6.1 化学反应与能量变化（第1课时 化学反应与热能）（解析版）

中小学教育资源及组卷应用平台
第六章 第一节 化学反应与能量变化
第1课时 化学反应与热能
【学习目标】
1．了解吸热反应和放热反应的概念，知道常见的吸热反应和放热反应。
2．从宏观角度(反应物和生成物总能量)和微观角度(化学键的断裂和形成)理解化学反应中能量变化原因。
【素养目标】
1．通过从宏观和微观相结合的视角分析化学反应中能量的变化。培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
2．通过学习化学能与热能的化学知识在生产、生活实践中的应用，培养学生“科学精神和社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：化学反应与热能
1．实验探究放热反应和吸热反应
实验操作 在一支试管中加入2 mL 2 mol·L－1盐酸，并用温度计测量其温度。再向试管中放入砂纸打磨光亮的镁条，观察现象，并测量溶液温度的变化 将20 g Ba(OH)2·8H2O晶体研细后与10 g NH4Cl晶体一起放入烧杯中，并将烧杯放在滴有几滴水的木片上。用玻璃棒快速搅拌，闻到气味后迅速用玻璃片盖上烧杯，用手触摸杯壁下部，试着用手拿起烧杯，观察现象
实验装置
实验现象 镁条逐渐溶解，有气泡产生；温度计示数升高 有刺激性气味气体生成；用手触摸杯壁下部，有冰凉感觉；用手拿起烧杯，木片粘在烧杯上
实验结论 该反应放出热量 该反应吸收热量
化学反应过程中伴有热量的释放和吸收
2．放热反应与吸热反应
(1)放热反应：释放热量的化学反应，如活泼金属与酸的反应，燃烧反应，中和反应等。
(2)吸热反应：吸收热量的化学反应，如氢氧化钡与氯化铵的反应，盐酸与碳酸氢钠的反应，灼热的炭与二氧化碳的反应。
【点拨】化学反应放热还是吸热取决于反应物和生成物具有总能量的相对大小，与反应是否需要加热无关。
有些放热反应必须加热才能发生，如木炭的燃烧；而有些吸热反应常温下就能发生，如Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应。
3．常见的放热反应和吸热反应
典例1．下列反应既属于氧化还原反应，又是吸热反应的是(　　)
A．灼热的碳与CO2的反应
B．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应
C．铝片与稀盐酸的反应
D．甲烷在氧气中的燃烧反应
【答案】A
【解析】灼热的碳与CO2的反应生成CO，属于氧化还原反应，也是吸热反应，A正确；Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应生成BaCl2、NH3和H2O，属于非氧化还原反应，B错误；铝片与稀盐酸的反应放热，C错误；甲烷在氧气中的燃烧反应放热，D错误。
典例2．将盛有NH4HCO3粉末的小烧杯放入盛有少量醋酸的大烧杯中，然后向小烧杯中加入盐酸，反应剧烈，醋酸逐渐凝固。由此可见(　　)
A．NH4HCO3和盐酸的反应是放热反应
B．NH4HCO3和盐酸反应中，热能转化为产物内部的能量
C．反应物的总能量高于生成物的总能量
D．NH4HCO3只含有共价键
【答案】B
【解析】反应过程中醋酸逐渐凝固，说明HCl和NH4HCO3反应过程中温度降低，则该反应是吸热反应，反应物的总能量低于生成物的总能量，据此解答。A．醋酸逐渐凝固，说明反应吸收热量导致醋酸溶液温度降低，即NH4HCO3与HCl的反应为吸热反应，A错误；B．该反应为吸热反应，即吸收的热量转化为产物内部的能量，B正确；C．因反应为吸热反应，则反应物的总能量低于生成物的总能量，C错误；D．NH4HCO3属于离子化合物，含有离子键，另外还含有共价键，D错误。答案选B。
知识点二：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
化学反应中能量变化的计算
Q(吸)表示反应物分子化学键断裂时吸收的总能量，Q(放)表示生成物分子化学键形成时放出的总能量，则公式为ΔQ＝Q(吸)－Q(放)
【注意】应用公式计算化学反应中能量变化时，不仅要注意参加反应的分子的物质的量，还要注意一个分子中化学键的数目。
实例分析(以反应H2＋Cl2===2HCl为例)
(1)根据上图填写下表：
(2)该反应释放(填“释放”或“吸收”)183 kJ能量。
化学键 断裂或形成1 mol化学键时的能量变化 反应中的能量变化
Cl—Cl 吸收243 kJ 共吸收679 kJ
H—H 吸收436 kJ
H—Cl 释放431 kJ 共释放862 kJ
【点拨】(1)化学键的形成蕴涵着能量变化，在进行反应时化学键要断裂，吸收能量，反应后形成新化学键要放出能量，反应前反应物能量与反应后生成物能量不相等。
(2)对同一种化学键而言，断裂时吸收的能量与形成时放出的能量相同。
(3)判断该反应是放热反应还是吸热反应，也可比较断键吸收的总能量与形成新键所释放的总能量大小。
2．化学反应中能量变化的决定因素——宏观角度
任何化学反应都伴随有能量的变化。一个确定的化学反应在发生过程中是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。可表示如下：反应物的总能量>生成物的总能量，化学反应放出能量；反应物的总能量<生成物的总能量，化学反应吸收能量。
放热反应 吸热反应
图示
能量相对大小 反应物的总能量高于生成物的总能量 反应物的总能量低于生成物的总能量
【结论】化学反应中的能量变化取决于反应物总能量和生成物总能量的相对大小。
典例3．对于放热反应H2+Cl22HCl，下列说法中正确的是(　　)
A．该反应中，化学能只转变为热能
B．反应物所具有的总能量高于产物所具有的总能量
C．产物所具有的总能量高于反应物所具有的总能量
D．断开1 mol H H键和1 mol Cl Cl键所吸收的总能量大于形成2 mol H Cl键所放出的能量
【答案】B
【解析】该反应中化学能不只转变为热能，还转化为光能，A错误；B. 该反应是放热反应，根据能量守恒定律知，反应物所具有的总能量高于产物所具有的总能量，B正确；C. 该反应是放热反应，根据能量守恒定律知，反应物所具有的总能量高于产物所具有的总能量，C错误；D. 该反应是放热反应，断开1 mol H H键和1 mol Cl Cl键所吸收的总能量小于形成2 mol H Cl键所放出的能量，D错误。答案选B。
典例4．在太空中发现迄今已知最大钻石直径4000千米。已知C(石墨)===C(金刚石)，在该反应过程中其能量变化如图所示，有关该反应的描述正确的是(　　)
A．该反应为放出热量的反应
B．等物质的量的石墨和金刚石完全燃烧释放的热量相同
C．该反应为氧化还原反应
D．石墨比金刚石稳定
【答案】D
【解析】由图可知，金刚石的能量高于石墨，故C(石墨)===C(金刚石)为吸收热量的反应，故A错误；由图可知，1 mol石墨的能量低于1 mol金刚石的能量，二者在O2中完全燃烧都只生成CO2，因此释放的热量不相同，故B错误；C(石墨)===C(金刚石)，碳元素的化合价在反应前后都是0，没有化合价的变化，则不属于氧化还原反应，故C错误；由图可知，石墨的能量低，石墨稳定，故D正确。
典例5．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12 000～20 000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(断裂1 mol 化学键吸收的能量或形成1 mol 化学键放出的能量称为键能)：
化学键 N≡N F—F N—F
键能/(kJ·mol-1) 946 160 283
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
【答案】B
【解析】A项不正确，N2(g)2N(g)表示断裂化学键的过程，应吸收能量。B项正确，N(g)+3F(g)NF3(g)表示形成化学键的过程，应放出能量。C项不正确，根据键能的数值，分别计算旧化学键断裂时吸收的总能量与新化学键形成时释放的总能量，比较二者的大小确定反应的热量变化，吸收能量(946 kJ+160 kJ×3)<放出能量(283 kJ×6)，故为放热反应。D项不正确，化学反应一定有化学键的断裂与生成，若NF3吸收能量后没有化学键的断裂与生成，则一定不发生化学变化，可能发生物理变化。
知识点三：人类对能源的利用
1．人类对能源利用的三个阶段
　——树枝杂草
　　　↓
——煤、石油、天然气
　　　↓
——太阳能、氢能、海洋能、风能、地热能等
2．化石燃料利用过程中亟待解决的两方面问题
(1)一是其短期内不可再生，储量有限；
(2)二是煤和石油产品燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是大气污染物的主要来源。
3．在燃料利用过程中，节能的主要环节
(1)燃料燃烧阶段——可通过改进锅炉的炉型和燃料空气比、清理积灰等方法提高燃料的燃烧效率；
(2)能量利用阶段——可通过使用节能灯，改进电动机的材料和结构，以及发电厂、钢铁厂余热与城市供热联产等措施促进能源循环利用，有效提高能源利用率。
4．新能源
(1)特点：资源丰富、可以再生、对环境无污染等。
(2)人们比较关注的新能源：太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。
典例6．冬天用煤炉取暖时要预防发生一氧化碳中毒事故。一氧化碳的产生主要是因为煤炉中发生了以下反应：CO2+C2CO，试分析下列有关叙述中不正确的是(　　)
A．C在O2充足时，发生的反应主要是放热反应
B．煤燃烧时吹入的氧气越多越好
C．CO2+C2CO这一反应属于吸热反应
D．煤燃烧时，反应物自身总能量高于生成物总能量，所以放出热量
【答案】B
【解析】氧气过多时会带走一部分热量，故B项错误。
典例7．为消除目前燃料燃烧时产生的环境污染，同时缓解能源危机，有关专家提出了利用太阳能制取氢能的构想。下列说法正确的是(　　)
A．H2O的分解反应是放热反应
B．氢能源已被普遍使用
C．氢气不易贮存和运输,无开发利用价值
D．2 mol H2O具有的总能量低于2 mol H2和1 mol O2的能量
【答案】D
【解析】水的分解是吸热反应，A错误；氢能源由于受贮存和运输等因素的限制，还未普遍使用，但有巨大的开发利用价值，B、C错误；2 mol H2可以在1 mol O2中完全燃烧生成2 mol H2O，并放出大量的热，D正确。
核心价值与学科素养
典例8．2021年6月17日15时54分，神舟十二号载人飞船与天和核心舱成功对接，18时48分，中国人首次进入自己的空间站。航天飞船可用肼(N2H4)作为动力源。
已知1 g液态肼和足量的液态过氧化氢反应生成N2和水蒸气时放出20.05 kJ热量，化学方程式为N2H4＋2H2O2===N2↑＋4H2O。下列说法中错误的是(　　)
A．该反应中肼是还原剂
B．此情况下，液态肼反应生成1 mol N2时放出的热量为641.6 kJ
C．肼(N2H4)分子中只存在极性共价键
D．该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量
【答案】C
【解析】由反应可知，N2H4中－2价的氮元素被氧化成N2，N2H4在反应中作为还原剂，A项正确；生成1 mol N2需要1 mol N2H4即32 g N2H4，此时共放热20.05 kJ×32＝641.6 kJ，B项正确；在N2H4中既存在N—H极性共价键又存在N—N非极性共价键，C项不正确；该反应为放热反应，说明反应物的总能量高于生成物的总能量，D项正确。
典例9．最新报道：科学家首次用X射线激光技术观察到CO与O在催化剂表面形成化学键的过程。反应过程示的意图如下：
下列说法中正确的是(　　)
A．CO和O生成CO2是吸热反应
B．在该过程中，CO断键形成C和O
C．CO和O生成了具有极性共价键的CO2
D．状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O2反应的过程
【答案】C
【解析】A．由图可知反应物总能量大于生成物总能量，为放热反应，故A错误；B．由图可知不存在CO的断键过程，故B错误；C．CO与O在催化剂表面形成CO2，CO2含有极性共价键，故C正确；D．状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O反应的过程，而不是与氧气反应，故D错误；故答案为C。
典例10．环境保护是目前人类面临的一项重大课题。为应对燃料使用造成的环境污染，科学家提出了利用太阳能促进燃料循环使用的构想，其构想可用下图表示：
其中过程Ⅰ的主要反应为①2CO22CO+O2，②2H2O2H2↑+O2↑，③2N2+6H2O 4NH3+3O2，④2CO2+4H2O2CH3OH+3O2，⑤CO2+2H2OCH4+2O2。
下列说法中不正确的是(　　)
A．过程Ⅱ中发生的反应均为放热反应
B．太阳能最终主要转化为热能
C．经过上述一个循环后放出O2
D．要实现上述循环，当前需要解决的关键问题是过程Ⅰ
【答案】C
【解析】过程Ⅱ中发生的反应为燃烧反应，均为放热反应，A项正确；太阳能最终主要转化为热能，B项正确；经过一个循环后不会产生新物质，C项错误；要实现题述循环，当前需要解决的关键问题是过程Ⅰ，即如何利用太阳能，D项正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 下列反应既属于氧化还原反应，又是吸热反应的是(　　)
A．灼热的碳与CO2的反应
B．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应
C．铝片与稀盐酸的反应
D．甲烷在氧气中的燃烧反应
【答案】A
【解析】灼热的碳与CO2的反应生成CO，属于氧化还原反应，也是吸热反应，A正确；Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应生成BaCl2、NH3和H2O，属于非氧化还原反应，B错误；铝片与稀盐酸的反应放热，C错误；甲烷在氧气中的燃烧反应放热，D错误。
2．下列关于能量变化的说法，正确的是(　　)
A．将等质量的红磷和白磷完全燃烧生成P2O3(s)放出热量相同
B．2Na+ 2H2O2NaOH+H2↑，该反应生成物的总能量高于反应物的总能量
C．放热反应中，反应物的总能量大于生成物的总能量
D．有化学键断裂的是吸热过程，并且一定发生了化学变化
【答案】C
【解析】A、等质量的红磷和白磷具有的能量不同，根据盖斯定律，将等质量的红磷和白磷完全燃烧生成P2O3(s)放出热量不相同，故A错误；B、2Na+ 2H2O2NaOH+H2↑，该反应是放热反应，该反应生成物的总能量低于反应物的总能量，故B错误；C、放热反应中，反应物的总能量大于生成物的总能量，故C正确；D、氯化钠熔化，离子键断裂，没有新物质产生，有化学键断裂的是吸热过程，不一定发生了化学变化，故D错误；故选C。
3．下列图示变化表示吸热反应的是(　　)
【答案】A
【解析】A中反应物的总能量小于生成物的总能量，为吸热反应；B中反应物的总能量大于生成物的总能量，为放热反应。C中浓硫酸溶于水放热不是化学变化；D中活泼金属(如Zn)与酸的反应为放热反应。
已知2 mol氢气完全燃烧生成水蒸气时放出能量484 kJ，且氧气中1 mol O==O键完全断裂时吸收能量 496 kJ，水蒸气中1 mol H—O键形成时放出能量463 kJ，则氢气中1 mol H—H键断裂时吸收能量为(　　)
A．920 kJ B．557 kJ C．436 kJ D．188 kJ
【答案】C
【解析】设1 mol H—H键断裂时吸收能量为x kJ。首先写出化学反应方程式2H2+O22H2O，然后分析过程，2H—H+O==O2H—O—H，由过程可知2 mol氢气完全燃烧生成水蒸气时应该拆开2 mol H—H键、1 mol O==O键，吸收的能量为(2x+496)kJ；生成2 mol H2O形成4 mol H—O键，放出的能量为4×463 kJ=1 852 kJ，依据能量守恒定律放出能量484 kJ=1 852 kJ (2x+496)kJ，即可求出x=436。
根据下列信息判断氢气燃烧生成水时的热量变化，其中一定正确的是(　　)
A．H2O分解为H2与O2时放出热量
B．生成1 mol H2O时吸收热量245 kJ
C．甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小关系为乙>甲>丙
D．氢气和氧气的总能量小于水的能量
【答案】C
【解析】根据能量变化可知，1 mol H2与 mol O2断键时吸收685 kJ能量，而生成1 mol H2O放出930 kJ能量，所以H2燃烧生成H2O的反应是放热反应，则H2O的分解是吸热反应。
能力达成
6．下图是某同学设计的放热反应的观察装置，其实验操作如下：
①按图示将实验装置连接好；
②在U形管内加入少量红墨水(或品红溶液)，打开T形管的全部弹簧夹，使U形管内两边的液面处于同一水平面，再关闭弹簧夹c；
③在盛有1 g氧化钙的小试管里滴入2 mL左右的水，观察现象。
试回答：
(1)实验前必须进行的一步实验操作是____________________。
(2)实验中观察到的现象是__________________。
(3)该实验的原理是___________________。
(4)写出实验中发生反应的化学方程式：____________________。
(5)说明CaO、H2O的能量与Ca(OH)2的能量之间的关系：______________。
(6)若实验中CaO换成NaCl，实验还能否观察到相同的现象？________(填“能”或“否”)。
【答案】(1)检查装置气密性
(2)U形管内的液体左边下降，右边上升
(3)CaO和H2O反应放出热量，使大试管中的空气受热膨胀，导致红墨水(或品红溶液)在U形管中的位置左低右高
(4)CaO＋H2O===Ca(OH)2
(5)1 mol CaO与1 mol H2O的总能量高于1 mol Ca(OH)2的能量
(6)否
7． 在化学反应中，只有极少数能量比平均能量高得多的反应物分子发生碰撞时才可能发生化学反应，这些分子被称为活化分子。使普通分子变成活化分子所需提供的最低限度的能量叫活化能，其单位通常用kJ·mol－1表示。请认真观察下图，然后回答问题。
(1)图中所示反应是________(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)已知拆开1 mol H—H键、1 mol I—I、1 mol H—I键分别需要吸收 的能量为436 kJ、151 kJ、299 kJ。则由1 mol氢气和1 mol 碘反应生成HI会________(填“放出”或“吸收”)________kJ的热量。在化学反应过程中，是将________转化为________。
(3)下列反应中，属于放热反应的是________，属于吸热反应的是________。
①物质燃烧 ②炸药爆炸 ③酸碱中和反应 ④二氧化碳通过炽热的炭
⑤食物因氧化而腐败 ⑥Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应 ⑦铁粉与稀盐酸反应
【答案】(1)放热　 (2)放出　11　化学能　热能 (3)①②③⑤⑦　④⑥
【解析】(1)由图可知反应物的总能量高于生成物的总能量，故该反应为放热反应。
(2)H2(g)＋I2(g)===2HI(g)，断裂1 mol H—H键和1 mol I—I 需要吸收436 kJ＋151 kJ＝587 kJ热量，生成2 mol HI放出2×299 kJ＝598 kJ热量，所以1 mol 氢气和1 mol碘反应生成HI放出11 kJ的热量；在化学反应过程中，将化学能转化为热能。
(3)应熟悉常见的吸热反应和放热反应：中和反应、燃料的燃烧、有氧参与的氧化还原反应、多数化合反应等属于放热反应；多数分解反应(H2O2分解除外)、二氧化碳通过炽热的炭、Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应等属于吸热反应。
8． 为了探究化学能与热能的转化，某实验小组设计了如下三套实验装置：
(1)上述3个装置中，不能证明“铜与浓硝酸反应是吸热反应还是放热反应”的是________。
(2)某同学选用装置Ⅰ进行实验(实验前U形管里液面左右相平)，在甲试管里加入适量氢氧化钡溶液与稀硫酸，U形管中可观察到的现象是________________________________，说明该反应属于________(填“吸热”或“放热”)反应。
(3)为探究固体M溶于水的热效应，选择装置Ⅱ进行实验(反应在甲中进行)。
①若M为钠，则实验过程中烧杯中可观察到的现象是___________________________。
②若观察到烧杯里产生气泡，则说明M溶于水______________(填“一定是放热反应”“一定是吸热反应”或“可能是放热反应”)，理由是 。
③若观察到烧杯里的玻璃管内形成一段水柱，则M可能是_______________________。
(4)至少有两种实验方法能证明超氧化钾与水的反应(4KO2+2H2O===4KOH+3O2↑)是放热反应还是吸热反应。方法①：选择上述装置________(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)进行实验。方法②：取适量超氧化钾粉末用脱脂棉包裹并放在石棉网上，向脱脂棉上滴加几滴蒸馏水，片刻后，若观察到棉花燃烧，则说明该反应是________反应。
【答案】(1)Ⅲ (2)左端液柱降低，右端液柱升高 放热
(3)①产生气泡，反应完毕后，冷却至室温，烧杯里的导管内形成一段液柱
②可能是放热反应　某些物质(如浓硫酸)溶于水放热，但不是放热反应
③硝酸铵(或其他合理答案)
(4)Ⅰ(或Ⅱ)　放热
【解析】(1)装置Ⅰ可通过U形管中红墨水液面的变化判断铜与浓硝酸的反应是放热还是吸热；装置Ⅱ可通过烧杯中是否产生气泡判断铜与浓硝酸的反应放热还是吸热；装置Ⅲ只是一个铜与浓硝酸反应并将生成的气体用水吸收的装置，不能证明该反应是放热反应还是吸热反应。(2)氢氧化钡与稀硫酸反应属于中和反应，中和反应都是放热反应。(3)浓硫酸、硝酸铵溶于水有热效应，但不属于化学反应，故不是放热或吸热反应。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)