資源簡介

1.1 第3課時　反應熱的測量與計算
【學習目標】
1.通過實驗了解定量測定反應熱的基本原理和實驗方法,能正確分析誤差產生的原因并能采取適當措施減小誤差,培養科學探究能力。
2.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,構建運用蓋斯定律進行相關判斷或計算的思維模型。
【合作探究】
任務1　了解中和反應反應熱的測定
【新知生成】
1.測定儀器:　　　　。
2.測定數據:鹽酸、NaOH溶液的溫度,反應后體系的　　　　。
3.計算公式:　　　　。
4.實驗過程
(1)實驗測量
按下列操作步驟測定鹽酸與氫氧化鈉溶液反應的反應熱。
①用量筒量取50mL 0.50 mol·L-1鹽酸,打開杯蓋,倒入量熱計(如圖)的內筒中,蓋上杯蓋,插入溫度計,測量并記錄鹽酸的溫度。用水把溫度計上的酸沖洗干凈,擦干備用。
②用另一量筒量取50mL 0.50 mol·L-1 NaOH溶液,用溫度計測量并記錄NaOH溶液的溫度。
③打開杯蓋,將量筒中的NaOH溶液迅速倒入量熱計的內筒中,立即蓋上杯蓋,插入溫度計,用環形玻璃攪拌棒勻速攪拌。密切關注溫度變化,將最高溫度記為反應后體系的溫度(t2)。
④重復上述步驟兩次。
在上述過程中,提高測定反應熱準確度的措施有　 。
(2)數據處理
[取鹽酸溫度和NaOH溶液溫度的平均值記為反應前體系的溫度(t1)]
①為記錄本實驗的實驗數據,請設計實驗記錄表。
②量熱計直接測得的數據是　　　　　　,計算反應放出的熱量的公式為　　　　　　。
③計算反應熱。(為了計算簡便,近似地認為實驗所用酸、堿溶液的密度與水相同,都是1g·mL-1,中和后生成的溶液的熱容與液態水相同,為4.18J·g-1·℃-1)
④若上述實驗測得t2-t1=3.4℃,則ΔH=　　　　(精確至0.01)kJ·mol-1。
(3)誤差分析
在下表空格內填“偏大”、“偏小”或“不變”。
引起誤差的原因 中和反應ΔH
保溫措施不好
將環形玻璃攪拌棒改成銅棒
攪拌不充分
量取NaOH溶液和鹽酸時,均仰視刻度線
用同濃度的氨水代替NaOH溶液
用同濃度的CH3COOH溶液代替鹽酸
最后記錄的溫度不是最高溫度
【答案】1.簡易量熱計　2.最高溫度　3.ΔH=-　4.(1)用了保溫效果較好的量熱計;溫度計使用后及時沖洗;用環形玻璃攪拌棒勻速攪拌;操作動作迅速;多次測量取平均值
(2)①
實驗 次數 反應物的溫度/℃ 反應前體 系的溫度 反應后體 系的溫度 溫度差
鹽酸 NaOH溶液 t1/℃ t2/℃ (t2-t1)/℃
1
2
3
　　②體系溫度的變化　Q=cmΔt(Q:反應放出的熱量,m:反應混合液的總質量,c:反應混合液的比熱容,Δt:反應前后溶液溫度的變化量)
③50mL 0.50 mol·L-1鹽酸的質量m1=50g,50mL 0.50 mol·L-1 NaOH溶液的質量m2=50g。中和后生成的溶液的熱容c=4.18J·g-1·℃-1,則放出的熱量為(m1+m2)·c·(t2-t1)=0.418(t2-t1)kJ,生成1 mol H2O時的反應熱ΔH=-kJ·mol-1
④-56.85　(3)偏大　偏大　偏大　偏小　偏大　偏大
偏大
【核心突破】
典例1　分別取40mL 0.50 mol·L-1鹽酸與40mL 0.55 mol·L-1氫氧化鈉溶液進行中和反應,通過測定反應過程中所放出的熱量計算中和反應反應熱,請回答下列問題:
(1)如圖所示,杯蓋上面有兩個小孔,分別插入溫度計和環形玻璃攪拌棒,兩個小孔不能開得過大,其原因是　 。
(2)反應需要測量溫度,每次測量溫度后都必須采取的操作是　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)不能用銅質攪拌棒代替環形玻璃攪拌棒的理由是　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)某同學記錄的實驗數據如下:
實驗序號 起始溫度T1/℃ 終止溫度T2/℃
鹽酸 氫氧化鈉溶液 混合溶液
1 20.0 20.1 23.2
2 20.2 20.4 23.4
3 20.5 20.6 23.6
依據該同學的實驗數據計算,該實驗測得生成1 molH2O時的反應熱ΔH=　　　　(保留1位小數)。
(5)若將NaOH溶液改為相同體積、相同濃度的氨水(NH3·H2O是弱電解質,電離需要吸收熱量),測得生成1 molH2O時的反應熱為ΔH1,則ΔH1　　　　(填“<”、“>”或“=”)ΔH,理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【解析】(1)該實驗的關鍵是防止熱量的散失,小孔開得過大,會加大熱量的散失。(4)ΔH=-(80g×4.18×10-3 kJ·g-1·℃-1×3.1℃)÷0.02 mol≈-51.8kJ·mol-1。(5)因弱電解質的電離過程吸熱,將NaOH溶液改為同體積、同濃度的氨水,反應后放出的熱量減少,所以ΔH1>ΔH。
【答案】(1)減少熱量損失
(2)用水將溫度計上的液體沖洗干凈并擦干
(3)銅質攪拌棒傳熱快,熱量損失多
(4)-51.8kJ·mol-1
(5)>　NH3·H2O電離吸熱,放出的熱量減少,所以ΔH1>ΔH
歸納總結：測定中和反應反應熱需注意的幾個問題
(1)量熱計的保溫隔熱效果要好。
(2)溫度計用過后要用水沖洗干凈,擦干后備用。
(3)實驗中要用酸、堿的稀溶液。
(4)堿液(或酸液)稍過量,以確保酸(或堿)完全反應。
(5)讀取的中和反應后的溫度(t2)是反應混合液的最高溫度。
(6)實驗操作過程中動作要迅速,盡量減少熱量損失。
訓練1　下列有關中和反應反應熱的測定說法正確的是(　　)
A.圖中儀器a為溫度計,儀器b為玻璃棒
B.為了確保測量結果的精準,溶液中HCl和NaOH的物質的量必須相等
C.所用酸和堿濃度不宜太高,否則混合過程被稀釋并伴隨反應外的熱量變化
D.實驗過程中兩溶液要快速混合,記錄混合瞬間的溫度計讀數作為反應前溫度
【解析】A項,圖中儀器a為溫度計,用來測量反應體系最高溫度,儀器b為環形玻璃攪拌棒,用來攪拌,使溶液充分反應,錯誤;B項,為了保證HCl完全反應,通常加稍過量的NaOH溶液,錯誤;C項,濃的酸和堿混合時因互相稀釋而放熱,影響實驗結果,故所用酸和堿濃度不宜太高,正確;D項,實驗過程中兩溶液要快速混合,盡量減少熱量散失,觀察溫度計變化,記錄反應體系的最高溫度,反應前溫度應在混合前分別測量,錯誤。
【答案】C
訓練2　在測定中和反應反應熱的實驗中,下列說法正確的是(弱酸電離時吸熱)(　　)
A.使用環形玻璃攪拌器是為了加快反應速率,減小實驗誤差
B.為了準確測定反應混合溶液的溫度,實驗中溫度計水銀球應與內筒底部接觸
C.用0.50 mol·L-1的NaOH溶液分別與0.50 mol·L-1的鹽酸、醋酸溶液反應,若所取的溶液體積相等,則測得的中和反應反應熱的絕對值相同
D.在測定中和反應反應熱的實驗中,應將NaOH溶液緩緩倒入裝有鹽酸的內筒中
【解析】反應速率越慢,達到完全反應用時越長,熱量散失越多,所以使用環形玻璃攪拌器是為了加快反應速率,可以減小實驗誤差,A項正確;溫度計水銀球應浸入溶液中,但不能與內筒底部接觸,否則會造成測定的中和熱數值不準確,B項錯誤;鹽酸是強酸,醋酸是弱酸,反應過程中醋酸還會繼續電離,吸收熱量,會使測定的中和熱數值不同,C項錯誤;在測定中和反應反應熱的實驗中,NaOH溶液應迅速倒入裝有鹽酸的內筒中,減小熱量散失,減小實驗誤差,D項錯誤。
【答案】A
任務2　蓋斯定律及其應用
【學習情境】
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。
【新知生成】
1.內容:一個化學反應,不管是　　　　完成的,還是　　　　完成的,其反應熱是　　　　的。
2.意義:對于進行得很慢的反應、不容易直接進行的反應、有副反應發生的反應,測定其反應熱有困難,如果利用　　　　,就可以間接地把它們的反應熱計算出來。
3.應用
(1)若某個化學反應的ΔH=+akJ·mol-1,則其逆反應的ΔH=　　　　kJ·mol-1。
(2)若某個化學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。
【答案】1.一步　分幾步　相同　2.蓋斯定律
3.(1)-a　(2)相加減
【核心突破】
典例2　根據已知信息,按要求寫出指定反應的熱化學方程式。
(1)LiH可作飛船的燃料,已知下列反應:
①2Li(s)+H2(g)2LiH(s)　ΔH=-182 kJ·mol-1
②2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH=-572 kJ·mol-1
③4Li(s)+O2(g)2Li2O(s)　ΔH=-1196 kJ·mol-1
試寫出LiH在O2中燃燒的熱化學方程式:　 。
(2)工業上制取硝酸銨的流程圖如下所示:
NH3NONO2HNO3NH4NO3
已知:4NO(g)+4NH3(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)　ΔH=-1745.2 kJ·mol-1;
6NO(g)+4NH3(g)5N2(g)+6H2O(g)　ΔH=-1925.2 kJ·mol-1。
則反應Ⅰ的熱化學方程式可表示為　 。
【解析】(1)2LiH(s)2Li(s)+H2(g) ΔH=+182 kJ·mol-1
2Li(s)+O2(g)Li2O(s)　ΔH=-598 kJ·mol-1
H2(g)+O2(g)H2O(l)　ΔH=-286 kJ·mol-1
將上述三式相加得:2LiH(s)+O2(g)Li2O(s)+H2O(l)　ΔH=-702 kJ·mol-1。
(2)將已知的兩個熱化學方程式從上到下依次標記為①和②,根據蓋斯定律可知①×5-②×4得4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)　ΔH=-1025.2 kJ·mol-1。
【答案】(1)2LiH(s)+O2(g)Li2O(s)+H2O(l) ΔH=-702 kJ·mol-1
(2)4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g) ΔH=-1025.2 kJ·mol-1
歸納總結：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的數值相等,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轉化為生成物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。
訓練3　含氮化合物與生產、生活和環境息息相關。NO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=-391.9kJ·mol-1
反應1:O3(g)+NO(g)NO2(g)+O2(g) ΔH1=-199.5kJ·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=-192.4 kJ·mol-1
訓練4　根據下列條件計算有關反應的焓變:
(1)已知:Ti(s)+2Cl2(g)TiCl4(l) ΔH=-804.2 kJ·mol-1
2Na(s)+Cl2(g)2NaCl(s)　ΔH=-882.0 kJ·mol-1
Na(s)Na(l)　ΔH=+2.6 kJ·mol-1
則反應TiCl4(l)+4Na(l)Ti(s)+4NaCl(s)的ΔH=　　　　 kJ·mol-1。
(2)已知:2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-483.6 kJ·mol-1
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)　ΔH=-92.4 kJ·mol-1
N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH=-180.5 kJ·mol-1
則反應6NO(g)+4NH3(g)5N2(g)+6H2O(g)的ΔH=　　　　　　　　　。
(3)已知下列反應反應熱的數值:
反應序號 化學反應 反應熱
① Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g) ΔH1=-24.8 kJ·mol-1
② 3Fe2O3(s)+CO(g)2Fe3O4(s)+CO2(g) ΔH2=-47.2 kJ·mol-1
③ Fe3O4(s)+CO(g)3FeO(s)+CO2 (g) ΔH3=-19.4 kJ·mol-1
④ FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g) ΔH4
則反應④的ΔH4=　　　　　　　　(保留至小數點后1位)kJ·mol-1。
【解析】(1)由已知反應得:
TiCl4(l)Ti(s)+2Cl2(g) ΔH=+804.2 kJ·mol-1　①
4Na(s)+2Cl2(g)4NaCl(s) ΔH=-1764.0 kJ·mol-1　②
4Na(s)4Na(l)　ΔH=+10.4 kJ·mol-1　③
將①+②-③得,TiCl4(l)+4Na(l)Ti(s)+4NaCl(s)
ΔH=+804.2 kJ·mol-1-1764.0 kJ·mol-1-10.4 kJ·mol-1=-970.2 kJ·mol-1
(2)由已知反應得:
6H2(g)+3O2(g)6H2O(g) ΔH1=-1450.8 kJ·mol-1　①
2N2(g)+6H2(g)4NH3(g) ΔH2=-184.8 kJ·mol-1　②
3N2(g)+3O2(g)6NO(g) ΔH3=-541.5 kJ·mol-1　③
①-②-③得,6NO(g)+4NH3(g)5N2(g)+6H2O(g)　ΔH=(-1450.8+184.8+541.5) kJ·mol-1=-724.5 kJ·mol-1
(3)將得,FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g),則　ΔH 4=≈+1.9 kJ·mol-1
【答案】(1)-970.2　(2)-724.5 kJ·mol-1　(3)+1.9
課堂小結
【隨堂檢測】
1.在測定中和反應反應熱的實驗中,下列敘述錯誤的是(　　)
A.實驗操作動作要迅速,盡量減少熱量損失
B.實驗中可使酸液或堿液稍微過量
C.實驗時需記錄酸、堿的初始溫度和反應后的最高溫度
D.可以用KOH溶液代替NaOH溶液,濃硫酸代替鹽酸
【解析】可以用KOH溶液代替NaOH溶液,但不能用濃硫酸代替鹽酸,因為濃硫酸溶于水時會放出熱量,影響測定結果。
【答案】D
2.已知H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)　ΔH=-57.3 kJ·mol-1。下列關于中和反應反應熱的說法中正確的是(　　)
A.在稀溶液中所有酸和堿反應的中和反應反應熱數值都相等
B.在稀溶液中1 mol酸和1 mol堿反應放出的熱量都相等
C.在稀溶液中HCl和NaOH反應、HNO3和KOH反應的中和反應反應熱相等
D.將濃硫酸滴入稍過量的氫氧化鈉溶液中剛好生成1 mol水時,產生的熱量即為中和反應反應熱
【解析】弱酸與弱堿在溶液中主要以分子形式存在,由于電離吸熱,故生成1 mol液態水放出的熱量小于57.3 kJ,A項錯誤;一元酸和二元酸與一元堿和二元堿反應放出的熱量不相等,B項錯誤;HCl和NaOH反應、HNO3和KOH反應的熱化學方程式都是H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)　ΔH=-57.3 kJ·mol-1,C項正確;濃硫酸稀釋要放熱,所以放出的熱量大于57.3 kJ,D項錯誤。
【答案】C
3.能源問題是人類社會面臨的重大課題,H2、CO、CH3OH都是重要的能源物質,它們的燃燒熱依次為-285.8 kJ·mol-1、-282.5 kJ·mol-1、-726.7 kJ·mol-1。已知CO和H2在一定條件下可以合成甲醇:CO(g)+2H2(g)CH3OH(l)。則CO與H2反應合成甲醇的熱化學方程式為(　　)
A.CO(g)+2H2(g)CH3OH(l) ΔH=-127.4 kJ·mol-1
B.CO(g)+2H2(g)CH3OH(l) ΔH=+127.4 kJ·mol-1
C.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-127.4 kJ·mol-1
D.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=+127.4 kJ·mol-1
【解析】根據目標反應與三種反應熱的關系,利用蓋斯定律,首先計算出目標反應的反應熱ΔH=2×(-285.8 kJ·mol-1)+(-282.5 kJ·mol-1)-(-726.7 kJ·mol-1)=-127.4 kJ·mol-1,然后根據甲醇為液態,即可確定A項正確。
【答案】A
4.鈦被稱為“第三金屬”,其制取原料為金紅石(TiO2),制取步驟如下:
TiO2TiCl4Ti
已知:①C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH1;
②2CO(g)+O2(g)2CO2(g)　ΔH2;
③TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(s)+O2(g)　ΔH3。
則反應TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(s)+2CO(g)的ΔH為(　　)
A.ΔH3+2ΔH1+2ΔH2
B.ΔH3+2ΔH1+ΔH2
C.ΔH3+2ΔH1-ΔH2
D.ΔH3+2ΔH1-2ΔH2
【解析】利用蓋斯定律,將③+2×①-②可得TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(s)+2CO(g)　ΔH=ΔH3+2ΔH1-ΔH2,故選C項。
【答案】C

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