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第六章　化學反應與能量
第一節　化學反應與能量變化
6.1.1化學反應與熱能
人教版高一化學必2第二學期6.1.1化學反應與熱能
核心素養目標
1.宏觀辨識與微觀探析：能分析物質化學變化和伴隨發生的能量轉化與物質微觀結構之
間的關系
2.變化觀念與平衡思想：能認識到物質運動和變化是永恒的，能認識化學變化伴隨著能量變化。
3.證據推理與模型認知：能主動關注與環境保護，資源開發等有關的社會熱點問題，形成與環境和諧共處、合理利用自然資源的觀念
4.科學探究與創新意識： 能根據教材中給出的有關化學反應與熱能的問題設計簡單的實驗方案，完成操作，觀察現象，對現象作出解釋
5.科學精神與社會責任 ：認識燃料的燃燒效率、保護環境、開發清潔燃料的必要性和重要性。
教學目標
教學重點：1.知道化學反應可以實現化學能與熱能的轉化，認識吸熱和放熱反應。
2.能用化學鍵解釋某些吸熱反應和放熱反應。
教學難點：認識燃料的燃燒效率、保護環境、開發清潔燃料的必要性和重要性。
一、 化學反應與能量
1.實驗探究:
實 驗 操 作 試管中加入2 mL 2 mol·L-1鹽酸,并用溫度計測量其溫度,再向試管中放入打磨過的鎂條 將20 g Ba(OH)2·8H2O晶體研細后與10 g NH4Cl晶體一起放入燒杯中,并將燒杯放在滴有幾滴水的木片上。用玻璃棒快速攪拌,玻璃片蓋上燒杯
實 驗 裝 置
實 驗 現 象 ______________ ____________ _____________ _____ 有刺激性氣味氣體產生,用手
觸摸杯壁下部,燒杯壁_____,
試著用手拿起燒杯,_______
_________
鎂條逐漸溶解,
有氣泡產生,
溫度計的示數
升高
變涼
木片黏
在燒杯上
實驗 結論 該反應_________ 該反應_________
化學反應發生時伴有_________________ 放出熱量
吸收熱量
熱量的釋放和吸收
2.放熱反應和吸熱反應
(1)含義:
①放熱反應:_________的化學反應。
②吸熱反應:_________的化學反應。
釋放熱量
吸收熱量
(2)實例:
①放熱反應:
a.鎂條、鋁片與鹽酸的反應;
b.木炭、氫氣、甲烷等在氧氣中的燃燒;
c.氫氣與氯氣的化合。
②吸熱反應:
a.氫氧化鋇與氯化銨的反應;
b.鹽酸與碳酸氫鈉的反應;
c.灼熱的炭與二氧化碳的反應。
【微思考】冬季生活中常常采用下列方法獲得熱量:
①燒炭取暖;
②用電暖器取暖;
③天然氣壁掛爐取暖;
④空調取暖;
⑤地下水循環取暖等,都屬于放熱反應嗎
提示:①③屬于。發生化學反應時釋放熱量才是放熱反應,①③分別屬于煤炭和甲烷的燃燒反應。②④是電能轉化為熱能;⑤只是熱量的交換。
二、 化學鍵與化學反應中能量變化的關系
1.化學反應中能量變化的本質原因:
(1)原因:
(2)實例:
計算分析:
化學鍵 反應中能量變化 1 mol化學鍵 反應中能量變化
H—H 吸收436 kJ 共吸收679 kJ
Cl—Cl 吸收243 kJ H—Cl 放出431 kJ 共放出862 kJ
結論 679 kJ-862 kJ=-183 kJ,即反應放出 183 kJ熱量 2.多角度分析化學反應的能量變化
分析 角度 放熱反應 吸熱反應
微觀 斷鍵吸收的熱量_____ 成鍵放出的熱量 斷鍵吸收的熱量_____
成鍵放出的熱量
宏觀 反應物的總能量_____ 生成物的總能量 反應物的總能量_____
生成物的總能量
小于
大于
大于
小于
【巧判斷】
(1)吸熱反應需要加熱才能反應。 (　　)
提示:×。如氫氧化鋇與氯化銨的反應吸熱,在常溫下就能進行。
(2)已知Al與稀鹽酸的反應為放熱反應,即Al的能量大于H2的能量。 (　　)
提示:×。反應放熱說明反應物的總能量大于生成物的總能量,即Al與稀鹽酸具有的總能量大于AlCl3與H2所具有的總能量,而Al與H2的能量大小無法比較。
(3)有能量變化的物質變化一定是化學變化。 (　　)
提示:×。有能量變化的物質變化不一定是化學變化,物質發生物理變化時也伴有能量變化。如冰融化、氫氧化鈉的溶解等。
三、 人類對能源的利用
1.利用的三個階段:
2.化石燃料利用過程中亟待解決的兩方面問題
(1)一是其短期內不可再生,儲量有限;
(2)二是煤和石油產品燃燒排放的粉塵、SO2、NOx、CO等是大氣污染物的主要來源。
3.在燃料利用過程中,節能的主要環節:
(1)燃料燃燒階段——可通過改進鍋爐的爐型和燃料空氣比、清理積灰等方法提高燃料的燃燒效率;
(2)能量利用階段——可通過使用節能燈,改進電動機的材料和結構,以及發電廠、鋼鐵廠余熱與城市供熱聯產等措施促進能源循環利用,有效提高能量利用率。
4.新能源
(1)特點:資源豐富、______________________。
(2)人們比較關注的新能源:_____能、___能、地熱能、海洋能和___能等。
可以再生,對環境無污染
太陽
風
氫
【情境·思考】2019中國(山西)國際清潔能源博覽會于2019年6月28日上午在太原開幕。
本次展會以“清潔低碳、綠色發展”為主題,聚焦煤炭清潔利用、新能源、儲能、節能環保等領域,展示新技術新產品新應用,搭建中西部清潔能源及設備供需平臺,促進煤改電、煤改氣、煤改清潔采暖在中西部的實施,加強霧霾的治理,有效改善呼吸環境。
(1)提高燃料的燃燒效率應該從哪些方面考慮
提示:使燃料與氧氣充分接觸,如將煤粉碎、液化和氣化;通入充足的氧氣。
(2)日常生產、生活中常常采用下列能源:
①煤;②石油;③天然氣;④太陽能;⑤水能;⑥氫能;
⑦核能;⑧風能;⑨地熱能等,屬于清潔能源的有哪些
提示:④⑤⑥⑦⑧⑨。清潔能源即綠色能源,是指不排放污染物、能夠直接用于生產生活的能源,它包括核能和可再生能源。可再生能源是指原材料可以再生的能源,如水力發電、風力發電、太陽能、水能、生物能(沼氣)、地熱能(包括地源和水源)、海潮能等能源。
知識點一　放熱反應與吸熱反應的理解
【重點釋疑】
1.放熱反應與吸熱反應的比較:
放熱反應 吸熱反應
定義 釋放熱量的化學反應 吸收熱量的化學反應
形成 原因 反應物具有的總能量大于生成物具有的總能量 反應物具有的總能量小于生成物具有的總能量
與化 學鍵 強弱 的關 系 生成物分子成鍵時釋放的總能量大于反應物分子斷鍵時吸收的總能量 生成物分子成鍵時釋放的總能量小于反應物分子斷鍵時吸收的總能量
放熱反應 吸熱反應
反應 過程 圖示
2.常見的放熱反應和吸熱反應
3.化學反應遵循的兩條基本規律
(1)質量守恒定律:自然界的物質發生轉化時,總質量保持不變。
(2)能量守恒定律:一種形式的能量可以轉化為另一種形式的能量,但體系包含的總能量不變。
【思考·討論】
(1)做實驗時,吸熱反應和放熱反應都用到酒精燈,怎樣判斷該反應是吸熱反應還是放熱反應 放熱反應加熱的目的是什么
提示:持續用酒精燈加熱,撤掉酒精燈反應就停止的反應是吸熱反應;開始用酒精燈加熱,反應開始后,撤去酒精燈仍能繼續反應的是放熱反應。放熱反應加熱的目的一般是引發反應或加快反應速率。
(2)放熱反應一定容易發生,吸熱反應一定難發生嗎
提示:不一定。反應放熱和吸熱與反應的條件無關,有些放熱反應必須加熱才能發生,如木炭的燃燒;而有些吸熱反應常溫下就能發生,如Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl的反應。
【案例示范】
【典例】(2019·菏澤高一檢測)下列說法正確的
是 (　　)
A.Fe與S在加熱條件下才能發生反應,所以該反應屬于吸熱反應
B.HNO3、H2SO4分別與NaOH溶液反應都放出熱量
C.分解反應都是吸熱反應,化合反應都是放熱反應
D.合成氨的反應是放熱反應,所以N2與其他物質的反應也是放熱反應
【解題指南】解答本題需注意以下3點:
(1)反應放熱還是吸熱與反應條件無關。
(2)熟記常見的放熱反應和吸熱反應類型。
(3)注意知識遷移的合理性。
【解析】選B。Fe與S雖然需加熱才能發生反應,但反應開始后,停止加熱,反應能繼續進行,加熱只是為了引發反應,所以該反應是放熱反應,A錯誤;中和反應都是放熱反應,B正確;分解反應不一定是吸熱反應,如H2O2的分解反應就是放熱反應,化合反應也不一定是放熱反應,如CO2與C的反應就是吸熱反應,C錯誤;與N2反應的
物質不同,能量變化也不同,不能根據合成氨反應的能量變化來類推N2與其他物質反應的能量變化,如N2和O2在放電條件下生成NO就是吸熱反應,D錯誤。
【母題追問】(1)上題B項含有等物質的量H2SO4的稀硫酸、濃硫酸分別與足量的氫氧化鈉溶液反應放出的熱量相等嗎
提示:不相等。濃硫酸與足量的氫氧化鈉溶液反應放出的熱量除了中和反應放出的熱量,還有濃硫酸稀釋放出的熱量。
(2)從物質能量的角度解釋上題D項合成氨反應放熱的原因
提示:合成氨反應中,參加反應的N2和H2的總能量大于生成的NH3的總能量,故反應放熱。
【規律方法】放熱反應和吸熱反應判斷“四"方法
(1)依據反應條件判斷。通常需要持續加熱的反應為吸熱反應。
(2)依據能量變化圖象判斷。反應物的總能量大于生成物的總能量,則反應為放熱反應;反之,則為吸熱反應。
(3)依據斷鍵和成鍵所吸收和釋放的能量數據判斷。如果舊鍵斷裂吸收的能量大于新鍵形成釋放的能量,則為吸熱反應;反之,為放熱反應。
(4)經驗判斷法:根據常見的放熱反應、吸熱反應的類型判斷。
【遷移·應用】
1.(2019·邯鄲高一檢測)下列說法正確的是(　　)
A.任何化學反應都伴隨著能量的變化
B.H2O(g)→H2O(l)該過程放出大量的熱,所以該過程是化學變化
C.化學反應中能量的變化都表現為熱量的變化
D.對于如圖所示的過程,是吸收能量的過程
【解析】選A。任何化學反應都有能量的變化,但有能量變化的過程不一定是化學變化,如物質的三態變化,雖然存在能量變化,但不存在舊化學鍵的斷裂與新化學鍵的形成,故不是化學變化,B項錯誤;化學反應中能量變化的形式有多種,除熱能外,還有光能、電能等,C項錯誤;由圖象知,該過程中反應物的總能量大于生成物的總能量,故該過程中放出能量,D項錯誤。
2.(2019·濟南高一檢測)已知2SO2+O2 2SO3為放熱反應,對該反應的下列說法正確的是 (　　)
A.O2的能量一定高于SO2的能量
B.2 mol SO2和1 mol O2的總能量一定高于2 mol SO3的總能量
C.SO2的能量一定高于SO3的能量
D.因該反應為放熱反應,故不必加熱就可發生
【解析】選B。因反應2SO2+O2 2SO3為放熱反應,所以2 mol SO2和1 mol O2的能量和一定高于2 mol SO3的能量,A錯誤,B正確,C錯誤;化學反應的實質是舊鍵的斷裂和新鍵的形成,而斷鍵過程需要吸收能量,故放熱反應有些也需要一定條件,該反應是放熱的,但需要加熱才能發生,D錯誤。
【補償訓練】
1. 下列各圖中,表示吸熱反應的圖是 (　　)
【解析】選A。反應物的總能量小于生成物的總能量則為吸熱反應。
2.(2019·廊坊高一檢測)關于吸熱反應的說法正確的是 (　　)
A.凡需加熱的反應一定是吸熱反應
B.只有分解反應才是吸熱反應
C.使用催化劑的反應是吸熱反應
D.CO2與CaO化合是放熱反應,則CaCO3分解是吸熱反應
【解析】選D。反應放熱還是吸熱與是否加熱無直接的關系,與是否使用催化劑也無直接關系,多數吸熱反應需要加熱,但有的不需要加熱,例如Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl的反應是吸熱反應,且該反應屬于復分解反應,故A、B、C三項錯。放熱反應的逆過程一定是吸熱反應,D正確。
【素養提升】
隨著人們生活節奏的加快,市場上出現了多種類型的“即食飯盒”等快速給食物加熱的產品。
下面讓我們探究它們的工作原理。
(1)有一“自熱米飯”的廣告播得很火,它介紹在食用時,將一無色液體加入一白色固體中,放上裝米飯的盒子,過幾分鐘米飯馬上就熱氣騰騰,可以食用了,非常方便。請你推測其白色固體和無色液體可能是如下哪個組合 (　　)
A.硝酸銨和水　　　 B.濃硫酸和水
C.氧化鈣和水 D.固體酒精和水
提示:選C。硝酸銨溶于水吸熱,A選項錯誤;濃硫酸具有腐蝕性,且操作不方便,B選項錯誤;氧化鈣與水反應放出大量的熱,C選項正確;酒精溶于水時熱效應不明顯,D選項錯誤。
(2)目前市面上有一種新型飯盒“即熱飯盒”,其原理是在飯盒底部有兩層,一層存放水,另一層存放鎂和鐵的混合物。使用時打開隔離層,即發生反應:Mg+2H2O====X+H2↑。請根據以上信息回答下列各題:
①該飯盒底部“即熱”存在什么能量之間的轉化
提示:化學能轉化為熱能。
②已知X是一種堿,則X的化學式是什么 你推斷X的化學式的依據是什么
提示:根據質量守恒(原子守恒)定律可知X的化學式為Mg(OH)2。
③上述化學反應屬于哪種基本反應類型 由該反應可知化學反應發生時都伴隨什么變化
提示:置換反應。化學反應發生時都伴隨著物質的變化和能量的變化。
知識點二　利用化學鍵計算化學反應中的能量變化
【重點釋疑】
1.化學鍵與能量變化的關系:
2.計算公式:
用Q(吸)表示反應物分子化學鍵斷裂時吸收的總能量,Q(放)表示生成物分子化學鍵形成時放出的總能量。
公式:ΔQ=Q(吸)-Q(放)
利用化學鍵形成和斷裂時的能量變化計算化學反應中的能量變化:
【思考·討論】
(1)對于放熱反應:2H2+O2 2H2O來說,“斷裂1個H—H鍵和1個O＝O鍵所吸收的能量小于形成1個H—O鍵所放出的能量”這種說法是否正確
點燃
====
提示:不正確。在反應2H2+O2 2H2O中,每斷裂1個O＝O鍵,同時斷裂2個H—H鍵,形成4個H—O鍵;正確說法是斷裂2個H—H鍵和1個O＝O鍵所吸收的能量小于形成4個H—O鍵所放出的能量。
點燃
====
(2)如圖是1 mol氫氣燃燒的能量變化圖,試分析a、b表示的含義。
提示:化學反應發生時首先斷裂反應物中的化學鍵,再形成生成物中的化學鍵,故a表示破壞1 mol H—H鍵、0.5 mol O＝O鍵所吸收的能量,b表示形成2 mol H—O鍵所放出的能量。
【案例示范】
【典例】斷開1 mol H—H鍵、1 mol N—H鍵、
1 mol N≡N鍵分別需要吸收的能量為436 kJ、
391 kJ、946 kJ。
(1)1 mol N2完全反應生成NH3需________(填“吸收”或“放出”)能量________kJ。
(2)1 mol H2完全反應生成NH3需________(填“吸收”或“放出”)能量________kJ。(不考慮可逆反應)
【思維建模】解答利用鍵能計算熱量的試題思路如下:
【解析】本題可以從斷鍵吸收的能量數值與成鍵放出
的能量數值的相對大小來判斷,若E(斷鍵)>E(成鍵),
則為吸熱反應;若E(斷鍵)時要放出6 mol×391 kJ·mol-1=2 346 kJ的能量,拆
開1 mol N≡N鍵和3 mol H—H鍵時吸收的總能量為
946 kJ+3 mol×436 kJ·mol-1=2 254 kJ,整個過程
中的能量變化為放出能量,為 2 346 kJ-2 254 kJ=
92 kJ。(2)方法一: N2+H2 NH3,生成 mol NH3
即形成2 mol N—H鍵時,需放出 2 mol×391 kJ·mol-1
=782 kJ的能量,拆開 mol N≡N 鍵和1 mol H—H鍵
時吸收的總能量為 mol×946 kJ·mol-1+436 kJ≈
751.33 kJ,整個過程中的能量變化為放出能量,
為782 kJ-751.33 kJ=30.67 kJ。方法二:由(1)知
3 mol H2生成NH3需放出能量92 kJ,則1 mol H2生成
NH3需放出能量為92 kJ× ≈30.67 kJ。
答案:(1)放出　92　(2)放出　30.67
【誤區警示】規避能量計算時“4”個失分點
(1)舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成是同時進行的,缺少任何一個過程都不是化學變化。
(2)互為可逆反應的正反應和逆反應的能量變化恰好相反。
(3)注意計算共價化合物中的共價鍵數目,如1 mol H2O中含有2 mol H—O鍵,1 mol H2O2中含有2 mol H—O鍵和 1 mol O—O鍵。
(4)計算時要注意化學計量數與共價鍵總數的關系,不能按1 mol計算,要根據實際配平的化學方程式計算反應物或生成物的總能量。
【遷移·應用】
1.(2019·長沙高一檢測)SF6氣體已有百年歷史,它是法
國兩位化學家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性
氣體。六氟化硫具有良好的電氣絕緣性能及優異的滅弧
性能,國際上稱為“氣體絕緣開關設備”。SF6分子結構
中只存在S—F鍵。已知:1 mol S(固體)轉化為氣態硫原
子吸收能量280 kJ,斷裂1 mol F—F、S—F鍵需吸收的
能量分別為160 kJ、330 kJ。
則S(s)+3F2(g)====SF6(g)(已知s為固體,g為氣體)的能量變化為 (　　)　　　　　　　　　
A.放出1 780 kJ的能量
B.放出1 220 kJ的能量
C.放出450 kJ的能量
D.吸收430 kJ的能量
【解析】選B。由題意得1 mol S(s)和3 mol F2形成
氣態硫原子和氟原子共需要吸收能量=280 kJ+3×
160 kJ=760 kJ,而生成1 mol SF6氣體時需形成
6 mol S—F鍵,共放出能量: 6×330 kJ=1 980 kJ,
因此該反應共放出的能量為1 980 kJ-760 kJ=
1 220 kJ。
2.(2019·濰坊高一檢測)已知斷裂1 mol共價鍵所需
要吸收的能量分別為H—H:436 kJ,I—I:151 kJ,
H—I:299 kJ,下列對H2(g)+I2(g) 2HI(g)的反應
類型判斷錯誤的是 (　　)
A.放出能量的反應　　　 B.吸收能量的反應
C.氧化還原反應 D.可逆反應
【解析】選B。依題意,斷裂1 mol H—H鍵和
1 mol I—I鍵吸收的能量為436 kJ+151 kJ=587 kJ,
生成2 mol H—I鍵放出的能量為299 kJ×2=598 kJ,
因為598 kJ>587 kJ,所以該反應是放出能量的反應;
根據反應式可知該反應是可逆反應,也是氧化還原反應。
【補償訓練】
1.(2019·孝感高一檢測)化學反應A2+B2====2AB的能量變化如圖所示,則下列說法正確的是 (　　)
A.1 mol A2和1 mol B2完全反應吸收(y-x) kJ熱量
B.斷裂1 mol A—A鍵和1 mol B—B鍵放出x kJ的能量
C.斷裂2 mol A—B鍵需要吸收y kJ的能量
D.2 mol AB的總能量高于1 mol A2和1 mol B2的總能量
【解析】選C。從題圖可以看出,反應物的總能量高于生成物的總能量,該反應是放熱反應,1 mol A2和1 mol B2完全反應放出(y-x) kJ熱量,A、D項錯誤;斷鍵時需要吸收能量,B項錯誤,C項正確。
2.(2019·濰坊高一檢測)化學反應可視為舊鍵斷裂和
新鍵形成的過程。化學鍵的鍵能是形成(或斷開)1 mol
化學鍵時釋放(或吸收)的能量。已知白磷和P4O6的分
子結構如圖所示,現提供斷裂(或形成)1 mol以下化學
鍵的吸收(或放出)的能量(kJ):P—P:198,P—O:360,O
＝O:498,則反應P4(白磷)+3O2====P4O6生成1 mol
P4O6 (　　)
A.放出1 638 kJ熱量　 B.吸收1 638 kJ熱量
C.放出126 kJ熱量 D.吸收126 kJ熱量
【解析】選A。由反應方程式知,該反應的能量變化包
括1 mol P4、3 mol O2斷裂鍵吸收的能量和1 mol P4O6
形成鍵放出的能量。由各物質的分子結構知1 mol
P4含6 mol P—P鍵,3 mol O2含3 mol O＝O鍵,1 mol
P4O6含12 mol P—O鍵,故 (198 kJ×6+498 kJ×3)-
360 kJ×12=-1 638 kJ,即放出1 638 kJ熱量。
【素養提升】
據巴西政府網站公布的消息,巴西國家空間研究所的研發團隊開發出了一種可作火箭和衛星引擎推動劑的新型燃料,其原料以低價的乙醇為主,大大壓縮發射成本。
(1)已知乙醇的結構式為 ,1 mol C2H5OH含有共價鍵的物質的量是多少
提示:1 mol 乙醇含有1 mol C—C鍵、5 mol C—H鍵、1 mol C—O鍵、1 mol O—H鍵,共8 mol。
(2)乙醇燃燒是吸熱反應還是放熱反應
提示:燃燒均為放熱反應。
(3)已知斷開或生成1 mol化學鍵的數據如下:
化學鍵 C—C C—H O＝ O H—O C—O C＝
O
鍵能/ (kJ·mol-1) 348 413 498 463 351 745
提示: C2H5OH(g)+3O2(g)====2CO2(g)+3H2O(g),則斷
裂化學鍵吸收的能量為348 kJ+5×413 kJ+351 kJ+
463 kJ+3×498 kJ=4 721 kJ,生成化學鍵放出的
能量為2 mol×2×745 kJ·mol-1+3 mol×2×
463 kJ·mol-1=5 758 kJ,整個過程放出能量,能量
變化為5 758 kJ-4 721 kJ=1 037 kJ。
則1 mol乙醇與O2完全燃燒生成CO2和H2O放出的能量是多少
【課堂回眸】

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