考點3 化學反應中的能量變化
1. 復習重點
了解化學反應中的能量變化
了解放熱反應吸熱反應
理解反應熱燃燒熱中和熱及書寫熱反應方程式
2.難點聚焦
一、反應熱
1、化學反應過程中放出或吸收的熱量,通常叫做反應熱。反應熱用符號ΔH表示,單位一般采用kJ/mol。當ΔH為負值為放熱反應;當ΔH為正值為吸熱反應。測量反應熱的儀器叫做量熱計。
2、燃燒熱:在101kPa時,1mol物質完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物時放出的熱量,叫做該物質的燃燒熱。
3、中和熱:在稀溶液中,酸跟堿發(fā)生中和反應生成1molH2O,這時的反應熱叫做中和熱。中學階段主要討論強酸和強堿的反應。
二、熱化學方程式
1、書寫熱反應方程式應注意的問題:
(1)由于反應熱的數值與反應的溫度和壓強有關,因此必須注明,不注明的是指101kPa和
(2)物質的聚集狀態(tài)不同,反應熱的數值不同,因此要注明物質的聚集狀態(tài)。
(3)熱化學方程式中的化學計量數為相應物質的物質的量,它可以是整數,也可以是分數。
2、書寫熱化學方程式的一般步驟
(1)依據有關信息寫出注明聚集狀態(tài)的化學方程式,并配平。
(2)根據化學方程式中各物質的化學計量數計算相應的反應熱的數值。
(3)如果為放熱反應ΔH為負值,如果為吸熱反應則ΔH為正值。并寫在第一步所得方程式的后面,中間用“;”隔開。
(4)如果題目另有要求,如反應燃料燃燒熱的熱化學方程式和有關中和熱的熱化學方程式,可將熱化學方程式的化學計量數變換成分數。
三、中和熱的測定
1、測定前的準備工作
(1)選擇精密溫度計(精確到
(2)使用溫度計要輕拿輕聲放。剛剛測量高溫的溫度計不可立即用水沖洗,以免破裂。
(3)測量溶液的溫度應將溫度計懸掛起來,使水銀球處于溶液中間,不要靠在燒杯壁上或插到燒杯底部。不可將溫度計當攪拌棒使用。
2、要想提高中和熱測定的準確性,實驗時應注意的問題
(1)作為量熱器的儀器裝置,其保溫隔熱的效果一定要好。因此可用保溫杯來做。如果按教材中的方法做,一定要使小燒杯杯口與大燒杯杯口相平,這樣可以減少熱量損失。
(2)鹽酸和氫氧化鈉溶液的濃度的配制須準確,且氫氧化鈉溶液的濃度須稍大于鹽酸的濃度。為使測得的中和熱更準確,所用鹽酸和氫氧化鈉溶液的濃度宜小不宜大。
(3)溫度計的水銀球部分要完全浸沒在溶液中,而且要穩(wěn)定一段時間后再讀數,以提高所測溫度的精度。
(4)實驗操作時動作要快,以盡量減少熱量的散失。
(5)為了減少實驗誤差,重復實驗2~3次,數據取平均值。
注意事項:一、反應熱的大小比較:比較反應熱的大小,一般是在不同條件下(溫度、壓強、物質的聚集狀態(tài)等)下的同一化學反應,或同一條件(溫度、壓強)下的同類化學反應之間進行。比較時要善于從同中求異,抓住其實質,從而順利解決問題。影響反應熱大小因素主要有以下幾個方面。
1、熱化學方程式中的化學計量數。如2mol氫氣燃燒放出的熱量是相同條件下1mol氫氣燃燒時放出的2倍。
2、物質的聚集狀態(tài)或晶體結構。如等量氫氣燃燒生成液態(tài)水時放出的熱量比生成氣態(tài)水時放出的熱量多。
3、化學鍵的強弱。如都由單質反應生成2mol的鹵化氫時,由于HF、HCl、HBr、HI中的共價鍵依次減弱,所以放出的熱量也依次減少。
化學反應中反應熱的大小與反應物、生成物的種類、量及聚集狀態(tài)有關,與反應途徑無關。根據能量守恒定律,無論反應是一步完成還是幾步完成,只要反應的起始狀態(tài)和終了狀態(tài)確定,反應熱就是個定值,這就是著名的蓋斯定律。
二、蓋斯定律的應用和有關燃燒熱和中和熱的計算
3.例題精講
【例1】已知在
A.C8H18(1)+22.5O2(g)=8CO2(g)+9H2O(g);△H=-48.40kJ?mol-1
B.C8H18(1)+22.5O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1);△H=-5518kJ?mol-1
C.C8H18(1)+22.5O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1);△H=+5518kJ?mol-1
D.C8H18(1)+22.5O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1);△H=-48.40kJ?mol-1
【解析】根據題目條件,生成的水為液態(tài),所以A錯,1gC8H18燃燒后放出熱量48.40kJ,故1molC8H18完全燃燒放出熱量5518kJ,放熱用“―”表示,故C錯。
【答案】B
【評析】熱化學方程式的書寫較難,書寫時不能忽視反應物、生成物的狀態(tài),要注意系數與反應物的關系。
【關鍵詞】反應熱及熱化學方程式的書寫
【例2】在同溫同壓下,下列各組熱化學方程式中Q2>Q1的是 ( )
A.2H2(g)+O2(g)=2H2O(g);△H=-Q1; 2H2(g)+O2(g)=2H2O(l);△H=-Q2
B.S(g)+O2(g)=SO2(g);△H=-Q1; S(s)+O2(g)=SO2(g);△H=-Q2
C.C(s)+1/2O2(g)=CO(g);△H=-Q1; C(s)+O2(g)=CO2(g);△H=-Q2
D.H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g);△H=-Q1; 1/2H2(g)+1/2Cl2(g)=HCl(g);△H=-Q2。
【解析】A中,由于氣態(tài)水轉變?yōu)橐簯B(tài)水要放出熱量,所以生成液態(tài)水比生成氣態(tài)水放出的熱量要多,即Q2>Q1;B中,由于固態(tài)硫轉變?yōu)闅鈶B(tài)硫要吸收熱量,所以氣態(tài)硫燃燒放出的熱量比固態(tài)硫燃燒放出的熱量多,即Q1>Q2;C中,生成CO放熱,因氧氣過量會與CO反應也放出熱量,所以Q2>Q1,D中Q1=2Q2。
【答案】AC
【評析】反應放出或吸收熱量的多少,跟反應物和生成物的聚集狀態(tài)有密切關系。
【關鍵詞】反應熱及熱化學方程式的書寫
【例3】熾熱的爐膛內有反應:C(s)+O2(g)=CO2(g);△H=-392kJ/mol,往爐膛內通入水蒸氣時,有如下反應:C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g);△H=+131kJ/mol,CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g);△H=-282kJ/mol,H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g);△H=-241kJ/mol,由以上反應推斷往熾熱的爐膛內通入水蒸氣時 ( )
A.不能節(jié)省燃料,但能使爐火瞬間更旺 B.雖不能使爐火瞬間更旺,但可以節(jié)省燃料
C.既能使爐火瞬間更旺,又能節(jié)省燃料 D.既不能使爐火瞬間更旺,又不能節(jié)省燃料
【解析】本題應從兩個方面考慮,一是能否使爐火瞬間更旺,由于往爐膛內通入水蒸氣時,有如下反應發(fā)生:C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g),生成的CO和H2都是可燃性氣體,故能使爐火瞬間更旺。二是能否節(jié)省燃料,根據蓋斯定律,C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g);△H=+131kJ/mol,CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g);△H=-282kJ/mol,H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g);△H=-241kJ/mol,三個方程加合在一起即得總反應式C(s)+O2(g)=CO2(g);△H=-392kJ/mol,故與相同量的炭燃燒放出的熱量相同,因此不能節(jié)省原料。
【答案】A
【評析】要熟練掌握運用蓋斯定律進行熱量的計算。
【關鍵詞】反應熱及熱化學方程式的書寫/碳族元素
【例4】已知膽礬溶于水時,溶液溫度降低。在室溫下將1mol無水硫酸銅制成溶液時,放出熱量為Q1kJ,而膽礬分解的熱化學方程式是CuSO4?5H2O(s)=CuSO4(s)+5H2O(l);△H=+Q2kJ/mol,則Q1與Q2的關系是 ( )
A.Q1>Q2 B.Q1<Q
【解析】由已知得CuSO4?5H2O(s)=Cu2+(aq)+SO42-(aq)+5H2O(l);△H=+Q(Q>0)……①,
CuSO4(s)=Cu2+(aq)+SO42-(aq);△H=―Q1……②,
①―②得CuSO4?5H2O(s)=CuSO4(s)+5H2O(l);△H=Q1+Q,根據蓋斯定律:Q1+Q=Q2,故D正確。
【答案】D
【評析】解此類題目常把題給信息轉化為熱化學方程,然后根據蓋斯定律可得出正確的結論。
【關鍵詞】反應熱及熱化學方程式的書寫/氧族元素
【例5】已知有amolC和bmolO2(a>2b),充分反應后,將得到的可燃性物質提取后再次燃燒,充分反應?扇夹晕镔|燃燒放出的熱量有p%被mg、
【解析】根據題意可知,可燃性物質燃燒后放出熱量為:
。又知:
所以amolC和bmolO2(a>2b)反應后,其可燃性物質的量為(a-2b)molC和2bmolCO。若設1molCO燃燒成CO2放出的熱量為xJ,則可得出關系式:
解得:
若設所求1molC燃燒成CO放出的熱量為yJ,則由下列熱化學方程式:
①
②
③
就不難發(fā)現:①式=③式-②式,即為題目所求。故可推知:
【答案】(aqp-4.2×
【評析】本題是一道物理、化學相互交叉滲透的綜合計算題,難度大。因此,解決這類問題的關鍵在于分析題意,挖掘題中隱含著的重要信息(即熱化學方程式有加合性),弄清該題中所涉及的兩個過程,即物理過程與化學過程,并求出聯系這兩個過程的紐帶――熱量(Q)。然后正確運用所學物理、化學的有關基礎知識,則題中的問題便可迎刃而解。
【關鍵詞】反應熱及熱化學方程式的書寫/碳族元素
【例6】接觸法制硫酸的流程可表示如下:
問:(1)熱交換器在制硫酸的過程中有何重要作用?
(2)若以T1、T2、T3、T4分別表示進出熱交換器的氣體溫度,且T1=
(3)假定每天進入接觸室的混合氣體為20t,問與不用熱交換器相比較每年至少可節(jié)省多少噸含碳80%的優(yōu)質煤?(已知煤的供熱效率為20%,C(s)+O2(g)=CO2(g);ΔH=-393kJ/mol)
【解析】(1)由沸騰爐導出的SO2、O2等氣體的溫度經除塵、去雜、洗滌等工藝處理后已大幅度下降,通過熱交換器后氣體的溫度又得以提高,這有利于后續(xù)反應(即由SO2合成SO3)的進行。SO2的氧化反應是放熱反應,從接觸室導出的SO3等氣體的溫度已高達
(2)經過熱交換器后,SO2、O2吸收的熱量=cm1(T2
(3)若不使用熱交換器,欲使
【答案】(1)增效節(jié)能 (2)T2=
【評析】本題主要運用公式Q=cmΔt考查化學反應中熱效應的計算。
【關鍵詞】反應熱及熱化學方程式的書寫/氧族元素
4.實戰(zhàn)演練
1.“搖搖冰”是一種即用即冷的飲料。吸食時將飲料罐隔離層中的化學物質和水混合后搖動即會制冷。該化學物質是 ( )
A.氯化鈉 B.固體硝酸銨 C.固體氫氧化鈉 D.生石灰
答案:B
2.含20.0NaOH的稀溶液與稀鹽酸反應,放出28.7kJ的熱量,表示該反應中和熱的熱化學方程式正確的是 ( )
A.1/2NaOH(aq)+1/2HCl(aq)=1/2NaCl(aq)+1/2H2O(l);ΔH=+28.7kJ/mol
B.1/2NaOH(aq)+1/2HCl(aq)=1/2NaCl(aq)+1/2H2O(l);ΔH=-28.7kJ/mol
C.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l);ΔH=+57.4kJ/mol
D.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l);ΔH=-57.4kJ/mol
答案:D
3.已知:CH3COOH(aq)+NaOH(aq)=CH3COONa(aq)+H2O △H=Q1kJ/mol
H2SO4(濃)+NaOH(aq)=Na2SO4(aq)+H2O(1) △H=Q2kJ/mol
HNO3(aq)+KOH(aq)=KNO3(aq)+H2O(1) △H=Q3kJ/mol
上述反應均為溶液中的反應,則Q1、Q2、Q3的絕對值大小的關系為 ( )
A.Q1=Q2=Q3 B.Q2>Q1>Q
答案:B
4.熱化學方程式:S(g)+O2(g)=SO2(g);△H=-297.3kJ/mol,分析下列說法中正確的是( )
A.S(g)+O2(g)=SO2(l);|△H|>297.3kJ/mol B.1molSO2的鍵能總和大于1molS和1molO2鍵能之和
C.S(g)+O2(g)=SO2(l);|△H|<297.3kJ/mol D.1molSO2的鍵能總和小于1molS和1molO2鍵能之和
答案:AB
5.將白磷隔絕空氣加熱到
A.白磷轉變?yōu)榧t磷是一個吸熱過程 B.紅磷比白磷穩(wěn)定
C.白磷轉變?yōu)榧t磷需外界提供引發(fā)反應的能量 D.白磷比紅磷穩(wěn)定
答案:BC
6.已知:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l);△H=-890kJ/mol
CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g);△H=-282.5kJ/mol。假如標準狀況下由CH4、CO、CO2組成的
A.40% B.50% C.60% D.70%
答案:B
7.已知下列幾種烷烴的燃燒熱如下:
烷 烴
甲烷
乙烷
丙烷
丁烷
戊烷
己烷
燃燒熱/(kJ?mol-1)
890.3
1559.8
2219.9
2877.0
3536.2
4163.1
今有
(1)試寫出乙烷氣體燃燒的熱化學方程式_______________;
(2)計算該天然氣中甲烷的體積分數___________________;
(3)由上表可總結出的近似規(guī)律是_____________________;
(4)根據(3)的近似規(guī)律可預測癸烷的燃燒熱約為_________kJ?mol-1。
答案:(1)
(2)72.13% (3)烷烴分子中每增加一個CH2燃燒熱平均增加645kJ/mol左右 (4)6776
燒的熱化學方程式中水為液態(tài)的水。
8.已知熱化學方程式H+(aq)+OH-(aq)==H2O(1);△H=-57.3kJ/mol,問:
(1)常量滴定用
(2)若中和后溶液體積為
(3)由(2)說明為什么需要用0.5mol/L~1mol/L的強酸和強堿反應測定中和熱?
答案:(1)0.14 (2)0.7 (3)根據(2)的計算可知,當溶液的濃度過小,釋放的熱量較少,且又是逐漸產生熱量,故測定的中和熱誤差較大。若濃度過高,則溶液中陰、陽離子間的相互牽制較大,中和過程產生熱量的一部分將補償未電離分子離解所需要的熱量,同樣會造成較大的誤差。
9.50mL0.50mol/L鹽酸與50mL0.55mol/LNaOH溶液在下圖所示的裝置中進行中和反應。通過測定反應過程中所放出的熱量可計算中和熱;卮鹣铝袉栴}:
(1)從實驗裝置上看,圖中尚缺少的一種玻璃用品是________。
(2)燒杯間填滿碎紙條的作用是_____________。
(3)大燒杯上如不蓋硬紙板,求得的中和熱數值將_______(填“偏大”、“偏小”或“無影響”)。
(4)實驗中改用60mL0.50mol/L鹽酸與50mL0.55mol/LNaOH溶液進行反應,與上述實驗相比較,所放出的熱量________(填“相等”或“不相等”),但中和熱應_________(填“相等”或“不相等”),簡述理由_________________________________。
(5)用相同濃度和體積的氨水代替NaOH溶液進行上述實驗,測得中和熱的數值與57.3kJ/mol相比較會__________;用50mL0.50mol/LNaOH溶液進行上述實驗,測得中和熱的數值與57.3kJ/mol相比較會__________(均填“偏大”、“偏小”或“無影響”)。
答案:(1)環(huán)形玻璃攪拌器 (2)減少實驗過程中熱量損失 (3)偏小 (4)不相等,相等,因為中和熱是指在稀溶液中,酸跟堿發(fā)生中和反應生成1molH2O所放出的能量,與酸堿用量無關 (5)偏小 偏小
10.一些鹽的結晶水合物,在溫度不太高時就有熔化現象,既熔溶于自身的結晶水中,又同時吸收熱量,它們在塑料袋中經日曬能熔化,在日落后又可緩慢凝結而釋放熱量,用以調節(jié)室溫,稱為潛熱材料,F有幾種鹽的水合晶體有關數據如下:
Na2S2O3?5H2O
CaCl2?6H2O
Na2SO4?10H2O
Na2HPO4?12H2O
熔點℃
40~50
29.92
32.38
35.1
熔化熱(kJ/相對分子質量)
49.7
37.3
77.0
100.1
(1)上述潛熱材料中最適宜應用的兩種鹽是______、________________。
(2)實際應用時最常用的(根據來源和成本考慮)應該是_____________。
答案:(1)Na2SO4?10H2O、Na2HPO4?12H2O (2)Na2SO4?10H2O
評析:熔點越低,越有利于鹽吸收太陽能而熔化,故排除Na2S2O3?5H2O。進一步比較單位質量吸熱效率:
CaCl2?6H2O
Na2SO4?10H2O
Na2HPO4?12H2O
0.17kJ/g
0.24kJ/g
0.28kJ/g
很明顯,Na2SO4?10H2O、Na2HPO4?12H2O吸收率較高。又因前者比后者價廉而易獲得。實際應選用Na2SO4。
11.(1)肼(N2H4)和NO2是一種雙組分火箭推進劑。兩種物質混合發(fā)生反應生成N2和H2O(g),已知
(2)0.3mol的氣態(tài)高能燃料乙硼烷(B2H6)在氧氣中燃燒,生成固態(tài)三氧化二硼和液態(tài)水,放出649.5kJ熱量,其熱化學反應方程式為
;又知H2O(l)H2O(g);△H=+44kJ/mol,則
(3)已知A、B兩種氣體在一定條件下可發(fā)生反應:
答案:(1)2N2H4(g)+2NO2(g)=3N2(g)+4H2O(g);△H=-1136kJ/mol
(2)B2H6(g)+3O2(g)=B2O3(s)+3H2O(l);△H=-2165kJ/mol 1016.5kJ
(3)
評析:(3)中由反應前后的壓強之比為3:5可推測反應后D的狀態(tài)為液態(tài)。
12.已知下列熱化學方程式的熱效應:
(1)Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g);△H1=-26.7kJ/mol
(2)3Fe2O3(s)+CO(g)=2Fe3O4(s)+CO2(g);△H2=-50.75kJ/mol
(3)Fe3O4(s)+CO(g)=3FeO(s)十CO2(g);△H3=-36.5kJ/mol
不用查表,計算下列反應的△H。FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g)
答案:7.28kJ/mol
評析:由蓋斯定律得所求方程的反應熱為{}/3。
13.某石油液化氣由丙烷和丁烷組成,其質量分數分別為80%和20%。它們燃燒的熱化學方程式分別為:C3H8(g)+5O2(g)==3CO2(g)+4H2O(1);△H=-2200kJ/mol;
C4H10(g)+O2(g)==4CO2(g)+5H2O(1);△H=-2900kJ/mol。有一質量為
答案:50%
評析:
將水燒開所需熱量為:Q=cm(t-t0)=(4.2×4.0+0.88×0.80)×(100-20)=1 400(kJ)
所以,燃料的利用率為:×100%=50%
14.已知C(s、金剛石)+O2==CO2(g);ΔH=-395.4kJ/mol,C(s、石墨)+O2==CO2(g);ΔH=-393.5kJ/mol。且知石墨的密度大于金剛石。
(1)石墨和金剛石相比,____的穩(wěn)定性更大,石墨轉化為金剛石的熱化學方程式為____________。
(2)石墨中C-C鍵鍵能______金剛石中C-C鍵鍵能。石墨的熔點______金剛石(均填“大于”、“小于”或“等于”)。
(3)理論上能否用石墨合成金剛石?____,若能,需要的條件是___________。
答案:(1)石墨 C(s、石墨)== C(s、金剛石);ΔH=1.9kJ/mol (2)大于 大于
(3)能 隔絕空氣高溫高壓
評析:由于石墨轉化為金剛石為吸熱反應,故等量的石墨和金剛石相比,金剛石所具有的能量高,鍵能小,熔點低。
15.物質的生成熱可定義為:由穩(wěn)定單質生成1mol物質所放出的熱量,如CO2氣體的生成熱就是1molC完全燃燒生成CO2氣體時放出的熱量,已知下列幾種化合物的生成熱分別是
化合物
葡萄糖
H2O(l)
CO2
生成熱kJ/mol
1259.8
285.8
393.5
則
答案:15640kJ
評析:根據生成熱的定義得下面三個方程:
【小結】全面了解化學反應,除要知道反應物和生成物之外,還需要研究化學反應發(fā)生的條件,應用化學反應,一方面是為了獲得新物質,有時更重要的是要利用化學反應中的熱變化,而放熱反應和吸熱反應是化學反應中最常見的能量變化,因此我們要了解一些常見的吸熱反應和放熱反應。
依據熱化學方程式進行有關計算,其關鍵是把反應熱看作為“生成熱”,按一般化學方程式的計算要求進行即可,但多數題目偏重于對方法技巧的考查。
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