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第一节 化学反应与能量变化
目 标 素 养
1.知道物质具有能量,认识常见的吸热反应和放热反应,能基于反应物总能量和生成物总能量的相对大小判断化学反应是吸热反应还是放热反应。
2.了解体系能量的改变与化学键的断裂和形成有关,知道通过化学反应可以实现化学能与热能的转化。
3.能借助锌铜原电池辨识简单原电池的构成要素;能基于氧化还原反应分析原电池的工作原理,认识化学能可以转化为电能。
4.能基于物质及能量变化的角度评价燃料的使用价值;能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。
知 识 概 览
第1课时 化学反应与热能
一、化学能与热能的相互转化
1.吸热反应和放热反应。
吸热反应: 吸收 热量的化学反应;
放热反应: 释放 热量的化学反应。
2.实验探究。
(1)镁与稀盐酸的反应(见图1)。
(2)Ba(OH)2·8H2O与氯化铵的反应(见图2)。
微思考能否从上述实验中得出以下结论:“置换反应都是放热反应,复分解反应都是吸热反应。”
提示:不能。有些置换反应是吸热反应,如C+H2O CO+H2,有些复分解反应是放热反应,如NaOH+HCl═NaCl+H2O。
微判断(1)Al与稀盐酸的反应为放热反应。( )
(2)能量变化和物质变化一定是同时发生的。( )
(3)放出能量的变化都是放热反应,吸收能量的变化都是吸热反应。( )
(4)柴草燃烧时,化学能全部转化为热能。( )
√
×
×
×
二、化学键与化学反应中能量变化的关系
1.化学反应过程。
2.化学反应中能量变化的原因。
化学键的 断裂与形成 是化学反应中能量变化的主要原因。
3.从物质所具有的能量角度判断化学反应中的能量变化。
反应物的总能量大于生成物的总能量,反应 放热 ;
反应物的总能量小于生成物的总能量,反应 吸热 。
4.实例分析[以反应H2(g)+Cl2(g)══2HCl(g)为例]。
该反应 放出 (填“吸收”或“放出”) 183 kJ能量。
微训练 已知2SO2+O2 2SO3为放热反应,下列说法正确的是( )。
A.O2的能量一定高于SO2的能量
B.SO2和O2的总能量一定高于SO3的总能量
C.SO2的能量一定高于SO3的能量
D.因该反应为放热反应,故不必加热就可以发生
答案:B
解析:判断一个反应是放热反应还是吸热反应,关键看反应物的总能量与生成物的总能量的差值。如果反应物的总能量高于生成物的总能量,反应放热;放热反应只表明反应物总能量比生成物总能量高,而加热是反应的条件,两者无必然联系,许多放热反应也必须加热才能开始进行。
三、能源的利用
1.常规能源。
(1)从早期的以 树枝杂草 为主要能源到现代以 煤、石油、天然气为主要能源。
(2)化石燃料特点:①短期内不可再生,储量有限;
②燃烧排放的粉尘、SO2、NOx、CO等是大气污染物的主要来源。
2.新能源。
(1)理想新能源: 太阳能 、 风能 、 地热能 、 海洋能 和 氢能 等。
(2)特点:资源丰富、可以再生、对环境无污染。
微训练2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地热能等。其中,属于清洁能源的有 。
提示:④⑤⑥⑦⑧⑨
问题探究
火箭的发射基本看不见尾焰,最主要的原因是燃料在燃烧的时候非常充分,燃烧之后的火焰基本上是透明的,其中生成物也都是空气成分,不会造成污染。嫦娥五号飞船燃料如下:助推器使用液氧和煤油,芯二级、芯一级使用液氢和液氧。
(1)煤油和液氢的使用,能量转化形式是什么 上述反应都是什么反应
提示:都是化学能转化为热能,都属于放热反应。
(2)从反应物、生成物的总能量的角度分析液氢与液氧反应前后能量的变化。
提示:反应物(液氢和液氧)的总能量大于生成物(水蒸气)的总能量,故反应放热。
重难归纳
1.放热反应和吸热反应的比较。
2.常见的放热反应与吸热反应。
易错提醒
1.需加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如碳与氧气的反应。 2.放热反应常温下不一定容易发生;吸热反应也不一定需要加热,如Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应。 3.有热量变化的过程不一定是化学变化,如NaOH固体溶于水、升华、蒸发等。
典例剖析
【例1】下列说法正确的是( )。
①需要加热才能发生的反应一定是吸热反应
②放热反应在常温下一定很容易发生
③反应是放出能量还是吸收能量必须看反应物和生成物所具有的总能量的相对大小
④有的放热反应加热到一定温度引发后,停止加热反应也能继续进行
A.③④ B.①② C.①②③④ D.②③④
答案:A
解析:加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如铜在氯气中燃烧;放热反应在常温下不一定容易发生,如N2与H2合成NH3;反应是放热还是吸热取决于反应物、生成物所具有的总能量的相对大小;需要加热才能发生的放热反应,如果反应放出的热量达到了反应所需要的热量,停止加热后反应也能继续进行,如Fe+S FeS。
学以致用
1.下列化学变化中,反应物的总能量低于生成物的总能量的是( )。
答案:B
解析:当反应物的总能量低于生成物的总能量时,该反应为吸热反应,H2、C2H5OH的燃烧均为放热反应;CaO与CO2的化合反应属于放热反应;CaCO3的分解反应属于吸热反应。
2.下列说法正确的是( )。
A.Fe与S在加热条件下才能发生反应,所以该反应属于吸热反应
B.HNO3、H2SO4分别与NaOH溶液反应都放出热量
C.分解反应都是吸热反应,化合反应都是放热反应
D.合成氨的反应是放热反应,所以N2与其他物质的反应也是放热反应
答案:B
解析:Fe与S虽然需加热才能发生反应,但反应开始后,停止加热,反应能继续进行,加热只是为了引发反应,所以该反应是放热反应,A项错误;中和反应都是放热反应,B项正确;分解反应不一定都是吸热反应,如H2O2的分解反应就是放热反应,化合反应也不一定都是放热反应,如CO2与C的反应就是吸热反应,C项错误;与N2反应的物质不同,能量变化也不同,不能根据合成氨反应的能量变化来类推N2与其他物质反应的能量变化,如N2与O2在放电条件下生成NO就是吸热反应,D项错误。
问题探究
某研究所的研发团队开发出了一种可作火箭和卫星引擎推动剂的新型燃料,其原料以低价的乙醇为主,大大压缩了发射成本。
(1)乙醇燃烧是吸热反应还是放热反应
提示:燃烧均为放热反应。
(2)已知乙醇的结构式如图所示,1 mol C2H5OH参与燃烧反应时,乙醇需要断开共价键的物质的量是多少
提示:1 mol乙醇含有1 mol C—C、5 mol C—H、1 mol C—O、1 mol O—H,共8 mol共价键。
(3)化学反应中的能量变化与化学键有何关系
提示:化学反应总是伴随着能量的变化,化学键的断裂与形成是化学反应中能量变化的主要原因,通常主要表现为热量的释放或吸收。设反应物中旧化学键断裂吸收的总能量为E1,生成物中新化学键形成释放的总能量为E2,若E1>E2,则反应吸收能量;若E1(4)NaCl溶于水属于物理变化,试从化学键角度阐述理由。
提示:氯化钠溶于水破坏离子键NaCl═Na++Cl-,只有化学键的断裂,没有化学键的形成。
重难归纳
化学反应过程中的能量变化来源于化学反应过程中旧化学键断裂与新化学键形成时的能量变化。
1.若反应物中的化学键断裂时吸收的能量高于生成物成键时释放的能量,则该反应吸收能量,吸收的能量=反应物断键吸收的总能量-生成物成键释放的总能量。
2.若反应物中的化学键断裂时吸收的能量低于生成物成键时释放的能量,则该反应放出能量,放出的能量=生成物成键释放的总能量-反应物断键吸收的总能量。
3.化学键与化学反应中能量变化的关系示意图:
当E1>E2时,反应吸收能量,为吸热反应;
当E1典例剖析
【例2】已知2H→H2的能量变化如图所示。
下列说法不正确的是( )。
A.2H→H2过程中形成的化学键是共价键
B.相同质量的氢气分子的能量比氢原子的能量低
C.2H→H2过程中形成1 mol新化学键放出437.6 kJ的能量
D.1 mol H2离解成2 mol H要放出437.6 kJ能量
答案:D
解析:H2分子中含有共价键,故2H→H2过程中形成共价键,A项正确;由图可知,H原子变成H2放出能量,则等质量的氢气分子的能量比氢原子的能量低,B项正确;由图可知,2H→H2过程中,形成1 mol H—H要放出437.6 kJ能量,C项正确;1 mol H2离解成2 mol H原子,要断裂H—H,故要吸收437.6 kJ能量,D项错误。
学以致用
3.下列说法中不正确的是( )。
A.化学键断裂需要吸收能量,化学键形成需要放出能量
B.化学反应必然伴随能量变化
C.相同条件下,形成1 mol H—Cl所放出的能量与断开1 mol H—Cl吸收的能量相等
D.放出能量越多的化学反应通常生成物越不稳定
答案:D
解析:化学反应放出能量越多,则生成物能量越低,更加稳定。
4.已知,白磷与氧气可发生如下反应:P4+3O2 P4O6。断裂下列化学键需要吸收的能量分别为P—P 198 kJ·mol-1、P—O 360 kJ·mol-1、O=O 498 kJ·mol-1。
根据图示的分子结构和有关数据估算该反应的能量变化,其中正确的是( )。
A.释放1 638 kJ的能量 B.吸收1 638 kJ的能量
C.释放126 kJ的能量 D.吸收126 kJ的能量
答案:A
解析:在反应中,要破坏6 mol P—P、3 mol O=O,吸收的能量为6 mol×198 kJ·mol-1+3 mol×498 kJ·mol-1=2 682 kJ,形成12 mol P—O需释放的能量为12 mol×360 kJ·mol-1=4 320 kJ。E释放-E吸收=1 638 kJ。
1.下列变化过程中需要吸收能量的是( )。
A.氢气球发生燃烧爆炸
B.向污染的河水中投入生石灰
答案:D
解析:H2的燃烧、CaO与水的反应、氯原子形成氯分子的过程都放出能量;由氢分子变成氢原子的过程需要断裂化学键,吸收能量。
2.已知反应A+B═C+D的能量变化如图所示,下列说法正确的是( )。
A.该反应是放热反应
B.只有在加热条件下才能进行
C.反应物的总能量高于生成物的总能量
D.反应中断开化学键吸收的总能量高于形成化学键放出的总能量
答案:D
解析:根据图像可知反应物的总能量低于生成物的总能量,则反应是吸热反应。A项,该反应是吸热反应,错误;B项,反应条件与反应是放热反应还是吸热反应无关,错误;C项,反应物的总能量低于生成物的总能量,错误;D项,反应吸热,则反应中断开化学键吸收的总能量高于形成化学键放出的总能量,正确。
3.生活中每时每刻都在发生着各种化学反应。下列反应不一定属于放热反应的是( )。
A.H2SO4溶液与Ba(OH)2溶液的反应 B.燃烧反应
C.复分解反应 D.Na与水的反应
答案:C
解析:H2SO4溶液与Ba(OH)2溶液混合发生中和反应,是放热反应;燃烧是指剧烈的发光、发热的反应,因而都是放热反应;复分解反应,有的是放热反应,如酸碱中和反应,有的是吸热反应,如氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应;Na与水反应时放热。
4.化学反应中的能量变化是由化学反应中旧化学键断裂时吸收的能量与新化学键形成时放出的能量不同引起的。如图表示N2(g)与O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化:
下列说法中正确的是( )。
A.1 mol N2(g)与1 mol O2(g)反应放出的能量为180 kJ
B.1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有的总能量小于2 mol NO(g)具有的总能量
C.通常情况下,N2(g)与O2(g)混合能直接生成NO(g)
D.NO是一种酸性氧化物,能与NaOH溶液反应生成盐和水
B
解析:1 mol N2(g)与1 mol O2(g)反应吸收的能量为946 kJ+498 kJ-2×632 kJ=180 kJ,A项错误;1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有的总能量小于2 mol NO(g)具有的总能量,B项正确;在放电或高温条件下,N2(g)与O2(g)混合能直接生成NO(g),C项错误;NO不是酸性氧化物,与NaOH溶液不反应,D项错误。
5.硅是太阳能电池的重要材料。工业冶炼纯硅的原理如下:
有关的化学反应与能量变化如图所示,请回答下列问题:
(1)①是 (填“吸热”或“放热”,下同)反应,②是 反应,③是 反应。
(2)反应②破坏反应物中的化学键所吸收的能量 (填“大于”或“小于”)形成生成物中化学键所放出的能量。
答案:(1)吸热 放热 吸热
(2)小于
解析:(2)因为反应②是放热反应,所以破坏反应物中的化学键所吸收的能量小于形成生成物中化学键所放出的能量。第1课时 化学反应与热能
课后·训练提升
合格考过关检验
1.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。下列说法正确的是( )。
A.NH4HCO3与盐酸的反应是放热反应
B.该反应中,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.每消耗0.1 mol NH4HCO3放出2.24 L CO2
答案B
解析醋酸逐渐凝固说明反应吸收热量导致醋酸温度降低,即NH4HCO3与HCl的反应为吸热反应,A错误;因反应为吸热反应,即吸收的热量转化为产物内部的能量,B正确;因反应为吸热反应,则生成物的总能量高于反应物的总能量,C错误;没有明确反应状态,不能计算二氧化碳的体积,D错误。
2.下列说法正确的是( )。
A.任何化学反应都伴随着能量的变化
B.H2O(g)H2O(l)该过程放出大量的热,所以该过程是化学变化
C.化学反应中能量的变化都表现为热能的变化
D.放热反应一定不必加热就能发生
答案A
解析任何化学反应都有能量的变化,但有能量变化的过程不一定是化学变化,如物质的三态变化,虽然存在能量变化,但不存在旧化学键的断裂与新化学键的形成,故不是化学变化,A正确,B错误;化学反应中能量变化的形式有多种,除热能的变化外,还有光能、电能的变化等,C错误;放热反应有时也需要加热才能发生,D错误。
3.石墨和金刚石都是碳的单质。已知12 g石墨完全转化为金刚石时,要吸收a kJ的能量。下列说法中正确的是 ( )。
①石墨不如金刚石稳定 ②金刚石不如石墨稳定 ③等质量的石墨和金刚石完全燃烧,金刚石放出的能量多
④等质量的石墨和金刚石完全燃烧,石墨放出的能量多
A.①② B.②③
C.①④ D.③④
答案B
解析由石墨完全转化为金刚石时吸热,说明等质量的石墨的能量比金刚石的能量低,石墨比金刚石更稳定;等质量的石墨和金刚石完全燃烧时,消耗氧气的量相同,生成同样多的二氧化碳,由于金刚石的能量高,所以金刚石燃烧后放出的能量要多。
4.氢气在氧气中燃烧的过程,可用如图模型表示(“—”表示化学键)。下列说法正确的是( )。
A.过程Ⅰ有化学键的断裂
B.过程Ⅱ前后原子的个数发生改变
C.总能量:状态a<状态c
D.能量转化:化学能仅转化为热能
答案A
解析过程Ⅰ中分子分解为原子,存在化学键的断裂,A项正确;化学反应前后原子的种类和个数不变,B项错误;氢气在氧气中燃烧放热,则生成物总能量较低,故总能量:状态a>状态c,C项错误;氢气在氧气中燃烧,能量转化:化学能转化为热能、光能,D项错误。
5.(1)等质量的下列物质分别完全燃烧,放出热量较多的是 。
A.硫蒸气 B.硫固体
(2)已知:通常条件下,酸、碱的稀溶液发生中和反应生成1 mol水放出的热量为中和热。稀溶液中1 mol H2SO4与NaOH恰好反应时放出Q kJ热量,则其中和热为 kJ·mol-1。
答案(1)A (2)
解析(1)硫固体变为硫蒸气需要吸收热量,所以等质量的硫蒸气燃烧放出的热量较多;(2)稀溶液中,1 mol H2SO4与NaOH完全反应生成2 mol水,中和热是指酸、碱的稀溶液发生中和反应生成1 mol水时放出的热量,所以对应的中和热为 kJ·mol-1。
6.某同学做如下实验,以检验反应中的能量变化。
(1)在实验中发现反应后(a)中温度升高,由此可以判断(a)中反应是 热反应;(b)中温度降低,由此可以判断(b)中反应是 热反应。
(2)写出铝与盐酸反应的离子方程式: 。
(3)根据能量守恒定律,(b)中反应物的总能量应该 (填“小于”或“大于”)生成物的总能量。
答案(1)放 吸 (2)2Al+6H+2Al3++3H2↑ (3)小于
解析(1)反应后(a)中温度升高,(b)中温度降低,说明(a)中反应为放热反应,(b)中反应为吸热反应。
(2)铝与盐酸反应的离子方程式为2Al+6H+2Al3++3H2↑。
(3)(b)中反应为吸热反应,其反应物的总能量小于生成物的总能量。
等级考素养提升
1.科学家已获得了气态N4分子,其结构为正四面体(如图)。已知断裂1 mol N—N吸收167 kJ能量,断裂1 mol N≡N吸收942 kJ能量,下列说法错误的是( )。
A.N4属于一种单质
B.N4和N2互为同素异形体
C.1 mol N4完全转化为N原子的过程中释放1 002 kJ能量
D.1 mol N4转化为N2时要放出882 kJ能量
答案C
解析N4是只由氮元素组成的纯净物,属于单质,A项正确;N4和N2是由氮元素组成的性质不同的两种单质,互为同素异形体,B项正确;1 mol N4完全转化为N原子断裂6个N—N,需要吸收167 kJ×6=1 002 kJ能量,C项错误;1 mol N4转化为2 mol N2,断键吸收1 002 kJ 能量,成键放出2×942 kJ=1 884 kJ能量,因此1 mol N4转化为N2时要放出1 884 kJ-1 002 kJ=882 kJ能量,D项正确。
2.如图分别表示白磷、红磷燃烧时的能量变化,下列说法中正确的是( )。
A.白磷比红磷稳定
B.白磷燃烧产物比红磷燃烧产物稳定
C.白磷转变为红磷吸收热量
D.由图像知4 mol红磷燃烧放出2 954 kJ的热量
答案D
解析由图知等物质的量的白磷和红磷完全燃烧时,白磷释放的能量比红磷的多,白磷能量高于红磷能量,能量越低越稳定,所以红磷稳定,白磷转变为红磷放出热量,故A、C两项错误;两者燃烧产物相同,状态相同,所以产物稳定性相同,故B项错误;由图知红磷燃烧是放热反应,4 mol红磷燃烧放出的热量为738.5 kJ×4=2 954 kJ,故D项正确。
3.NF3是一种温室气体,其储存能量的能力比CO2强,如表所示是断开几种化学键所需的能量。
化学键 N≡N F—F N—F
能量/(kJ·mol-1) 946.0 154.8 283.0
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)为吸热反应
D.NF3吸收能量后如果没有化学键的断裂与形成,仍可能发生化学反应
答案B
解析断裂化学键的过程,吸收能量,A错误;形成化学键的过程,放出能量,B正确;反应N2(g)+3F2(g)2NF3(g)中断键吸收的能量为946.0 kJ+154.8 kJ·mol-1×3 mol=1 410.4 kJ,成键时放出的能
量为283.0 kJ·mol-1×6 mol=1 698 kJ,即该反应为放热反应,C错误;化学反应过程中必须有化学键的断裂与形成,D错误。
氧化钙与水的反应
4.如图是某同学设计的放热反应的观察装置。其实验操作步骤如下。
①按图所示将实验装置连接好;
②在U形管内加入少量红墨水,打开T形管活塞,使U形管内两边的液面处于同一水平面,再关闭T形管活塞;
③在盛有1.0 g氧化钙的小试管里滴入2 mL左右的蒸馏水,观察现象。
请回答下列问题。
(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)说明CaO、H2O的能量与Ca(OH)2的能量之间的关系: 。
(4)若将该实验中CaO换成NaHCO3粉末,将会看到怎样的现象
答案(1)检查装置气密性
(2)U形管中的液面左边下降,右边上升
(3)1 mol CaO与1 mol H2O的能量和大于1 mol Ca(OH)2的能量
(4)U形管中左侧液面上升,右侧液面下降
解析(1)该实验是观察气压差导致的实验现象,所以实验之前一定要检查装置气密性。
(2)CaO与水反应放出热量,使大试管中的空气膨胀,内部压强增大,导致U形管里的液面左边下降,右边上升。
(3)CaO+H2OCa(OH)2,根据实验现象知道,氧化钙与水的反应是放热的,所以1 mol CaO与1 mol H2O的能量和大于1 mol Ca(OH)2的能量。
(4)NaHCO3溶于水吸收能量,使大试管中的空气冷缩,内部压强减小,导致U形管中左侧液面上升,右侧液面下降。
