内容正文:
第二节 反应热的计算
第2课时 反应热的计算
年级
高二
学科
化学
课型
新授课
教材
人教版选择性必修1 第一章 第二节 第2课时
教学目标
1.掌握根据键能(或能量)计算反应热的方法,牢记
、两
个计算依据,能准确判断常见物质中化学键的数目,正确计算反应热。
2. 掌握根据热化学方程式(含燃烧热)计算反应热的方法,理解反应热与反应物物质的量成正比的
规律,能结合等公式完成热量、物质质量、的互算,能规范书写热化学方程式。
3. 掌握根据盖斯定律计算反应热的方法,能运用虚拟路径法、代数运算法调整已知热化学方程式,消去中间产物得到目标热化学方程式,正确计算目标反应的,明确热化学方程式调整时的对应变化规则。
教学重点
1.反应热的三类计算方法(键能/能量法、热化学方程式法、盖斯定律法)的应用;
2.热化学方程式的规范书写;
3.盖斯定律的运算规则。
教学难点
1.常见物质中化学键数目的准确判断。
2.盖斯定律计算中已知热化学方程式的方向、计量数调整及对应ΔH的换算,
3.结合实际生产生活情境的反应热综合计算。
教材分析
本节教学内容源于新课标人教版(2019年版)高中化学选择性必修1第一章《化学反应的热效应》第2节第2课时,是本章核心应用模块,兼具知识巩固与能力迁移的双重价值。本节前序内容已经涵盖焓变的含义、热化学方程式书写规则、盖斯定律的核心内涵,本节在此基础上系统梳理反应热的三类计算方法,既是对热效应基础概念的落地深化,也为后续电化学、反应历程等模块的能量相关计算奠定方法论基础,在化学反应原理模块的学习中起到承上启下的作用。
教材内容按照“方法原理-典例应用-情境迁移”的逻辑编排,依次设置键能/总能量计算、热化学方程式比例计算、盖斯定律推导计算三类核心内容,搭配工业废热回收、人体葡萄糖供能、工业制氢等贴合生产生活的真实情境,既体现了反应热计算的实际应用价值,也通过梯度化的典例、变式练习降低学生的学习门槛,符合“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”的化学核心素养培养要求。
学情分析
本课时授课对象为高二学生,已经具备相应的知识与能力基础:知识层面,学生在必修阶段已经掌握化学键的含义、常见物质的结构特点,在本章前序课时已经理解焓变的微观本质、热化学方程式的含义、盖斯定律的基本内容,具备学习反应热计算的理论基础;能力层面,高二学生已经具备基本的化学计算能力,逻辑思维正从具象经验型向抽象分析型过渡,能够完成多步骤的逻辑推导。
但学生仍存在多处易混易错点:一是进行键能计算时容易数错特殊物质(如P₄、SiO₂、晶体硅等)的化学键数目;二是应用盖斯定律时容易忽略焓变的符号、系数缩放等细节;三是容易忽略物质状态对焓变数值的影响。教学过程中需要结合典型例题针对性突破易错点,借助真实情境引导学生体会反应热计算的实际价值,落实核心素养培养要求。
教学过程
教学内容
设计意图
课堂导入
【互动提问】同学们,上课前老师先问大家两个小问题:第一,大家知道我们国家现在倡导的“双碳”目标指的是什么吗?第二,工业生产中很多化学反应都会释放大量热量,这些热量如果直接排空,既浪费能源又会加剧温室效应,大家能想到这些热量有什么回收利用的途径吗?(留1-2分钟让学生思考发言,学生可能会提到“双碳”是碳达峰、碳中和,废热可以用来供暖、发电、预热反应原料等,对学生的回答及时肯定鼓励)
【引入工业情境】大家说得都非常好!在钢铁冶炼工业中,废热回收的应用已经非常成熟,老师这里给大家展示几个钢铁冶炼过程中涉及的反应的反应热数据(投影课件第5页的5个热化学方程式)。现在工厂的技术人员遇到了两个实际问题:①碳和氧气反应生成CO的反应,因为反应过程中总会有部分CO₂生成,无法直接测定这个反应的ΔH,怎么才能得到这个反应的反应热呢?②如果要冶炼1吨的铁,理论上可以回收多少废热用来发电呢?
【过渡】要解决这两个实际问题,我们就需要系统掌握反应热的计算方法,这就是我们今天这节课要共同学习的内容。
【引入】工业生产中会产生大量“废热”,这些热量的回收利用能大幅降低生产成本,实现节能减排。而要实现废热的精准利用,首先需要准确计算不同化学反应的反应热,今天我们就来系统学习反应热的三种计算方法。
1. 激发学生兴趣:以当下热点“双碳”目标和工业生产实际问题为切入点,拉近化学知识和生产生活的距离,打破学生对“化学计算枯燥无用”的刻板印象;开放式提问鼓励学生自由发言,能快速调动课堂氛围,提升学生的课堂参与度。
2. 形成认知驱动:提出两个学生用已有知识无法完全解决的实际问题,制造认知冲突,让学生切实感受到学习反应热计算的实用价值,激发主动学习的内驱力。
3.明确学习方向:直接点明本节课将要学习的键能计算、热化学方程式计算、盖斯定律计算三类方法就是解决上述问题的工具,让学生带着明确的任务目标进入后续学习,提升学习的针对性和效率。
环节一根据键能或能量计算反应热
任务一 根据键能(或能量)计算反应热
【引入】化学反应的本质是旧化学键断裂、新化学键生成,键的断裂吸热、形成放热,这是我们从键能角度计算反应热的依据。
【教师提问】请同学们回忆反应热的两个计算表达式,同时思考常见的1mol晶体中化学键的数目有哪些规律?比如P4、金刚石、SiO2等。
【学生思考】学生分组讨论后回答:
1.反应热与总能量的关系:
2.反应热与键能的关系:
3.1molP4含6molP-P键,1mol金刚石含2molC-C键,1molSiO2含4molSi-O键等。
【讲解】点评学生回答,强调两个公式的区别,切勿混淆;明确常见晶体的化学键数目是计算的关键,属于易混易错点,需要准确记忆。
知识总结
一、根据键能(或能量)计算
1.计算依据
2.计算关键:
正确找出反应物和生成物所含化学键的数目。
【例1】白磷与氧可发生如下反应:2P4+5O2===2P4O10。已知断裂下列化学键需要吸收的能量分别为:P-P:a kJ·mol-1、P-O:b kJ·mol-1、P=O:c kJ·mol-1、O=O:d kJ·mol-1。根据图所示的分子结构和有关数据估算该反应的ΔH,其中正确的是( )
A.(6a+5d-4c-12b) kJ·mol-1 B.(4c+12b-6a-5d) kJ·mol-1
C.(4c+12b-4a-5d) kJ·mol-1 D.(4a+5d-4c-12b) kJ·mol-1
【答案】A
【解析】ΔH=∑反应物的键能-∑生成物的键能
ΔH=6×a kJ·mol-1+5×d kJ·mol-1-(12×b kJ·mol-1+4×c kJ·mol-1)=(6a+5d-4c-12b)kJ·mol-1
【变式1】历史上曾用“地康法”制氯气,相关为
4HCl(g) + O2(g) =2Cl2(g)+2H2O(g) △H ,已知相关化学键的键能(E)如表所示。则该反应的△H 为
化学键
Cl―Cl
O=O
O―H
H―Cl
247
497
463
431
A.+125 kJ·mol-1 B.-125kJ·mol-1 C.-801kJ·mol-1 D.+801 kJ·mol-1
【答案】B
【解析】反应物总键能,
生成物总键能,
。
【例2】一定条件下,在水溶液中1 mol Cl-、ClO-(x=1,2,3,4)的能量(kJ)相对大小如右图所示。
① D是________(填离子符号)。
② B→A+C反应的热化学方程式为_________________________(用离子符号表示)。
【答案】ClO4-
3ClO-(aq)=2Cl-(aq)+ClO3-(aq)△H=-117 kJ/mol
环节二 根据热化学方程式计算反应热
任务二 根据热化学方程式计算反应热
【引入】热化学方程式中的是对应方程式计量数的反应热,当反应物的量发生变化时,反应热也会成比例变化。
【教师提问】对于反应aA + bBg= cC + dD,如果实际参与反应的A的物质的量为n(A),则反应放出/吸收的热量和的比例关系是什么?
【学生思考】学生独立思考后回答:反应热与各物质的物质的量成正比。
例如,aA(g)+bB(g) = cC(g)+dD(g) ΔH
a b c d |ΔH|
n(A) n(B) n(C) n(D) Q
则n ( A)/a= n( B)/b = n ( C)/c = n (D)/d = Q/| ΔH|
【讲解】总结计算思维模型:先找出已知量,再找出求算量,明确二者的关联点,结合、纯度换算等公式计算。
知识总结
二、根据热化学方程式计算
1.反应热与各物质的物质的量成正比;
2.思维模型应用
找已知量→找求算量→找关联点→代公式计算。
【引入】工业上黄铁矿燃烧制硫酸的过程会释放大量废热,我们来计算这个反应的热效应,为废热回收提供数据支撑。
【例3】黄铁矿(主要成分为FeS2)的燃烧是工业上制硫酸时得到SO2的途径之一,反应的化学方程式为:
4FeS2+11O2======2Fe2O3+8SO2
在25℃和101kPa时,1 mol FeS2(s)完全燃烧生成Fe2O3(s)和SO2(g)时放出853kJ的热量。这些热量(工业中叫做“废热”)在生产过程中得到了充分利用,大大降低了生产成本,对于节约资源、能源循环利用具有重要意义。
(1)请写出FeS2燃烧的热化学方程式。
(2)计算理论上1kg黄铁矿(FeS2的含量为90%)完全燃烧放出的热量。
【答案】(1)FeS2燃烧的热化学方程式为:
FeS2(s)+114O2(g)=12Fe2O3(s)+2SO2(g) ΔH=-853 kJ/mol。
(2)理论上1 kg 黄铁矿完全燃烧放出的热量为6398 kJ。
【解析】(1)根据题意,FeS2燃烧的热化学方程式为:
FeS2+11/4O2≜1/2Fe2O3+2SO2(g) ∆H=-853 kJ/mol
(2)FeS2的摩尔质量为120g·mol-1。
1kg黄铁矿含FeS2的质量为:1000g×90%=900g
900gFeS2的物质的量为:900g/120g·mol−1=7.5mol
理论上1kg黄铁矿完全燃烧放出的热量为:7.5mol×853kJ/mol=6398kJ
【讲解】强调热化学方程式必须标注各物质的聚集状态,的符号、单位要准确;计算时注意纯度的换算,不要直接用黄铁矿总质量计算。
任务三 思考:在实际生活、生产中反应热的应用价值
【引入】葡萄糖是人体所需能量的重要来源之一:它在人体组织中完全氧化时的热化学方程式为:C6H12O6(s)+6O2(g)=6CO2(g)+6H2O(l)△H=-2800kJ/mol
【例4】葡萄糖是人体所需能量的重要来源之一,设它在人体组织中完全氧化时的热化学方程式为:
C6H12O6(s)+6O2(g)=6CO2(g)+6H2O(l)△H=-2800kJ/mol
计算100g葡萄糖在人体组织中完全氧化时产生的热量。
【答案】100 g葡萄糖在人体组织中完全氧化时产生的热量为1557 kJ。
【解析】根据热化学方程式可知,1 mol C6H12O6在人体组织中完全氧化时产生的热量为2 800 kJ。
C6H12O6的摩尔质量为180 g·mol-1。
100 g C6H12O6的物质的量为:0.556 mol
C6H12O6完全氧化时产生的热量为:0.556 mol×2 800 kJ/mol=1557 kJ
任务四 根据燃烧热计算
【引入】燃烧热是1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物的反应热,是常见的反应热计算载体。
【例5】已知在一定条件下,CO的燃烧热为283 kJ·mol-1,CH4的燃烧热为890 kJ·mol-1,由1 mol CO和3 mol CH4组成的混合气体在上述条件下充分燃烧,释放的热量为( )
A.2 912 kJ B.2 953 kJ C.3 236 kJ D.3 867 kJ
【答案】B
【解析】1 mol CO完全燃烧放出的热量为1 mol×283 kJ·mol-1=283 kJ。
3 mol CH4完全燃烧放出的热量为3 mol×890 kJ·mol-1=2 670 kJ。
释放的总热量为283 kJ+2 670 kJ=2 953 kJ。
【讲解】强调燃烧热的定义中,生成物必须是稳定氧化物:C生成CO2、H生成H2O,总放热量等于各可燃物的物质的量乘以其燃烧热绝对值的和。
知识总结
3.根据燃烧热计算
燃烧热的定义,反应物的量为“1 mol”,生成物为稳定的氧化物。
Q放=n(可燃物)×|ΔH|。
aA(g)+bB(g) = cC(g)+dD(g) ΔH
a b c d |ΔH|
n(A) n(B) n(C) n(D) Q
则n ( A)/a= n( B)/b = n ( C)/c = n (D)/d = Q/| ΔH|
理反应热计算的理论依据,夯实基础,突破计数易错点。
通过典例和变式训练,让学生熟练掌握键能计算反应热的方法,强化化学键计数的准确性。
让学生区分两种计算依据的应用场景,熟练掌握总能量法计算反应热的方法。
梳理热化学方程式计算的基本逻辑,明确比例关系。
强化燃烧热的概念理解,掌握混合体系反应热的计算方法。
环节三 根据盖斯定律的计算
任务五 根据盖斯定律计算反应热
【引入】有些反应无法直接测定反应热,这时候就需要用盖斯定律间接计算。
【教师提问】请同学们回忆盖斯定律的内容,以及常用的两种计算方法是什么?
【学生思考】学生回答::盖斯定律是指化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关,与反应途径无关;常用计算方法有虚拟路径法和代数运算法。
【讲解】重点讲解代数运算法的步骤:①找出目标热化学方程式和已知热化学方程式,确定中间产物;②调整已知方程式的方向(同步变号)和计量数(同步乘相同系数),消去中间产物;③将调整后的方程式和加和,得到目标反应的。
知识总结
三、根据盖斯定律计算
1.应用盖斯定律计算反应热的常用方法
⑴虚拟途径法
若反应物A变为生成物D,可以有两个途径
①由A直接变成D,反应热为ΔH;
②由A经过B变成C,再由C变成D,每步的反应热分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3。
如图所示:
则有ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。
①物质变化途径
反应C(s)+O2(g)====CO2(g)的途径可设计如下:
则ΔH=ΔH1-ΔH2
②能量变化图
⑵代数运算法
若一个化学方程式可由另外几个化学方程式相加减而得到,则该反应的焓变即为这几个化学反应焓变的代数和。
2.根据盖斯定律书写热化学方程式
(1)确定待求反应的热化学方程式;
(2)找出待求热化学方程式中各物质出现在已知方程式中的位置(是同侧还是异侧);
(3)利用同侧相加、异侧相减进行处理;
(4)根据未知方程式中各物质的化学计量数通过乘除来调整已知反应的化学计量数,并消去中间产物;
(5)实施叠加并确定反应热的变化。
【例6】焦炭与水蒸气反应、甲烷与水蒸气反应均是工业上制取氢气的重要方法。这两个反应的热化学方程式分别为:
① C(s)+H2O(g)=CO (g)+H2 (g) △H1=+131.5kJ/mol
② CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H2=+205.9 kJ/mol
试计算CH4(g)=C(s)+2H2(g)的△H
【答案】CH4(g) === C(s)+2H2(g)的ΔH=+74.4kJ/mol。
【解析】根据盖斯定律:
Δ H=Δ H3+Δ H2=Δ H2-Δ H1=+205.9kJ/mol-131.5kJ/mol=+74.4kJ/mol
【变式1】家用液化气的成分之一是丁烷。当10kg丁烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水时,放出5×105kJ的热量。
(1)写出丁烷燃烧的热化学方程式。
(2)已知1mol液态水变为水蒸气时需要吸收44kJ的热量,计算1mol丁烷完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气时放出的热量。
【答案】C4H10(g)+6.5O2(g) === 4CO2(g)+5H2O(l) Δ H=-2 900 kJ/mol
-2 680 kJ
【解析】10kg丁烷的物质的量为:10000g/ 58 g·mol-1
C4H10(g)+6.5O2(g) === 4CO2(g)+5H2O(l) Δ H=-2 900 kJ/mol
1mol液态水变为水蒸气时需要吸收44kJ的热量
H2O(l) === H2O(g) Δ H2= + 44 kJ/mol
C4H10(g)+6.5O2(g) === 4CO2(g)+5H2O(g)
Δ H= Δ H1 + Δ H2 =-2 680 kJ/mol
理解盖斯定律的本质,掌握计算方法和易错点。
课堂小结
七、板书设计
第2课时 反应热的计算
一、根据键能/能量计算
1.计算依据
2.注意:常见物质化学键数目
二、根据热化学方程式计算
1.核心规律:反应热与反应物物质的量成正比
例如,aA(g)+bB(g) = cC(g)+dD(g) ΔH
a b c d |ΔH|
n(A) n(B) n(C) n(D) Q
则n ( A)/a= n( B)/b = n ( C)/c = n (D)/d = Q/| ΔH|
2.燃烧热计算:
燃烧热的定义,反应物的量为“1 mol”,生成物为稳定的氧化物。
Q放=n(可燃物)×|ΔH|。
aA(g)+bB(g) = cC(g)+dD(g) ΔH
a b c d |ΔH|
n(A) n(B) n(C) n(D) Q
则n ( A)/a= n( B)/b = n ( C)/c = n (D)/d = Q/| ΔH|
三、根据盖斯定律计算
1.内容:反应热只与反应的始态、终态有关,与反应途径无关
2.计算步骤:找目标热化学方程式→调整已知热化学方程式(系数、方向)→加和消去中间产物→计算总
3.易错提醒:的符号、系数需与热化学方程式同步调整
随堂练习
1.SO2的催化氧化反应是合成硫酸的重要步骤,该反应中的能量变化如图所示。已知:SO3(g)+H2O(l) =H2SO4(aq) ΔH4=-d kJ·mol-1,且a、b、c、d均为正值。下列说法错误的是( )
A.SO2催化氧化反应的热化学方程式为
2SO2(g)+O2(g)⇌ 2SO3(g) ΔH3=-c kJ·mol-1
B.2SO2(g)+O2(g) ⇌2SO3(s)的ΔH<ΔH3
C.由S(g)和O(g)形成1 mol SO3(g)中所含化学键放出的能量为 a+b+c/2 kJ
D.2SO2(g)+O2(g)+2H2O(l) =2H2SO4(aq) ΔH=-(c+d) kJ·mol-1
【答案】D
【解析】A选项:由能量变化可知2mol SO₂和1mol O₂生成2mol SO₃g放热c kJ,,A正确;B选项:SO₃变为固态会额外放热,生成固态SO₃时放出热量更多,更小,故,B正确;C选项:2mol S和6mol O形成2mol SO₃总放热量为,故形成1mol SO₃放能为,C正确;D选项:将SO3与水反应的热化学方程式乘以2,与SO₂催化氧化反应相加,总反应D错误。
2.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=x kJ·mol-1
已知碳的燃烧热ΔH1=a kJ·mol-1
S(s)+2K(s)=K2S(s) ΔH2=b kJ·mol-1
2K(s)+N2(g)+3O2(g)=2KNO3(s) ΔH3=c kJ·mol-1
则x为
A.3a+b-c B.c+3a-b C.a+b-c D.c+a-b
【答案】A
【解析】已知碳的燃烧热为ΔH1=a kJ·mol-1,则碳燃烧的热化学方程式为:①C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH1=a kJ·mol-1,②S(s)+2K(s)=K2S(s) ΔH2=b kJ·mol-1,③2K(s)+N2(g)+3O2(g)=2KNO3(s) ΔH3=c kJ·mol-1,根据盖斯定律,可得ΔH=3ΔH1+ΔH2—ΔH3,即x=3a+b-c,答案选A。
3.①CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH1;
②2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH2;
③2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH3。
常温下取体积比4∶1的甲烷和氢气的混合气体11.2 L(标准状况)
经完全燃烧后恢复至室温,则放出的热量为( )
A.-(0.4 mol×ΔH1+0.05 mol×ΔH3)
B.-(0.4 mol×ΔH1+0.05 mol×ΔH2)
C.-(0.4 mol×ΔH1+0.1 mol×ΔH3)
D.-(0.4 mol×ΔH1+0.1 mol×ΔH2)
【答案】A
【解析】标准状况下11.2L混合气体总物质的量为0.5mol,其中CH4物质的量为0.5mol×=0.4mol,H2物质的量为0.1mol。室温下水为液态,H2燃烧用反应③,0.1molH2完全燃烧放热对应0.05mol×,总放热量为,A正确。
4.近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题:
Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)===CuCl(s)+Cl2(g) ΔH1=+83 kJ·mol-1
CuCl(s)+O2(g)===CuO(s)+Cl2(g) ΔH2=-20 kJ·mol-1
CuO(s)+2HCl(g)===CuCl2(s)+H2O(g) ΔH3=-121 kJ·mol-1
则4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=________kJ·mol-1。
【答案】-116【解析】根据盖斯定律,将三个已知反应均乘以2后相加,可得
5.已知:H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)△H=﹣285.8kJ/mol;
C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(l)△H=﹣2220.0kJ/mol;
H2O(l)=H2O(g)△H=+44.0kJ/mol。
(1)写出丙烷燃烧生成CO2和气态水的热化学方程式:
(2)实验测得H2和C3H8的混合气体共5mol,完全燃烧生成液态水时放热6262.5kJ,则混合气体中H2和C3H8的体积比为多少?
【答案】C3H8(g)+5O2(g)═3CO2(g)+4H2O(g) △H =﹣2044kJ/mol
1:1
【解析】(1)将丙烷燃烧生成液态水的反应加上4×水气化的反应,可得。
(2)设H2物质的量为,C3H8物质的量为,列方程组:x+y=5mol,,解得,相同条件下气体体积比等于物质的量之比,故体积比为1:1。
教学反思
本节课以工业废热回收的真实情境引入,贴合生产实际,有效激发学生学习兴趣。教学按照“键能计算→热化学方程式计算→盖斯定律计算”的逻辑层层递进,每个知识点搭配对应典例,讲练结合,符合学生认知规律,大部分学生能掌握三种反应热计算的基本方法。但教学中也存在不足:部分学生易混淆键能计算ΔH的两个公式,盖斯定律计算时容易忽略ΔH符号与系数的匹配问题。后续教学需设计更多分层练习强化易错点训练,同时增加更多生产生活相关的计算应用案例,提升学生知识迁移应用能力。
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