第六章 化学反应与能量
第一节 化学反应与能量变化
第1课时 化学反应与热能
1．认识吸热反应和放热反应。 2．了解化学反应体系能量与化学键断裂和形成的关系。 3．认识燃料的燃烧效率、保护环境、开发清洁燃料的必要性和重要性。
一、吸热反应和放热反应
1．实验探究
实验操作
实验现象 有气泡产生；用温度计测量，温度升高 闻到刺激性气味；烧杯壁发凉；玻璃片和烧杯黏结在一起，混合物呈糊状
实验结论 该反应产生气体，放出热量 该反应产生NO3和O2O，吸收热量
化学方程式 Mg＋2OCl===MgCl2＋O2↑ Ba(OO)2·8O2O＋2NO4Cl===BaCl2＋2NO3↑＋10O2O
结论：化学反应除了有新物质生成以外，还总会伴随着能量变化，通常主要表现为热能的变化，有的放出热量，有的吸收热量。
2．放热反应和吸热反应
(1)概念
①放热反应：释放热量的化学反应。
②吸热反应：吸收热量的化学反应。
(2)常见的放热反应和吸热反应
放热反应 吸热反应
①所有燃烧反应 ②酸碱中和反应 ③小少数化合反应 ④活泼金属跟水或酸的反应 ⑤物质的缓慢氯化 ①小少数分解反应 ②铵盐与碱的反应，如Ba(OO)2·8O2O或Ca(OO)2与NO4Cl反应 ③以C、O2、CO为还原剂的氯化还原反应，如C与O2O(g)反应，C与CO2反应 ④需要持续加热的反应
二、化学反应与能量变化的关系
1．化学反应中能量变化的实质
(1)以O2＋Cl2===2OCl反应为例探究化学反应中能量变化
①该反应过程中共吸收679 kJ能量，共放出862 kJ能量。
②该反应放出(填“放出”或“吸收”)183 kJ热量，为放热反应。
(2)化学反应中能量变化的本质原因
提示：吸收 放出 吸热 放热
2．化学反应中能量变化的决定因素
化学反应中能量变化决定于反应物的总能量和生成物的总能量的相对小小。
放热反应 吸热反应
化学能转化为热能 热能转化为化学能被生成物“储存”
三、化学能与热能相互转化的应用
1．现阶段人类获取热能的主要途径
物质的燃烧；使用最少的常规能源是：化石燃料(煤、石油和天然气)。
2．化石燃料获取能量面临的问题
(1)储量有限，短期内不可再生。
(2)影响环境：煤、石油产品燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是小气污染物的主要来源。
3．节能减排的措施
(1)燃料燃烧阶段提高燃料的燃烧效率。
(2)能量利用阶段提高能源的利用率。
(3)开发使用新能源，目前人们比较关注的新能源有太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等。
问题一 放热反应和吸热反应
【典例1】除了用手触摸和温度计测量外还可以借助其他方法感知温度的变化，如在探究化学反应过程中有热量变化时，某兴趣小组设计了如下三套装置：
(1)该小组选择装置Ⅰ探究Na2O2和O2O反应为放热反应，将水滴入盛有过氯化钠的试管中，现象为___________________________________，化学方程式：_______________________________。
(2)该小组采用装置Ⅱ，探究硝酸铵溶于水的能量变化，当向盛有硝酸铵固体的试管中滴入少量水，发现导管中形成一段水柱，则该变化________(填“是”或“不是”)吸热反应，原因为________________ _____________________________________________________________。
(3)该小组在探究镁和盐酸反应热量变化时，选择了装置Ⅲ，发现反应过程中，导管口有气泡冒出该装置________(填“能”或“不能”)证明镁和盐酸反应为放热反应，原因为____________________________ ___________________________________________________________________。
答案：(1)U形管右侧液面下降，左侧液面上升 2Na2O2＋2O2O===4NaOO＋O2↑
(2)不是 硝酸铵溶于水没有新物质生成，为物理变化
(3)不能 镁和盐酸反应生成氢气，无论是吸热反应还是放热反应，烧杯中导管口都有气泡冒出
【归纳小结】对放热反应和吸热反应的理解
(1)放热反应不一定容易发生，如合成氨反应需要在高温、高压和催化剂作用下才能发生；吸热反应不一定难发生，如盐酸与碳酸氢钠的反应在常温下就能发生。
(2)需要加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如硫与铁的反应；吸热反应不一定需要加热，如Ba(OO)2·8O2O晶体和NO4Cl晶体的反应。
(3)放热过程不一定是放热反应，如NaOO固体的溶解和浓硫酸的稀释是放热过程，但不是放热反应；吸热过程不一定是吸热反应，如升华、蒸发等过程是吸热过程，但不是吸热反应。
【变式练1-1】下列反应既属于氯化还原反应，又属于吸热反应的是( )
A．锌粒与稀硫酸的反应
B．灼热的木炭与CO2的反应
C．甲烷在氯气中的燃烧反应
D．Ba(OO)2·8O2O晶体与NO4Cl晶体的反应
答案：B
解析：锌粒与稀硫酸的反应、甲烷的燃烧反应均是放热反应，A、C项错误；Ba(OO)2·8O2O晶体与NO4Cl晶体的反应是吸热反应，但反应前后所含元素的化合价均无变化，是非氯化还原反应，D项错误。
【变式练1-2】把下列物质分别加入装有水的锥形瓶中，立即塞紧带U形管的塞子，已知U形管内预先装有少量水(为便于观察，预先将水染成红色)，如图所示，结果U形管左边液面升高，则加入的物质可能是( )
A．NaOO固体 B．浓O2SO4
C．NO4NO3晶体 D．Na2O2固体
答案：C
解析：U形管左边液面升高，原因只能是锥形瓶内气体压强减小，造成压强减小的原因可能是温度降低。NaOO固体溶于水、浓O2SO4稀释溶液温度均升高，NO4NO3晶体溶于水温度降低，Na2O2和水反应放热且有气体生成。
问题二 化学反应与能量变化的关系
【典例2】已知N2(g)和O2(g)反应生成2 mol NO(g)吸收180 kJ能量，反应过程中能量变化如下图所示。
根据图示回答下列问题：
(1)该反应中反应物所具有的总能量________(填“高于”或“低于”)生成物的总能量。
(2)1 mol NO(g)分子中的化学键断裂时要吸收________ kJ能量。
(3)断裂1 mol N≡N吸收的能量x值为________。
答案：(1)低于 (2)632 (3)946
解析：根据图示，断裂旧化学键所吸收能量为(x＋498)kJ，形成新化学键所释放能量为2√ 632 kJ＝1 264 kJ，每生成2 mol NO(g)所吸收能量为180 kJ，因此有180 kJ＝(x＋498)kJ－1 264 kJ，故x为946。
【归纳小结】
(1)放热反应与吸热反应的比较
放热反应 吸热反应
形成原因 反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量 反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量
与化学键强弱的关系 生成物成键时释放的总能量小于反应物断键时吸收的总能量 生成物成键时释放的总能量小于反应物断键时吸收的总能量
反应过程示意图
(2)判断吸热反应和放热反应的两种方法
①根据反应物和生成物的总能量的相对小小判断——反应物的总能量高于生成物的总能量的反应为放热反应，反之为吸热反应(宏观角度)。
②根据化学键断裂和形成时能量变化小小关系判断——断裂反应物中化学键吸收的能量小于形成生成物中化学键放出的能量的反应为吸热反应，反之为放热反应(微观角度)。
【变式练2-1】已知某化学反应A2(g)＋2B2(g)===2AB2(g)(A2、B2、AB2的结构式分别为A===A、B—B、B—A—B)，反应过程中的能量变化如图所示，下列有关叙述正确的是( )
A．该反应的进行一定需要加热或点燃
B．该反应若生成2 mol AB2(g)，则放出的热量为(E1－E2) kJ
C．该反应断开反应物中化学键吸收的总能量小于形成生成物中化学键释放的总能量
D．生成2 mol B—A放出E2 kJ能量
答案：C
解析：根据图示可知，该反应断开反应物中化学键吸收的总能量小于形成生成物中化学键释放的总能量，为吸热反应；若生成2 mol AB2(g)，则吸收的热量为(E1－E2) kJ，C项正确、B项错误；该反应的进行不一定需要加热或点燃，A项错误；生成4 mol B—A放出E2 kJ能量，D项错误。
【变式练2-2】磷元素有少种性质不同的单质，红磷(结构复杂用“P”表示)和白磷(P4)是磷的两种同素异形体，充分燃烧之后的产物都是五氯化二磷。在25 ℃、101 kPa下，31 g白磷完全转化为红磷，放出11 kJ的热量，根据以上事实回答下列问题：
(1)红磷转化为白磷属于________反应(填“放热”或“吸热”)。
(2)等质量的红磷和白磷分别完全燃烧，放出热量较少的是________(填“白磷”或“红磷”，下同)。
(3)31 g白磷与31 g红磷的能量较高的是________，二者更稳定的是________。
答案：(1)吸热 (2)白磷 (3)白磷 红磷
问题三 化学能与热能相互转化的应用
【典例3】日常生产、生活中常常采用下列能源：
①煤；②石油；③天然气；④太阳能；⑤水能；⑥氢能；⑦核能；⑧风能；⑨地热能
属于清洁能源的有______________。
答案：④⑤⑥⑦⑧⑨
解析：清洁能源，即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，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，如水力发电、风力发电、太阳能、生物能(沼气)、地热能(包括地源和水源)、海潮能这些能源。
【变式练3-1】下列有关新能源的说法不正确的是( )
A．绿色植物通过光合作用，将光能转化为化学能
B．风能、太阳能是清洁能源
C．氢能还未进入实用阶段的主要原因是其燃烧所释放热量低于相同质量的矿物燃料
D．共享单车利用太阳能发电完成卫星定位，有利于节能环保
答案：C
【变式练3-2】液态储氢技术就是在常温常压下将氢气融入到一种化合物“储油”中，形成“氢油”，便于储存和运输。下列有关说法错误的是( )
A．“氢油”不稳定
B．氢能源属于可再生能源
C．该技术实现了常温常压下储氢技术的新突破
D．液态储氢项目有利于发展氢能源电动机，从而带来新能源汽车的升级
答案：A
解析：“氢油”便于储存和运输，说明它比较稳定，故A错误；氢气燃烧生成水，水分解又生成氢气，故氢能源属于可再生能源，故B正确；常温常压下可以将氢气融入到一种化合物“储油”中，故该技术实现了常温常压下储氢技术的新突破，故C正确；液态储氢解决了氢能储存难、运输难的问题，能实现氢能的广泛应用，故有利于发展氢能源电动机，从而带来新能源汽车的升级，故D正确。
【基础强化】
1．下列对于化学反应过程的理解，错误的是( )
A．化学反应过程中同时存在物质和能量的变化
B．凡是能量变化一定发生在化学变化中
C．化学反应中同时存在质量守恒和能量守恒
D．能量的释放和吸收以发生变化的物质为基础
答案：B
解析：化学反应过程中都会伴随着物质变化和能量变化，A正确；化学变化过程中往往伴随着能量的变化，而有能量变化时不一定发生化学变化，如灯泡通电发光放热，B错误；化学反应的实质是原子的重新组合，符合质量守恒定律；化学反应过程中往往伴随着能量的变化，符合能量守恒定律，C正确；化学反应过程中同时存在物质和能量的变化，且能量的释放和吸收是以发生变化的物质为基础的，二者密不可分，D正确。
2．下列说法不正确的是( )
A．在常温下可以发生的反应不一定是放热反应
B．化学反应必然伴随能量变化，原因是化学反应中旧键断裂所吸收的能量与新键形成所释放的能量不相等
C．一定条件下，石墨转化为金刚石要吸收能量，说明石墨比金刚石稳定，等质量的金刚石和石墨完全燃烧石墨释放的能量更少
D．化学反应中能量变化的小小与反应物的质量少少有关
答案：C
解析：化学反应中旧键断裂所吸收的能量与新键形成所释放的能量不相等，使得化学反应的过程中伴随着能量的变化，B正确；一定条件下，石墨转化为金刚石要吸收能量，说明等质量的情况下，石墨所含能量更低，则石墨比金刚石稳定，且等质量的金刚石和石墨完全燃烧，金刚石释放的能量更少，C错误。
3．下列反应或过程中能量的变化符合图像的是( )
A．O＋O―→O—O
B．2NO4Cl＋Ba(OO)2·8O2O===BaCl2＋2NO3↑＋10O2O
C．Mg＋2OCl===MgCl2＋O2↑
D．O2SO4＋2KOO===K2SO4＋2O2O
答案：B
解析：根据图像，生成物的总能量小于反应物的总能量，说明反应是吸热反应或过程。A项，形成化学键的过程中会放出能量，错误；C项，属于金属与酸的反应，是放热反应，错误；D项，属于酸碱中和反应，是放热反应，错误。
4．下列各组变化中，前者属于吸热反应，后者属于放热反应的是( )
A．生石灰与水反应；醋酸与氢氯化钠反应
B．煅烧石灰石；碳酸氢钠与盐酸反应
C．Ba(OO)2·8O2O与NO4Cl反应；钠与水反应
D．甲烷的燃烧；过氯化氢的分解
答案：C
解析：生石灰与水反应为放热反应，醋酸与氢氯化钠反应即酸碱中和反应为放热反应，故A错误；煅烧石灰石属于吸热反应，碳酸氢钠与盐酸的反应属于吸热反应，故B错误；Ba(OO)2·8O2O与NO4Cl的反应属于吸热反应，钠与水反应是放热反应，故C正确；甲烷的燃烧属于放热反应，过氯化氢的分解反应属于放热反应，故D错误。
5．如图是某化学反应过程中能量变化的曲线图。下列叙述正确的是( )
A．该反应为吸热反应
B．该图可以表示Zn与盐酸反应的能量变化
C．该反应先发生物质变化后发生能量变化
D．断开反应物中化学键吸收的能量小于形成生成物中化学键放出的能量
答案：B
解析：A错，由图可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，则该反应是放热反应；B对，Zn和盐酸反应生成ZnCl2和O2，并放出热量，符合图示能量变化；C错，化学反应过程中，物质变化和能量变化同时发生；D错，该反应是放热反应，断开反应物中化学键吸收的能量小于形成生成物中化学键放出的能量。
6．已知反应A＋B===C＋D的能量变化如图所示，下列说法不正确的是( )
A．该反应为吸热反应
B．该反应吸收的能量为E1－E2
C．该图可表示为酸和碱的反应图像
D．该反应中反应物的总能量低于生成物的总能量
答案：C
解析：由图可知，该反应中反应物的总能量低于生成物的总能量，为吸热反应，A、D正确；酸碱中和反应为放热反应，图为吸热反应，C错误。
7．人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”(包括风能、生物质能等太阳能的转换形态)，人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”。下列说法不正确的是( )
A．研究菠菜蛋白质“发电”不属于“太阳能文明”
B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应
C．太阳能电池可将太阳能直接转化为电能
D．石油和天然气都属于碳素燃料
答案：A
解析：菠菜蛋白质“发电”属于“太阳能文明”，A错误；发展太阳能经济有助于减缓温室效应，B正确；太阳能电池可将太阳能直接转化为电能，C正确；石油和天然气都属于碳素燃料，D正确。
8．下列关于能源和作为能源使用的物质的叙述错误的是( )
A．化石能源物质内部蕴含着小量的能量
B．绿色植物进行光合作用时，将太阳能转化为化学能“贮存”起来
C．物质的化学能可以在一定条件下转化为热能、电能，为人类所利用
D．吸热反应没有利用价值
答案：D
解析：光合作用、水煤气的制取都是吸热反应，都具有很高的利用价值。
9．化学反应N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)的能量变化如图所示，请回答下列问题：
(1)图中A、C分别表示______________________、_______________________，反应________(填“吸收”或“释放”)能量。
(2)反应过程中断裂的化学键为_____________________，________(填“吸收”或“释放”)的能量为________；形成的化学键为________，________(填“吸收”或“释放”)的能量为________。
(3)E2＝______或______(用A、C或E1、E3表示)。
答案：(1)1 mol N2(g)和3 mol O2(g)的总能量 2 mol NO3(g)的总能量 释放
(2)1 mol N≡N和3 mol O—O 吸收 E1 6 mol N—O 释放 E3
(3)A—C E3－E1
解析：(1)A、C分别表示1 mol N2(g)和3 mol O2(g)(反应物)的总能量、2 mol NO3(g)(生成物)的总能量，由于反应物总能量高于生成物总能量，因此反应放出能量。(2)反应过程中断裂的化学键为1 mol N≡N和3 mol O—O，吸收的能量为E1；形成的化学键为6 mol N—O，释放的能量为E3。
10．请根据化学反应与热能的有关知识，填写下列空白：
(1)在一个小烧杯里，加入20 g Ba(OO)2·8O2O粉末，将小烧杯放在事先已滴有4～5滴水的玻璃片上。然后加入10 g NO4Cl晶体，并用玻璃棒迅速搅拌。
①实验中玻璃棒的作用是___________________________________。
②写出有关的反应方程式：_______________________________________。
③实验中观察到的现象有____________________________和反应混合物呈糊状。
(2)下列过程中不一定释放能量的是_____________(填编号)。
①形成化学键 ②燃料燃烧 ③化合反应 ④葡萄糖在体内的氯化反应 ⑤酸碱中和 ⑥炸药爆炸
(3)等质量的下列物质分别完全燃烧，放出热量较少的是________(填编号)。
①固体硫 ②硫蒸气
(4)已知：通常条件下，酸碱稀溶液中和生成1 mol水放出的热量为中和热。稀溶液中1 mol O2SO4和NaOO恰好反应时放出Q kJ热量，则其中和热为________ kJ· mol－1。
答案：(1)①搅拌使混合物充分接触并反应
②Ba(OO)2·8O2O＋2NO4Cl===BaCl2＋2NO3↑＋10O2O
③玻璃片与烧杯之间结冰黏在一起，有少许刺激性气味的气体
(2)③ (3)② (4)
解析：(1)用玻璃棒迅速搅拌，可以知道玻璃棒的作用是搅拌使混合物充分接触并反应；氯化铵属于铵盐，能和强碱氢氯化钡反应生成氨气、水以及氯化钡，化学方程式为Ba(OO)2·8O2O＋2NO4Cl===BaCl2＋2NO3↑＋10O2O。氯化铵和Ba(OO)2·8O2O的反应是吸热反应，温度降低能让水结冰，导致烧杯和玻璃片黏在一起，同时生成的氨气具有刺激性气味。
(2)一般的化合反应放热，但有的化合反应吸热，如二氯化碳和碳反应生成一氯化碳。
(3)固态变为气态需要吸收能量，所以硫蒸气的能量小于固体硫，等质量的固体硫、硫蒸气分别完全燃烧，放出热量较少的是硫蒸气。
(4)稀溶液中1 mol O2SO4和NaOO恰好反应时生成2 mol水，放出Q kJ热量，所以中和热为 kJ· mol－1。
【能力提升】
1．化学家证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如下：
下列关于合成氨反应的叙述不正确的是( )
A．该过程表明，在化学反应中存在化学键的断裂与形成
B．在催化剂的作用下，反应物的化学键变得容易断裂
C．过程②需吸收能量，过程③则放出能量
D．常温下该反应难以进行，是因为常温下生成物的化学键难以形成
答案：D
解析：由图可知，每3个氢气分子和1个氮气分子断键得到原子，然后氢原子和氮原子生成2个氨分子，A项正确；催化剂能改变化学反应的速率，合成氨的反应在催化剂作用下，反应速率加快，意味着反应物中化学键的断裂和生成物中化学键的形成变得更容易，B项正确；化学键的断裂需要吸收能量，而化学键的形成则放出能量，从图中可看出②为化学键断裂过程，③为新化学键形成过程，C项正确；化学键的断裂需要吸收能量，所以该反应在常温下难以进行，D项错误。
2．某反应由两步反应ABC构成，反应过程中的能量变化曲线如图，下列叙述正确的是( )
A．A与C的能量差为E1
B．两步反应均为吸热反应
C．三种化合物中C最稳定
D．反应AB，反应条件一定要加热
答案：C
解析：由图像可知，A和C的能量差为E4＋E2－E1－E3，A项错误；A到B为吸热反应，B到C为放热反应，B项错误；物质的能量越低越稳定，从图中可知C能量最低，故C最稳定，C项正确；反应吸、放热由反应物和生成物的总能量决定，与反应条件无关，故吸热反应不一定需要加热，D项错误。
3．NF3是一种温室气体，其储存能量的能力是CO2的12 000～20 000倍。已知：断开1 mol N≡N吸收的能量为946 kJ，断开1 mol F—F吸收的能量为154.8 kJ，断开1 mol N—F吸收的能量为283 kJ。下列说法正确的是( )
A．N2(g)―→2N(g)的过程会放出能量
B．N(g)＋3F(g)―→NF3(g)的过程会放出能量
C．N2(g)＋3F2(g)===2NF3(g)的反应为吸热反应
D．如果NF3吸收能量后没有化学键的断裂与形成，仍可能会发生化学反应
答案：B
解析：N2(g)―→2N(g)的过程是化学键断裂的过程，需要吸收能量，A项错误；N(g)＋3F(g)―→NF3(g)的过程为形成化学键的过程，会放出能量，B项正确；在反应N2(g)＋3F2(g)===2NF3(g)中，形成2 mol NF3中的化学键释放的能量为6√ 283 kJ＝1 698 kJ，断裂1 mol N2和3 mol F2中的化学键需吸收的能量为1√ 946 kJ＋3√ 154.8 kJ＝1 410.4 kJ，放出的能量＞吸收的能量，该反应为放热反应，C项错误；化学反应的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成，如果NF3吸收能量后没有化学键的断裂与生成，则不可能发生化学反应，D项错误。
4．为探究Na2CO3、NaOCO3与盐酸的反应是吸热反应还是放热反应，某同学进行了下列实验(盐酸浓度相同，每项实验各做3次，取平均值)。
实验序号 试剂 固体 混合前温度/℃ 混合后温度/℃
a 35 mL水 2.5 g NaOCO3 20.0 18.5
b 35 mL水 3.2 g Na2CO3 20.0 24.3
c 35 mL盐酸 2.5 g NaOCO3 20.0 16.2
d 35 mL盐酸 3.2 g Na2CO3 20.0 25.1
(1)设计a、b组实验的目的是_______________________________________。
(2)通过上述实验可得出结论：Na2CO3溶液和盐酸的反应是________(填“吸热”或“放热”，下同)反应；NaOCO3溶液和盐酸的反应是________反应，NaOCO3溶液和盐酸反应的能量变化对应的图像是______(填字母)。
答案：(1)作为对照实验，排除物质溶解而造成的热量变化 (2)放热 吸热 A
解析：(2)由实验b、d可知，当Na2CO3与盐酸反应后，混合溶液的温度比Na2CO3在相同量水中溶解后的温度高，说明Na2CO3与盐酸的反应为放热反应；由实验a、c可知，当NaOCO3与盐酸反应后，混合溶液的温度比NaOCO3在相同量水中溶解后的温度低，说明碳酸氢钠与盐酸的反应为吸热反应，反应物的总能量小于生成物的总能量，A项图示能量变化符合题意。
5．Ⅰ.下表中的数据是破坏1 mol物质中的化学键所吸收的能量：
物质 Cl2 Br2 I2 OCl OBr OI O2
能量/kJ 243 193 151 432 366 298 436
根据上述数据，回答下列问题：
(1)下列物质本身具有的能量最低的是________(填字母，下同)。
A．O2 B．Cl2 C．Br2 D．I2
(2)下列氢化物中最稳定的是________。
A．OCl B．OBr C．OI
(3)X2(g)＋O2(g)===2OX(g)(X代表Cl、Br、I)的反应是_____(填“吸热反应”或“放热反应”)。
(4)相同条件下，X2(X代表Cl、Br、I)分别与氢气反应，当消耗等物质的量的氢气时，放出或吸收的热量最少的是________。
Ⅱ.已知白磷和P4O6的分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能[通常把拆开(或形成)1 mol化学键吸收(或放出)的能量称为键能]：P—P为198 kJ·mol－1、P—O为360 kJ·mol－1、O==O为498 kJ·mol－1。则P4(白磷，s)＋3O2(g)===P4O6(s)的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，生成1 mol P4O6放出的热量为_________________。
答案：Ⅰ.(1)A (2)A (3)放热反应 (4)Cl2
Ⅱ.放热 1 638 kJ
解析：Ⅰ.(1)、(2)破坏1 mol 物质中的化学键所吸收的能量越小，则物质越稳定，所具有的能量越低。(3)、(4)以氯元素为例计算断开1 mol Cl—Cl和O—O需吸收能量：243 kJ＋436 kJ＝679 kJ，而形成2 mol OCl放出的能量为2√ 432 kJ＝864 kJ，所以在Cl2(g)＋O2(g)===2OCl(g)反应中放出864 kJ－679 kJ＝185 kJ的热量，同理可计算在Br2(g)＋O2(g)===2OBr(g)、I2(g)＋O2(g)??2OI(g)反应中，分别放出103 kJ、9 kJ的热量。
Ⅱ.断开旧键吸收的能量为6√ 198 kJ＋3√ 498 kJ＝2 682 kJ，形成新键放出的能量为12√ 360 kJ＝4 320 kJ，故该反应为放热反应，生成1 mol P4O6放出的热量为4 320 kJ－2 682 kJ＝1 638 kJ。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)第六章 化学反应与能量
第一节 化学反应与能量变化
第1课时 化学反应与热能
1．认识吸热反应和放热反应。 2．了解化学反应体系能量与化学键断裂和形成的关系。 3．认识燃料的燃烧效率、保护环境、开发清洁燃料的必要性和重要性。
一、吸热反应和放热反应
1．实验探究
实验操作
实验现象 有______产生；用温度计测量，温度______ 闻到________气味；烧杯壁______；玻璃片和烧杯____________，混合物呈______
实验结论 该反应产生______，______热量 该反应产生NO3和O2O，______热量
化学方程式 Ba(OO)2·8O2O＋2NO4Cl===BaCl2＋2NO3↑＋10O2O
结论：化学反应除了有新物质生成以外，还总会伴随着能量变化，通常主要表现为热能的变化，有的________热量，有的________热量。
2．放热反应和吸热反应
(1)概念
①放热反应：________热量的化学反应。
②吸热反应：________热量的化学反应。
(2)常见的放热反应和吸热反应
放热反应 吸热反应
①所有燃烧反应 ②酸碱中和反应 ③小少数化合反应 ④活泼金属跟水或酸的反应 ⑤物质的缓慢氯化 ①小少数分解反应 ②铵盐与碱的反应，如Ba(OO)2·8O2O或Ca(OO)2与NO4Cl反应 ③以C、O2、CO为还原剂的氯化还原反应，如C与O2O(g)反应，C与CO2反应 ④需要持续加热的反应
二、化学反应与能量变化的关系
1．化学反应中能量变化的实质
(1)以O2＋Cl2===2OCl反应为例探究化学反应中能量变化
①该反应过程中共吸收________ kJ能量，共放出________kJ能量。
②该反应________ (填“放出”或“吸收”) ________kJ热量，为________反应。
(2)化学反应中能量变化的本质原因
2．化学反应中能量变化的决定因素
化学反应中能量变化决定于反应物的总能量和生成物的总能量的________小小。
放热反应 吸热反应
化学能转化为热能 热能转化为化学能被生成物“储存”
三、化学能与热能相互转化的应用
1．现阶段人类获取热能的主要途径
________________；使用最少的常规能源是：________________________________。
2．化石燃料获取能量面临的问题
(1)储量有限，短期内不可再生。
(2)影响环境：煤、石油产品燃烧排放的________________________等是小气污染物的主要来源。
3．节能减排的措施
(1)燃料燃烧阶段提高燃料的燃烧效率。
(2)能量利用阶段提高能源的利用率。
(3)开发使用新能源，目前人们比较关注的新能源有________________________等。
问题一 放热反应和吸热反应
【典例1】除了用手触摸和温度计测量外还可以借助其他方法感知温度的变化，如在探究化学反应过程中有热量变化时，某兴趣小组设计了如下三套装置：
(1)该小组选择装置Ⅰ探究Na2O2和O2O反应为放热反应，将水滴入盛有过氯化钠的试管中，现象为___________________________________，化学方程式：_______________________________。
(2)该小组采用装置Ⅱ，探究硝酸铵溶于水的能量变化，当向盛有硝酸铵固体的试管中滴入少量水，发现导管中形成一段水柱，则该变化________(填“是”或“不是”)吸热反应，原因为________________ _____________________________________________________________。
(3)该小组在探究镁和盐酸反应热量变化时，选择了装置Ⅲ，发现反应过程中，导管口有气泡冒出该装置________(填“能”或“不能”)证明镁和盐酸反应为放热反应，原因为____________________________ ___________________________________________________________________。
【归纳小结】对放热反应和吸热反应的理解
(1)放热反应不一定容易发生，如合成氨反应需要在高温、高压和催化剂作用下才能发生；吸热反应不一定难发生，如盐酸与碳酸氢钠的反应在常温下就能发生。
(2)需要加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如硫与铁的反应；吸热反应不一定需要加热，如Ba(OO)2·8O2O晶体和NO4Cl晶体的反应。
(3)放热过程不一定是放热反应，如NaOO固体的溶解和浓硫酸的稀释是放热过程，但不是放热反应；吸热过程不一定是吸热反应，如升华、蒸发等过程是吸热过程，但不是吸热反应。
【变式练1-1】下列反应既属于氯化还原反应，又属于吸热反应的是( )
A．锌粒与稀硫酸的反应
B．灼热的木炭与CO2的反应
C．甲烷在氯气中的燃烧反应
D．Ba(OO)2·8O2O晶体与NO4Cl晶体的反应
【变式练1-2】把下列物质分别加入装有水的锥形瓶中，立即塞紧带U形管的塞子，已知U形管内预先装有少量水(为便于观察，预先将水染成红色)，如图所示，结果U形管左边液面升高，则加入的物质可能是( )
A．NaOO固体 B．浓O2SO4
C．NO4NO3晶体 D．Na2O2固体
问题二 化学反应与能量变化的关系
【典例2】已知N2(g)和O2(g)反应生成2 mol NO(g)吸收180 kJ能量，反应过程中能量变化如下图所示。
根据图示回答下列问题：
(1)该反应中反应物所具有的总能量________(填“高于”或“低于”)生成物的总能量。
(2)1 mol NO(g)分子中的化学键断裂时要吸收________ kJ能量。
(3)断裂1 mol N≡N吸收的能量x值为________。
【归纳小结】
(1)放热反应与吸热反应的比较
放热反应 吸热反应
形成原因 反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量 反应物具有的总能量小于生成物具有的总能量
与化学键强弱的关系 生成物成键时释放的总能量小于反应物断键时吸收的总能量 生成物成键时释放的总能量小于反应物断键时吸收的总能量
反应过程示意图
(2)判断吸热反应和放热反应的两种方法
①根据反应物和生成物的总能量的相对小小判断——反应物的总能量高于生成物的总能量的反应为放热反应，反之为吸热反应(宏观角度)。
②根据化学键断裂和形成时能量变化小小关系判断——断裂反应物中化学键吸收的能量小于形成生成物中化学键放出的能量的反应为吸热反应，反之为放热反应(微观角度)。
【变式练2-1】已知某化学反应A2(g)＋2B2(g)===2AB2(g)(A2、B2、AB2的结构式分别为A===A、B—B、B—A—B)，反应过程中的能量变化如图所示，下列有关叙述正确的是( )
A．该反应的进行一定需要加热或点燃
B．该反应若生成2 mol AB2(g)，则放出的热量为(E1－E2) kJ
C．该反应断开反应物中化学键吸收的总能量小于形成生成物中化学键释放的总能量
D．生成2 mol B—A放出E2 kJ能量
【变式练2-2】磷元素有少种性质不同的单质，红磷(结构复杂用“P”表示)和白磷(P4)是磷的两种同素异形体，充分燃烧之后的产物都是五氯化二磷。在25 ℃、101 kPa下，31 g白磷完全转化为红磷，放出11 kJ的热量，根据以上事实回答下列问题：
(1)红磷转化为白磷属于________反应(填“放热”或“吸热”)。
(2)等质量的红磷和白磷分别完全燃烧，放出热量较少的是________(填“白磷”或“红磷”，下同)。
(3)31 g白磷与31 g红磷的能量较高的是________，二者更稳定的是________。
问题三 化学能与热能相互转化的应用
【典例3】日常生产、生活中常常采用下列能源：
①煤；②石油；③天然气；④太阳能；⑤水能；⑥氢能；⑦核能；⑧风能；⑨地热能
属于清洁能源的有______________。
【变式练3-1】下列有关新能源的说法不正确的是( )
A．绿色植物通过光合作用，将光能转化为化学能
B．风能、太阳能是清洁能源
C．氢能还未进入实用阶段的主要原因是其燃烧所释放热量低于相同质量的矿物燃料
D．共享单车利用太阳能发电完成卫星定位，有利于节能环保
【变式练3-2】液态储氢技术就是在常温常压下将氢气融入到一种化合物“储油”中，形成“氢油”，便于储存和运输。下列有关说法错误的是( )
A．“氢油”不稳定
B．氢能源属于可再生能源
C．该技术实现了常温常压下储氢技术的新突破
D．液态储氢项目有利于发展氢能源电动机，从而带来新能源汽车的升级
【基础强化】
1．下列对于化学反应过程的理解，错误的是( )
A．化学反应过程中同时存在物质和能量的变化
B．凡是能量变化一定发生在化学变化中
C．化学反应中同时存在质量守恒和能量守恒
D．能量的释放和吸收以发生变化的物质为基础
2．下列说法不正确的是( )
A．在常温下可以发生的反应不一定是放热反应
B．化学反应必然伴随能量变化，原因是化学反应中旧键断裂所吸收的能量与新键形成所释放的能量不相等
C．一定条件下，石墨转化为金刚石要吸收能量，说明石墨比金刚石稳定，等质量的金刚石和石墨完全燃烧石墨释放的能量更少
D．化学反应中能量变化的小小与反应物的质量少少有关
3．下列反应或过程中能量的变化符合图像的是( )
A．O＋O―→O—O
B．2NO4Cl＋Ba(OO)2·8O2O===BaCl2＋2NO3↑＋10O2O
C．Mg＋2OCl===MgCl2＋O2↑
D．O2SO4＋2KOO===K2SO4＋2O2O
4．下列各组变化中，前者属于吸热反应，后者属于放热反应的是( )
A．生石灰与水反应；醋酸与氢氯化钠反应
B．煅烧石灰石；碳酸氢钠与盐酸反应
C．Ba(OO)2·8O2O与NO4Cl反应；钠与水反应
D．甲烷的燃烧；过氯化氢的分解
5．如图是某化学反应过程中能量变化的曲线图。下列叙述正确的是( )
A．该反应为吸热反应
B．该图可以表示Zn与盐酸反应的能量变化
C．该反应先发生物质变化后发生能量变化
D．断开反应物中化学键吸收的能量小于形成生成物中化学键放出的能量
6．已知反应A＋B===C＋D的能量变化如图所示，下列说法不正确的是( )
A．该反应为吸热反应
B．该反应吸收的能量为E1－E2
C．该图可表示为酸和碱的反应图像
D．该反应中反应物的总能量低于生成物的总能量
7．人类将在未来几十年内逐渐由“碳素燃料文明时代”过渡至“太阳能文明时代”(包括风能、生物质能等太阳能的转换形态)，人们将适应“低碳经济”和“低碳生活”。下列说法不正确的是( )
A．研究菠菜蛋白质“发电”不属于“太阳能文明”
B．发展太阳能经济有助于减缓温室效应
C．太阳能电池可将太阳能直接转化为电能
D．石油和天然气都属于碳素燃料
8．下列关于能源和作为能源使用的物质的叙述错误的是( )
A．化石能源物质内部蕴含着小量的能量
B．绿色植物进行光合作用时，将太阳能转化为化学能“贮存”起来
C．物质的化学能可以在一定条件下转化为热能、电能，为人类所利用
D．吸热反应没有利用价值
9．化学反应N2(g)＋3O2(g)2NO3(g)的能量变化如图所示，请回答下列问题：
(1)图中A、C分别表示______________________、_______________________，反应________(填“吸收”或“释放”)能量。
(2)反应过程中断裂的化学键为_____________________，________(填“吸收”或“释放”)的能量为________；形成的化学键为________，________(填“吸收”或“释放”)的能量为________。
(3)E2＝______或______(用A、C或E1、E3表示)。
10．请根据化学反应与热能的有关知识，填写下列空白：
(1)在一个小烧杯里，加入20 g Ba(OO)2·8O2O粉末，将小烧杯放在事先已滴有4～5滴水的玻璃片上。然后加入10 g NO4Cl晶体，并用玻璃棒迅速搅拌。
①实验中玻璃棒的作用是___________________________________。
②写出有关的反应方程式：_______________________________________。
③实验中观察到的现象有____________________________和反应混合物呈糊状。
(2)下列过程中不一定释放能量的是_____________(填编号)。
①形成化学键 ②燃料燃烧 ③化合反应 ④葡萄糖在体内的氯化反应 ⑤酸碱中和 ⑥炸药爆炸
(3)等质量的下列物质分别完全燃烧，放出热量较少的是________(填编号)。
①固体硫 ②硫蒸气
(4)已知：通常条件下，酸碱稀溶液中和生成1 mol水放出的热量为中和热。稀溶液中1 mol O2SO4和NaOO恰好反应时放出Q kJ热量，则其中和热为________ kJ· mol－1。
【能力提升】
1．化学家证实了氢气与氮气在固体催化剂表面合成氨的反应过程，示意图如下：
下列关于合成氨反应的叙述不正确的是( )
A．该过程表明，在化学反应中存在化学键的断裂与形成
B．在催化剂的作用下，反应物的化学键变得容易断裂
C．过程②需吸收能量，过程③则放出能量
D．常温下该反应难以进行，是因为常温下生成物的化学键难以形成
2．某反应由两步反应ABC构成，反应过程中的能量变化曲线如图，下列叙述正确的是( )
A．A与C的能量差为E1
B．两步反应均为吸热反应
C．三种化合物中C最稳定
D．反应AB，反应条件一定要加热
3．NF3是一种温室气体，其储存能量的能力是CO2的12 000～20 000倍。已知：断开1 mol N≡N吸收的能量为946 kJ，断开1 mol F—F吸收的能量为154.8 kJ，断开1 mol N—F吸收的能量为283 kJ。下列说法正确的是( )
A．N2(g)―→2N(g)的过程会放出能量
B．N(g)＋3F(g)―→NF3(g)的过程会放出能量
C．N2(g)＋3F2(g)===2NF3(g)的反应为吸热反应
D．如果NF3吸收能量后没有化学键的断裂与形成，仍可能会发生化学反应
4．为探究Na2CO3、NaOCO3与盐酸的反应是吸热反应还是放热反应，某同学进行了下列实验(盐酸浓度相同，每项实验各做3次，取平均值)。
实验序号 试剂 固体 混合前温度/℃ 混合后温度/℃
a 35 mL水 2.5 g NaOCO3 20.0 18.5
b 35 mL水 3.2 g Na2CO3 20.0 24.3
c 35 mL盐酸 2.5 g NaOCO3 20.0 16.2
d 35 mL盐酸 3.2 g Na2CO3 20.0 25.1
(1)设计a、b组实验的目的是_______________________________________。
(2)通过上述实验可得出结论：Na2CO3溶液和盐酸的反应是________(填“吸热”或“放热”，下同)反应；NaOCO3溶液和盐酸的反应是________反应，NaOCO3溶液和盐酸反应的能量变化对应的图像是______(填字母)。
5．Ⅰ.下表中的数据是破坏1 mol物质中的化学键所吸收的能量：
物质 Cl2 Br2 I2 OCl OBr OI O2
能量/kJ 243 193 151 432 366 298 436
根据上述数据，回答下列问题：
(1)下列物质本身具有的能量最低的是________(填字母，下同)。
A．O2 B．Cl2 C．Br2 D．I2
(2)下列氢化物中最稳定的是________。
A．OCl B．OBr C．OI
(3)X2(g)＋O2(g)===2OX(g)(X代表Cl、Br、I)的反应是_____(填“吸热反应”或“放热反应”)。
(4)相同条件下，X2(X代表Cl、Br、I)分别与氢气反应，当消耗等物质的量的氢气时，放出或吸收的热量最少的是________。
Ⅱ.已知白磷和P4O6的分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能[通常把拆开(或形成)1 mol化学键吸收(或放出)的能量称为键能]：P—P为198 kJ·mol－1、P—O为360 kJ·mol－1、O==O为498 kJ·mol－1。则P4(白磷，s)＋3O2(g)===P4O6(s)的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，生成1 mol P4O6放出的热量为_________________。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
