1、第二章 化学反应与能量 第一节 化学能与热能 必备知识自主学习 一、化学键与化学反应中能量变化的关系 1.化学反应中能量变化的原因微观角度(1)化学反应的实质:原子的重新组合,即反应物中旧化学键的_和生成物中 新化学键的_的过程。(2)化学反应中能量变化的原因。原因。断裂 形成 实例。断裂1 mol HH键(HH2H)_436 kJ能量,形成1 mol HH键(2HHH)_436 kJ能量;断裂4 mol CH 键(CH4C+4H)_1 660 kJ能量,形成1 mol CH 键(C+HCH)_415 kJ能量。结论。化学反应中能量变化的主要原因是_。吸收 放出 吸收 放出 化学键的断裂和形成
2、 2.化学反应中能量变化的决定因素宏观角度 结论:化学反应中的能量变化决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。【自主探索】(情境思考)目前市面上有一种新型盒饭“即热盒饭”(如下左图),该盒饭能迅速加热,其原理是在饭盒底部有两层,一层存放水,另一层存放CaO(如下右图)。使用时打开隔离层,即发生以下反应:CaO+H2O=Ca(OH)2。(1)该饭盒底部是如何实现加热的?(2)化学反应能量变化的原因是什么?化学能与热能是如何转化的?提示:(1)打开隔离层,发生反应CaO+H2O=Ca(OH)2的同时放出热量,起到加热的作用。(2)化学反应的本质是旧化学键的断裂和新化学键的形成,旧化学键断裂
3、时吸热,新化学键形成时放热,故化学能转化为热能,化学反应伴随能量变化。二、化学能与热能的相互转化 1.两个基本的自然定律“质量守恒”和“能量守恒”质量守恒定律:自然界中的物质发生转化时,_不变;能量守恒定律:不同形式的能量发生转化时,_不变。2.吸热反应和放热反应 总质量 总能量(2)实验探究 铝与盐酸反应 Ba(OH)28H2O与NH4Cl晶体反应 NaOH与盐酸的反应 3.人类利用能源的三个阶段【自主探索】(1)判断下列说法是否正确。碳在空气中燃烧生成CO2,该反应中化学能全部转化为热能。()提示:。燃烧过程中除了转化为热能还转化为光能等其他形式的能量。硝酸铵溶于水温度降低,该变化是吸热反
4、应。()提示:。硝酸铵溶于水温度降低是物理变化,不是化学变化,吸热反应必须是化学变化。煤、石油、天然气是可再生能源。()提示:。煤、石油、天然气在短时间内无法生成,是在自然界中长期积累的结果,是不可再生能源。(2)下列反应中,哪些属于放热反应?哪些属于吸热反应?煅烧石灰石(主要成分是CaCO3)制生石灰(CaO);燃烧蜂窝煤取暖;炸药爆炸;硫酸与氢氧化钾溶液反应;生石灰与水作用制熟石灰;食物腐败;碳与水蒸气反应制得水煤气。提示:放热反应:;吸热反应:。(3)(情境思考)人们冬天时想吃得热一些,夏天时想喝得冷一 些,于是发明了微波炉、冰箱等设备,但这些设备太大,不方便 携带。现在就有了一拉就会热
5、的食品,摇一摇就会冷的食品,非常方便,也非常有趣。利用固体溶解吸热的原理可以制作“摇摇冰”。“摇摇冰”是一种即用即冷的饮料。吸食时将 饮料罐隔离层中的化学物质和水混合后摇动即会制冷。“摇摇冰”的原理是什么?提示:铵盐溶于水能吸热。关键能力合作学习 知识点一 化学键与化学反应中能量变化的关系 1.化学反应中能量变化的本质原因(微观角度)(1)E1E2,反应吸收能量;E1E2,反应放出能量。(2)计算公式:化学反应中的能量变化值=反应物断键吸收的总能量(或总键能)-生成物成键放出的总能量(或总键能)。(3)计算出的数值如果为正值,则该反应为吸热反应;计算出的数值如果是负值,则该反应为放热反应。2.
6、化学反应中能量变化的决定因素(宏观角度)(1)物质的稳定性与能量的关系(2)化学反应中能量变化的决定因素(用E表示物质能量)3.同一物质的不同状态下的能量变化 注意s表示固态,g表示气态,l表示液态。【合作探究】(1)(思维升华)原子形成1 mol化学键所放出的能量与断开1 mol该化学键所吸收的能量有什么关系?(宏观辨识与微观探析)提示:相等。(2)(教材二次开发)教材中描述“又如,1 mol CH4中含4 mol CH键,断开 1 mol CH键要吸收415 kJ的能量,断开1 mol CH4中的所有CH键则要吸收 4 mol415 kJmol-1=1 660 kJ的能量”。反应H2+Cl
7、2=2HCl反应中的能量变化可用如图表示:现有1 mol H2和1 mol Cl2在25、101 kPa下完全反应。请根据上述信息回答下列有关问题:反应物断键吸收的总能量是多少?生成物成键放出的总能量是多少?H2+Cl2=2HCl是吸热还是放热反应?反应物的总能量与生成物的总能量哪个大?【典例示范】【典例】断开1 mol HH键、1 mol NH键、1 mol NN键分别需要吸收的能量为436 kJ、391 kJ、946 kJ。(1)1 mol N2完全反应生成NH3需_(填“吸收”或“放出”)能量_kJ。(2)1 mol H2完全反应生成NH3需_(填“吸收”或“放出”)能量_kJ。(不考虑
8、可逆反应)【思维建模】解答利用键能计算热量的试题思路:【规律方法】反应热与化学键键能的关系(1)键能:在标准状况下,将1 mol气态分子AB(g)解离为气态原子A(g)、B(g)所 需的能量,用符号E表示,单位为kJmol-1。(2)反应热与化学键键能的关系:反应热Q=反应物的键能之和-生成物的键能之 和,Q0,反应吸热。以反应H2+Cl2=2HCl为例:HH键、ClCl键和HCl键的键能分别为436 kJmol-1、243 kJmol-1、431 kJmol-1,则反应热Q=(436 kJmol-1+243 kJmol-1)-2431 kJmol-1=-183 kJmol-10,反应放热。【
9、误区警示】规避能量计算时四个失分点(1)旧化学键的断裂和新化学键的形成是同时进行的,缺少任何一个过程都不是 化学变化。(2)互为可逆反应的正反应和逆反应的能量变化恰好相反。(3)注意计算共价化合物中的共价键数目,如1 mol H2O中含有的2 mol HO键,1 mol H2O2中含有的2 mol HO键和1 mol OO键。(4)计算时要注意化学计量数与共价键总数的关系,不能按1 mol计算,要根据实 际配平的化学方程式计算反应物或生成物的总能量。【素养训练】据巴西政府网站公布的消息,巴西国家空间研究所的研发团队开发出了一种可作火箭和卫星引擎推动剂的新型燃料,其原料以低价的乙醇为主,大大压缩
10、发射成本。(1)已知乙醇的结构式为 ,1 mol C2H5OH含有共价键的物质的量是多少?提示:1 mol 乙醇含有1 mol CC键、5 mol CH键、1 mol CO键、1 mol OH键,共8 mol。(2)乙醇燃烧是吸热反应还是放热反应?提示:燃烧均为放热反应。(3)已知断开或生成1 mol化学键的数据如下:化学键 CC CH OO HO CO CO 键能/(kJmol-1)348 413 498 463 351 745 则1 mol乙醇与O2完全燃烧生成CO2和H2O(g)放出的能量是多少?知识点二 化学能与热能的相互转化 1.吸热反应与放热反应的判断(1)决定因素:若反应物的总能
11、量大于生成物的总能量,属于放热反应,否则是吸热反应。(2)化学键判断:若破坏反应物中的化学键所吸收的能量小于形成生成物中化学键所放出的能量,属于放热反应,否则是吸热反应。(3)根据反应物和生成物的相对稳定性判断 由不稳定的物质(能量高)生成稳定的物质(能量低)的反应为放热反应,反之为吸热反应。(4)根据能量变化图判断 当反应物的总能量小于生成物的总能量,则该反应是吸热反应。当反应物的总能量大于生成物的总能量,则该反应是放热反应。2.常见的放热反应和吸热反应【方法导引】对于放热反应与吸热反应的认识(1)需要加热才能发生的反应不一定是吸热反应,放热反应常温下不一定容易发生,如碳和氧气的反应。吸热反
12、应也不一定需要加热,如Ba(OH)28H2O和NH4Cl晶体的反应。(2)吸热反应和放热反应都是化学反应,如NaOH固体溶于水是放热过程,但不是放热反应;如升华、蒸发等过程是吸热过程,但不是吸热反应。【合作探究】(1)HNO3、H2SO4分别与NaOH溶液反应是否都放出热量?(证据推理与模型认知)提示:是。中和反应都是放热反应。(2)(知识关联)是否所有的分解反应都是吸热反应,化合反应都是放热反应?(宏观辨识与微观探析)提示:否。分解反应不一定是吸热反应,如H2O2的分解反应就是放热反应,化合反应也不一定是放热反应,如CO2与C的反应就是吸热反应。(3)(情境应用)相传一万年前,有燧明国,不识
13、四时昼夜。其人不死,厌世则升天。国有燧木,又叫火树,屈盘万顷,云雾出于其间。有鸟若鹗,用咀去啄燧木,发出火光。有位圣人,从中受到启发,于是就折下燧枝钻木取火,人们就把这位圣人称为燧人氏。钻木取火的原理是什么?提示:硬木棒对着木头摩擦或钻进去,靠摩擦取火。物质燃烧是放热反应还是吸热反应?提示:放热反应。(4)(情境思考)古诗石灰吟:千锤万凿出深山,烈火焚烧若等闲。粉骨碎身浑不怕,要留清白在人间。这是一首托物言志诗。作者以石灰作比喻,表达自己为国尽忠,不怕牺牲的意愿和坚守高洁的决心。通过古诗的描述,制取石灰的反应是放热反应还是吸热反应?石灰遇水的反应呢?【典例示范】【典例】碘蒸气是紫红色气体,在较
14、高温度下与足量氢气发生反应生成无色气 体碘化氢,但紫红色并未完全消失。已知断裂1 mol共价键所需要吸收的能量分 别为HH:436 kJ,II:153 kJ,HI:299 kJ,下列对H2(g)+I2(g)2HI(g)(已知g表示气体)的反应情况判断错误的是()A.放热反应 B.吸热反应 C.氧化还原反应 D.1 mol H2(g)和1 mol I2(g)完全反应放出9 kJ的热量【解题指南】解答本题需要注意以下两点:(1)化学键与能量的计算公式。(2)放热反应、吸热反应的判断方法。【解析】选B。依据题意,断裂1 mol HH键和1 mol II键共吸收的能量=436 kJ+153 kJ=58
15、9 kJ,形成2 mol H-I键共放出的能量=299 kJ2=598 kJ,即该反应为放热反应且放出9 kJ的热量;根据化学方程式可知该反应也是氧化还原反应。【素养训练】在世界范围的能源转型与革命背景下,发展氢能与燃料电池产业正在成为全球性趋势。国际氢能委员会发布的氢能源未来发展趋势调研报告显示,到2050年,氢能源需求将是现在的10倍。在2019年,氢能源首次写入政府工作报告中,并提出“推动充电、加氢等设施建设”。【思考】(1)氢气燃烧放出的热量从何而来?与化学反应的本质有什么关系?(2)氢能具有哪些具体优点?提示:(1)氢气燃烧放出的热量来自物质的内能,与化学反应中化学键的断裂和形成有关
16、。(2)氢能的优点:清洁燃料,是零排放能源;来源广泛,可来自可再生能源,也可来自工业流程中的副产品;储运便捷;应用广泛;热值高、安全性好。【课堂小结】三言两语话重点 (1)必记两种反应热的判断方法 从物质本身的能量判断。从键能的角度分析化学反应的能量变化。(2)常见的吸热反应、放热反应 放热反应:活泼金属与酸的反应、酸碱中和反应、燃烧反应。吸热反应:多数的分解反应、铵盐与碱的反应、碳与水蒸气的反应、碳在高温下与CO2的反应。课堂检测素养达标 1.下列说法正确的是()A.煤、天然气和石油都属于化石燃料 B.利用化石燃料燃烧放出的热量使水分解产生氢气,是氢能开发的研究方向 C.植物光合作用发生了化
17、学变化,但没有能量的转化 D.若化学过程中断开化学键放出的能量大于形成化学键所吸收的能量,则反应放热 2.将铁粉和硫粉混合后加热,待反应一发生立即停止加热,反应仍可持续进行,直至反应完全,生成新物质硫化亚铁。该现象说明了()A.该反应是吸热反应 B.该反应是放热反应 C.铁粉和硫粉在常温下可以发生反应 D.硫化亚铁的总能量高于铁粉和硫粉的总能量 3.一定条件下,某容器中各微粒在反应前后变化的示意图如下,其中和代表不同元素的原子。关于此反应说法错误的是()A.一定属于吸热反应 B.一定有化学键的断裂和形成 C.一定属于氧化还原反应 D.一定属于分解反应 4.(2020天津高一检测)根据如下能量关
18、系示意图,判断下列说法正确的 是()A.1 mol C(s)与1 mol O2(g)的能量之和为393.5 kJ B.反应2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)中,生成物的总能量大于反应物的总能量 C.1 mol CO2(g)完全转化为1 mol C(s)与1 mol O2(g),放出393.5 kJ能量 D.热值指一定条件下单位质量的物质完全燃烧所放出的热量,则CO的热值为10.1 kJg-1 5.(教材二次开发教材习题改编)生产液晶显示器的过程中使用的化学清洗剂NF3是一种温室气体,其储存能量的能力是CO2的1200020000倍,在大气中的寿命可长达740年之久,以下是几种化学键的键能
19、:化学键 NN FF NF 键能/(kJmol-1)941.7 154.8 283.0 下列说法中正确的是()A.过程N2(g)2N(g)放出能量 B.过程N(g)+3F(g)NF3(g)放出能量 C.反应N2(g)+3F2(g)=2NF3(g)是吸热反应 D.NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与生成,仍可能发生化学反应 6.化学反应均伴随着能量的变化,化学键的断裂和形成是发生能量变化的主要原因。生成物中化学键形成时会_能量,如果一个化学反应,化学键断裂时的能量变化大于化学键形成时的能量变化,则该反应属于_反应;如果一个化学反应C(金刚石)C(石墨),反应物的总能量和生成物的总能量有如图关系,则该反应是_反应,说明石墨比金刚石_(填“稳定”或“不稳定”)。【素养新思维】7.SF6气体已有百年历史,它是法国两位化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体。六氟化硫具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能,国际上称为“气体绝缘开关设备”。SF6分子结构中只存在SF键。已知:1 mol S(固体)转化为气态硫原子吸收能量280 kJ,断裂1 mol FF、SF键需吸收的能量分别为160 kJ、330 kJ。则S(s)+3F2(g)=SF6(g)(已知s为固体,g为气体)的能量变化为多少?