人教版（新课程标准） 必修2 第二章 第一节　化学能与热能 导学案

第一节　化学能与热能
一、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)
E1>E2，反应吸收能量；E12．化学反应中能量变化的决定因素(宏观角度)
(1)物质的稳定性与能量的关系
(2)化学反应中能量变化的决定因素(用E表示物质能量)
(1)化学键的断裂和形成是物质在化学反应中发生能量变化的主要原因(√)
(2)一个化学反应是释放能量还是吸收能量取决于反应物总能量与生成物总能量的相对大小
(√)
(3)化学中能量变化的大小与反应物的质量多少无关(×)
(4)物质的化学反应与体系的能量变化是同时发生的，所以化学反应必然伴随能量变化(√)
(5)一般物质本身的能量越高越不稳定(√)
1．断裂1 mol H—H键需要吸收a kJ能量，则2 mol H原子形成1 mol H—H键的能量如何变化？
答案　放出a kJ能量。
2．在25 ℃、101 kPa的条件下，断裂1 mol H—H键吸收436 kJ能量，断裂1 mol Cl—Cl键吸收243 kJ能量，形成1 mol H—Cl键放出431 kJ能量。H2＋Cl2===2HCl的化学反应可用下图表示：
请回答下列有关问题：
(1)反应物断键吸收的总能量为________。
(2)生成物成键放出的总能量为________。
(3)判断反应H2＋Cl2===2HCl是________(填“吸收”或“放出”)能量。
(4)反应物的总能量__(填“>”或“<”)生成物的总能量。
答案　(1)679 kJ　(2)862 kJ　(3)放出　(4)>
解析　(1)反应物断键吸收的总能量应该是断开1 mol H—H键与1 mol Cl—Cl键吸收能量之和，即436 kJ＋243 kJ＝679 kJ。
(2)生成物成键放出的总能量为2×431 kJ＝862 kJ。
(3)(4)由于反应物断键吸收的总能量小于生成物成键放出的总能量，所以该反应为放热反应，即反应物的总能量大于生成物的总能量。
化学反应中的能量变化
(1)如果反应物所具有的总能量大于生成物所具有的总能量，反应物转化为生成物时化学反应放出能量，反之，化学反应吸收能量。如图所示：
(2)既可以利用所有化学键的键能计算具体反应中的能量变化，又可以根据化学反应中的能量变化计算某一个具体的化学键的键能。
计算公式：
化学反应中的能量变化值＝反应物的总键能－生成物的总键能。
计算出的数值如果为正值，意味着该反应为吸热反应；计算出的数值如果是负值，意味着该反应为放热反应。
二、化学能与热能的相互转化
1．两条基本的自然定律
自然界的物质发生转化时，总质量、总能量皆保持不变。
2．化学能与热能的相互转化
(1)吸热反应和放热反应。
①吸热反应：吸收热量的化学反应。
②放热反应：放出热量的化学反应。
(2)写出下列反应的化学方程式并注明属于吸热反应还是放热反应。
①铝与稀盐酸：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，放热反应。
②Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体：Ba(OH)2·8H2O＋2NH4Cl===BaCl2＋2NH3↑＋10H2O，吸热反应。
③NaOH溶液与稀盐酸：NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，放热反应。
3．常见的放热反应和吸热反应
(1)化学反应中的能量变化，通常主要表现为热量的变化(√)
(2)化学能是能量的一种形式，可以转化为其他形式的能量，如热能和电能(√)
(3)需要加热才能发生的反应一定是吸热反应(×)
(4)放热反应在常温下一定很容易发生(×)
(5)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(√)
(6)NaOH固体溶于水是放热反应(×)
关于吸热反应和放热反应的易错点
(1)“三个不一定”。①需加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如碳和氧气的反应；②放热反应常温下不一定容易发生，如铝热反应；③吸热反应也不一定需要加热，如Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。
(2)吸热反应和放热反应都是化学变化，如NaOH固体溶于水是放热过程，但不是放热反应；如升华、蒸发等过程是吸热过程，但不是吸热反应。
1．下列反应中，属于放热反应的是________(填序号，下同)，属于吸热反应的是________。
①煅烧石灰石(主要成分是CaCO3)制生石灰(CaO)
②燃烧木炭取暖
③炸药爆炸
④酸与碱的中和反应
⑤生石灰与水作用制熟石灰
⑥食物因氧化而腐败
答案　②③④⑤⑥　①
2．硅是太阳能电池的重要材料。工业冶炼纯硅的原理是：
粗硅冶炼：①SiO2＋2CSi＋2CO↑。
精炼硅：②Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。
化学反应与能量变化如图所示，回答下列问题：
(1)①是_____________反应，②是_____________反应，③是______________反应(填“吸热”或“放热”)。
(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。
(3)反应③中反应物比生成物______(填“稳定”或“不稳定”)。
答案　(1)吸热　放热　吸热　(2)小于　(3)稳定
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。(3)能量越低越稳定。
放热反应和吸热反应的判断
(1)根据反应物和生成物的总能量大小判断
反应物的总能量大于生成物的总能量的反应为放热反应，反之为吸热反应。
(2)根据化学键断裂和形成时能量变化大小的关系推断
破坏反应物中化学键吸收的能量大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。
(3)根据经验规律判断
用常见吸热和放热的反应类型来判断。
(4)根据生成物和反应物的相对稳定性判断
由稳定的物质生成不稳定的物质的反应为吸热反应，反之为放热反应。
(5)根据反应条件判断
需要持续加热才能进行的反应是吸热反应。反之，一般为放热反应。
三、化学能与热能相互转化的应用
1．化学能与热能的相互转化在生活、生产中的应用
化学物质中的化学能通过化学反应转化成热能，提供了人类生存和发展所需要的能量和动力，如化石燃料的燃烧、炸药开山、发射火箭等；而热能转化为化学能是人们进行化工生产、研制新物质不可或缺的条件和途径，如高温冶炼金属、分解化合物等。
2．生物体中的能量转化及利用
能源物质在人体中氧化分解生成CO2和H2O，产生的能量一部分以热量的形式散失；另一部分作为可转移能量在人体内利用(如合成代谢)。
3．人类对能源的利用
(1)人类利用能源的三个阶段
柴草时期、化石能源时期和多能源结构时期。
(2)可再生能源和清洁能源是两类重要的新能源，主要有太阳能、氢能、核能、生物质能等。
“能源分类相关图”如下图所示，四组能源选项中全部符合图中阴影部分的能源是(　　)
A．煤炭、石油、潮汐能
B．水能、生物能、天然气
C．太阳能、风能、沼气
D．地热能、海洋能、核能
答案　C
解析　A项，煤炭、石油不是新能源，也不是可再生能源；B项，天然气不是新能源，也不是可再生能源；D项，地热能是来自地球内部的能源，核能不是可再生能源，也不是来自太阳的能源。
1．化学反应的发生必然伴随能量的变化，其最根本的原因是(　　)
A．化学反应中一定有新物质生成
B．化学反应中旧化学键的断裂需要吸收能量，新化学键的形成需要放出能量
C．化学反应通常需要加热等条件才能发生
D．能量变化是化学反应的基本特征之一
答案　B
解析　断裂旧键时，需要吸收一定的能量来克服原子(或离子)间的作用力，形成新键时，又要释放一定的能量，并且吸收和释放的能量不相等，所以化学反应必然伴随能量的变化。
2．下列反应属于吸热反应的是(　　)
①二氧化碳与灼热的炭反应生成一氧化碳
②葡萄糖在人体内被氧化分解
③锌粒与稀H2SO4反应制取H2
④Ba(OH)2·8H2O固体与NH4Cl固体反应
⑤植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖
A．②④ B．①⑤ C．①③④⑤ D．①④⑤
答案　D
解析　①二氧化碳与灼热的炭反应生成一氧化碳是吸热反应；②葡萄糖在人体内被氧化分解是放热反应；③锌粒与稀H2SO4反应制取H2是放热反应；④Ba(OH)2·8H2O固体与NH4Cl固体的反应是吸热反应；⑤植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是吸热反应。
3．将铁粉和硫粉混合后加热，待反应一发生即停止加热，反应仍可持续进行，直至反应完全生成新物质硫化亚铁。这现象说明了(　　)
A．该反应是吸热反应
B．该反应是放热反应
C．铁粉和硫粉在常温下可以发生反应
D．硫化亚铁的总能量高于铁粉和硫粉的总能量
答案　B
解析　反应发生后停止加热，反应仍可持续进行说明反应为放热反应，A错误，B正确；反应需要加热才能发生，常温下不能进行，C错误；反应是放热反应，所以反应物的总能量高于生成物的总能量，D错误。
4．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具有的总能量
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在1 mol O2中完全燃烧生成2 mol H2O，并放出大量的热，D正确。
5．下表中的数据是破坏1 mol物质中的化学键所消耗的能量：
物质
Cl2
Br2
I2
HCl
HBr
HI
H2
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)。
A．H2 B．Cl2 C．Br2 D．I2
(2)下列氢化物中最稳定的是________(填字母)。
A．HCl B．HBr C．HI
(3)X2＋H2===2HX(X代表Cl、Br、I)的反应是______(填“吸热”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多的是______________。
答案　(1)A　(2)A　(3)放热　(4)Cl2
解析　(1)、(2)破坏1 mol物质中的化学键所消耗的能量越高，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键和1 mol H—H键需吸收能量：243 kJ＋436 kJ＝679 kJ，而形成2 mol H—Cl 键放出的能量为2×432 kJ＝864 kJ，所以在Cl2＋H2===2HCl反应中放出864 kJ－679 kJ＝185 kJ的热量，同理可计算在Br2＋H2===2HBr、I2＋H2===2HI反应中分别放出103 kJ、9 kJ的热量。
题组一　化学键与化学反应中的能量变化
1．下列对化学反应的认识错误的是(　　)
A．会引起化学键的变化
B．会产生新的物质
C．必然引起物质状态的变化
D．必然伴随着能量的变化
答案　C
解析　化学反应的本质是化学键的断裂和形成，表现为有新物质生成，并伴随着能量的变化，而化学变化中的反应物和生成物的状态在反应前后可能相同，也可能不相同，故C项符合题意。
2．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。
3．已知断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，形成1 mol H—N键放出的能量为391 kJ，根据化学方程式N2＋3H22NH3，反应完1 mol N2放出的能量为92.4 kJ，则断开1 mol N≡N键需吸收的能量是(　　)
A．431 kJ B．945.6 kJ C．649 kJ D．869 kJ
答案　B
解析　设断开1 mol N≡N键需吸收的能量为x，根据反应放出的能量＝形成新键放出的能量－断开旧键吸收的能量，代入数据：92.4 kJ＝6×391 kJ－3×436 kJ－x，解得x＝945.6 kJ。
4．已知反应A＋B===C＋D的能量变化如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A．该反应为放热反应
B．该反应为吸热反应
C．反应物的总能量高于生成物的总能量
D．该反应只有在加热条件下才能进行
答案　B
5．已知化学反应2C(s)＋O2(g)2CO(g)、2CO(g)＋O2(g)2CO2(g)都是放热反应。据此判断，下列说法不正确的是(其他条件相同)(　　)
A．12 g C所具有的能量一定高于28 g CO所具有的能量
B．56 g CO和32 g O2所具有的总能量大于88 g CO2所具有的总能量
C．12 g C和32 g O2所具有的总能量大于44 g CO2所具有的总能量
D．将一定质量的C燃烧，生成CO2比生成CO时放出的热量多
答案　A
解析　放出热量的化学反应，反应物的总能量一定高于生成物的总能量。C和CO的燃烧反应都是放热反应，所以C＋O2CO2必然是放热反应，因此，B、C两项的说法正确；12 g C并不代表反应物的全部，O2也是反应物，所以A项不正确；由于CCO放热、COCO2放热，所以CCO2比CCO放出的热量要多，即D项说法正确。
6．(2019·韶关高一检测)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)和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)和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)和 O2(g)混合能直接生成NO
D．NO是一种酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成盐和水
答案　B
解析　反应热就是断裂旧化学键吸收的能量和形成新化学键所放出的能量的差值，所以该反应的反应热是946 kJ·mol－1＋498 kJ·mol－1－2×632 kJ·mol－1＝180 kJ·mol－1，所以该反应是吸热反应，所以选项A不正确，选项B正确；氮气和氧气反应需要在高温或放电条件下进行，选项C不正确；NO不是酸性氧化物，和氢氧化钠溶液不反应，选项D不正确。
7．(2018·益阳高一检测)金刚石与石墨是碳元素的两种结构不同的单质，彼此互称同素异形体。在100 kPa时，1 mol石墨转化为金刚石要吸收1.895 kJ的热能。据此判断在100 kPa压强下，下列说法正确的是(　　)
A．金刚石比石墨更稳定
B．石墨比金刚石更稳定
C．1 mol金刚石比1 mol石墨的总能量低
D．1 mol金刚石转变为石墨需要吸收1.895 kJ能量
答案　B
解析　1 mol石墨转化为金刚石吸收1.895 kJ的热能，说明金刚石的能量高于石墨，石墨更稳定，A项不正确，B项正确，C项不正确；1 mol金刚石转变为石墨时要放出1.895 kJ的能量，D项不正确。
题组二　化学能与热能的相互转化
8．下列反应一定属于放热反应的是(　　)
①H2SO4与Ba(OH)2溶液的反应　②Mg与CH3COOH溶液的反应　③燃烧反应　④中和反应　⑤复分解反应
A．仅①②③ B．仅①②④
C．仅①②③④ D．仅③④⑤
答案　C
解析　金属与酸反应、中和反应、所有燃烧反应都是放热反应，复分解反应则不一定是放热反应。
9．下列关于能源和作为能源使用的物质的叙述中错误的是(　　)
A．化石能源物质内部蕴含着大量的能量
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　任何反应都有有利和不利的一面，如C＋CO2高温,2CO是吸热反应，在钢铁冶炼中可以利用该反应获得更多的还原剂CO，故D项错误。
10．如图表示化学反应过程中的能量变化，据图判断下列说法中合理的是(　　)
A．500 mL 2.0 mol·L－1 HCl溶液和500 mL 2.0 mol·L－1 NaOH溶液的反应符合图(a)，且放出热量为ΔE1
B．500 mL 2.0 mol·L－1 H2SO4溶液和500 mL 2.0 mol·L－1 Ba(OH)2溶液的反应符合图(b)，且吸收热量为ΔE2
C．发生图(a)能量变化的任何反应，一定不需要加热即可发生
D．CaO、浓硫酸分别溶于水时的能量变化均符合图(a)
答案　A
解析　图(a)表示放热反应，选项A是放热反应，A项正确；图(b)表示吸热反应，选项B是放热反应，B项错误；一些放热反应需加热才能发生，C项错误；浓硫酸溶于水虽然会放出热量，但不属于化学反应，D项错误。
11．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和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．NH4HCO3的能量一定低于NH4Cl的能量
答案　B
解析　醋酸逐渐凝固，说明NH4HCO3与盐酸反应使醋酸的温度降低，因此该反应为吸热反应，A错误；吸热反应中反应物吸收能量，吸收的能量转化为生成物内部的能量储存在生成物中，B正确；由于NH4HCO3和盐酸的反应是吸热反应，故反应物的总能量低于生成物的总能量，C错误；NH4HCO3粉末与盐酸的反应是吸热反应，反应物的总能量低于生成物的总能量，而NH4HCO3仅是两种反应物之一、NH4Cl仅是三种生成物之一，故无法得出NH4HCO3的能量一定低于NH4Cl的能量的结论，D错误。
12．下列说法中正确的是(　　)
A．化学反应中的能量变化，其表现形式除热能外还可能是光能和电能等
B．化学反应中的能量变化不一定遵循能量守恒定律
C．在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量与生成物的总能量可能相同
D．在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量总是高于生成物的总能量
答案　A
解析　化学反应中的能量变化一定遵循能量守恒定律；物质发生化学反应都伴随着能量的变化，所以反应物的总能量与生成物的总能量一定不同；在一个确定的化学反应中，反应物的总能量(E1)与生成物的总能量(E2)之间的关系：E1＞E2，化学反应为放热反应，E1＜E2，化学反应为吸热反应。
13．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(或断开)1 mol化学键时释放(或吸收)的能量。已知白磷和P4O6分子结构如图所示，现提供以下化学键的键能：P—P：198 kJ·mol－1、P—O：360 kJ·mol－1、O===O：498 kJ·mol－1，则P4(白磷)＋3O2===P4O6的反应是________(填“吸热”或“放热”)反应，生成1 mol P4O6________的热量为____________。
答案　放热　放出　1 638 kJ
解析　断开旧键吸收的能量为198×6 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。
14．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形管内的液面左边下降，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，引起红墨水(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的能量和大于1 mol Ca(OH)2的能量　(6)否
15．将V1 mL 1.0 mol·L－1 HCl溶液和V2 mL未知浓度的NaOH溶液混合均匀后测量并记录溶液温度，实验结果如图所示(实验中始终保持V1＋V2＝50 mL)。请按要求填空：
(1)该实验表明此反应________(填“吸收”或“释放”)能量，即________能可以转化为________能，通过图示分析可以得出做该实验时，环境温度________(填“高于”“低于”或“等于”)22 ℃。
(2)根据图示计算该NaOH溶液的浓度约是________ mol·L－1。
(3)如图所示，在锥形瓶内放置装有水的小试管，往小试管中分别加入下列物质时：①烧碱固体、②浓硫酸、③硝酸铵固体、④NaCl固体，其中能使a端液面高于b端液面的是________(填序号)。
答案　(1)释放　化学　热　低于　(2)1.5　(3)③
解析　(1)当5 mL HCl溶液和45 mL NaOH溶液反应时，此时最终溶液的温度为22 ℃，所以做该实验时，环境温度应低于22 ℃。(2)30 mL HCl溶液和20 mL NaOH溶液恰好完全反应，c(NaOH)＝＝1.5 mol·L－1。(3)当a端高于b端时，则c处压强减小，温度降低，所以只有硝酸铵固体合适。