放热、发光等。 一、化学反应中的能量变化 1．木炭在空气中燃烧，化学能要转化成热能和光能。 2．电解水时电能转化为化学能，化学能也可以转化成电能。 3．实验探究——感受化学反应中的能量变化 实验操作 实验现象 结论 固体粉末逐渐溶解，有气泡产生，溶液温度升高 金属与酸反应释放能量 固体粉末逐渐溶解，有气泡产生，溶液温度下降 NaHCO3与柠檬酸反应时吸收热量 结论：化学反应都会伴随能量的变化，有的反应释放能量，有的反应吸收能量。 吸热反应：吸收热量的化学反应。 放热反应：释放热量的化学反应。 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)有能量放出的变化过程都是放热反应。 (　　) (2)放热反应一定容易发生，吸热反应一定难以发生。 (　　) (3)化学反应中的能量变化全部是以热量的形式转化的。 (　　) [答案]　(1)×　(2)×　(3)× 二、化学反应中能量变化的原因 1．从化学键的变化角度分析 E1为破坏旧化学键吸收的能量，E2为形成新化学键释放的能量。E1<E2时，反应放出能量，反应释放能量数值＝E2－E1。E1>E2时，反应吸收能量，反应吸收能量数值＝E1－E2。 2．从物质所具有的总能量关系分析 反应物总能量>生成物总能量，反应释放能量。 反应物总能量<生成物总能量，反应吸收能量。 3．化学反应中能量转化的形式 化学能⥫⥬热能、电能或光能等。 　(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)在任何化学反应中，反应物所具有的总能量与生成物所具有的总能量是不会相等的，在新物质产生的同时总是伴随着能量的变化。 (　　) (2)在化学反应中，若破坏旧化学键吸收的能量大于形成新化学键释放的能量，则该反应是吸热反应。 (　　) (3)相同质量的氢气在氧气中燃烧比与氧气混合发生爆炸反应放出的热量少。 (　　) [答案]　(1)√　(2)√　(3)× 对化学反应中能量变化的理解 材料一　物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。如在常压下，将水从20 ℃加热到80 ℃所吸收的热量，就叫显热。 材料二　利用铝的还原性和铝转化为氧化铝时能放出大量热的性质，工业上常用铝粉来还原一些难熔性氧化物，这类反应被称为铝热反应。例如，在焊接铁轨时，人们常将铝粉与氧化铁的混合物点燃，由于反应放出大量的热，置换出的铁以熔融态流出，让熔融的铁流入铁轨的裂缝，冷却后就将铁轨牢牢地焊接在一起。 1．将水从20 ℃加热到80 ℃的显热过程是吸热反应吗？ 提示：不是，因为此吸热过程未发生化学反应。 2．铝热反应中反应物的总能量和生成物的总能量有什么关系？ 提示：反应物的总能量大于生成物的总能量。 3．化学反应中有能量变化的根本原因是什么？ 提示：旧化学键断裂吸收的能量与新化学键形成放出的能量不相等。 放热反应和吸热反应的比较 放热反应 吸热反应 能量 变化 反应物的总能量大于生成物的总能量 反应物的总能量小于生成物的总能量 键能 变化 生成物的总键能大于反应物的总键能 生成物的总键能小于反应物的总键能 图示 常见 实例 (1)金属与水或酸的反应 (2)金属氧化物与水或酸的反应 (3)可燃物的燃烧反应及缓慢氧化 (4)酸与碱的中和反应 (5)大部分化合反应 (1)大部分分解反应 (2)Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体反应 (3)柠檬酸与NaHCO3的反应 (4)下焦炭与水蒸气的反应 1．下列说法不正确的是(　　) A．化学反应除了生成新物质外，还伴随着能量的变化 B．放热反应都不需要加热就能发生 C．吸热反应在一定条件下(如常温、加热等)也能发生 D．化学反应是放热还是吸热，取决于生成物具有的总能量和反应物具有的总能量 B　[有些放热反应如铝热反应，需要加热才能发生，故B错误。] 2．已知反应A＋B===C＋D的能量变化如图所示，下列说法正确的是(　　) A．该反应是放热反应 B．只有在加热条件下才能进行 C．反应物的总能量高于生成物的总能量 D．反应中断开化学键吸收的总能量高于形成化学键放出的总能量 D　[根据图像可知反应物总能量低于生成物总能量，所以该反应是吸热反应，故A、C错误；某些吸热反应不需要加热也可以发生，如氢氧化钡晶体和氯化铵晶体发生的吸热反应，故B错误；断裂化学键吸收能量，形成化学键放出能量，该反应是吸热反应，所以反应中断开化学键吸收的总能量高于形成化学键放出的总能量，故D正确。] 化学反应中能量变化的“不一定” (1)需加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如碳和氧气的反应。 (2)放热反应常温下不一定容易发生，如铝热反应。 (3)吸热反应不一定需要加热，如Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。 (4)放热(或吸热)过程不一定是放热(或吸热)反应，如冰融化是吸热过程而不是吸热反应。 利用化学键计算化学反应中的能量变化 氢气燃烧生成水蒸气的能量变化如图。 1．根据图示回答下列问题： 燃烧1 mol H2生成水蒸气的能量变化： (1)吸收的总能量E1为多少？ (2)释放的总能量E2为多少？ 提示：燃烧1 mol H2生成水蒸气的能量变化为 (1)E1＝436 kJ＋249 kJ＝685 kJ。 (2)E2＝930 kJ。 2．这个反应是释放能量还是吸收能量？释放或吸收多少能量？ 提示：E2>E1，释放能量；反应释放的能量为930 kJ－685 kJ＝245 kJ。 化学反应中能量变化大小的计算方法 1．根据反应物总能量和生成物总能量计算 ΔE＝|生成物总能量－反应物总能量|。 2．根据化学键断裂吸收的能量和化学键形成释放的能量计算 (1)根据化学方程式确定断键、成键的物质的量。 (2)确定断键吸收的总能量和成键释放的总能量。 (3)计算反应的能量变化大小 ΔE＝|断键时吸收能量之和－成键时释放能量之和|。 1．下表中的数据表示断裂或形成1 mol化学键需消耗或释放的能量，根据表中数据计算以下反应生成1 mol CO2时的热量变化 (　　) CH4(g)＋2O2(g)CO2(g)＋2H2O(g) 化学键 C—H O—O O==O C—O C==O H—O 能量/kJ 415 138 498 343 798 465 A．放出热量800 kJ B．放出热量1 520 kJ C．吸收热量110 kJ D．放出热量610 kJ A　[1个CH4中含4个C—H键，1个O2中含1个O==O键，1个CO2中含2个C==O键，1个H2O中含2个H—O键。生成1 mol CO2时，断裂4 mol C—H键和2 mol O==O键，吸收的热量为Q吸＝4EC－H＋2EO＝O＝4×415 kJ＋2×498 kJ＝2 656 kJ。形成4 mol HO键和2 mol C==O键，释放的热量为Q放＝4EO－H＋2EC＝O＝4×465 kJ＋2×798 kJ＝3 456 kJ，因为Q放>Q吸，所以反应放热。放出的热量为ΔQ＝Q放－Q吸＝3 456 kJ－2 656 kJ＝800 kJ。] 2．已知断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，形成1 mol N—H键放出的能量为391 kJ，根据化学方程式N2＋3H22NH3，反应消耗1 mol N2放出的能量为92.4 kJ，则断开1 mol N≡N键吸收的能量是(　　) A．945.6 kJ　　 B．869 kJ C．649.6 kJ D．431 kJ A　[设断开1 mol N≡N键需吸收的能量为x，根据反应放出的能量＝形成新化学键放出的能量－断开旧化学键吸收的能量可知：92.4 kJ＝6×391 kJ－3×436 kJ－x，解得x＝945.6 kJ。] 利用化学键计算反应中能量变化的解答思路如下： [教材　交流研讨] 如图是1 mol H2与 mol O2反应中能量的变化图。试探究以下问题： (1)图中a、b、c、d表示的含义是什么？ (2)图中c＋d是何意义？a、b、d之间有什么关系？ [答案]　(1)a表示1 mol H2O(g)的能量；b表示1 mol H2(g)和mol O2(g)的能量之和，c表示破坏1 mol H—H键、 mol O==O键所吸收的能量；d表示反应过程中生成1 mol H2O(g)放出的能量。 (2)c＋d代表形成2 mol H—O键所放出的能量。a、b、d之间的关系为b－a＝d。 1．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伴有能量变化的物质变化都是化学反应 ③H2在O2中的燃烧是放热反应 ④放热反应加热到一定温度引发后，停止加热，反应仍能继续进行 A．③④　　　 B．①② C．①②③④ D．②③④ A　[需要加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如铝热反应，①错误；冰融化成水、碘的升华等物理变化过程以及核变化(如原子弹的爆炸)都伴随有能量变化，但它们都不是化学反应，②错误；燃烧都是放热反应，③正确；因为放热反应在反应过程中放出热量，可以维持反应的继续进行，所以停止加热后反应也可以继续进行，④正确。] 2．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．碳酸钙受热分解的反应 D．一氧化碳在空气中的燃烧反应 C　[由E1>E2判断出该反应属于吸热反应。酸碱中和反应是放热反应，A错误；金属和酸的反应属于放热反应，B错误；所有的燃烧反应都是放热反应，D错误。] 3．(双选)关于下图的说法不正确的是(　　) A．1 mol固态碘与1 mol H2化合生成2 mol HI气体时，需要吸收5 kJ的能量 B．2 mol HI气体分解生成1 mol碘蒸气与1 mol H2时需要吸收12 kJ的能量 C．1 mol固态碘变为1 mol碘蒸气时放出17 kJ的能量 D．碘蒸气与H2生成HI气体的反应是吸热反应 CD　[由图可知，1 mol I2(s)＋1 mol H2(g)吸收5 kJ能量生成2 mol HI(g)，A项正确；1 mol I2(g)＋1 mol H2(g)放出12 kJ能量生成2 mol HI(g)，则2 mol HI(g)分解生成1 mol I2(g)与1 mol H2时吸收12 kJ的能量，B项正确；1 mol I2(g)变为1 mol I2(s)放出17 kJ的能量，则1 mol I2(s)变为1 mol I2(g)时需要吸收17 kJ的能量，C项错误；1 mol I2(g)＋1 mol H2(g)放出12 kJ能量生成2 mol HI(g)，该反应为放热反应，D项错误。] 4．如图是某同学设计的放热反应的观察装置。其实验操作步骤如下： ①按如图所示将实验装置连接好； ②在U形管内加入少量红墨水(或品红溶液)，打开T形管活塞，使U形管内两边的液面处于同一水平面，再关闭T形管活塞； ③在盛有1.0 g氧化钙的小试管里滴入2 mL左右的蒸馏水，观察现象。请回答下列问题： (1)实验前必须进行的一步实验操作是______________________。 (2)实验中观察到的现象是______________________。 (3)上述实验现象说明CaO、H2O的能量与Ca(OH)2的能量之间的关系：____________________________________________________________________。 (4)若该实验中CaO换成NaCl，实验还能否观察到相同现象？________(填“能”或“否”)。 [解析]　(1)该实验是由于气压变化导致实验现象的出现，所以实验前一定要检查装置气密性。(2)CaO和水反应放出热量，使大试管中空气膨胀，内部压强增大，导致U形管里的液体左边下降，右边上升。(3)CaO＋H2O===Ca(OH)2，根据实验现象可知：氧化钙和水的反应是放热的，1 mol CaO和1 mol H2O具有的能量和大于1 mol Ca(OH)2具有的能量。(4)氯化钠和水混合后，能量的变化不明显，试管内气体压强几乎不变，不会出现任何现象。 [答案]　(1)检查装置气密性　(2)U形管里的液体左边下降，右边上升　(3)1 mol CaO和1 mol H2O具有的能量和大于1 mol Ca(OH)2具有的能量　(4)否 课时分层作业(九)　化学反应中能量变化的本质及转化形式 (选择题只有一个选项符合题目要求) 1．下列设备工作时，将化学能转化为热能的是(　　) A．硅太阳能电池　　　　B．锂离子电池 C．太阳能集热器　　　　　D．燃气灶 D　[硅太阳能电池是把太阳能转化为电能，A不符合题意；锂离子电池将化学能转化为电能，B不符合题意；太阳能集热器将太阳能转化为热能，C不符合题意；燃气灶将化学能转化为热能，D符合题意。] 2．下列有关说法不正确的是(　　) ①伴有能量变化的过程都是化学变化 ②化学反应一定有能量变化，主要是由化学键变化引起的 ③吸热反应需要加热后才能发生，放热反应不加热就会发生 ④化学反应吸收或释放热量的多少与参加反应的物质的状态、质量有关 A．①②　　B．②③　　C．①③　　D．②④ C　[伴有能量变化的过程可能是化学变化，也可能是物理过程，如物质的三态变化，故①错误；化学反应的本质是旧化学键断裂吸收能量，新化学键形成释放能量，所以反应过程中一定伴随能量的变化，故②正确；吸热反应不一定需要加热，如氢氧化钡结晶水合物和氯化铵的反应是吸热反应，常温下可发生，放热反应有时也需要加热才能进行，故③错误；反应物的物质的量、状态不同，反应的能量变化不同，故④正确。] 3．下列物质间的反应或过程，其能量变化符合如图的是(　　) A．碳酸钙的分解 B．灼热的炭与水蒸气反应 C．氢氧化钠固体溶于水 D．钠和水反应 D　[碳酸钙分解生成氧化钙和二氧化碳，是吸热反应，故A不符合题意；灼热的炭与水蒸气反应，是吸热反应，故B不符合题意，氢氧化钠固体溶于水放出大量的热，但不是化学变化，故C不符合题意；钠和水反应生成氢氧化钠和氢气，是放热反应，故D符合题意。] 4．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(　　) A　　　　　　　　　B C　　　　　　　　　D D　[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C错误，D正确。] 5．已知反应A＋B===C＋D为放热反应，对于该反应，下列说法中正确的是(　　) A．A和B的总能量一定高于C和D的总能量 B．B的能量一定高于D C．因为该反应为放热反应，故不加热反应也一定能发生 D．A的能量一定高于C A　[该反应为放热反应，所以反应物的总能量高于生成物的总能量，即A和B的总能量一定高于C和D的总能量，A项正确；反应的放热、吸热只与反应物的总能量和生成物的总能量有关，故B的能量与D的能量关系无法确定，A的能量与C的能量关系也无法确定，B、D项错误；反应的放热、吸热与反应条件(如加热)无关，C项错误。] 6．石墨和金刚石互为同素异形体，石墨在一定条件下可以转化为金刚石。已知12 g石墨完全转化成金刚石时，需要吸收1.9 kJ的能量。下列说法正确的是(　　) A．石墨不如金刚石稳定 B．金刚石不如石墨稳定 C．石墨转化为金刚石是物理变化 D．等质量的石墨与金刚石完全燃烧，石墨放出的能量更多 B　[由于石墨变成金刚石时需吸收能量，说明金刚石的能量高，物质的能量越高越不稳定，所以金刚石不如石墨稳定；金刚石与石墨互为同素异形体，是不同的单质，二者之间的转化是化学变化；由于石墨和金刚石完全燃烧后生成的是同种物质，而金刚石的能量高于石墨，所以放出的能量也高于石墨。] 7．利用含碳化合物合成新燃料是发展低碳经济的重要方法，已知：CO(g)＋2H2(g)⥫⥬CH3OH(g)是合成甲醇(CH3OH)的反应，该反应过程的能量变化如图所示，下列判断正确的是(　　) A．CO(g)与H2(g)反应生成1 mol CH3OH(g)释放出510 kJ的能量 B．用碳制备原料气CO、H2的反应属于放热反应 C．反应物的总键能低于生成物的总键能 D．若该反应生成液态CH3OH，则放出的能量更少 C　[由图可知，生成1 mol CH3OH(g)放出510 kJ－419 kJ＝91 kJ的能量，A项错误；碳与水蒸气反应制备CO和H2的反应属于吸热反应，B项错误；反应是放热反应，则反应物的总键能低于生成物的总键能，C项正确；同种物质气态时比液态时的能量高，则如果生成液态CH3OH，则放出的能量更多，D项错误。] (选择题有一个或两个选项符合题目要求) 8．已知：断裂1 mol化学键吸收的能量和形成1 mol化学键释放的能量是相等的。科学家已获得了气态N4分子，其结构为正四面体(如图所示)。已知断裂1 mol N—N键需要吸收167 kJ能量，断裂1 mol N≡N键需要吸收942 kJ能量，下列说法正确的是(　　) A．N4属于一种新型的化合物 B．N4(g)===4N(g)的过程中吸收1 002 kJ能量 C．1 mol N4转化为N2时要吸收882 kJ能量 D．N4和N2互为同素异形体，N4转化为N2属于化学变化 BD　[N4属于一种新型的单质，A错误；N4(g)===4N(g)的过程中吸收的能量为6×167 kJ＝1 002 kJ，B正确；1 mol N4转化为N2时的能量变化为6×167 kJ－2×942 kJ＝－882 kJ，即放出882 kJ能量，C错误；N4和N2均为氮元素形成的单质，互为同素异形体，N4转化为N2属于化学变化，D正确。] 9．常温下，1 mol化学键分解成气态原子所需要的能量用E表示，结合下表中信息判断下列说法不正确的是(　　) 共价键 H—H F—F H—F H—Cl H—I E/(kJ·mol-1) 436 157 568 432 298 A．表中最稳定的共价键是H—F键 B．1 mol H2(g)与1 mol F2(g)生成2 mol HF(g)放出25 kJ的能量 C．432 kJ·mol-1>E(H—Br)>298 kJ·mol-1 D．1 mol H2(g)分解成2 mol H(g)需吸收436 kJ的能量 B　[表中键能最大的共价键是H—F键，故最稳定的共价键是H—F键，A项正确；1 mol H2(g)与1 mol F2(g)反应生成2 mol HF(g)，放出的能量为(568×2－436－157) kJ＝543 kJ，B项错误；Br的非金属性介于Cl和I之间，故432 kJ·mol-1>E(H—Br)>298 kJ·mol-1，C项正确；由题中信息可知，1 mol H2(g)分解生成2 mol H(g)需吸收436 kJ的能量，D项正确。] 10．1 mol石墨在一定条件下完全转化为金刚石，其能量变化如图所示，ΔE1＝393.5 kJ，ΔE2＝395.4 kJ。下列说法正确的是(　　) A．1 mol石墨(s)完全转化为金刚石(s)需吸收1.9 kJ的能量 B．石墨转化为金刚石属于化学变化 C．金刚石的稳定性强于石墨 D．1 mol金刚石(s)的能量大于1 mol CO2(g)的能量 AB　[由题图可知，ΔE2－ΔE1＝1.9 kJ，即1 mol石墨(s)完全转化为金刚石(s)需吸收1.9 kJ能量，故A项正确；石墨和金刚石为两种不同单质，二者相互转化为化学变化，故B项正确；相同质量的石墨(s)和金刚石(s)，石墨(s)所具有的能量低于金刚石(s)，则石墨比金刚石稳定，故C错误；放热反应中反应物的总能量大于生成物的总能量，即1 mol金刚石(s)和1 mol O2(g)的总能量大于1 mol CO2(g)的能量，而1 mol金刚石(s)的能量与1 mol CO2(g)的能量大小无法比较，故D项错误。] 11．在1×105 Pa、298 K时，将1 mol气态AB分子分离成气态A原子和B原子所需要的能量称为键能(kJ·mol-1)。下面是一些共价键的键能(已知氨分子中有三个等价的氮氢共价键)： 共价键 H—H N≡N N—H 键能/(kJ·mol-1) 436 945 391 (1)根据上表中的数据判断工业合成氨的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)在298 K时，取1 mol N2和3 mol H2放入一密闭容器中，加入催化剂进行反应。理论上完全反应释放或吸收的热量为Q1，则Q1为________。 (3)实际生产中，释放或吸收的热量为Q2，Q1与Q2的大小关系为________。 A．Q1＝Q2　　B．Q1<Q2　　C．Q1>Q2 [解析]　Q1＝生成物的总键能－反应物的总键能＝2×3×391 kJ－945 kJ－3×436 kJ＝93 kJ，所以该反应是放热反应；Q1的数值是按完全转化计算出来的，而合成氨是可逆反应，开始时加入的1 mol N2和3 mol H2不能完全反应生成2 mol NH3，所以Q1>Q2。 [答案]　(1)放热　(2)93 kJ　(3)C 1/1 学科网（北京）股份有限公司 $$