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化学反应与能量变化
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第二单元 化学反应中的热
第1课时 放热反应与吸热反应
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放出
吸收
放出热
吸收热
所有的燃烧反应;酸碱中和反应;大多数的化合反应;
氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应;大多数的分解反
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[素养发展目标] 1.通过实验探究,了解化学反应与热能的关系,能够辨析放热反应与吸热反应。2.知道化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因,能说出常见的能量转化形式。3.了解热化学方程式的含义。
一、放热反应与吸热反应
1.反应中化学能与其他能的转化
化学反应中不仅有物质的转变,同时还伴随着_______的变化。
实例:CaCO3的高温分解:热能→________;植物的光合作用:_______→化学能;
电解水制H2:____能→化学能;物质的燃烧:______能→热能、光能
2.吸热反应、放热反应
(1)实验探究
实验操作
实验现象
有关化学方程式及结论
产生大量_____,混合液的温度_____
离子方程式:Mg+2H+===Mg2++H2↑
结论:反应过程中____热量
实验操作
实验现象
有关化学方程式及结论
有_______气味气体产生,烧杯温度_____
化学方程式:___________
________________________________________________结论:反应过程中____热量
结论
每一个化学反应都伴随着_____的变化,有的_____能量,有的_____能量
Ba(OH)2·
8H2O+2NH4Cl===BaCl2+
2NH3↑+10H2O
(2)结论:化学反应除了有新物质生成以外,还总会伴随着能量变化,通常主要表现为热能的变化,有的_____热量,有的_____热量。
3.吸热反应和放热反应的概念
(1)概念:把_______的反应称为放热反应,把_______的反应称为吸热反应。
(2)常见的放热反应和吸热反应
①常见的放热反应:_______________________________________________
____________________________________________。
②常见的吸热反应:_______________________________________________
___________________________________________(如碳与水蒸气的反应)。
铝热反应;活泼金属与酸或H2O的反应
应;以C、H2、CO为还原剂的氧化还原反应
4.化学反应中能量的决定因素
图示
能量相
对大小
反应物的总能量____生成物的总能量
反应物的总能量____生成物的总能量
【即学即练】
1.判断正误:正确的打“√”,错误的打“×”
(1)化学反应中都会伴有能量的变化,能量变化全部是以热量的形式变化的( )
(2)硝酸铵固体溶于水,溶液的温度降低,该变化为吸热反应( )
(3)镁条在空气中燃烧是放热反应,反应过程中所释放的能量全部转化为热能( )
(4)吸热反应需要加热才能进行,放热反应都不需要加热就可以进行( )
(5)火药爆炸时所释放的能量包括热、光、声、机械能等多种能量形式( )
(6)化学反应的过程实际上是一个旧键断裂的过程( )
二、热化学方程式
1.概念:表示反应中_____或_____热量的化学方程式,叫作热化学方程式。
2.意义:不仅表明了化学反应中的物质变化,也表明了化学反应中的_____变化。
3.书写热化学方程式的注意事项
(1)热化学方程式中要标明物质的状态,用___、___、___分别代表气态、液态、固态。
(2)用______标明反应放出或吸收的热量,负值表示在该条件下反应_____,正值表示在该条件下反应_____。
(3)热化学方程式中各物质前的化学计量数不表示分子个数,只表示物质的量。因此,它可以用整数,还可以用简单分数表示。对于相同物质的反应,当化学计量数不同时,其ΔH不同。
ΔH
【即学即练】
2. 判断下列热化学方程式的正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1) CaCO3(g)===CaO+CO2(g) ΔH=178.2 kJ( )
(2)C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH=-393.6 kJ( )
(3)2CO+O2===2CO2 ΔH=-565.2 kJ·mol -1( )
(4)CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=889.6 kJ·mol -1( )
(5)H2(g)+Cl2(g)===2HCl(g) ΔH=-184.5 kJ·mol -1( )
一、放热反应与吸热反应的实验探究
化学兴趣小组的同学在开展研究性学习时,做了一个有关物质溶解和物质发生化学反应过程中能量变化的探究实验,装置如图所示。
已知:小试管A、B中分别盛有两种不同的无色液体,U形管内均为滴有红墨水的水。
1.若试管A中的无色液体是稀硫酸,向A试管中加入铁粉,可以观察到的实验现象是什么?
提示: 看到试管A中产生大量无色气泡,且U形管a、b两端液面的变化是a端液面下降,b端液面上升。
2.产生图1中的现象的原因是什么?
提示: 铁粉与稀硫酸反应放热,致使瓶内气体膨胀,瓶内气压大于外界气压,从而将U形管中的红色墨水压往U形管的右侧。
3.若试管B中的无色液体是水,向试管B中加入一种固体,且U形管的a、b两端液面的变化与图1相同,则所加固体可能是什么(从冰、氧化钙、氢氧化钠、硝酸铵、干冰五种物质中选择)?
提示: 氧化钙或氢氧化钠(由于U形管的a、b两端液面的变化与图1相同,则加入水的物质应该是溶于水或与水反应放热的物质)。
4.若试管B中的液体是NaOH溶液,若加入酸性溶液,U形管的a、b两端液面的变化与图1相同吗?
提示: 相同
放热反应与吸热反应的比较
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
图示
放热反应
吸热反应
实例
①金属和水或酸的反应;②金属氧化物和水或酸的反应;③可燃物的燃烧反应及缓慢氧化;④酸和碱的中和反应;⑤铝热反应;⑥大部分化合反应
①大部分分解反应;②以碳、CO、H2为还原剂的氧化还原反应;③Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应
1.(2022·盐城市伍佑中学下学期检测)下列反应既是氧化还原反应,又是吸热反应的是( )
A.铝片与稀H2SO4反应
B.Ba eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(OH)) 2·8H2O与NH4Cl的反应
C.灼热的炭与CO2反应
D.甲烷在O2中的燃烧反应
C [A.铝片与稀H2SO4的反应为放热反应,故A不符合题意;B.Ba(OH)2· 8H2O与NH4Cl的反应为吸热反应,但不属于氧化还原反应,故B不符合题意;C.灼热的炭与CO2的反应中C元素化合价发生变化,属于氧化还原反应,且为吸热反应,故C符合题意;D.甲烷在O2中的燃烧反应是放热反应,故D不符合题意。答案选C。]
2.(2022·镇江实验高级中学下学期期中)下列化学反应过程中的能量变化符合如图所示的是( )
A.NH3+HCl===NH4Cl
B.N2+3H2 eq \o(,\s\up17(高温、高压),\s\do16(催化剂)) 2NH3
C.4NH3+5O2 eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do16(△)) 4NO+6H2O
D.Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl===BaCl2+2NH3↑+10H2O
D [由图可知,反应物总能量小于生成物总能量,说明该反应为吸热反应。A.NH3+HCl===NH4Cl类似于酸碱中和反应,反应为放热反应,故A不选;B.N2+3H2 eq \o(,\s\up17(高温高压),\s\do16(催化剂)) 2NH3为放热反应,故B不选;C.4NH3+5O2 eq \o(=====,\s\up17(催化剂),\s\do16(△)) 4NO+6H2O为放热反应,故C不选;D.Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl===BaCl2+2NH3↑+10H2O为吸热反应,故选D;答案为D。]
二、热化学方程式的书写与正误判断
氢气在氧气中燃烧的热量变化,可用下列热化学方程式分别表示:
①2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=-571.6 kJ·mol -1
②H2(g)+ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(l) ΔH=-285.8 kJ·mol -1
③H2(g)+ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(g) ΔH=-Q kJ·mol -1
3.①与②相比较,ΔH不同的原因是什么?
提示: 化学计量数不同,参加反应的H2的物质的量不同,ΔH不同。
4.②和③相比较,Q大于还是小于285.8?
提示: 小于
1.写出2 mol 液态水分解为氢气和氧气的热化学方程式。
提示: 2H2O(l)===2H2(g)+O2(g) ΔH=571.6 kJ·mol -1。
2.②表示的意义是什么?
提示: 在一定条件下,1 mol 氢气与 eq \f(1,2) mol 氧气完全反应,生成1 mol 液态水,放出285.8 kJ的热量。
1.热化学方程式的书写步骤及要求
2.“五看”法判断热化学方程式的正误
一看方程式是否配平;
二看各物质的状态是否正确;
三看ΔH的“+”“-”符号是否正确;
四看反应热的单位是否为“ kJ·mol -1”;
五看反应热的数值与化学计量数是否对应。
1.(2022·高邮临泽中学下学期质量测试)沼气是一种能源,它的主要成分是CH4。0.5 mol CH4完全燃烧生成CO2和液态H2O时,放出445 kJ热量,则下列热化学方程式书写正确的是( )
A.2CH4(g)+4O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l) ΔH=+890 kJ· mol-1
B.CH4+2O2===CO2+2H2O ΔH=-890 kJ· mol-1
C.CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890 kJ· mol-1
D. eq \f(1,2) CH4(g)+O2(g)=== eq \f(1,2) CO2(g)+H2O(l) ΔH=-890 kJ· mol-1
C [A.由题可知,CH4完全燃烧是放热反应:CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890 kJ· mol -1,A错误;B.热化学方程式没有标明各物质的状态,B错误;C.0.5 mol CH4完全燃烧生成CO2和H2O时,放出445 kJ热量,所以1 mol CH4完全燃烧放出890 kJ热量,热化学方程式正确,C正确;D.结合选项A可知: eq \f(1,2) CH4(g)+O2(g)=== eq \f(1,2) CO2(g)+H2O(l) ΔH=-445 kJ·mol -1,D错误;答案选C。]
2.(2022·扬州市江都区邵伯高级中学下学期期中)在25 ℃、101 kPa下,1g甲醇燃烧生成CO2和液态水时放热22.68 kJ,下列热化学方程式正确的是( )
A.CH3OH(l)+ eq \f(3,2) O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=+725.8 kJ/ mol
B.2CH3OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l) ΔH=-1 452 kJ/ mol
C.2CH3OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l) ΔH=-725.8 kJ/ mol
D.2CH3OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l) ΔH=+1 452 kJ/ mol
B [A.甲醇的燃烧属于放热反应,ΔH<0,故A错误;B.1 mol 甲醇完全燃烧生成二氧化碳和液态水放出的热量=22.68 kJ×32≈725.8 kJ,则2 mol 甲醇完全燃烧生成二氧化碳和液态水放出的热量≈1 452 kJ,其热化学反应方程式为2CH3OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l) ΔH=-1 452 kJ/ mol,故B正确、C错误;D.甲醇的燃烧属于放热反应,ΔH<0,故D错误;故选B。]
3.(2022·福州第四中学下学期月考)写出下列反应的热化学方程式。
(1)N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g),放出46.1 kJ热量:____________。
(2)2 mol C2H2(g)在O2(g)中完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l),放出2 598.8 kJ热量:_____________________________________________________________。
(3)1 mol C(石墨,s)与适量的H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g),吸收131.3 kJ热量:____________________________________________________________
_________________。
(4)2 g H2和足量的O2充分燃烧生成液态水,放出285.8 kJ热量:____________________。
解析: (1)N2(g)与H2(g)反应生成1 mol NH3(g),放出46.1 kJ热量,则生成2 mol NH3(g),放出92.2 kJ的热量,反应为放热反应,焓变为负值,依据得失电子守恒和原子守恒配平方程式,其热化学方程式为:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ/ mol 。
(2)乙炔在氧气中完全燃烧生成二氧化碳和水,反应为放热反应,焓变为负值,依据得失电子守恒和原子守恒配平方程式,得到其热化学方程式为:2C2H2(g)+5O2(g)===4CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-2 598.8 kJ/ mol。
(3)C(石墨,s)与H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g),反应为吸热反应,焓变为正值,依据得失电子守恒和原子守恒配平方程式,得到其热化学方程式为:C(石墨,s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH=131.3 kJ/ mol 。
(4)2 g H2即1 mol H2与足量的O2充分燃烧生成液态水,放出285.8 kJ热量,反应为放热反应,焓变为负值,依据得失电子守恒和原子守恒配平方程式,得到其热化学方程式为:H2(g)+ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(l) ΔH=-285.8 kJ/ mol 。
答案: (1)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.2 kJ/mol
(2)2C2H2(g)+5O2(g)===4CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-2 598.8 kJ/mol
(3)C(石墨,s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH=131.3 kJ/mol
(4)H2(g)+ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(l) ΔH=-285.8 kJ/mol
1.下列设备工作时,将化学能转化为热能的是( )
A.风力发电
B.煤气灶
C.太阳能光伏
D.电暖风扇
B [A.风能转化为电能,故A错误;B.煤气灶通过燃料燃烧,主要将化学能转化为热能,故B正确;C.太阳能光伏将太阳能转化为电能,故C错误;D.电暖风扇将电能转化为热能和机械能,故D错误。故选B。]
2.反应NH3+HCl===NH4Cl的能量变化如图所示,下列说法正确的是( )
A.该反应是吸热反应
B.N-H键的断裂放出能量
C.放热反应一定不需要加热
D.反应物的总能量大于生成物的总能量
D [A.反应物的总能量大于生成物的总能量,应为放热反应,故A错误;B.化学键的断裂需要吸收能量,故B错误;C.有的放热反应需要加热或点燃,如纸张的燃烧,故C错误;D.由图可知,反应物的总能量大于生成物的总能量,故D正确;故选D。]
3.(2021·江阴市四校高一下学期期中)热化学方程式C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH=131.3 kJ· mol-1表示( )
A.碳和水反应吸收131.3 kJ能量
B.1 mol碳和1 mol 水反应生成1 mol一氧化碳和1 mol氢气并吸收131.3 kJ热量
C.1 mol固态碳和1 mol水蒸气反应生成1 mol一氧化碳气体和1 mol氢气并吸收131.3 kJ热量
D.1个固态碳原子和1分子水蒸气反应吸热131.3 kJ
C [A.反应的物质的量没有明确,状态也没有明确,故A不符合题意;B.没有指明各物质的状态,不能准确表达此热化学方程式表示的意义,故B不符合题意;C.依据反应热的概念,表示按照热化学方程式计量数的物质的量反应时吸收或放出的热量,单位是kJ·mol -1,该热化学方程式表示1 mol C(s)和1 mol H2O(g)反应生成1 mol CO(g)和1 mol H2(g),吸收131.3 kJ的热量,故C符合题意;D.方程式反应的不是1个固态碳原子和1分子水蒸气,而是1 mol C(s)和1 mol H2O(g)反应,故D不符合题意。综上所述,答案为C。]
4.(2022·东海县下学期期中)氢气在氧气中燃烧生成气态水的热化学方程式为:2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH=-489.6 kJ· mol-1,下列说法正确的是( )
A.该反应过程中的能量变化可用图来表示
B.H2O分解成H2和O2的反应ΔH可能小于0
C.2 g H2在O2中完全燃烧生成液态水,放热489.6 kJ
D.反应中每生成18 g H2O,转移的电子数约为2×6.02×1023
D [A.氢气和氧气燃烧放热,2 mol气态水的能量小于2 mol氢气和1 mol氧气的能量和,故A错误;B.H2O分解成H2和O2吸热,反应ΔH>0,故B错误;C.2 g H2是1 mol,根据2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH=-489.6 kJ·mol-1,2 g H2在O2中完全燃烧生成气态水,放热244.8 kJ,故C错误;D.反应中氢元素化合价由0升高为+1,每生成18 g H2O转移2 mol 电子,转移电子数约为2×6.02×1023,故D正确;选D。]
5.化学反应中伴随着能量变化,探究各种能量变化是一永恒的主题。
(1)NH4HCO3和CH3COOH反应时的能量变化关系如图1所示,则该反应为__________反应(选填:吸热、放热)。
(2)某实验小组设计了下述图2中的三套实验装置,其中不能用来证明“NH4HCO3和CH3COOH反应的能量变化情况”的是__________(填序号)。
(3)某同学选用装置Ⅰ进行实验(实验前U形管里液面左右相平),在甲试管里加入NH4HCO3和CH3COOH发生上述反应,U形管中可观察到的现象是______________________。
解析: (1)由图1可知生成物的总能量大于反应物的总能量,该反应为吸热反应。
(2)研究反应能量变化,应在密闭体系中进行实验。该反应吸热使环境温度降低,气体压强变小,气体体积缩小,装置Ⅰ、Ⅱ能观察到液柱被倒吸的现象,而装置Ⅲ是敞开体系,空气能进入,装置中气体压强不变,液柱不会被倒吸,没有明显现象,所以装置Ⅲ不能用来证明“NH4HCO3和CH3COOH反应的能量变化情况”。
(3)反应吸热使环境温度降低,气体压强变小,在大气压强的作用下,装置Ⅰ的U型管左端液面上升,右端液面下降。
答案: (1)吸热 (2)Ⅲ
(3)左边液柱升高,右边液柱降低
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