高中化学第二章化学反应与能量第一节化学能与热能学案.docx

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高中化学第二章化学反应与能量第一节化学能与热能学案

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原因——微观角度

（1）化学反应过程

（2）化学反应中能量变化的原因

2．化学反应中能量的决定因素——宏观角度

图示

能量相对大小

反应物的总能量大于生成物的总能量

反应物的总能量小于生成物的总能量

（1）化学反应的两大基本特征：

物质种类发生变化和能量发生变化。

（2）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。

例1

　H2＋Cl2===2HCl的反应过程如下图所示：

（1）根据上图填写下表：

化学键

断裂或形成1mol化学键时能量变化

反应中能量变化

Cl—Cl

吸收243kJ

共吸收______kJ

H—H

吸收436kJ

H—Cl

放出431kJ

共放出______kJ

（2）该反应______（填“放出”或“吸收”）______kJ热量。

考点　化学键与化学反应中的能量变化的关系

题点　由化学键的变化认识反应中的能量变化

答案　

（1）679　862　

（2）放出　183

例2

　已知1g氢气完全燃烧生成水蒸气时放出能量121kJ，且氧气中1molO===O键完全断裂时需要吸收能量496kJ，水蒸气中1molH—O键形成时放出能量463kJ，则氢气中1molH—H键断裂时吸收的能量为（　　）

A．920kJB．557kJ

C．436kJD．188kJ

考点　化学键与化学反应中能量变化的关系

题点　利用化学键求算化学反应中的能量变化

答案　C

解析　由1gH2完全燃烧生成水蒸气时放出能量121kJ可知：

2gH2（即含1molH—H键）完全燃烧生成水蒸气时放出的能量为121kJ×2＝242kJ。

由化学方程式H2（g）＋

O2（g）

H2O（g）可设1molH—H键断裂吸收的能量为Q，则：

Q＋

×496kJ－2×463kJ＝－242kJ，Q＝436kJ。

二、化学能与热能的相互转化

1．两条基本的自然定律

（1）质量守恒定律：

自然界的物质发生转化时，总质量不变。

（即反应前后原子个数、元素种类、原子质量不变）。

（2）能量守恒定律：

一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量，但是体系包含的总能量不变。

2．放热反应和吸热反应

（1）实验探究

实验操作

实验现象

结论

①看到有气泡产生、

②用手触摸反应后的试管，手感到热

③用温度计测得反应后温度升高

该反应放出热量

闻到刺激性气味，烧杯壁发凉，玻璃片和烧杯黏在一起，混合物呈糊状

该反应吸收热量

混合后溶液温度比原来的两种溶液的温度高

该反应放出热量

（2）概念

①放出热量的化学反应为放热反应。

②吸收热量的化学反应为吸热反应。

（3）常见的吸热反应和放热反应

①常见的放热反应有：

燃烧反应、中和反应、金属与水或酸的反应、大多数化合反应。

②常见的吸热反应有：

大多数分解反应、氢氧化钡晶体与氯化铵的反应、C＋CO2

2CO、C＋H2O（g）

CO＋H2等。

放热反应与吸热反应比较

类型

比较　　

放热反应

吸热反应

定义

放出热量的反应

吸收热量的反应

形成原因

反应物具有的总能量大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

与化学键的关系

生成物分子成键时释放的总能量大于反应物分子断键时吸收的总能量

生成物分子成键时释放的总能量小于反应物分子断键时吸收的总能量

图示

例3

　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＋2C

Si＋2CO↑。

精炼硅：

②Si＋3HCl

SiHCl3＋H2；

③SiHCl3＋H2

Si＋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。

考点　化学能与热能的相互转化

题点　常见的吸热反应与放热反应

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。

例4

　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．只有③④B．只有①②

C．①②③④D．②③④

考点　化学能与热能的相互转化

题点　多角度认识吸热反应与放热反应

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反应所需要的热量，停止加热反应也能继续进行，如Fe＋S

FeS。

特别提示

（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。

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。

例5

　“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

考点　化学能与热能相互转化的应用

题点　能源类别

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．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）化学反应过程中不一定都有能量变化（　　）

（2）镁带燃烧时，化学能全部转化为热能（　　）

（3）有能量放出的变化都是放热反应，吸收能量的变化都是吸热反应（　　）

（4）对于放热反应2H2＋O2

2H2O来说，断裂1个H—H键和1个O==O键所吸收的能量小于形成1个H—O键所放出的能量（　　）

（5）由O＋O―→O2（放出能量493kJ）和N＋N―→N2（放出能量946kJ）可得在常温下氮气比氧气稳定（　　）

考点　化学能与热能的相互转化

题点　化学反应中能量变化的相关综合

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√

2．化学反应的发生必然伴随能量的转化，其最根本的原因是（　　）

A．化学反应中一定有新物质生成

B．化学反应中旧的化学键的断裂需要吸收能量，新的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

考点　化学键与化学反应中的能量转化

题点　化学反应的基本特征

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。

3．（2017·河北承德一中月考）下列关于图示说法正确的是（　　）

A．该图表明催化剂可以改变反应的热效应

B．该图表示某反应能量的变化与生成物状态无关

C．该图表示某吸热反应分别在有无催化剂的情况下反应过程中的能量变化

D．该图表明化学反应不仅遵循质量守恒定律，也遵循能量守恒定律

考点　化学键与化学反应中的能量转化

题点　由图像分析化学反应中的能量转化

答案　D

解析　A项，起始能量与最终能量不变，因此催化剂不能改变反应的热效应，故错误；B项，图中并没有表现出物质的状态，因此不能得出该结论，且反应能量的变化与生成物状态有关，故错误；C项，生成物的总能量低于反应物的总能量，因此该反应为放热反应，故错误；D项，多余的能量以热量的形式释放，因此遵循能量守恒定律，故正确。

4．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

考点　化学能与热能的转化

题点　吸热或放热反应的实验或探究

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。

5．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．2molH2O具有的总能量低于2molH2和1molO2具有的总能量

考点　化学能与热能的转化

题点　化学能与热能相互转化的应用

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；2molH2在1molO2中完全燃烧生成2molH2O，并放出大量的热，D正确。

6．下表中的数据是破坏1mol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．H2B．Cl2C．Br2D．I2

（2）下列氢化物中最稳定的是________（填字母）。

A．HClB．HBrC．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______________。

考点　化学键与化学反应中能量变化

题点　化学反应中能量变化与物质的稳定性

答案　

（1）A　

（2）A　（3）放热　（4）Cl2

解析　

（1）、

（2）破坏1mol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1molCl—Cl键和1molH—H键需吸收能量：

243kJ＋436kJ＝679kJ，而形成2molH—Cl键放出的能量为2×432kJ＝864kJ，所以在Cl2＋H2===2HCl反应中放出864kJ－679kJ＝185kJ的热量，同理可计算在Br2＋H2===2HBr、I2＋H2===2HI反应中分别放出103kJ、9kJ的热量。

[对点训练]

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

考点　化学键与化学反应中的能量变化

题点　化学反应的基本特征

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．氢气在氯气中燃烧产生苍白色火焰。

在反应过程中，破坏1mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1kJ，破坏1mol氯气中的化学键消耗的能量为Q2kJ，形成1mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3kJ。

下列关系式中正确的是（　　）

A．Q1＋Q2<2Q3B．Q1＋Q2>Q3

C．Q1＋Q22Q3

考点　化学键与化学反应中的能量变化

题点　从化学键的变化认识反应中的能量变化

答案　A

解析　由于Cl2和H2反应生成HCl要放出热量，所以Q1＋Q2<2Q3。

3．已知断开1molH—H键吸收的能量为436kJ，形成1molH—N键放出的能量为391kJ，根据化学方程式N2＋3H2

2NH3，反应完1molN2放出的能量为92.4kJ，则断开1molN≡N键需吸收的能量是（　　）

A．431kJB．945.6kJC．649kJD．869kJ

考点　化学键与化学反应中能量变化的关系

题点　由化学键的变化计算反应中的能量变化

答案　B

解析　设断开1molN≡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：

92.4kJ＝6×391kJ－3×436kJ－x，x＝945.6kJ。

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

考点　化学键与化学反应中能量变化的关系

题点　由图像分析化学反应中的能量变化

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．12gC所具有的能量一定高于28gCO所具有的能量

B．56gCO和32gO2所具有的总能量大于88gCO2所具有的总能量

C．12gC和32gO2所具有的总能量大于44gCO2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

考点　化学键与化学反应中的能量变化关系

题点　由物质的能量认识化学反应中的能量变化

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＋O2

CO2必然是放热反应，因此，B、C两项的说法正确；12gC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C

CO放热、CO

CO2放热，所以C

CO2比C

CO放出的热量要多，即D项说法正确。

6．（2017·汕头高一检测）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．1molN2（g）和1molO2（g）反应放出的能量为180kJ

B．1molN2（g）和1molO2（g）具有的总能量小于2molNO（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

考点　化学键与化学变化中的能量变化关系

题点　多角度认识化学变化中的能量变化

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946kJ·mol－1＋498kJ·mol－1－2×632kJ·mol－1＝180kJ·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，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．（2017·石家庄高一检测）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100kPa时，1mol石墨转化为金刚石要吸收1.895kJ的热能。

据此判断在100kPa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．1mol金刚石比1mol石墨的总能量低

D．1mol金刚石转变为石墨需要吸收1.895kJ能量

考点　化学键与化学反应中能量变化的关系

题点　化学反应中能量变化与物质的稳定性

答案　B

解析　1mol石墨转化为金刚石吸收1.895kJ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；1mol金刚石转变为石墨时要放出1.895kJ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①②③B．仅①②④

C．仅①②③④D．仅③④⑤

考点　化学能与热能的相互转化

题点　常见的放热反应和吸热反应

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

考点　化学能与热能的相互转化

题点　化学能与热能相互转化的应用

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．500mL2.0mol·L－1HCl溶液和500mL2.0mol·L－1NaOH溶液的反应符合图（a），且放出热量为ΔE1

B．500mL2.0mol·L－1H2SO4溶液和500mL2.0mol·L－1Ba（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）

考点　化学能与热能的相互转化

题点　多角度认识吸热反应与放热反应

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

考点　化学能与热能的相互转化

题点　吸热或放热反应实验与探究

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，各反应物的总能量低于各生成物的总能量，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

考点　化学能与热能的相互转化

题点　化学反应中能量变化的相关综合

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。

[综合强化]

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（或拆开）1mol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：

198kJ·mol－1、P—O：

360kJ·mol－1、O==O：

498kJ·mol－1，则P4（白磷）＋3O2===P4O6的反应是________（填“吸热”或“放热”）反应，生成1molP4O6________的热量为___________

_____________________________________________________________。

考点　化学键与化学变化中能量变化的关系

题点　由化学键的变化计算能量变化

答案　放热　放出　1638kJ

解析　断开旧键吸收的能量为198×6kJ＋3×498kJ＝2682kJ，形成新键放出的能量为12×360kJ＝4320kJ，故该反应为放热反应，生成1molP4O6放出的热量为4320kJ－2682kJ＝1638kJ。

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1g氧化钙的小试管里滴入2mL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___________________________________________________