■北京市十一學(xué)校 滕明俊(博士)

化學(xué)反應(yīng)與能量變化知識點解讀

■北京市十一學(xué)校 滕明俊(博士)

編者注：本期文章的作者主要為北京市十一學(xué)校的中青年骨干教師,他們寫的文章將知識講解得清楚明白,解題的思路與方法巧妙實用,對同學(xué)們開拓知識面和提高應(yīng)試能力很有幫助。希望同學(xué)們讀后收獲滿滿。另外,特別感謝滕明俊老師及其同事為組織編寫本期稿件所做的努力。

化學(xué)反應(yīng)與能量變化知識是高考考查的重點,要順利解答相關(guān)方面的題目,最重要的是對基本概念(燃燒熱、中和熱、熱化學(xué)方程式等)和基本原理(蓋斯定律)的理解和應(yīng)用。

一、對基本概念的理解

1.反應(yīng)熱能量變化的本質(zhì)為化學(xué)鍵的斷裂和形成。反應(yīng)熱=反應(yīng)物舊鍵斷裂所吸收的能量-生成物新鍵生成所釋放的能量。反應(yīng)熱小于零是放熱反應(yīng),大于零是吸熱反應(yīng)。反應(yīng)是放熱還是吸熱,這與反應(yīng)條件(比如是否需要加熱)沒有必然聯(lián)系。需要加熱才能進行的反應(yīng)不一定是吸熱反應(yīng),例如,鋁熱反應(yīng)2Al+Fe2O3══Al2O3+2Fe需要在加熱條件下引發(fā),但是該反應(yīng)是劇烈的放熱反應(yīng)。

2.燃燒熱的定義：1mol純凈物在25℃,101kPa的條件下完全燃燒生成穩(wěn)定產(chǎn)物所放出的能量。定義中有幾點需要特別注意：①量：可燃物為1mol,但不限制生成物的量;②反應(yīng)的條件：25℃、101kPa;③產(chǎn)物：完全燃燒后的穩(wěn)定產(chǎn)物。比如1molC燃燒生成CO所放出的熱量,不能夠稱之為碳的燃燒熱,因為CO不是完全燃燒后的穩(wěn)定產(chǎn)物,CO2才是穩(wěn)定產(chǎn)物。

3.中和熱的定義：酸與堿發(fā)生中和反應(yīng)生成1 molH2O時所釋放的熱量稱為中和熱。定義中需要注意的地方是：①量：生成物(H2O)為1mol,但不限制反應(yīng)物的量,如果生成物不是1mol水,則能量變化不能稱之為中和熱;②放熱反應(yīng);③在稀溶液中,強酸和強堿的中和熱約為57.3kJ·mol-1,而對于強酸和弱堿,或是強堿和弱酸的反應(yīng),其中和熱的數(shù)值小于57.3kJ·mol-1,因為弱酸或弱堿的電離是一個吸熱的過程。

例1判斷以下說法正確的是( )。

A.合成氨需要在高溫高壓下進行：N2+3H2══2NH3,所以該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)

B.1molH2完全燃燒生成1mol水蒸氣所放出熱量稱之為氫氣的燃燒熱

C.燃燒熱和中和熱都是化學(xué)反應(yīng)時放出的熱量,故它們對應(yīng)的ΔH＜0

D.在25℃,101kPa下,1mol磷燃燒生成三氧化二磷所放出的熱量為磷的燃燒熱

解析：選項A,反應(yīng)條件與反應(yīng)吸熱、放熱沒有必然的聯(lián)系,合成氨雖然需要在高溫條件下進行,但是該反應(yīng)是放熱反應(yīng),A項錯誤。

選項B,根據(jù)定義,H2的燃燒熱為1molH2完全燃燒生成液態(tài)水H2O(l)所放出的熱量,而非水蒸氣,故B項錯誤。

D選項,磷燃燒的穩(wěn)定產(chǎn)物為五氧化二氯,而不是三氧化二磷,故D項錯誤。

燃燒和中和過程都是放熱過程,所以ΔH＜0,C選項正確。

答案：C

【舉一反三】

已知：①2H2(g)+O2(g)══2H2O(l)ΔH1=-571.6kJ·mol-1

求氫氣的燃燒熱。

解析：在25℃,101kPa的條件下,H2的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)物H2O以液態(tài)形式存在,而非氣態(tài),所以②ΔH=-241.8kJ·mol-1的熱量變化不是反應(yīng)熱。

因為燃燒熱規(guī)定是1mol可燃物參與反應(yīng),根據(jù)①式,H2的燃燒熱應(yīng)為-285.8kJ·mol-1。

答案：ΔH=-285.8kJ·mol-1。

二、熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫與正誤判斷

熱化學(xué)反應(yīng)方程式包含了物質(zhì)變化和能量變化兩部分的信息,表1總結(jié)了它與普通化學(xué)方程式的區(qū)別。

表1

判斷熱化學(xué)方程式正誤和書寫熱化學(xué)方程式的注意事項：

(1)觀察方程式是否已經(jīng)配平;

(2)看是否注明物質(zhì)的聚集狀態(tài),以及狀態(tài)是否正確;

(3)看是否注明能量變化ΔH,①ΔH的符號(放熱為“-”,吸熱為“+”),②數(shù)值,③單位(kJ·mol-1),是否符合實際情況;

(4)分析各物質(zhì)的計量數(shù)是否符合要求(燃燒熱——可燃物的計量數(shù)為1,中和熱——H2O的計量數(shù)為1)。

例2下列熱化學(xué)方程式正確的是(ΔH的絕對值均正確)( )。

A.表示S的燃燒熱的熱化學(xué)反應(yīng)方程式是2S(s)+3O2(g)══2SO3(s) ΔH=-630kJ·mol-1

B.乙醇的燃燒：C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O ΔH=-1369kJ·mol-1

C.已 知NaOH(aq)+HCl(aq)══NaCl(aq)+H2O ΔH=-57.3kJ·mol-1,則反應(yīng) 3NaOH(aq)+H3PO4(aq)══Na3PO4(aq)+H2O(l) ΔH=-57.3×3=-171.9kJ·mol-1

D.碳的燃燒：C(s)+O2(g)══CO2(g)ΔH=-393.5kJ·mol-1

解析：A選項,燃燒熱應(yīng)該是1mol純凈物在25℃,101kPa的條件下完全燃燒生成穩(wěn)定產(chǎn)物所放出的能量。A選項中S的化學(xué)計量數(shù)應(yīng)該是1而不是2。

B選項,沒有標(biāo)明聚集狀態(tài),且方程式中應(yīng)該用“=”而不是“→”。

C選項,H3PO4是中強酸,其電離的過程吸熱,所以H3PO4與NaOH的反應(yīng)熱的數(shù)值應(yīng)該小于57.3×3=171.9kJ·mol-1。

答案：D

【舉一反三】

火箭推進器常以氣態(tài)聯(lián)氨(N2H4)為燃料,液態(tài)過氧化氫為助燃劑。反應(yīng)過程中生成的氣體可參與大氣循環(huán)。測得當(dāng)反應(yīng)過程中有1mol水蒸氣生成時,放出161kJ的熱量。試寫出反應(yīng)過程中的熱化學(xué)方程式：___。

答案：N2H4(g)+2H2O2(l)══N2(g)+4H2O(g) ΔH=-644kJ·mol-1

三、蓋斯定律及其應(yīng)用(見表2)

表2

例3半水煤氣是工業(yè)合成氨的原料氣,其主要成分為H2、CO、CO2、N2和H2O(g)。半水煤氣經(jīng)過下列步驟轉(zhuǎn)化為合成氨的原料。

步驟Ⅰ,CO變換反應(yīng)的能量變化如圖1所示。

圖1

則CO變換反應(yīng)的熱化學(xué)方程式是____。

解析：根據(jù)題意,先寫出CO變換反應(yīng)的目標(biāo)方程式：

CO(g)+H2O(g)══CO2(g)+H2(g) ΔH

根據(jù)圖中的能量變化圖,可以寫出已知方程式：

①CO(g)+H2O(g)══C(s)+2H(g)+2O(g) ΔH1

②C(s)+2H(g)+2O(g)══CO2(g)+H2(g) ΔH2

觀察發(fā)現(xiàn),①+②進行方程式疊加可以消除中間產(chǎn)物[C(s)+2H(g)+2O(g)],得到目標(biāo)方程式,所以ΔH=ΔH1+ΔH2=+1998 kJ·mol-1+(-2034kJ·mol-1)=-36kJ·mol-1。

答案：CO(g)+H2O(g)══CO2(g)+H2(g) ΔH=-36kJ·mol-1

【舉一反三】

根據(jù)下列熱化學(xué)方程式分析,C(s)的燃燒熱ΔH等于( )。

①C(s)+H2O(l)══CO(g)+H2(g)ΔH1=+175.3kJ·mol-1

②2CO(g)+O2(g)══2CO2(g) ΔH2=-566.0kJ·mol-1

③2H2(g)+O2(g)══2H2O(l) ΔH3=-571.6kJ·mol-1

A.ΔH1+ΔH2-ΔH3

B.2ΔH1+ΔH2+ΔH3

解析：首先寫出C(s)的燃燒熱的熱化學(xué)方程式(目標(biāo)方程式)：

根據(jù)各物質(zhì)在以上方程式中的位置,觀察已知的三個方程式,發(fā)現(xiàn)不用調(diào)整反應(yīng)方向,僅需要調(diào)整計量數(shù)。為把中間產(chǎn)物CO和H2消去,對②和③進行計量數(shù)調(diào)整,都分別乘以,可以得到目標(biāo)方程式,所以

答案：D

(責(zé)任編輯 謝啟剛)

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