1.1.1化学反应的反应热　化学反应的内能变化与焓变 学案

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第一章
化学反应与能量
第1节　化学反应的热效应
第1课时　化学反应的反应热　化学反应的内能变化与焓变
一、化学反应的反应热
1．反应热
(1)定义
当化学反应在一定的温度下进行时，反应所释放或吸收的热量。
(2)表示符号
用Q表示
(3)单位
kJ·mol－1或
J·mol－1。
【特别提醒】
(1)物理变化中的能量变化不是反应热。如物质的三态变化，物质的溶解等。
(2)反应放热或吸热与反应条件无关。
2．反应热的测定
(1)仪器——量热计
(2)原理
Q＝－C(T2－T1)，其中C表示溶液及量热计的热容，其单位为J·K－1；T1、T2分别表示反应前和反应后体系的温度。
【特别提醒】
(1)热力学温度与摄氏温度的换算关系：T＝t＋273．15
K。
(2)热容(C)与比热容(比热)的关系：
比热＝。
(3)常温下，液态水的比热为4．18
kJ·K－1·kg－1。
重难突破1：测定中和反应的反应热
1．实验原理：中和反应反应热可以用实验的方法测得：先将反应器置于绝热容器中，然后在反应器内将酸、碱稀溶液混合，发生中和反应，放出的热传入水(稀溶液)中，测量出水(稀溶液)的温度变化，根据水的质量、比热容等即可求出反应放出的热量。
2．实验装置
(1)在实验室用如图所示装置测定中和反应的反应热。
(2)实验过程中，还需要的其他仪器有50
mL量筒(2个)。
3．实验测量数据
(1)初始温度(t1)
用一量筒量取50
mL
0．50
mol·L－1盐酸，倒入小烧杯中并测量其温度；用另一量筒量取50
mL
0．55
mol·L－1
NaOH溶液并测量其温度，取两温度平均值为t1。
(2)终止温度(t2)
把套有盖板的温度计和环形玻璃搅拌棒放入小烧杯的盐酸中，并把量筒中的NaOH溶液一次倒入小烧杯中，盖好盖板。用环形玻璃搅拌棒轻轻搅动溶液，并准确读取混合溶液的最高温度，记录为终止温度t2。
(3)重复实验操作三次，记录每次的实验数据，取其平均值作为计算依据。
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－1·℃－1。该实验中盐酸和NaOH溶液反应放出的热量是0．418(t2－t1)kJ，中和热为16．72(t2－t1)kJ·mol－1[或ΔH＝－
kJ·mol－1]。
归纳总结
中和反应热的测定实验步骤
【思考与交流】
1．用50
mL
0．50
mol·L－1的盐酸与50
mL
0．55
mol·L－1的NaOH溶液，在如图所示的装置中分别进行中和反应反应热的测定，测定的结果是否相同？哪个结果更接近于真实值？为什么？
提示：两种装置测定的结果不同。用图2装置测定中和反应的反应热更接近于真实值。因为图2装置热量损失少。
2．谈一谈中和反应的反应热测定实验成功与否的关键是什么？
提示：中和反应的反应热测定实验成功的关键是比较准确地配制一定物质的量浓度的溶液，量热器要尽量做到保温、绝热且可使体系温度尽快达到一致；在量热的过程中要尽量避免热量的散失。
【归纳】
1．中和反应的实质是H＋和OH－反应生成H2O。若反应过程中有其他物质生成(如生成不溶性物质、难电离物质等)，这部分反应热不在中和反应反应热之内。
2．测定中和反应的反应热需注意的几个问题
(1)实验中要用强酸、强碱的稀溶液(0．1～0．55
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)读取的中和反应的温度(T2)是反应混合液的最高温度。
(5)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。
(6)中和反应的反应热的数值是57．3
kJ·mol－1，测定时与强酸、强碱的用量无关。
【对点练习】
1．中和反应的反应热测定实验中下列说法错误的是(　　)
A．一组完整实验数据需要测温度三次
B．烧杯间填满碎纸屑是为了减少实验过程中热量散失
C．可用铜做的环形搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，因铜和盐酸不反应
D．在量取NaOH溶液和HCl溶液体积时均仰视，测得中和热数值将偏大
2．50
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反应的反应热。
回答下列问题：
(1)从实验装置看，图中还缺少的一种玻璃仪器是________________。
(2)两烧杯间填满碎纸屑的作用是__________________________________。
(3)实验中改用60
mL
0．50
mol·L－1盐酸与50
mL
0．55
mol·L－1
NaOH溶液进行反应，与上述实验相比较，所放出的热量________(填“相等”或“不相等”)，中和反应的反应热________(填“相等”或“不相等”)，理由是____________________________________。
(4)用相同浓度和体积的氨水代替NaOH溶液进行上述实验，测得中和反应的反应热的数值与57．3
kJ·mol－1相比较会________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(5)大烧杯上如不盖硬纸板，求得的中和反应的反应热数值________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
强酸和弱碱或弱酸和强碱的稀溶液发生中和反应，反应热的数值一般小于57．3
kJ·mol－1，因为弱电解质的电离是吸热的。
二、化学反应的内能变化与焓变
1．反应体系的能量
2．内能
(1)定义：是体系内物质所含各种微观粒子的能量总和。符号：U。
(2)内能大小的影响因素
内能的大小除了与物质的种类、数量及聚集状态(即气态、液态或固态等)有关，还与体系的温度、压强有关。
(3)反应体系的能量变化
在一般情况下，反应体系处于静止状态，即体系整体的动能和势能没有变化，体系的能量变化可表示为ΔU＝U(反应产物)－U(反应物)＝Q＋W。
当反应过程中体系没有做功时，则ΔU＝Q。ΔU>0，反应吸收能量；ΔU<0，反应释放能量。
【特别提醒】(1)化学反应体系能量变化中的功是指除热能外，体系与环境之间交换的其他形式的能(如电能、光能、机械能等)。
(2)微观粒子的能量包括分子的平动、转动、振动以及电子和原子核的运动等。
3．等压反应的反应热——焓变
(1)等压反应
在反应前后压强不变的条件下发生的化学反应，如在敞口容器中进行的反应。
(2)焓变及单位
①定义：反应产物的焓与反应物的焓之差。
②表达式：ΔH＝H(反应产物)－H(反应物)＝Qp。
其中Qp表示等压条件下化学反应的反应热。焓变的单位为
kJ·mol－1或J·mol－1。
(3)化学反应的焓变示意图
重难突破2：焓变与化学键、物质能量之间的关系
1
mol
H2和1
mol
Cl2反应生成2
mol
HCl的能量转化关系如图所示：
【思考与交流】
1．断裂1
mol
H2分子和1
mol
Cl2分子中的化学键吸收的能量是多少？
提示：436
kJ·mol－1×1
mol＋243
kJ·mol－1×1
mol＝679
kJ。
2．由H原子形成1
mol
H—H所放出的能量是多少？
提示：由H原子形成1
mol
H—H所放出的能量等于断裂1
mol
H—H吸收的能量，即436
kJ。
3．该反应是吸热反应还是放热反应？(通过计算回答)
提示：ΔH＝436
kJ·mol－1＋243
kJ·mol－1－2×431
kJ·mol－1＝－183
kJ·mol－1<0，故该反应为放热反应。
【归纳】
1．焓变与化学键变化的关系
化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因(如图)。
ΔH＝反应物总键能－生成物总键能。
2．焓变与物质能量变化的关系
ΔH＝生成物的总能量－反应物的总能量
放热反应
吸热反应
关系
反应物具有的总能量大于反应产物具有的总能量
反应物具有的总能量小于反应产物具有的总能量
表示
方法
ΔH<0
ΔH>0
图示
实例
H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)
ΔH＝－183．0
kJ·mol－1
C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)
ΔH＝＋131．3
kJ·mol－1　
【特别提醒】物质稳定性：物质在反应中放出能量越多，则生成物能量越小，该物质越稳定，生成物中化学键越牢固。反之亦然。
如：同素异形体稳定性的比较：根据△H正负和大小判断，反应放热，说明生成物能量小，较稳定。
【对点练习】
3．已知氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中，破坏1
mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1
kJ，破坏1
mol氯气中的化学键消耗的能量为Q2
kJ，形成1
mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3
kJ，下列关系式中正确的是(　　)
A．Q1＋Q2>Q3
B．Q1＋Q2>2Q3
C．Q1＋Q2D．Q1＋Q2<2Q3
4．白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得深灰色固体——黑磷，其转化过程中能量变化如图所示。下列叙述中正确的是(　　)
A．黑磷比白磷稳定
B．黑磷与白磷互为同分异构体
C．白磷转化为黑磷是氧化还原反应
D．白磷转化为黑磷是吸热反应
5．CO(g)与H2O(g)反应的能量变化如图所示，有关两者反应的说法正确的是(　　)
A．该反应为吸热反应
B．1
mol
CO(g)和1
mol
H2O(g)具有的总能量大于1
mol
CO2(g)和1
mol
H2(g)具有的总能量
C．该反应不需要加热就能进行
D．1
mol
CO2(g)和1
mol
H2(g)反应生成1
mol
CO(g)和1
mol
H2O(g)要放出41
kJ热量
6．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)化学反应过程中一定伴随着能量的变化。(　　)
(2)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化，单位为kJ或J。(　　)
(3)化学反应中反应物总能量一定大于反应产物总能量。(　　)
(4)吸热反应的ΔH＜0，放热反应的ΔH＞0。(　　)
(5)反应体系的内能变化就是反应热。(　　)
7．下列说法正确的是(　　)
A．焓变是指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．在加热条件下发生的反应均为吸热反应
D．一个化学反应中，当反应物的总能量大于反应产物的总能量时，反应放热，ΔH为负值
8．量热计直接测出的是(　　)
A．质量的变化
B．能量的变化
C．温度的变化
D．电流的变化
C　[量热计直接测出的是反应前后的温度差。]
参考答案
【对点练习】
1．
C　[一组完整实验数据需要测实验前酸的温度、碱的温度和反应过程中的最高温度，故A正确；实验的关键是保温工作，烧杯间填满碎纸屑是为了保温，减少实验过程中热量散失，故B正确；金属的导热性很好，用铜做的环形搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，会导致热量的散失，使测得中和热数值偏小，故C错误；在量取溶液体积时仰视，则实际量取体积偏高，测得中和热数值将偏大，故D正确。]
2．
[答案]　(1)环形玻璃搅拌棒
(2)保温、隔热，减少热量散失
(3)不相等　相等　中和反应的反应热是生成1
mol水时放出的热量(其他合理答案也可)
(4)偏小　(5)偏小
[解析]　(1)根据量热计的构造可知该装置还缺少的仪器是环形玻璃搅拌棒。
(2)中和反应的反应热测定实验成败的关键是保温工作，大小烧杯之间填满碎纸屑的作用是减少实验过程中的热量损失。
(3)反应放出的热量和所用酸、碱的量有关，若用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，生成水的量增多，所放出的热量多，但是中和反应的反应热是强酸和强碱反应生成1
mol水时放出的热量，与酸、碱的用量无关，所以用60
mL
0．50
mol·L－1盐酸进行上述实验，测得中和反应的反应热数值相等。
(4)氨水为弱碱，电离过程为吸热过程，所以用氨水代替稀氢氧化钠溶液反应，反应放出的热量偏小，求得的中和反应的反应热数值将会偏小。
(5)大烧杯上如不盖硬纸板，会有一部分热量散失，求得的中和反应的反应热数值将会偏小。
3．D　[由于氢气在氯气中燃烧是放热反应，则ΔH<0，ΔH＝Q1＋Q2－2Q3，则Q1＋Q2－2Q3<0，即Q1＋Q2<2Q3，D正确。]
4．
A　[物质本身具有的能量越低越稳定，因白磷转化为黑磷是放热反应，故白磷不如黑磷稳定；两者互为同素异形体，两者之间的转化不是氧化还原反应。]
5．
B　
6．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)化学反应过程中一定伴随着能量的变化。(　　)
(2)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化，单位为kJ或J。(　　)
(3)化学反应中反应物总能量一定大于反应产物总能量。(　　)
(4)吸热反应的ΔH＜0，放热反应的ΔH＞0。(　　)
(5)反应体系的内能变化就是反应热。(　　)
提示：(1)√　
(2)×　反应热、焓变均指化学反应中的能量变化，单位为kJ·mol－1或
J·mol－1。
(3)×　放热反应：E(反应物)＞E(反应产物)，吸热反应：E(反应物)＜E(反应产物)。
(4)×　吸热反应：ΔH＞0，放热反应：ΔH＜0。
(5)×　反应体系的内能变化等于反应热和功的加和，如果反应过程中体系没有做功，则反应体系的内能变化就是反应热。
7．
D　[反应物的物质的量越多，则焓变的绝对值越大，A项错误；反应是否需要加热，只是引发反应的条件，与反应放热还是吸热无关，C项错误；在反应中物质所具有的总能量减少，反应就放热，此时ΔH<0，因此B项错误、D项正确。]
8．
C　[量热计直接测出的是反应前后的温度差。]
8