資源簡介

1.1 第2課時　熱化學方程式的書寫　反應焓變的計算
【學習目標】
1.通過對比分析,理解熱化學方程式的含義及書寫熱化學方程式的注意事項,建立從定性到定量描述化學反應中的能量變化的思維模型。
2.通過練習,體會書寫熱化學方程式時容易出現的錯誤,在實踐中體驗和完善對熱化學方程式的認識。
3.通過交流討論,理解蓋斯定律的本質,能用蓋斯定律進行有關焓變的簡單計算,形成運用蓋斯定律進行相關判斷或計算的思維模型。
4.了解摩爾燃燒焓的概念,了解我國目前的能源狀況及應對能源危機所采取的措施,知道能源是人類生存和社會發展的重要基礎,培養科學態度與社會責任的核心素養。
【自主預習】
一、熱化學方程式
1.定義
表明化學反應所釋放或吸收的　　　　的化學方程式,叫作熱化學方程式。
2.意義
不僅表示化學反應中的　　　　變化,也表明了化學反應中的　　　　變化。
例如:H2(g)+Cl2(g) 2HCl(g)　ΔH=-184.6 kJ·mol-1,表明在298 K、101 kPa下,1 mol 氣態H2與1 mol 氣態Cl2反應生成2 mol 氣態HCl時,放出184.6 kJ的熱量。
3.熱化學方程式與普通化學方程式的區別
化學方程式 熱化學方程式
化學計 量數 是整數,既可表示微粒數目又可表示該物質的物質的量 既可以是整數,也可以是分數,只表示物質的物質的量
狀態 不要求注明 必須在化學式后面注明
ΔH的正負 號及單位 無 必須注明
意義 表明了化學反應中的物質變化 不僅表明了化學反應中的物質變化,還表明了化學反應中的能量變化
4.熱化學方程式的書寫
(1)寫出相應的化學方程式。熱化學方程式中各物質化學式前的化學計量數只表示其　　　　　　　　,可以是整數或　　　　。
(2)標注反應的溫度和壓強。若沒有特殊說明,通常是指298 K、101 kPa,不用標明反應條件(如“加熱”、“高溫”或“催化劑”等)。
(3)標注各物質聚集狀態。在物質后面用括號標注各物質的聚集狀態:氣體用“　　　　”,液體用“　　　　”,固體用“　　　　”,溶液用“　　　　”。
(4)標注ΔH的正負。化學方程式后面空一格標注ΔH,若為放熱反應,ΔH為“　　　　　　”;若為吸熱反應,ΔH為“　　　　　　”。
(5)計算ΔH的數值。根據化學方程式中的化學計量數計算出ΔH的數值。ΔH的單位是　　　　。
5.ΔH的單位中“ mol-1”的含義
對一個化學反應,ΔH的單位中“mol-1”不是指每摩爾具體物質,而是指“　　　　　　”。因此ΔH必須與化學方程式一一對應。
二、反應焓變的計算
1.蓋斯定律
(1)內容:1840年,蓋斯從大量的實驗中總結出一條規律:一個化學反應,不管是一步完成的還是分幾步完成的,其　　　　　是相同的,這就是蓋斯定律。也就是說,化學反應的　　　　只與反應體系的　　　　和　　　　有關,而與反應的　　　　無關。
(2)特點:如果一個反應可以分幾步進行,則各分步反應的反應熱之和與該反應一步完成時的反應熱是一樣的,如圖:
則ΔH =　　　　,也等于　　　　　　。
(3)意義
反應熱難以直
接測定的反應
(4)應用
a.若某個反應的化學方程式可由另外幾個反應的化學方程式相加減而得到,則該反應的反應熱也可以由這幾個反應的反應熱　　　　而得到。
b.體會蓋斯定律的應用:實驗室可通過可燃物充分燃燒來測定焓變,例如:
①C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1=-393.5 kJ·mol-1
②CO(g)+O2(g)CO2(g) ΔH2=-283.0 kJ·mol-1
③C(s)+O2(g)CO(g)　ΔH
①②的焓變較容易測定,而③的焓變ΔH卻不易測定。
c.反應C(s)+O2(g)CO2(g)的途徑可設計如下:
ΔH1=　　　　　　。
ΔH=ΔH1-ΔH2=-393.5 kJ·mol-1-(-283.0 kJ·mol-1)=-110.5 kJ·mol-1。
2.反應焓變的計算的其他方法
(1)根據熱化學方程式計算
熱化學方程式中反應熱數值與各物質的化學計量數成正比(Q>0)。例如:
aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)　ΔH
　a 　b 　c 　d　 |ΔH|
n(A) n(B) n(C) n(D)　 Q
則====
(2)根據反應物和反應產物的總能量計算:
ΔH=E(反應產物)-E(反應物)
(3)根據反應物的化學鍵斷裂與反應產物的化學鍵形成過程中的能量變化計算:
ΔH=反應物的化學鍵斷裂吸收的能量-反應產物的化學鍵形成釋放的能量
(4)根據物質的摩爾燃燒焓計算:
Q(放)=n(可燃物)×|ΔH|
三、能源
1.概念:自然界中,能為人類提供能量的物質或物質運動。
2.常見能源
常見能源包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能、核能、化石燃料等。
3.實現能源可持續發展的措施是“開源”“節流”。
四、摩爾燃燒焓
【參考答案】一、1.熱量　2.物質　能量　4.(1)物質的量　分數　(3)g　l　s　aq　(4) -　+
(5)kJ·mol-1或J·mol-1　5.每摩爾反應
二、1.(1)反應熱　反應熱　始態　終態　途徑
(2)ΔH1+ΔH2　ΔH3+ΔH4+ΔH5
(4)相加減　ΔH+ΔH2
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-890.3 kJ。 (　　)
(2)S(s)+O2(g) SO2(g)　ΔH=+296.8 kJ·mol-1。 (　　)
(3)已知2H2(g)+O2(g)2H2O(g)　ΔH=-483.6 kJ·mol-1,則氫氣的摩爾燃燒焓ΔH=-241.8 kJ·mol-1。 (　　)
(4)若H2(g)+O2(g)H2O(g)　ΔH=a kJ·mol-1,2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH=b kJ·mol-1,則反應熱的關系:2a(5)500 ℃、30 MPa下,將0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密閉的容器中充分反應生成NH3(g),放熱19.3 kJ,熱化學方程式為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-38.6 kJ·mol-1。(　　)
(6)有些反應的反應熱不能直接測得,可通過蓋斯定律間接計算得到。 (　　)
(7)反應熱的大小與反應物所具有的能量和反應產物所具有的能量無關。 (　　)
(8)同溫同壓下,H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)在光照和點燃條件下的ΔH不同。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)×
2.熱化學方程式中的化學計量數表示的意義是什么 使用時,應注意什么問題
【答案】熱化學方程式中的化學計量數表示物質的量,可以是整數,也可以是分數。熱化學方程式中化學式前面的化學計量數必須與ΔH的值相對應,即化學計量數與ΔH成正比。當反應逆向進行時,其反應熱與正反應的反應熱數值相等,符號相反。
3.學會利用加合法求焓變,感受蓋斯定律的應用。
已知:①MoS2(s)Mo(s)+S2(g)　 ΔH1
②S2(g)+2O2(g)2SO2(g)　 ΔH2
③2MoS2(s)+7O2(g)2MoO3 (s)+4SO2(g)　ΔH3
反應2Mo(s)+3O2(g)2MoO3(s)的ΔH=　　　　　(用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代數式表示)。
【答案】根據蓋斯定律,③-2×②-2×①可得2Mo(s)+3O2(g)2MoO3(s)　ΔH=ΔH3-2ΔH2-2ΔH1。
【合作探究】
任務1：熱化學方程式的書寫
情境導入　北京時間2021年12月10日8時11分,我國在酒泉衛星發射中心用“長征四號乙遙四十七”運載火箭,成功將實踐六號05組衛星發射升空,衛星順利進入預定軌道,發射任務獲得圓滿成功。
衛星發射時,運載火箭常用肼(N2H4)作燃料,用四氧化二氮(N2O4)助燃,反應產物不會對大氣造成污染,已知64 g N2H4(l)與足量NO2(g)反應生成N2和液態H2O時,放出1310.8 kJ的熱量。
問題生成
1.反應熱與物質的什么因素有關 書寫熱化學方程式時應該怎樣做
【答案】與物質的聚集狀態有關,所以書寫熱化學方程式時,需注明物質的聚集狀態。
2.寫出上述反應的熱化學方程式。
【答案】64 g N2H4(l)的物質的量為 2 mol,2 mol N2H4(l)與足量 NO2(g)反應生成N2(g)和H2O(l)時,放出1310.8 kJ的熱量,則熱化學方程式為2N2H4(l)+2NO2(g) 3N2(g)+4H2O(l)　ΔH=-1310.8 kJ· mol—1。
3.已知:1.28 g液態肼與足量的液態過氧化氫反應,生成氮氣和水蒸氣,放出25.6 kJ的熱量。寫出該反應的熱化學方程式。
【答案】1.28 g肼的物質的量n(N2H4)==0.04 mol,其與H2O2反應產生N2、水蒸氣時放出的熱量為25.6 kJ,則1 mol肼發生上述反應放出熱量Q==640 kJ,故該反應的熱化學方程式為N2H4(l)+2H2O2(l)N2(g)+4H2O(g)　ΔH=-640 kJ·mol-1。
【核心歸納】
1.“五步”突破熱化學方程式的書寫
2.書寫熱化學方程式的注意點
(1)需注明環境的溫度和壓強(298 K、101 kPa,可不注明)。
(2)應注明反應物和反應產物的狀態。
(3)對于相同的反應,當化學計量數不同時,其ΔH不同。
(4)注意可逆反應的熱效應
可逆反應中的“ΔH”表示的是完全反應時對應的焓變值。若按該反應的化學計量數投料進行反應,由于可逆反應不能進行徹底,因此吸收或放出的熱量一定比ΔH的絕對值小。
【典型例題】
【例1】由氫氣和氧氣反應生成1 mol水蒸氣放出241.8 kJ的熱量,9 g水蒸氣轉化為液態水放出22.0 kJ的熱量,則下列熱化學方程式書寫正確的是(　　)。
A.H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH=-285.8 kJ·mol-1
B.H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH=-241.8 kJ·mol-1
C.H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH=+285.8 kJ·mol-1
D.H2(g)+O2(g)H2O(g)　ΔH=+241.8 kJ·mol-1
【答案】A
【解析】H2與O2的反應為放熱反應,ΔH<0,C、D兩項均錯誤;1 mol水蒸氣轉化為相同條件下的1 mol液態水時要放出44.0 kJ的熱量,可求出氫氣與氧氣反應生成1 mol液態水時ΔH為-285.8 kJ·mol-1,B項錯誤。
【例2】根據所給信息,書寫對應的熱化學方程式。
(1)11.2 L(標準狀況)H2在足量Cl2中燃燒生成HCl氣體,放出92.3 kJ的熱量,寫出該反應的熱化學方程式:
　 。
(2)已知4.4 g CO2氣體與足量H2經催化生成CH3OH氣體和水蒸氣時放出4.95 kJ的熱量,寫出該反應的熱化學方程式:　 。
【答案】(1)H2(g)+Cl2(g)2HCl(g)　ΔH=-184.6 kJ·mol-1
(2)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49.5 kJ·mol-1
方法技巧：熱化學方程式正誤判斷的方法
任務2：蓋斯定律及其應用
情境導入　某人從山下A點到達山頂B點,無論是翻山越嶺攀登而上,還是坐纜車直奔山頂,山的高度(圖中的h)總是不變的,即此人勢能的變化只與起點A和終點B的海拔差有關,而與由A點到B點的途徑無關。一個化學反應也是如此,不論是一步完成的還是分幾步完成的,其反應熱是相同的,這就是蓋斯定律。換句話說,化學反應的反應熱只與反應體系的始態和終態有關,而與反應進行的途徑無關。
問題生成
為什么化學反應的反應熱與化學反應的途徑無關
【答案】化學反應遵循質量守恒和能量守恒。在指定的狀態下各種物質的焓都是確定且唯一的,因此,不論反應是一步完成的還是分步完成的,最初的反應物和最終的反應產物都是一樣的,因此焓變與反應途徑無關,即反應熱與反應途徑無關。
【核心歸納】
利用蓋斯定律計算反應熱的方法
(1)加合法:運用所給熱化學方程式通過加減等方法得到所求的熱化學方程式。
“加合法”計算反應熱的注意事項:
①熱化學方程式同乘以或除以某一個數時,反應熱數值也必須乘以或除以該數。
②熱化學方程式相加減時,同種物質之間可相加減,反應熱也隨之相加減。
③對于同一熱化學方程式來說,正反應和逆反應,ΔH的絕對值相等,符號相反。
④熱化學方程式中的反應熱指反應按所給形式完全進行時的反應熱。
(2)虛擬路徑法
若反應物A轉化為反應產物D,可以有兩種途徑:
①由A直接變成D,反應熱為ΔH。
②由A經過B變成C,再由C變成D,每步的反應熱分別為ΔH1、ΔH2、ΔH3。
如圖所示:
則有ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。
【典型例題】
【例3】已知:①人們通常用摩爾燃燒焓來衡量一種燃料燃燒釋放熱量的多少,下表是幾種物質的摩爾燃燒焓(298 K、101 kPa)。
物質 H2(g) C(s) CO(g) CH4(g)
ΔH/(kJ·mol-1) -285.8 -393.5 -283.0 -890.3
②燃料的綜合利用是提高能源利用效率的重要途徑之一,工業上通過煤的干餾、氣化和液化等方法來實現煤的綜合利用,煤氣化的主要反應為C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)。
③298 K、101 kPa時,1 mol H2O(l)變為H2O(g)需要吸收44.0 kJ的熱量。
回答下列問題:
(1)試指出常溫下,下列物質完全氧化生成的穩定物質:C(s)　　　　　;H2(g)　　　　　;S(s)　　　　　　;NH3(g)　　　　　;C2H4(g)　　　　　。
(2)在298 K、101 kPa時,一定量的甲烷完全燃燒后生成1.8 g液態水,則放出的熱量為　　　　kJ。
(3)上述煤的氣化反應的ΔH=　　　　。
【答案】(1)CO2(g)　H2O(l)　SO2(g)　N2(g)+H2O(l)
CO2(g)+H2O(l)
(2)44.515
(3)+131.3 kJ·mol-1
【例4】發射“嫦娥一號”月球探測衛星的長征三號甲運載火箭的第三子級使用的燃料是液氫和液氧,已知下列熱化學方程式:
①H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH1=-285.8 kJ·mol-1
②H2(g)H2(l)　ΔH2=-0.92 kJ·mol-1
③O2(g)O2(l)　ΔH3=-6.84 kJ·mol-1
④H2O(l)H2O(g)　ΔH4=+44.0 kJ·mol-1
則反應H2(l)+O2(l)H2O(g)的反應熱ΔH為(　　)。
A.+237.46 kJ·mol-1　　 B.-474.92 kJ·mol-1
C.-118.73 kJ·mol-1 D.-237.46 kJ·mol-1
【答案】D
【解析】根據蓋斯定律,將反應①-②-③×+④可得目標反應的熱化學方程式,其反應熱ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3×+ΔH4=-237.46 kJ·mol-1。
【例5】含氮化合物與生產、生活和環境息息相關,NO可加速臭氧層破壞,其反應過程如圖所示。
已知:O3(g)+O(g)2O2(g)　ΔH=-143 kJ·mol-1
反應1:O3(g)+NO(g)NO2(g)+O2(g)　ΔH1=-200.2 kJ·mol-1
則反應2的熱化學方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】NO2(g)+O(g)NO(g)+O2(g)　ΔH=+57.2 kJ·mol-1
思維模型：利用蓋斯定律計算ΔH的方法
【隨堂檢測】
課堂基礎
1.化學反應中反應熱的大小與下列選項無關的是(　　 )。
A.反應物的多少
B.反應的快慢
C.反應物和反應產物的狀態
D.反應物的性質
【答案】B
【解析】反應熱與反應物的物質的量、反應物狀態、反應產物狀態、溫度、壓強等有關,與反應速率和過程無關。
2.已知:①Zn(s)+O2(g)ZnO(s)　 ΔH1=-348.3 kJ·mol-1
②2Ag(s)+O2(g)Ag2O(s)　 ΔH2=-31.0 kJ·mol-1
則Zn(s)+Ag2O(s)ZnO(s)+2Ag(s)的ΔH等于(　　)。
A.-317.3 kJ·mol-1 B.-379.3 kJ·mol-1
C.-332.8 kJ·mol-1 D.+317.3 kJ·mol-1
【答案】A
【解析】反應①-反應②可得到物質間的轉化關系:Zn(s)+Ag2O(s)ZnO(s)+2Ag(s),則該反應的ΔH=ΔH1-ΔH2=-348.3 kJ·mol-1-(-31.0 kJ·mol-1)=-317.3 kJ·mol-1。
3.請分析下列有關NO、NO2的內容,然后填空。
(1)圖1為N2(g)和O2(g)生成NO(g)過程中的能量變化。
寫出N2(g)和O2(g)反應生成NO(g)的熱化學方程式:　 。
(2)圖2是1 mol NO2(g)和CO(g)反應生成CO2(g)和NO(g)過程中的能量變化示意圖,請寫出NO2(g)和CO(g)反應的熱化學方程式: 　 。
【答案】(1)N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH=+180 kJ·mol-1
(2)NO2(g)+CO(g)CO2(g)+NO(g)　ΔH=-234 kJ·mol-1
【解析】(1)反應熱等于斷鍵吸收的能量減去成鍵放出的能量,則根據圖1可知ΔH=946 kJ·mol-1+498 kJ·mol-1-2×632 kJ·mol-1=+180 kJ·mol-1,熱化學方程式為N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH=+180 kJ·mol-1。
(2)根據圖2可知,反應物的總能量高于反應產物的總能量,因此該反應是放熱反應,反應熱ΔH=E1-E2=134 kJ·mol-1-368 kJ·mol-1=-234 kJ·mol-1。
對接高考
4.(2021·浙江6月選考,21)相同溫度和壓強下,關于反應的ΔH,下列判斷正確的是(　　)。
(g)+H2(g)(g)　ΔH1
(g)+2H2(g)(g)　ΔH2
(g)+3H2(g)(g)　ΔH3
(g)+H2(g)(g)　ΔH4
A.ΔH1>0,ΔH2>0
B.ΔH3=ΔH1+ΔH2
C.ΔH1>ΔH2,ΔH3>ΔH2
D.ΔH2=ΔH3+ΔH4
【答案】C
【解析】環己烯、1,3-環己二烯分別與氫氣發生的加成反應均為放熱反應,因此,ΔH1<0,ΔH2<0,A項錯誤。苯分子中沒有碳碳雙鍵,其中的碳碳鍵是介于單鍵和雙鍵之間的特殊的共價鍵,因此,其與氫氣完全加成的反應熱不等于環己烯、1,3-環己二烯分別與氫氣發生的加成反應的反應熱之和,即ΔH3≠ΔH1+ΔH2,B項錯誤。環己烯、1,3-環己二烯分別與氫氣發生的加成反應均為放熱反應,ΔH1<0,ΔH2<0,由于1 mol 1,3-環己二烯與氫氣完全加成后消耗的氫氣是等量環己烯的2倍,故其放出的熱量更多,ΔH1>ΔH2;苯與氫氣發生加成反應生成1,3-環己二烯的反應為吸熱反應(ΔH4>0),根據蓋斯定律可知,苯與氫氣完全加成的反應熱ΔH3=ΔH4+ΔH2,因此ΔH3>ΔH2,C項正確。根據蓋斯定律可知,苯與氫氣完全加成的反應熱ΔH3=ΔH2+ΔH4,因此ΔH2=ΔH3-ΔH4,D項錯誤。
5.(2020·北京卷,12)依據圖示關系,下列說法不正確的是(　　)。
A.石墨燃燒是放熱反應
B.1 mol C(石墨,s)和1 mol CO分別在足量O2中燃燒,全部轉化為CO2,前者放熱多
C.C(石墨,s)+CO2(g)2CO(g)　ΔH=ΔH1-ΔH2
D.化學反應的ΔH,只與反應體系的始態和終態有關,與反應途徑無關
【答案】C
【解析】所有的燃燒都是放熱反應,根據圖示,C(石墨,s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1=-393.5 kJ·mol-1,ΔH1<0,則石墨燃燒是放熱反應,A項正確;根據圖示,C(石墨,s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1=-393.5 kJ·mol-1,CO(g)+O2(g)CO2(g)　ΔH2=-283.0 kJ·mol-1,都是放熱反應,1 mol C(石墨,s)和1 mol CO分別在足量O2中燃燒,全部轉化為CO2,1 mol C(石墨,s)放熱多,B項正確;根據B項分析,①C(石墨,s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1=-393.5 kJ·mol-1,②CO(g)+O2(g)CO2(g)　ΔH2=-283.0 kJ·mol-1,根據蓋斯定律①-②×2可得,C(石墨,s)+CO2(g)2CO(g)　ΔH=ΔH1-2ΔH2,C項錯誤;根據蓋斯定律可知,化學反應的焓變只與反應體系的始態和終態有關,與反應途徑無關,D項正確。
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