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化學反應與熱能
第1課時
第一節　化學反應與能量變化
學習目標
1.通過實驗和已有知識、經驗感受化學反應中的能量變化,知道常見的吸熱反應、放熱反應,樹立物質變化中伴隨能量變化的
觀念。
2.能從反應物與生成物所具有的總能量、化學鍵的斷裂與形成兩個角度理解化學反應中能量變化的主要原因,提升證據推理能力。
3.通過多種渠道了解人類對化學反應中能量的利用情況,了解節能的意義和方法,感受化學學科的社會價值,培養科學態度與社會責任。
『自主梳理』
學習任務1　探究化學能與熱能的轉化
1.化學反應與熱能
化石燃料燃燒會釋放大量的熱。除了燃燒,其他化學反應也伴隨著
或 現象。
放熱
吸熱
實驗操作
實驗現象 　 有 氣體產生,用手觸摸杯壁下部,燒杯壁 ,用手拿起燒杯,
實驗結論 該反應產生 , 熱量 該反應產生NH3, 熱量
反應過程中伴有 2.化學能與熱能的實驗探究[實驗6-1]和[實驗6-2]
鎂條逐漸溶解,有氣泡產生,
溫度計的示數升高
刺激性氣味
變涼
木片粘在燒杯上
氣體
放出
吸收
熱量的釋放或吸收
3.放熱反應和吸熱反應
(1)概念。
化學上把釋放熱量的化學反應稱為 ,把吸收熱量的化學反應稱為 。
放熱反應
吸熱反應
(2)常見的放熱反應和吸熱反應。
放熱反應 吸熱反應
①所有燃燒反應; ②酸堿中和反應; ③大多數化合反應; ④活潑金屬跟水或酸的反應; ⑤物質的緩慢氧化; ⑥H2O2分解、鋁熱反應; …… ①大多數分解反應;
②C+CO2、C+H2O(以C、H2為還原劑的氧化還原反應);
③Ba(OH)2·8H2O+NH4Cl(固態銨鹽與堿的反應);
④NaHCO3與鹽酸的反應;
……
『互動探究』
探究　對放熱反應與吸熱反應的理解
如圖所示裝置氣密性良好。
問題1:該裝置能否用來判斷物質變化過程的吸、放熱情況
提示:能。如果使用試劑水和生石灰、水和氫氧化鈉等,是放熱過程,裝置內部壓強增大,使注射器活塞向右移動。如果使用試劑水和硝酸銨等,是吸熱過程,實驗過程中注射器活塞會向左移動。
問題2:硝酸銨溶于水時吸熱,氫氧化鈉固體溶于水和濃硫酸稀釋時會放熱,能說它們分別是吸熱反應或放熱反應嗎 請說明理由。
提示:不能。這些物質溶于水時伴有吸熱或放熱現象,但不屬于化學變化,因此不是吸熱反應或放熱反應。
提示:目的一般是引發反應或增大反應速率。
問題3:該裝置沒有加熱裝置,是否只能用來驗證放熱反應
提示:不是。反應放熱或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。
問題4:很多放熱反應需要加熱、高溫或者點燃條件,采取這些操作的目的是什么
問題5:做實驗時,吸熱反應和放熱反應都可能需要用酒精燈加熱,怎樣判斷該反應是吸熱反應還是放熱反應
提示:持續用酒精燈加熱,撤掉酒精燈反應就停止的是吸熱反應;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。
對吸熱反應和放熱反應的理解
(1)“三個不一定”:①需加熱才能發生的反應不一定是吸熱反應,如碳和氧氣的反應;②放熱反應常溫下不一定容易發生,如鋁熱反應;③吸熱反應不一定需要加熱,如Ba(OH)2·8H2O晶體和NH4Cl晶體的反應。
(2)吸熱反應和放熱反應都是化學變化,如NaOH固體溶于水是放熱過程,但不是放熱反應;升華、蒸發等過程是吸熱過程,但不是吸熱反應。
歸
納
拓
展
『題組例練』
1.下列說法正確的是(　　)
A.任何放熱反應在常溫條件下一定能發生
B.生石灰溶于水的過程中有物質變化,也伴隨著能量變化
C.炎熱夏季,灑在道路上的水吸熱蒸發,該過程是吸熱反應
D.燭光晚餐時,蠟燭燃燒僅產生熱能一種能量
B
解析:放熱反應在常溫條件下不一定能發生,如鋁熱反應為放熱反應,常溫下不能發生,A錯誤;生石灰溶于水的過程中CaO與H2O生成Ca(OH)2,有物質變化,且伴隨著熱量的放出,B正確;炎熱夏季,灑在道路上的水吸熱蒸發,屬于吸熱過程,而不是吸熱反應,C錯誤;燭光晚餐時,蠟燭燃燒產生了熱能、光能,D錯誤。
2.古代詩詞中蘊含著許多科學知識,下列敘述正確的是(　　)
A.“冰,水為之,而寒于水”說明水轉化為冰為放熱反應
B.“紛紛燦爛如星隕, 喧豗似火攻”所描述的產生燦爛煙花的反應是吸熱反應
C.“千錘萬鑿出深山,烈火焚燒若等閑”描述的石灰石煅燒是吸熱反應
D.“煮豆燃豆萁,豆在釜中泣”,這里的變化只有化學能轉化為
熱能
C
解析:水轉化為冰是物理變化,是放熱過程,A錯誤;產生燦爛煙花的反應是燃燒反應,是放熱反應,B錯誤;石灰石的煅燒是分解反應,絕大多數分解反應是吸熱反應,C正確;燃燒是劇烈的發光發熱的氧化還原反應,因此這里的變化是化學能轉化為熱能和光能,D錯誤。
學習任務2　探究化學反應中能量變化的原因
『自主梳理』
1.從化學鍵變化的角度理解能量變化的原因
(1)實例。
H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g)的
反應過程如圖所示:
吸收
吸收
放出
放出
(2)原因。
(3)結論。
E1>E2,反應 能量(吸熱反應);
E1吸收
放出
吸收
放出
放熱反應 吸熱反應
化學能轉化為 　 熱能轉化為化學能被生成物“儲存”
2.從反應物及生成物總能量的相對大小理解能量變化的原因
釋放
吸收
熱能
3.化學反應與能源
(1)獲取熱能的主要途徑——物質的燃燒。
早期:以 為主要能源。
現代:以 為主要能源。
(2)化石燃料利用過程中待解決的問題。
①短期內 ,儲量有限;
②煤和石油產品燃燒排放的粉塵、 等造成大氣污染。
樹枝雜草
煤、石油和天然氣
不可再生
SO2、NOx、CO
(3)解決方法。
①節能:燃料燃燒階段,提高燃料的燃燒效率;能量利用階段,提高能源利用率。
②開發利用新能源:理想的新能源具有資源豐富、 、
等特點,如
等。
可以再生
對環境無污染
太陽能、風能、地熱能、海洋能和
氫能
『互動探究』
探究　化學反應中的能量變化
研究人員研制出一種新型復合光催化劑,利用太陽光在催化劑表面實現高效分解水,其主要過程如圖所示。
幾種物質中化學鍵的鍵能如表所示。[已知:①鍵能是指氣態分子中1 mol化學鍵解離成氣態原子所吸收的能量。②1 mol化學鍵斷裂(或形成)吸收(或放出)的能量的數值等于其鍵能的值。]
化學鍵 鍵能/(kJ/mol)
H2O中H—O 463
O2中O O 496
H2中H—H 436
H2O2中O—O 138
H2O2中O—H 463
問題1:該過程的總反應如何表示 該反應的本質是什么
問題2:若反應過程中分解了2 mol H2O,請分析過程Ⅰ、過程Ⅱ、過程Ⅲ的能量變化情況,并計算出具體數值。
提示:過程Ⅰ中2 mol H2O各斷裂了1 mol H—O,共吸收了
463 kJ×2=926 kJ能量;過程Ⅱ中形成了 1 mol H—H和1 mol O—O,共放出了436 kJ+138 kJ=574 kJ能量;過程Ⅲ相當于斷裂了
2 mol H2O2中的H—O,吸收了463 kJ×2=926 kJ 能量,同時形成了1 mol H—H,放出了 436 kJ 能量,形成的O O是由O—O轉變成的,放出496 kJ-138 kJ=358 kJ能量,整個過程Ⅲ吸收了926 kJ-436 kJ-358 kJ=132 kJ能量。
問題3:常溫下,2 mol H2O分解與H2和O2化合生成2 mol H2O的熱量有何關系
提示:2 mol H2O分解吸收熱量,生成2 mol H2O放出熱量,但數值上相等。
問題4:研究人員研制出一種新型復合光催化劑,利用太陽光在催化劑表面實現高效分解水,被認為開啟了由水制取氫氣的新篇章,為什么
提示:傳統的由水電解制取氫氣,消耗電能。而利用太陽光在新型復合光催化劑表面分解水制取氫氣,高效且只消耗來源廣泛的太陽能。
問題5: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表示斷裂1 mol H—H、0.5 mol O O所吸收的能量,
b表示形成2 mol H—O所放出的能量。
歸
納
拓
展
放熱反應與吸熱反應的比較
項目 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高于生成物具有的總能量 反應物具有的總能量低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
反應過程圖示
反應舉例 如Na和水反應、鋁熱反應等 如H2還原CuO、Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應
『題組例練』
1.已知某反應中能量變化如圖所示。下列所得結論正確的是(　　)
A.該圖像可以表示氯化銨與氫氧化鋇晶體反應的能量變化
B.若反應物是石墨,生成物是金剛石,則金剛石更穩定
C.該反應過程中,形成新化學鍵釋放的總能量大于斷裂舊化學鍵吸收的總能量
D.因為生成物的總能量高于反應物的總能量,所以該反應一定需要加熱才可進行
A
解析:題給圖像中反應物的總能量小于生成物的總能量,該反應為吸熱反應,可表示NH4Cl與 Ba(OH)2·8H2O晶體反應中的能量變化,A正確;互為同素異形體的物質,其能量越低越穩定,則金剛石更不穩定,B錯誤;該反應為吸熱反應,形成新化學鍵釋放的總能量小于斷裂舊化學鍵吸收的總能量,C錯誤;反應吸熱還是放熱與反應條件無關,該反應不一定需要加熱,D錯誤。
2.科學家已獲得了氣態N4分子,其結構為正四面體形(如圖所示)。已知斷裂1 mol N—N吸收193 kJ能量,斷裂1 mol N≡N吸收946 kJ能量。下列說法正確的是(　　)
A.N4屬于一種新型的化合物
B.N4(g) 4N(g)的過程中吸收772 kJ能量
C.1 mol N4轉化為N2時要吸收734 kJ能量
D.N4和N2互為同素異形體,N4轉化為N2屬于化學變化
D
解析:N4是氮元素形成的非金屬單質,A錯誤;N4(g) 4N(g)是化學鍵斷裂的過程,需要吸收能量為6×193 kJ=1 158 kJ,B錯誤;1 mol N4中含6 mol N—N,2 mol N2中含2 mol N≡N,斷裂 6 mol N—N吸收6×193 kJ=1 158 kJ能量,形成2 mol N≡N放出946 kJ×2=1 892 kJ能量,故 1 mol N4轉化為2 mol N2放出的能量為 1 892 kJ-1 158 kJ=
734 kJ,C錯誤;N4和N2為氮元素的不同單質,互為同素異形體,N4轉化為N2時有新物質生成,屬于化學變化,D正確。
知識整合
學科素養測評
現代社會的一切活動都離不開能量,化學反應在發生物質變化的同時伴隨能量的變化。回答下列問題。
(1)下列反應屬于放熱反應的是　　　　(填字母)。
A.鹽酸與NaHCO3反應
B.Ba(OH)2·8H2O晶體和NH4Cl晶體反應
C.Zn和稀硫酸反應
D.KOH溶液和稀硝酸反應
CD
解析:(1)鹽酸與NaHCO3反應、Ba(OH)2·8H2O晶體和NH4Cl晶體反應均為常見的吸熱反應,而Zn和稀硫酸反應、KOH溶液和稀硝酸反應均為常見的放熱反應,選CD。
(2)由如圖的能量轉化關系可知生成16 g CH3OH(l)需要　
(填“吸收”或“放出”)　　　kJ能量。
放出
解析:(2)結合圖示可知1 mol CO(g)和2 mol H2(g)反應生成
1 mol CH3OH(l)放出(510-419) kJ=91 kJ能量,根據正比關系可知,生成16 g即0.5 mol CH3OH(l)時放出45.5 kJ能量。
45.5
(3)某實驗小組為了探究化學能與熱能的轉化,設計了如圖所示的三套實驗裝置。
①某同學選用裝置Ⅰ進行實驗(實驗前U形管里液面左右相平),
在甲試管中加入了適量Ba(OH)2溶液與稀硫酸,U形管中可觀察到的現象是　　　　　　　　　　　　　　　。
左端液面降低,右端液面升高
解析:(3)①裝置Ⅰ中,甲試管中Ba(OH)2溶液與稀硫酸的反應為放熱反應,則乙中氣體受熱膨脹,U形管中可觀察到的現象是左端液面降低,右端液面升高。
②上述3個裝置中,能探究“銅與濃硝酸的反應是吸熱反應還是放熱反應”的裝置是　　 　(填裝置序號)。
Ⅰ、Ⅱ
解析:②題述3個裝置中,裝置Ⅰ可通過U形管中紅墨水液面的變化判斷銅與濃硝酸反應的熱效應;裝置Ⅱ可通過燒杯中產生氣泡或導管中形成一段水柱判斷銅與濃硝酸反應的熱效應;裝置Ⅲ是銅與濃硝酸反應并將產生的氣體用水吸收的裝置,不能探究反應的熱效應,則能探究“銅與濃硝酸的反應是吸熱反應還是放熱反應”的裝置是Ⅰ、Ⅱ。
命題解密與解題指導
情境解讀:本題以常見吸熱反應與放熱反應的判斷、化學反應中能量變化、實驗探究吸熱反應與放熱反應等為載體,考查對吸熱反應、放熱反應的理解與實驗探究等。
素養立意:能根據常見反應類型、能量變化圖像等判斷吸熱或放熱反應,能結合實驗裝置理解吸熱或放熱反應;同時培養證據推理與模型認知的學科核心素養。
思路點撥:(1)常見的吸熱與放熱反應,根據能量圖示分析吸熱或放熱反應。
(2)能設計實驗裝置,探究化學反應中的能量變化。
謝 謝 觀 看

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