1.1 反应热（第1课时 反应热 焾变）（解析版）

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第一章 第一节 反应热
第1课时 反应热 焓变
【学习目标】
1．能辨识化学反应中的能量转化形式，能解释化学反应中能量变化的本质。
2．结合真实情境中的应用实例，能从多角度认识放热反应和吸热反应。认识化学反应中能量变化在生活、生产中的应用。
3．能运用反应焓变合理选择和利用化学反应。
【素养目标】
1．能从宏观和微观相结合的视角分析化学反应中的能量变化。培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
2．知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律；认识化学变化的本质是有新物质生成，并伴有能量的转化。培养学生“变化观念与平衡思想”的学科素养。
3．通过建立节约资源、保护环境的可持续发展意识。从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式。培养学生“科学态度与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：反应热　焓变
1．化学反应的实质与特征
(1)实质：反应物中化学键的断裂和生成物中化学键的形成。
(2)特征：既有物质变化，又伴有能量变化，后者通常主要表现为热量的变化。
2．反应热与焓变
(1)反应热
①反应热是指在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境吸收的能量，称为化学反应的热效应，简称反应热。
②反应热产生的原因是化学反应前后体系内能(U)发生变化。
③内能量是体系内物质的各种能量总和，受温度、压强和物质的聚集状态等影响。
(2)焓变
①焓：与物质内能有关的物理量，符号为H。
②焓变：在等压条件下进行的化学反应的反应热。符号为ΔH，单位：kJ/mol或kJ·mol－1。
③定义式：ΔH＝H生成物－H反应物
3．吸热反应与放热反应
(1)从焓(或能量)的高低角度理解（宏观角度）
放热反应 吸热反应
图示
能量高低 反应物的总能量大于生成物的总能量，ΔH<0 反应物的总能量小于生成物的总能量，ΔH>0
说明 ①a表示断裂旧化学键吸收的能量，也可以表示反应的活化能。 ②b表示形成新化学键放出的能量，也可以表示活化分子结合成生成物分子所释放的能量。 ③c表示反应的反应热。
(2)从化学键角度理解（微观角度）
化学反应能量变化的原因与ΔH的计算
以H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)反应的能量变化为例说明：
化学键 反应中能量变化
1 mol化学键的断裂或形成 反应中能量变化
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
结论 H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)的反应热ΔH＝－183 kJ·mol－1
(3)常见放热反应
①可燃物的燃烧；②酸碱中和反应；③大多数化合反应；④金属跟水或酸的置换反应；⑤物质的缓慢氧化；⑥少数分解反应，如H2O2分解。
(4)常见吸热反应
①大多数分解反应；②盐的水解反应；③Ba(OH)2·8H2O 晶体与NH4Cl晶体的反应；④碳和水蒸气的反应；⑤C和CO2的反应。
【点拨】(1)物质发生化学反应一定伴随着能量变化，但伴随能量变化的物质变化不一定都是化学变化。如水蒸气变成液态水的过程放热，但该变化为物理变化。
(2)化学反应的能量变化主要表现为热量变化，但并不完全是热量变化，还有光能、电能等。
(3) 化学反应是放热还是吸热与反应发生的条件(如是否加热)没有必然的联系，如Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体在常温常压下即可发生反应，该反应是吸热反应。 (4)破坏反应物中的化学键吸收的能量越小，说明反应物越不稳定，本身的能量越高。
(5)形成生成物的化学键放出的能量越多，说明生成物越稳定，本身的能量越低。
【思维建模】 ΔH的三种基本公式
(1)ΔH＝反应物总键能之和－生成物总键能之和。
(2)ΔH＝生成物总能量－反应物总能量＝H(生成物)－H(反应物)。
(3)ΔH＝正反应活化能－逆反应活化能。
【点拨】常见物质(1 mol)中化学键数目
物质 CO2 (C==O) CH4 (C—H) P4 (P—P) SiO2 (Si—O) 石墨 金刚石 S8 (S—S) Si
键数 2 4 6 4 1.5 2 8 2
　　
典例1．焓是与物质内能有关的物理量。一定压强下，下列有关焓或焓变的说法错误的是(　　)
A．物质状态发生变化时，物质的焓也发生变化
B．等量的硫单质的焓：S(s)C．吸热反应中产物的焓高于反应物的焓
D．化学键断裂时焓值一定增大，同时会伴随化学反应的发生
【答案】D　
【解析】焓是与物质内能有关的物理量，与物质的状态有关，物质状态发生变化时，物质的焓也发生变化，A正确；等量的同种物质的能量按气、液、固的顺序依次减小，则等量的硫单质的焓：S(s)< S(l)典例2．下列说法正确的是(　　)
A．焓变单位中kJ·mol－1，是指1 mol物质参加反应时的能量变化
B．当反应放热时ΔH>0，反应吸热时ΔH<0
C．一个化学反应中，当反应物的总能量大于生成物的总能量时，反应放热，ΔH为“－”
D．一个化学反应中，生成物总键能大于反应物的总键能时，反应吸热，ΔH为“＋”
【答案】C　
【解析】焓变单位中的kJ·mol－1，是指每摩尔具体的反应，不一定指参加反应的物质，A错；在反应中物质所具有的总能量减少，反应就放热，反之就吸热，C对；化学反应的实质是旧化学键的断裂，新化学键的形成，断键时吸收能量，成键时放出能量，所以D错。
典例3．根据键能数据计算CH4(g)+4F2(g) ===CF4(g)+4HF(g)的反应热ΔH为(　　)
化学键 C—H C—F H—F F—F
键能/kJ·mol-1 414 489 565 155
　　A．－1 940 kJ·mol-1　　　　　　 B．＋1 940 kJ·mol-1
C．－485 kJ·mol-1　　　　　　 D．＋485 kJ·mol-1
【答案】A　
【解析】由“ΔH=反应物键能之和－生成物键能之和”可知：ΔH=(414×4+155×4－489×4－565×4) kJ·mol-1=－1 940 kJ·mol-1。
知识点二：中和反应反应热的测定(以稀盐酸与稀NaOH溶液反应为例)
1．测定原理
通过一定量的酸、碱溶液在反应前后温度的变化，计算反应放出的热量，由此求得中和热。热量计算公式为Q＝cmΔt(c为比热容，m为溶液质量，Δt为前后温度差)。
2．实验仪器装置
①简易量热计
②实验过程中，还需要的其他仪器有50 mL量筒(2个)。
3．实验步骤与数据测量
①反应前体系的温度(t1)
测量方法是用一个量筒量取50 mL 0.50 mol·L－1盐酸，倒入量热计的内筒中并测量其温度；用另一个量筒量取50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液并用已用蒸馏水洗净的温度计测量其温度，取两温度平均值为t1。
②反应后体系的温度(t2)
打开杯盖，将量筒中的NaOH溶液迅速倒入量热计的内筒，立即盖上杯盖，插入温度计，用搅拌器匀速搅拌。密切关注温度变化，将最高温度记为t2。
③重复上述步骤①至步骤②两次。
④实验数据处理
盐酸、氢氧化钠溶液为稀溶液，其密度近似地认为都是1 g·cm－3，反应后溶液的比热容c＝4.18 J/(g·℃)。该实验中盐酸和NaOH溶液反应放出的热量是0.418(t2－t1) kJ，中和反应生成1 mol水时放出的热量为 kJ。
4．实验关键和注意事项实验
(1)实验关键
①迅速反应，防止热量散失。②在测量反应混合液的温度时要随时读取温度值，记录下最高温度值
(2) 注意事项
①实验中要用强酸、强碱的稀溶液(0.1～0.5 mol·L－1)。
②操作时动作要快，尽量减少热量的损失，使用绝热装置，避免热量散发到反应体系外。
③测量盐酸的温度后，要将温度计上的酸冲洗干净后，再测量NaOH溶液的温度，避免酸、碱在温度计的表面反应放热而影响测量结果。
④测定中和热不能用弱酸或弱碱，因弱酸、弱碱电离时吸收热量而使测量数值偏低。
⑤中和热的数值是57.3 kJ·mol－1，测定时与强酸、强碱的用量无关。
5．中和反应反应热测定实验中产生误差的原因
①装置方面：装置的隔热保温效果不好，造成实验过程中热量损失而引起误差。
②操作方面
③读数方面
典例4．关于中和反应反应热的测定实验，下列说法正确的是(　　)
A．为了使反应进行得更完全，可以使酸或碱适当过量
B．为了使反应充分，可以向酸(碱)中分次加入碱(酸)
C．中和反应反应热测定的实验结果与所用酸、碱的用量和种类均无关
D．用铜丝代替玻璃搅拌棒，会使中和反应反应热的测定值偏大
【答案】A　
【解析】为了使反应进行得更完全，可以使酸或碱适当过量，A正确；向酸(碱)中分次加入碱(酸)，会导致热量损失较多，使实验误差过大，B不正确；中和反应反应热测定的实验结果与所用酸、碱的用量无关，但是与所用酸、碱的种类有关，C不正确；用铜丝代替玻璃搅拌棒，铜丝是热的良导体，造成热量散失过多，会使中和反应反应热的测定值偏小，D不正确。
典例5．下列有关中和热的说法正确的是( )
A.中和热的热化学方程式：H＋(l)＋OH－(l)===H2O(l)　ΔH＝－57.3 kJ·mol－1
B.准确测量中和热的实验过程中，至少需测定温度4次
C.玻璃搅拌器材料若用铜代替，则测量出的中和热数值偏小
D.若稀酸溶液中H＋与稀碱溶液中OH－的物质的量相等，则所测中和热数值更准确
【答案】C　
【解析】A项，H＋和OH－不能用l符号，应该用aq，错误；B项，每次实验中需要测量NaOH溶液的温度，盐酸的温度，和反应后的温度，一般实验要重复操作，所以至少6次，错误；C项，铜容易导热，使热量损失，所以测量的中和热数值偏小，正确；D项，当酸和碱中的H＋和OH－物质的量相等时，实验过程中稍有误差就不能确定产生水的量，一般都是有一种物质稍微过量，错误。
典例6．某实验小组用0.50 mol/L NaOH溶液和0.50 mol/L硫酸溶液进行中和反应反应热的测定。实验装置如图所示。
(1)仪器a的名称是　　　　　　 　　。
(2)取50 mL NaOH溶液和30 mL硫酸溶液进行实验，测得起止温度差的平均值为4.0 ℃。近似认为0.50 mol/L NaOH溶液和0.50 mol/L硫酸溶液的密度都是1 g/cm3，实验后所得溶液的比热容c=4.18 J/(g·℃)。 则计算得ΔH=　　　　(取小数点后一位)。
(3)上述实验结果与－57.3 kJ/mol有偏差，产生偏差的原因可能是　　　　(填字母)。
a．实验装置保温、隔热效果差
b．用量筒量取NaOH溶液的体积时仰视刻度线读数
c．分多次把NaOH溶液倒入盛有硫酸溶液的小烧杯中
d．用温度计测定NaOH溶液起始温度后直接测定H2SO4溶液的温度
【答案】(1)环形玻璃搅拌棒　(2) －53.5 kJ/mol　(3)acd
【解析】(1)仪器a的名称是环形玻璃搅拌棒。(2)ΔH=－ kJ/mol≈－53.5 kJ/mol。
(3) －57.3 kJ/mol<－53.5 kJ/mol，则ΔH偏大。a项，实验装置保温、隔热效果差，则温差偏小，ΔH偏大；b项，用量筒量取NaOH溶液的体积时仰视刻度线读数，NaOH溶液体积偏大，释放的热量偏多，ΔH偏小；c项，分多次把NaOH溶液倒入盛有硫酸的小烧杯中，在加入过程中导致热量损失，ΔH偏大；d项，用温度计测定NaOH溶液起始温度后直接测定H2SO4溶液的温度，因温度计上附着的NaOH溶液与硫酸反应放热，导致硫酸的起始温度偏高，最终温度差值偏小，ΔH偏大。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
化学反应能量变化的原因：
(1)宏观角度认识 (2)微观角度认识
典例7．如图是一个一次性加热杯的示意图。当水袋破裂时，水与固体碎块混合，杯内食物温度逐渐上升。制造此加热杯可选用的固体碎块是( )
A．硝酸铵 B．生石灰 C．氯化镁 D．食盐
【答案】B　
【解析】NH4NO3溶于水时，由于扩散过程中吸收的热量大于水合过程中放出的热量，表现为溶液温度降低。CaO溶于水时，与水反应放出大量的热，而导致杯内食物温度上升。MgCl2、NaCl溶于水时，由于扩散过程中吸收的热量约等于水合过程中放出的热量，表现为溶液温度基本不变。
典例8．铝热反应是以铝粉和氧化铁为主要反应物的放热反应。当温度超过1 250 ℃时，铝粉剧烈氧化，燃烧而放出大量热。这种放热反应的温度可达3 000 ℃以上。铝热反应非常迅速，作用时间短。加入硅铁粉时，可使作用缓和，利于延长作用的时间。为用于浇注温度为1 000～1 100 ℃左右的铜合金铸件，可再加少量氧化剂，如硝酸钠、硝酸钾等；还可加入镁作为点火剂，使其在较低温度下发生化学反应。该反应经常用于焊接钢轨，冶炼金属。
(1)阅读材料思考，该反应是吸热反应还是放热反应？放热反应是否不需要加热就能发生呢？
。
(2)写出铝与氧化铁反应的方程式，并用图示表示反应物与生成物能量的相对大小。
。
【解析】(1)铝热反应为放热反应，但是该反应需要在高温下引发，因此放热反应有时也需要加热才能发生。
(2)2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe。
图示：
【跟踪练习】 基础过关
1． 反应X+Y===M+N的能量变化关系如图所示。下列关于该反应的说法中，正确的是(　　)
A．断裂X、Y的化学键所吸收的能量小于形成M、N的化学键所放出的能量
B．X、Y的总能量一定低于M、N的总能量
C．因为该反应为吸热反应，故一定要加热才可发生
D．X的能量一定低于M的，Y的能量一定低于N的
【答案】B　
【解析】图示反应物的总能量比生成物的总能量低，为吸热反应，则断裂X、Y的化学键所吸收的能量高于形成M、N的化学键所放出的能量，A错误；X、Y的总能量低于M、N的总能量，B正确；吸热反应不一定需要加热，如氢氧化钡与氯化铵晶体的反应，为常温下发生的吸热反应，C错误；无法判断X的能量是否低于M的，Y的能量是否低于N的，D错误。
2． 下图表示H2和Br2反应的历程，其中虚线表示的是使用催化剂的反应历程，下列说法正确的是(　　)
A．正反应为吸热反应
B．正反应为放热反应
C．加入催化剂，该化学反应的反应热增大
D．从图中可以看出，该反应的反应热与反应途径有关
【答案】A　
【解析】由图像知反应物(Br2＋H2)总能量低于生成物(2HBr)的总能量，所以此反应为吸热反应，A项正确，B项不正确；加入催化剂时只是加快反应速率，并不影响反应热，反应热的大小与反应途径无关，C、D两项不正确。
3． 单斜硫和正交硫是硫的两种同素异形体,下列说法正确的是(　　)
A．S(s,单斜) === S(s，正交)　ΔH3=－0.33 kJ/mol
B．单斜硫比正交硫稳定
C．相同物质的量的正交硫比单斜硫所含的能量高
D．由①可知断裂1 mol O2和1 mol单斜硫中的共价键所吸收的能量比形成1 mol SO2中的共价键所放出的能量多297.16 kJ
【答案】A　
【解析】由题图可知，单斜硫能量大于正交硫，则单斜硫转化为正交硫放出热量，焓变=(296.83－297.16)kJ/mol=－0.33 kJ/mol，所以S(s,单斜) === S(s,正交)　ΔH3=－0.33 kJ/mol，A正确；物质所含能量越低越稳定，相同物质的量的单斜硫所含能量大于正交硫所含能量，所以正交硫较稳定，B、C错误；由①可知断裂1 mol O2和1 mol单斜硫中的共价键所吸收的能量比形成1 mol SO2中的共价键所放出的能量少297.16 kJ，D错误。
4． 化学反应A2＋B2===2AB的能量变化如图所示，则下列说法正确的是(　　)
A．该反应是吸热反应
B．断裂1 mol A—A键和1 mol B—B键能放出x kJ的能量
C．断裂2 mol A—B键需要吸收y kJ的能量
D．2 mol AB的总能量高于1 mol A2和1 mol B2的总能量
【答案】C　
【解析】由图知1 mol A2和1 mol B2的总能量大于2 mol AB的总能量，该反应为放热反应，A、D错误；化学键断裂时吸热，B错误；由图知2 mol A—B键断裂吸收y kJ的能量，C正确。
5． 用一定浓度的NaOH溶液与稀盐酸进行中和反应反应热的测定实验时，测得生成1 mol液态水时的ΔH>－57.3 kJ·mol-1，产生这种偏差的原因不可能是(　　)
A．实验用NaOH溶液的浓度过大
B．实验时搅拌速度慢
C．分2~3次把NaOH溶液倒入盛有稀盐酸的小烧杯中
D．用量取完稀盐酸的量筒直接量取氢氧化钠溶液
【答案】A　
【解析】NaOH溶液浓度过大，稀释过程释放热量，导致测得生成1 mol液态水时的ΔH<－57.3 kJ·mol-1，A符合题意；实验时搅拌速度慢，导致热量散失较多，测得生成1 mol液态水时的ΔH>－57.3 kJ·mol-1，B不符合题意；分2~3次把NaOH溶液倒入盛有稀盐酸的小烧杯中，导致热量散失较多，测得生成1 mol液态水时的ΔH>－57.3 kJ·mol-1，C不符合题意；用量取完稀盐酸的量筒直接量取氢氧化钠溶液，氢氧化钠部分被反应，导致测得生成1 mol液态水时的ΔH>－57.3 kJ·mol-1，D不符合题意。
能力达成
6． 下列图像分别表示有关反应的反应过程与能量变化的关系。据此判断下列说法中正确的是(　　)
A．石墨转变为金刚石是吸热反应
B．白磷比红磷稳定
C．S(g)＋O2(g)===SO2(g)　ΔH1 S(s)＋O2(g)===SO2(g)　ΔH2　则ΔH1>ΔH2
D．CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH>0
【答案】A　
【解析】A项，由图像可知石墨的能量比金刚石的低，因此由石墨转变为金刚石是吸热反应，正确；B项，由图像可知白磷具有的能量比红磷的高，根据能量越低越稳定的原理，错误；C项，由图像知|ΔH1|>|ΔH2|，由于ΔH1、ΔH2均小于零，故ΔH1<ΔH2，错误；D项，由图像可知反应CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)为放热反应，ΔH<0，错误。
7． 化学反应可视为旧键断裂和新键形成的过程。化学键的键能是形成(或拆开)1 mol化学键时释放(或吸收)的能量。已知白磷(P4)和P4O6的分子结构如图所示；现提供以下化学键的键能；P—P键键能为198 kJ·mol-1、P—O键键能为360 kJ·mol-1、氧气分子内氧原子间的键能为498 kJ·mol-1，则P4(s)+3O2(g) === P4O6(s)的反应热ΔH为(　　)
A．＋1 638 kJ·mol-1　　　　　　 B．－1 638 kJ·mol-1
C．－126 kJ·mol-1　　　　　　 D．＋126 kJ·mol-1
【答案】B　
【解析】反应热ΔH=反应物总键能－生成物总键能,所以反应P4(s)+3O2(g)===P4O6(s)的反应热ΔH=6×198 kJ·mol-1+3×498 kJ·mol-1－12×360 kJ·mol-1=－1 638 kJ·mol-1。
8．用50 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液在如图所示的装置中进行中和反应。通过测定反应过程中所放出的热量可计算中和热。
回答下列问题：
(1)从实验装置上看，图中尚缺少的一种玻璃用品是 。
(2)大烧杯上如不盖硬纸板，求得的中和热数值 (填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(3)如果用60 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1 NaOH溶液进行反应，与上述实验相比，所放出的热量 (填“相等”或“不相等”)，所求中和热 (填“相等”或“不相等”)。
(4)用相同浓度和体积的氨水(NH3·H2O)代替NaOH溶液进行上述实验，测得的中和热的数值会 (填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
【答案】(1)玻璃搅拌器 (2)偏小 (3)不相等 相等 (4)偏小
【解析】(1)用玻璃搅拌器搅拌使反应物充分反应。(2)不用硬纸板，一部分反应放出的热量会损失。(3)中和热是指在稀溶液中，强酸与强碱发生中和反应生成1 mol水时放出的热量，与酸碱的用量无关，因而所求中和热数值相等。(4)由于NH3·H2O电离时吸热，所以测得的中和热的数值偏小。
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