“化学反应与能量”学习导航

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  人类对化学反应的利用主要有两个方面:一是利用化学反应制备所需要的物质,二是利用化学反应释放的能量.能量与能源密切相关,事关人类的生存和发展,因此本章内容非常重要,是高考的热点.学习本章内容时,可从以下几个方面入手.
  一、挖掘知识联系
  挖掘各知识点之间的内在联系,把零散的知识归纳成知识网,使知识结构化和系统化,有助于把握各知识点之间的联系.本章的知识网如图1所示.
  图1
  二、把握变化本质
  以能量守恒为基础,从宏观和微观两个角度分析,可以揭示化学反应中能量变化的本质.
  1.宏观角度
  从反应物和生成物的总能量相对大小的角度分析,放热反应和吸热反应中的能量变化情况如图2所示:
  图2
  ΔH=生成物的总能量-反应物的总能量
  2.微观角度
  从键能的角度分析,放热反应和吸热反应中的能量变化情况如图3所示.
  图3
  ΔH=反应物的总键能之和-生成物的总键能之和
  三、对比分析概念
  对一些容易混淆的化学概念进行对比分析,有助于加深对概念的理解,对比一般可列表(见表1、表2)进行.
  表1 热化学方程式和普通化学方程式的对比
  热化学方程式普通化学方程式
  2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)
  ΔH=-571.6kJ/mol2H2+O2
  点燃2H2O
  右端有表示能量变化的ΔH右端无表示能量变化的ΔH
  必须标明反应物、生成物的聚集状态不标明物质的聚集状态
  化学计量数只表示物质的量,可以是整数,也可以是分数化学计量数可以表示物质的量,也可以表示微粒个数,一般都是整数
  不用标明反应的条件、“↑”或“↓”需要标明反应的条件、“↑”或“↓”
  表2 燃烧热与中和热概念对比
  燃烧热中和热
  相同点能量变化放热反应
  ΔHΔH<0,单位常用kJ/mol
  不同点反应物的量1 mol(O2不限量)可能是1mol,也可能是0.5mol
  生成物的量不限量H2O是1mol
  反应热
  的含义1 mol反应物完全燃烧时放出的热量;不同反应物的燃烧热不同生成1molH2O时放出的热量;不同反应物的中和热大致相同,均约为
  57.3 kJ/mol
  四、建立思维模型
  根据盖斯定律计算反应热是本章最重要的题型,复习时应注意总结运用盖斯定律计算的要点,建立如图4所示的思维模型,做到触类旁通,以不变应万变.
  先确定
  待求的
  化学方
  程式
  →找出待求化学方
  程式中各物质在
  已知化学方程式
  中的位置
  →
  根据待求化学方程式中
  各物质的计量数和位置
  对已知化学方程式进行
  处理,得到变形后的新
  化学方程式
  →
  将新得到的化学
  方程式进行加减
  (反应热也需要
  相应加减)
  →写出待求的热化学方程式
  图4
  五、走出认识误区
  本章有很多似是而非的问题,需要深入思考,走出认识误区.
  误区1:化学反应中的能量变化就是热量的变化
  能量的形式多种多样.在化学反应中,反应物转化为生成物的同时,必然发生能量的变化.有些反应需要吸收能量,反应中热能、光能、电能等转化为化学能,如植物的光合作用、水的电解等;有些反应需要放出能量,反应中化学能转化为热能、光能、电能等,如化石燃料的燃烧.
  误区2:需要加热才能发生的反应一定是吸热反应
  需要加热才能发生的反应不一定是吸热反应.有很多放热反应也要加热,加热是促使反应开始,加快反应速率的条件之一.例如,氢气和碘的反应在高温下才能发生,但该反应是放热反应.
  误区3:吸热反应一定要加热才能发生
  大部分吸热反应都需加热才能发生,但有些吸热反应在常温下却能发生,它们吸收的是周围环境中的热量,使环境温度降低.
  化学反应中的能量变化主要表现为放热和吸热,反应是放热还是吸热主要取决于反应物、生成物所具有的总能量的相对大小.放热反应和吸热反应在一定条件下都能发生.反应开始时需加热的反应可能是吸热反应,也可能是放热反应.反应的热量变化与反应发生是否需要加热没有必然的联系.
  误区4:物质所具有的能量越高,该物质越稳定
  物质所具有的能量越高,该物质越不稳定.物质都具有由不稳定走向稳定的倾向.物质本身所具有的能量越低,说明其结构越稳定,热稳定性越强,化学键越牢固.因此反应放出的热量越多,产物也就越稳定.
  误区5:酸碱的物质的量越多,该反应的中和热越大
  在稀溶液中,强酸与强碱反应生成1 mol H2O时放出的热量是中和热,中和热是以反应生成1 mol H2O为基础度量的,与酸碱的用量无关,所以增加酸碱的量不影响中和热的数值.
  对于不同的中和反应,其反应热与酸碱的类型和物质的量是有关系的.
  ①如果是弱酸或弱碱参加的中和反应,要考虑弱电解质电离过程中要吸收热量;
  ②如果是浓硫酸直接和强碱混合,要考虑浓硫酸被稀释时放出的热量;
  ③如果是固体物质直接反应,要考虑溶解过程中的热效应;   ④如果反应过程中有沉淀、气体等其他物质生成,则要全面综合考虑该反应的反应热.
  误区6:不同条件下完成的可逆反应,其ΔH与反应进行的程度有关
  可逆反应实际上都具有不彻底性,条件不同,反应的程度不一定相同,反应热也不一定相同,要依据平衡移动原理进行分析比较.但对于既定的反应,其ΔH却是个定值,平衡移动,能改变吸收或放出的热量,但不会使ΔH发生改变.
  ΔH表示反应已完成时的热量变化,与反应是否可逆及反应进行的程度无关.例如:
  N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
  ΔH=-92.4 kJ/mol
  该反应表示1 mol N2和3 mol H2完全反应生成2 mol NH3时放出92.4 kJ的热量.但实际上1 mol N2(g)和3 mol H2(g)充分反应,不可能生成2 mol NH3(g),故实际反应放出的热量肯定小于92.4 kJ.
  误区7:ΔH的单位“ kJ·mol-1”是表示每摩尔反应物反应时热量的变化
  “ kJ·mol-1”并不是指每摩尔具体物质反应时伴随的能量变化,而是指给定形式的具体反应的能量变化.如
  2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH=-483.6 kJ·mol-1
  此反应的反应热是指每摩尔反应
  2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)
  放出的热量为483.6 kJ.ΔH与化学方程式的写法有关,如
  H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g) ΔH=-241.8 kJ·mol-1
  另外反应热还与反应物的状态有关,如
  2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH=-571.6 kJ·mol-1
  六、了解考查方向
  能量和能源问题是化学中的核心问题,虽然这部分内容在教材中所占的篇幅较少,但却是高考的必考内容.在高考中经常涉及的内容有:化学反应中能量变化的本质、书写热化学方程式或判断热化学方程式的正误、有关反应热的计算、比较反应热的大小等.近年来的高考试题特别关注社会热点,经常将反应热、能源、环境保护等问题进行综合,需要引起重视.
  例1 在同温同压下,下列各组热化学方程式中,ΔH 1>ΔH 2的是( )
  (A) 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH1 ;
  2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH2
  (B) S(g)+O2(g)=SO2(g) ΔH1 ;
  S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH2
  (C) C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH1 ;
  C(s)+12O2(g)=CO(g) ΔH2
  (D) H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g) ΔH1;
  12H2(g)+12Cl2(g)=HCl(g) ΔH2
  解析:本题要求比较焓变ΔH的相对大小,要考虑正负号问题.本题中的反应都是放热反应,ΔH为负,放热越多,ΔH越小.(A)中生成液态水时放热多,ΔH1>ΔH2;(B)中气态硫燃烧放热多,ΔH1<ΔH2;(C)中炭完全燃烧放热多,ΔH1<ΔH2;(D)中ΔH1=2ΔH2,ΔH1<ΔH2.
  答案:(A)
  例2 肼(N2H4)又称联氨,是一种可燃性的液体,可用作火箭燃料.
  (1)已知在298 K、101 kPa时,32.0 g N2H4在氧气中完全燃烧生成氮气,放出热量624 kJ,则N2H4完全燃烧反应的热化学方程式是 .
  (2)若肼和强氧化剂液态H2O2反应,产生大量N2和水蒸气,并放出大量热.已知在此条件下0.4 mol肼与足量H2O2(l)反应放出256.652 kJ的热量,则该反应的热化学方程式为 ;若H2O(l)=H2O(g) ΔH=+44 kJ/mol,则16 g液态肼与足量的液态H2O2反应生成液态水时放出的热量是 kJ.
  解析:(1)32 g 液体N2H4的物质的量恰为1 mol,25℃、101 kPa时生成液态水,热化学方程式即可书写成:
  N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l) ΔH=-624 kJ/mol
  (2)生成水蒸气时,0.4 mol N2H4与足量H2O2反应放出256.652 kJ的热量,则同条件下1 mol N2H4与足量H2O2反应放出641.63 kJ热量,故其热化学方程式为:
  N2H4(l)+2H2O2(l)=N2(g)+4H2O(g)
  ΔH=-641.63 kJ/mol
  H2O(l)=H2O(g) ΔH=+44 kJ/mol
  当生成液态水时,其热化学方程式为:
  N2H4(l)+2H2O2(l)=N2(g)+4H2O (l)
  ΔH=-(641.63+44×4)=-817.63 kJ/mol
  所以16 g液态肼(0.5 mol)与足量的液态H2O2反应,放出817.63 kJ/mol×0.5mol=408.815 kJ的热量.
  答案:(1)N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l) ΔH=
  -624 kJ/mol
  (2)N2H4(l)+2H2O2(l)=N2(g)+4H2O(g) ΔH=-641.63 kJ/mol 408.815
  例3 根据下列条件计算有关反应的焓变:
  (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
  则反应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
  则反应6NO(g)+ 4NH3(g)= 5N2(g)+ 6H2O(g)的ΔH= .
  (3)已知下列反应数值:(见表2)
  表2
  反应
  序号化学反应反应热
  ①Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)ΔH1=-26.7 kJ·mol-1
  ②3Fe2O3(s)+CO(g)=2Fe3O4(s)+CO2(g)ΔH2=-50.8 kJ·mol-1
  ③Fe3O4(s)+CO(g)=3FeO(s)+CO2 (g)ΔH3=-36.5 kJ·mol-1
  ④FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g) ΔH4
  则反应④的ΔH4=kJ·mol-1.
  解析:(1)由已知反应得:
  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
  将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)由已知反应得:
  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)将(①×3-②-③×2)/6得:
  FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g)
  则:
  ΔH 4=(ΔH 1×3-ΔH 2-ΔH 3×2)/6=7.3 kJ·mol-1
  答案:(1)-970.2 kJ·mol-1 (2)-724.5 kJ·mol-1
  (3)7.3 kJ·mol-1
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