2020版高中化学 第2章第1节与化学反应 第3课时与化学反应中的能量变化学案 鲁科版必修2

2020版高中化学 第2章第1节与化学反应 第3课时与化学反应中的能量变化学案 鲁科版必修2

第3课时　化学键与化学反应中的能量变化 一、化学能与热能的相互转化 ‎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 16‎ 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.实验结论 每一个化学反应都伴随着能量变化，有的释放能量，有的吸收能量。‎ ‎(1)放热反应和吸热反应的概念 ‎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。‎ ‎(2)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＋CO22CO、C＋H2O(g)CO＋H2等。‎ 例1　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③④ B．只有①②‎ C．①②③④ D．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＋SFeS。‎ 易错警示 ‎(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；‎ 16‎ ‎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)化学反应必然有能量变化，但有能量变化的过程不一定发生化学反应。‎ 例2　下列反应过程中的能量变化与如图一致的是(　　)‎ A．2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3‎ B．C＋CO22CO C．CaCO3CaO＋CO2↑‎ D．C＋H2O(g)CO＋H2‎ 答案　A 解析　A项，铝热反应属于放热反应，反应物具有的总能量高于生成物具有的总能量，正确；B、C、D三项均为吸热反应，反应物具有的总能量低于生成物具有的总能量，错误。‎ 规律总结 判断反应放热或吸热的依据是根据反应物和生成物总能量的相对大小。①放热反应：反应物总能量>生成物总能量；②吸热反应：反应物总能量<生成物总能量。‎ 二、化学反应中能量变化的原因分析 ‎1．化学反应中能量变化与化学键的关系——微观角度 ‎(1)化学反应过程 ‎(2)化学反应中能量变化的原因 ‎(3)根据下列信息分析氢气燃烧生成水蒸气时能量的变化情况 ‎①断裂1 mol H2和 mol O2中的化学键吸收的总能量：436 kJ＋249 kJ＝685 kJ。‎ 16‎ ‎②形成1 mol H2O时释放的总能量：930 kJ。‎ ‎③燃烧1 mol H2生成水蒸气时放出能量245 kJ。‎ ‎2．化学反应的能量变化与物质内部能量的关系——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 ‎3.化学反应中能量的转化形式 主要是化学能与热能之间的相互转化，也有其他形式的能量转化，如化学能可以转化成光能、电能等。‎ 16‎ 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＋‎2CSi＋2CO↑；‎ 精炼硅：②Si＋3HClSiHCl3＋H2；‎ ‎③SiHCl3＋H2Si＋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 16‎ 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　已知‎1 g氢气完全燃烧生成水蒸气时放出能量121 kJ，且氧气中1 mol O==O键完全断裂时需要吸收能量496 kJ，水蒸气中1 mol H—O键形成时放出能量463 kJ，则氢气中1 mol H—H键断裂时吸收的能量为(　　)‎ A．920 kJ B．557 kJ C．436 kJ D．188 kJ 考点　化学反应中能量变化与化学键的关系 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‎1 g H2完全燃烧生成水蒸气时放出能量121 kJ可知：‎2 g H2(即含1 mol H—H键)完全燃烧生成水蒸气时放出的能量为121 kJ×2＝242 kJ。由化学方程式：H2(g)＋O2(g)点燃,H2O(g)可设1 mol H—H键断裂吸收的能量为Q，则：Q＋×496 kJ－2×463 kJ＝－242 kJ，Q＝436 kJ。‎ 规律总结 反应中放出、吸收能量的计算：‎ 吸收能量值＝E吸－E放；放出能量值＝E放－E吸。‎ E吸表示反应物断裂化学键吸收能量，E放表示生成物形成化学键释放能量。‎ ‎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(　　)‎ 16‎ ‎(4)对于放热反应2H2＋O22H2O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493 kJ)和N＋N―→N2(放出能量946 kJ)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．下列关于反应能量的说法中正确的是(　　)‎ A．化学反应中的能量变化，都表现为热量的变化 B．化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因 C．已知反应：Zn(s)＋CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)＋Cu(s)为放热反应，则反应物总能量<生成物总能量 D．相同条件下，如果1 mol氢原子所具有的能量为E1，1 mol氢分子的能量为E2，则2E1＝E2‎ 答案　B 解析　化学反应中的能量变化，不是都表现为热量的变化，还可能有其他能量的变化，如光能等，A项错误；放热反应中反应物的总能量大于生成物的总能量，C项错误；分子变成原子需要破坏化学键，吸收能量，2E1>E2，D项错误。‎ ‎3．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。‎ ‎4．下列说法正确的是(　　)‎ A．任何化学反应都伴随着能量的变化 B．H2O(g)―→H2O(l)该过程放出大量的热，所以该过程是化学变化 C．化学反应中能量的变化都表现为热量的变化 16‎ D．对于如图所示的过程，是吸收能量的过程 答案　A 解析　任何化学反应都有能量的变化，但有能量变化的过程不一定是化学变化，如物质的三态变化，虽然存在能量变化，但不存在旧化学键的断裂与新化学键的形成，故不是化学变化，A项正确，B项错误；化学反应中能量变化的形式有多种，除热能外，还有光能、电能等，C项错误；由图像可知，该过程中反应物的总能量大于生成物的总能量，故该过程中放出了能量，D项错误。‎ ‎5．根据下列信息判断氢气燃烧生成水时的热量变化，其中一定正确的是(　　)‎ A．H2O分解为H2与O2时放出热量 B．生成1 mol H2O时吸收热量245 kJ C．甲、乙、丙中物质所具有的总能量大小关系：乙>甲>丙 D．氢气和氧气的总能量小于水的能量 答案　C 解析　根据能量变化可知，1 mol H2与 mol O2断键时吸收685 kJ能量，而生成1 mol H2O放出930 kJ能量，所以H2燃烧生成H2O的反应是放热反应，则H2O的分解是吸热反应。‎ ‎6．已知断开1 mol H—H键、1 mol N—H键、1 mol N≡N键分别需要吸收的能量为436 kJ、391 kJ、946 kJ。一定条件下由氢气和氮气反应生成1 mol NH3需要 (填“放出”或“吸收”) kJ的热量。‎ 答案　放出　46‎ 解析　根据化学方程式N2＋3H22NH3，生成1 mol NH3时需要消耗0.5 mol的N2和1.5 mol的H2。因此在上述的反应过程中断裂0.5 mol N≡N键和1.5 mol H—H键，共吸收热量0.5×946 kJ＋1.5×436 kJ＝1 127 kJ；形成1 mol NH3中的3 mol N—H键，共放出热量3×391 kJ＝1 173 kJ。因为1 173 kJ＞1 127 kJ，因此反应放热，共放出 1 173 kJ－1 127 kJ＝46 kJ的热量。‎ 16‎ ‎[对点训练]‎ 题组一　化学能与热能的相互转化 ‎1．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①②③ B．仅①②④‎ C．仅①②③④ D．仅③④⑤‎ 答案　C 解析　金属与酸的置换反应、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。‎ ‎2．下列反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应的是(　　)‎ A．锌粒与稀硫酸的反应 B．灼热的木炭与CO2反应 C．甲烷在氧气中的燃烧反应 D．Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应 答案　B 解析　锌粒与稀硫酸的反应、甲烷的燃烧反应均是放热反应；Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体的反应是吸热反应，但元素的化合价无变化，是非氧化还原反应；灼热的木炭与CO2的反应既属于吸收能量的反应，又属于氧化还原反应。‎ ‎3．下列说法中正确的是(　　)‎ A．化合反应均是放热反应，分解反应均是吸热反应 B．燃料的燃烧反应均是放热反应 C．干冰的升华是吸热反应 D．需要点燃或加热的化学反应一定是吸热反应 答案　B 解析　A项，C＋CO22CO是化合反应，但需要吸热，2H2O2===2H2O＋O2↑是分解反应，但放出热量，错误；B项，物质之所以被用做燃料，就是因为它易燃烧并放出热量，正确；C项，吸热反应属于化学反应，干冰升华不是化学反应，错误；D项，化学反应是吸热反应的决定因素是反应物的总能量低于生成物的总能量，而与化学反应发生的外部条件无关， 错误。‎ 16‎ ‎题组二　化学反应中能量变化与物质内部能量的关系 ‎4．下列反应中生成物总能量高于反应物总能量的是(　　)‎ A．碳酸钙受热分解 B．乙醇燃烧 C．铝与氧化铁粉末反应 D．氧化钙溶于水 答案　A 解析　生成物总能量高于反应物总能量则说明反应过程需要吸收能量。‎ ‎5．等质量的固态硫和硫蒸气分别在相同条件下完全燃烧，放出的热量(　　)‎ A．前者多 B．后者多 C．二者相等 D．无法比较 答案　B 解析　等质量的硫蒸气本身具有的能量高于等质量的固态硫，B项正确。‎ ‎6．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　化学反应中能量变化与物质能量的关系 题点　由图像分析化学反应中的能量变化 答案　B ‎7．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．‎12 g C所具有的能量一定高于‎28 g CO所具有的能量 B．‎56 g CO和‎32 g O2所具有的总能量大于‎88 g CO2所具有的总能量 C．‎12 g C和‎32 g O2所具有的总能量大于‎44 g CO2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与物质能量的关系 题点　由物质的能量认识化学反应中的能量变化 16‎ 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＋O2CO2必然是放热反应，B、C两项正确；‎12 g C并不代表反应物的全部，O2也是反应物，A项不正确；由于CCO放热、COCO2放热，所以CCO2比CCO放出的热量要多，D项正确。‎ ‎8．(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100 kPa时，1 mol石墨转化为金刚石要吸收1.895 kJ的热能。据此判断在100 kPa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．1 mol金刚石比1 mol石墨的总能量低 D．1 mol金刚石转变为石墨需要吸收1.895 kJ能量 考点　化学键与化学反应中能量变化与物质能量的关系 题点　化学反应中能量变化与物质的稳定性 答案　B 解析　1 mol石墨转化为金刚石吸收1.895 kJ的热能，说明金刚石的能量高于石墨，石墨稳定，A项不正确，B项正确，C项不正确；1 mol金刚石转变为石墨时要放出1.895 kJ的能量，D项不正确。‎ 题组三　化学反应中能量变化与化学键的关系 ‎9．下列对化学反应的认识中错误的是(　　)‎ 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 答案　C 解析　化学反应不一定引起物质状态的变化，如氮气与氢气化合生成氨气无状态变化。‎ ‎10．氢气在氯气中燃烧产生苍白色火焰。在反应过程中，破坏1 mol氢气中的化学键消耗的能量为Q1 kJ，破坏1 mol 氯气中的化学键消耗的能量为Q2 kJ，形成1 mol氯化氢中的化学键释放的能量为Q3 kJ。下列关系式中正确的是(　　)‎ A．Q1＋Q2<2Q3 B．Q1＋Q2>Q3‎ C．Q1＋Q22Q3‎ 答案　A 16‎ 解析　由于Cl2和H2反应生成HCl要放出热量，所以Q1＋Q2<2Q3。‎ ‎11．已知断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，形成1 mol H—N键放出的能量为391 kJ，根据化学方程式N2＋3H22NH3，反应完1 mol N2放出的能量为92.4 kJ，则断开1 mol N≡N键需吸收的能量是(　　)‎ A．431 kJ B．945.6 kJ C．649 kJ D．869 kJ 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1 mol N≡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：92.4 kJ＝6×391 kJ－3×436 kJ－x，x＝945.6 kJ。‎ ‎12．(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．1 mol N2(g)和1 mol O2(g)反应放出的能量为180 kJ B．1 mol N2(g)和1 mol O2(g)具有的总能量小于2 mol NO(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(g)‎ D．NO是一种酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成盐和水 考点　化学变化中的能量变化与化学键的关系 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946 kJ·mol－1＋498 kJ·mol－1－2×632 kJ·mol－1＝180 kJ·mol－1，所以该反应是吸热反应，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进行，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。‎ ‎[综合强化]‎ ‎13．某同学做如下实验，以检验反应中的能量变化。‎ 16‎ ‎(1)在实验中发现反应后①中温度升高，由此可以判断①中反应是 热反应；②中温度降低，由此可以判断②中反应是 热反应，反应过程 (填“①”或“②”)的能量变化可用下图表示。‎ ‎(2)写出铝与盐酸反应的离子方程式： 。‎ ‎(3)根据能量守恒定律，②中反应物的总能量应该 (填“高于”或“低于”)其生成物的总能量。‎ 答案　(1)放　吸　①　(2)2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑‎ ‎(3)低于 解析　(1)反应后①中温度升高，②中温度降低，说明①中反应为放热反应，②中反应为吸热反应。‎ ‎(2)铝与盐酸反应的离子方程式为2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。‎ ‎(3)②中反应为吸热反应，根据能量守恒定律，②中反应物的总能量应该低于其生成物的总能量。‎ ‎14．(2018·周口高一检测)在‎25 ℃‎、101 kPa的条件下，断裂1 mol H—H键吸收436 kJ能量，断裂1 mol Cl—Cl键吸收243 kJ能量，形成 1 mol H—Cl键放出431 kJ能量。H2＋Cl22HCl的化学反应可用下图表示：‎ ‎(1)化学键断裂需要 (填“释放”或“吸收”)能量。‎ ‎(2)图中生成物成键共释放能量 kJ·mol－1。‎ ‎(3)该反应的反应物的总能量 (填“大于”“等于”或“小于”)生成物的总能量，所以该反应是 反应。‎ 答案　(1)吸收　(2)862　(3)大于　放热 解析　该反应中断裂的化学键为H—H键和Cl—Cl键，共吸收能量：436 kJ·mol－1＋243 kJ·mol－1＝679 kJ·mol－1，形成的化学键为H—Cl键，共释放能量：431 kJ·mol－1×2＝862‎ 16‎ ‎ kJ·mol－1，由于放出的能量大于吸收的能量，该反应为放热反应，反应物的总能量大于生成物的总能量。‎ 16‎ ‎15．如图是某同学设计的放热反应的观察装置。其实验操作是①按图所示将实验装置连接好；②在U形管内加入少量红墨水，打开T形管螺旋夹，使U形管内两边的液面处于同一水平面，再夹紧螺旋夹；③在中间的试管里盛‎1 g氧化钙，当滴入2 mL左右的蒸馏水后，即可观察。‎ 试回答：‎ ‎(1)实验中能观察到的现象是 ‎ 。‎ ‎(2)该实验中①②操作之间必须进行的一步实验操作是 ‎ 。‎ ‎(3)实验中发生反应的化学方程式为 ‎ 。‎ ‎(4)说明CaO、H2O的能量与Ca(OH)2能量之间的关系：‎ ‎ 。‎ 答案　(1)U形管里的红墨水会沿开口端上升(其他答案合理均可)‎ ‎(2)检查装置气密性 ‎(3)CaO＋H2O===Ca(OH)2‎ ‎(4)1 mol CaO和1 mol H2O的能量之和大于1 mol Ca(OH)2的能量 解析　CaO和H2O的反应是放热反应，所以红墨水右高左低，且1 mol CaO和1 mol H2O的能量之和大于1 mol Ca(OH)2的能量。‎ ‎16．下表中的数据是破坏1 mol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．H2 B．Cl‎2 C．Br2 D．I2‎ ‎(2)下列氢化物中最稳定的是 (填字母)。‎ A．HCl B．HBr C．HI ‎(3)反应X2＋H2===2HX(X代表Cl、Br、I)是 (填“吸热”或“放热”)反应。‎ 16‎ ‎(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，放出或吸收的能量最多的是 。‎ ‎(5)若无上表中的数据，你能正确回答出问题(4)吗？你的依据是 。‎ 答案　(1)A　(2)A　(3)放热　(4)Cl2‎ ‎(5)能。元素的非金属性越强，则其生成的氢化物越稳定，且越容易生成，放出的热量越多 解析　(1)破坏1 mol化学键所消耗的能量越大，其越稳定，本身的能量也越低。则H2、Cl2、Br2、I2中，H2的能量最低。(2)同(1)，消耗能量HCl>HBr>HI，故HCl最稳定。(3)形成新键所放出的能量均大于X2、H2断键所消耗的能量，故均为放热反应。(4)以氯元素为例计算断开1 mol Cl—Cl键和1 mol H—H键需要吸收的能量为243 kJ＋436 kJ＝679 kJ，而形成2 mol H—Cl键放出的能量为2×432 kJ＝864 kJ，所以在Cl2＋H2===2HCl反应中放出864 kJ－679 kJ＝185 kJ的热量，同理可以计算在Br2＋H2===2HBr、I2＋H2===2HI反应中分别放出的热量为103 kJ、9 kJ。(5)可以从非金属元素非金属性的强弱进行判断。‎ 16‎