高中苏教版 (2019)第一单元 化学反应的热效应第二课时学案及答案

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eq \a\vs4\al(反应热的测量实验)
1．实验目的
通过一定量的酸、碱溶液在反应前后温度的变化，计算反应放出的热量，由此求得中和反应的反应热(简称中和热)。
2．实验装置(简易量热计)
3．实验步骤
(1)用量筒量取50 mL 0.50 ml·L－1盐酸，倒入简易量热计中，测量并记录盐酸的温度(T1)。
(2)另取一量筒量取50 mL 0.50 ml·L－1氢氧化钠溶液，测量并记录氢氧化钠溶液的温度(T2)。
(3)将量筒中的氢氧化钠溶液迅速倒入盛有盐酸的简易量热计中，立即盖上盖板，用环形玻璃搅拌棒轻轻搅拌，观察温度计的温度变化，准确读出反应体系的最高温度(T3)并记录。
(4)重复上述步骤(1)至步骤(3)两次。
4．数据记录与处理
(1)假设溶液的比热与水的比热相等，溶液的密度与水的密度相等(1 g·cm－3)，忽略量热计的比热，根据溶液温度升高的数值，即可计算该酸碱反应的反应热。
(2)反应体系的热容C＝(VHCl·ρHCl＋VNaOH·ρNaOH)×4.18 J·℃－1＝[(50＋50)×4.18]J·℃－1＝418 J·℃－1，则ΔH＝－ eq \f(C×ΔT×10－3,0.025) kJ·ml－1＝－ eq \f(0.418ΔT,0.025) kJ·ml－1，即HCl(aq)＋NaOH(aq)===H2O(l)＋NaCl(aq) ΔH＝－ eq \f(0.418ΔT,0.025) kJ·ml－1。
[问题探讨]
1．如果用同样的方法测定氢氧化钾溶液与盐酸反应、氢氧化钠溶液与硝酸反应的反应热，请预测其反应热是否相同并说明理由。
提示：所测得的上述三个中和反应的反应热相同。以上三组溶液中所发生的反应均为H＋(aq)＋OH－(aq)===H2O(l)，由于三组实验中所用溶液的体积相同，溶液中H＋和OH－的浓度相同，反应温度相同，因此三个反应的反应热也相同。
2．能否用铜质搅拌棒代替玻璃搅拌棒？
提示：不能，原因是金属铜传热快，实验过程中会造成热量损失。
3．实验过程中能否用醋酸代替盐酸，或用氨水代替NaOH溶液？否则对实验结果会造成什么影响？
提示：不能；弱酸、弱碱电离吸收热量，会使测得的中和热的数值偏小。
1．注意问题
(1)实验中要用强酸、强碱的稀溶液(0.1～0.5 ml·L－1)。
(2)操作时动作要快，尽量减少热量的损失，使用绝热装置，避免热量散发到反应体系外。
(3)测量盐酸的温度后，要将温度计上的酸冲洗干净后，再测量NaOH溶液的温度，避免酸、碱在温度计的表面反应放热而影响测量结果。
(4)读取中和反应体系的温度(T3)是反应混合液的最高温度。
(5)测定中和热不能用弱酸或弱碱，因弱酸、弱碱电离时吸收热量而使测量的数值偏低。
(6)中和热的数值是57.3 kJ·ml－1，测定时与强酸、强碱的用量无关。
2．误差分析
看实验中有哪些因素能使ΔT出现误差。若ΔT偏大，则中和热数值偏大；若ΔT偏小，则中和热数值偏小。
例如：50 mL 0.50 ml·L－1盐酸与50 mL 0.50 ml·L－1 NaOH溶液反应的误差分析：
1．在测定中和热的实验中，下列说法正确的是( )
A．使用玻璃搅拌器是为了加快反应速率，减小实验误差
B．为了准确测定反应混合溶液的温度，实验中温度计水银球应与小烧杯底部接触
C．用0.55 ml·L－1 NaOH溶液分别与0.50 ml·L－1的盐酸、醋酸溶液反应，若所取的溶液体积相等，则测得的中和热数值相同
D．在测定中和热的实验中，需要使用的仪器有天平、量筒、烧杯、滴定管、温度计、玻璃搅拌器
解析：选A 温度计水银球应浸入溶液中但不能与烧杯底部接触，B项错误；盐酸是强酸，醋酸是弱酸，醋酸电离吸热，测得的中和热数值不同，C项错误；在测定中和热的实验中，不需要滴定管、天平，D项错误。
2．在测定中和热的实验中，至少应知道的数据是( )
①酸的浓度和体积 ②碱的浓度和体积 ③比热容
④反应后溶液的质量 ⑤生成水的质量 ⑥反应前后温度的变化
A．①②③⑥ B．①③④⑤
C．③④⑤⑥ D．全部
解析：选A 由反应热的计算公式ΔH＝－ eq \f(cmΔt,n) 可知，计算酸与碱反应的中和热时，至少需要的数据有比热容c，酸的浓度和体积，碱的浓度和体积，反应前后温度变化Δt，然后计算出反应后溶液的质量、生成水的物质的量，故选A。
eq \a\vs4\al(盖斯定律)
1．盖斯定律的内容
一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，其总的热效应是完全相等的。或者说，化学反应的反应热只与反应体系的起始状态和最终状态有关， 而与反应的途径无关。
2．盖斯定律的特点
(1)反应的热效应只与始态、终态有关，与反应的途径无关。
(2)反应热总值一定，如下图表示始态到终态的反应热：
则ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝ΔH3＋ΔH4＋ΔH5。
(3)能量守恒：能量既不会增加，也不会减少，只会从一种形式转化为另一种形式。
3．盖斯定律的应用
因为有些反应进行得很慢，有些反应不容易直接进行，有些伴有副反应发生，这给直接测定这些反应的反应热造成了困难，应用盖斯定律可以间接地把它们的反应热计算出来，例如求C(s)＋ eq \f(1,2) O2(g)===CO(g)的反应热：
(1)C(s)＋O2(g)===CO2(g)
ΔH1＝－393.5 kJ·ml－1；
(2)CO(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===CO2(g) ΔH2＝－283.0 kJ·ml－1，求C(s)＋ eq \f(1,2) O2(g)===CO(g)的反应热ΔH。
根据盖斯定律，知：
ΔH1＝ΔH＋ΔH2，则：ΔH＝ΔH1－ΔH2＝－393.5__kJ·ml－1－(－283.0__kJ·ml－1)＝_－110.5_kJ·ml－1。
[问题探讨]
1．已知：①C(石墨，s)＋O2(g)===CO2(g)
ΔH1＝－393.5 kJ·ml－1
②C(金刚石，s)＋O2(g)===CO2(g)
ΔH2＝－395.0 kJ·ml－1
由石墨变成金刚石是放热反应还是吸热反应？判断金刚石和石墨哪种物质的稳定性更强。
提示：根据盖斯定律，由①－②得：C(石墨，s)===C(金刚石，s) ΔH＝1.5 kJ·ml－1，石墨变成金刚石是吸热反应；石墨的稳定性更强。
2．目前，宇宙飞船中常用的推进剂是肼(N2H4)和NO2，即肼为燃料，二氧化氮作氧化剂，二者反应生成氮气和气态水，已知：
①N2(g)＋2O2(g)===2NO2(g)
ΔH＝67.7 kJ·ml－1
②N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)
ΔH＝－534 kJ·ml－1
③ eq \f(1,2) H2(g)＋ eq \f(1,2) F2(g)===HF(g)
ΔH＝－269 kJ·ml－1
④H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(g)
ΔH＝－242 kJ·ml－1
(1)试写出肼和NO2反应的热化学方程式。
提示：根据盖斯定律，由②×2－①得，
2N2H4(g)＋2NO2(g)===3N2(g)＋4H2O(g)
ΔH＝－1 135.7 kJ·ml－1。
(2)有人提出用氟气代替NO2作氧化剂，则反应释放的能量更大，试写出肼与氟气反应的热化学方程式，并判断这种观点是否正确。
提示：根据盖斯定律，由②＋③×4－④×2可得：N2H4(g)＋2F2(g)===N2(g)＋4HF(g) ΔH＝－1 126 kJ·ml－1；等量的肼分别与NO2和F2发生反应，与F2反应放出的热量更多，故上述观点正确。
应用盖斯定律的常用方法
1．虚拟路径法
若反应物A变为生成物D，可以有两个途径：
(1)由A直接变成D，反应热为ΔH；
(2)由A经过B变成C，再由C变成D，每步的反应热分别为ΔH1、ΔH2、ΔH3，如图所示：
，
则有：ΔH＝ΔH1＋ΔH2＋ΔH3。
(3)实例：已知下列两个热化学方程式
Ⅰ.P4(s，白磷)＋5O2(g)===P4O10(s)
ΔH1＝－2 983.2 kJ·ml－1
Ⅱ.P(s，红磷)＋ eq \f(5,4) O2(g)=== eq \f(1,4) P4O10(s)
ΔH2＝－738.5 kJ·ml－1
写出白磷转化成红磷的热化学方程式。
可虚拟如下路径：
根据盖斯定律可得，ΔH＝ΔH1＋(－ΔH2)×4＝－2 983.2 kJ·ml－1＋738.5 kJ·ml－1×4＝－29.2 kJ·ml－1，故白磷转化成红磷的热化学方程式为P4(s，白磷)===4P(s，红磷) ΔH＝－29.2 kJ·ml－1
2．加和法
eq \x(\a\al(先确定,待求的,反应的,化学方,程式 )) ⇒ eq \x(\a\al(找出待求反,应的化学方,程式中各物,质在已知反,应的热化学,方程式中的,位置)) ⇒
根据待求反应的化学方程式中各物质的化学计量数和位置对已知反应的热化学方程式进行处理，得到变形后的新反应的热化学方程式
⇒
将新得到的反应的热化学方程式进行加减(反应热也需要进行相应加减)
⇒ eq \x(\a\al(写出待求,的热化学,方程式 ))
上例中用加和法，根据盖斯定律，由Ⅰ－4×Ⅱ可得反应的ΔH＝ΔH1－4ΔH2＝－2 983.2 kJ·ml－1－4×(－738.5 kJ·ml－1)＝－29.2 kJ·ml－1，即白磷转化成红磷的热化学方程式为P4(s，白磷)===4P(s，红磷) ΔH＝－29.2 kJ·ml－1。
[名师点拨]
(1)热化学方程式同乘以某一个数时，反应热数值也必须乘上该数。
(2)热化学方程式相加减时，同种物质之间可相加减，反应热也随之相加减(带符号)。
(3)将一个热化学方程式颠倒时，ΔH的“＋”“－”号必须随之改变，但数值不变。
1．在298 K、101 kPa时，已知：
2H2O(g)===O2(g)＋2H2(g) ΔH1
Cl2(g)＋H2(g)===2HCl(g) ΔH2
2Cl2(g)＋2H2O(g)===4HCl(g)＋O2(g) ΔH3
则ΔH3与ΔH1和ΔH2间的关系正确的是( )
A．ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2 B．ΔH3＝ΔH1＋ΔH2
C．ΔH3＝ΔH1－2ΔH2 D．ΔH3＝ΔH1－ΔH2
解析：选A 将题给的三个热化学方程式依次编号为①、②、③，根据盖斯定律，由①＋②×2可得③，故ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2，A项正确。
2．已知：
2Zn(s)＋O2(g)===2ZnO(s) ΔH＝－701.0 kJ·ml－1
2Hg(l)＋O2(g)===2HgO(s) ΔH＝－181.6 kJ·ml－1
则反应Zn(s)＋HgO(s)===ZnO(s)＋Hg(l)的ΔH为( )
A．＋519.4 kJ·ml－1 B．＋259.7 kJ·ml－1
C．－259.7 kJ·ml－1 D．－519.4 kJ·ml－1
解析：选C 设Zn(s)＋HgO(s)===ZnO(s)＋Hg(l)ΔH1，
2Zn(s)＋O2(g)===2ZnO(s) ΔH2，
2Hg(l)＋O2(g)===2HgO(s) ΔH3，
由盖斯定律得：
ΔH1＝ eq \f(（ΔH2－ΔH3）,2) ＝－259.7 kJ·ml－1。
eq \a\vs4\al(归纳与论证能力)
2021年3月13日，我国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，成功将遥感三十一号04组卫星发射升空，卫星进入预定轨道。
(1)长征四号丙运载火箭的一子级、助推器和二子级使用液态四氧化二氮和液态偏二甲肼(C2H8N2)作为推进剂。N2O4与偏二甲肼燃烧产物只有CO2(g)、H2O(g)、N2(g)，并放出大量热，已知10.0 g液态偏二甲肼与液态四氧化二氮完全燃烧可放出425 kJ热量，书写该反应的热化学方程式。
提示：N2O4与偏二甲肼反应的产物为CO2、N2和气态水，1 ml C2H8N2(l)与N2O4(l)完全燃烧放出的热量为 eq \f(425 kJ,10.0 g) ×60 g＝2 550.0 kJ。该反应的热化学方程式为C2H8N2(l)＋2N2O4(l)===2CO2(g)＋4H2O(g)＋3N2(g) ΔH＝－2 550.0 kJ·ml－1。
(2)长征四号丙运载火箭的三子级使用的是效能更高的液氢和液氧作为推进剂。已知：
①H2(g)===H2(l) ΔH＝－0.92 kJ·ml－1
②O2(g)===O2(l) ΔH＝－6.84 kJ·ml－1
③H2O(l)===H2O(g) ΔH＝＋44.0 kJ·ml－1
④H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(l)
ΔH＝－285.8 kJ·ml－1
请写出液氢和液氧生成气态水的热化学方程式。
提示：根据盖斯定律，由④＋③－①－②× eq \f(1,2) 得：H2(l)＋ eq \f(1,2) O2(l)===H2O(g) ΔH＝－237.46 kJ·ml－1。
(3)肼(N2H4)常用作火箭燃料。
肼(H2N—NH2)的有关化学反应的能量变化如图所示：
计算下表中的a值。
提示：391。由能量变化图示可知，反应N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝－576 kJ·ml－1，根据反应热与键能的关系可知ΔH1＝ΔH3－ΔH2＝(4a kJ·ml－1＋154 kJ·ml－1＋500 kJ·ml－1)－(942 kJ·ml－1＋4×463 kJ·ml－1)＝－576 kJ·ml－1，解得a＝391。
反应热计算的常用方法
1．根据热化学方程式计算。
2．根据盖斯定律计算
根据盖斯定律，可以将两个或两个以上的热化学方程式包括其ΔH相加或相减，得到一个新的热化学方程式。
3．根据键能计算
ΔH＝反应物的化学键断裂所吸收的能量总和－生成物的化学键形成所释放的能量总和。
1．探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：
Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
ΔH1＝－49.5 kJ·ml－1
Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
ΔH2＝－90.4 kJ·ml－1
Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH3
ΔH3＝________kJ·ml－1。
解析：分析三个热化学方程式，可应用盖斯定律计算，ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝－49.5 kJ·ml－1－(－90.4 kJ·ml－1)＝＋40.9 kJ·ml－1。
答案：＋40.9
2．100 mL 0.200 ml·L－1 CuSO4溶液与1.95 g锌粉在量热计中充分反应。测得反应前温度为20.1 ℃，反应后最高温度为30.1 ℃。
已知：反应前后，溶液的比热容均近似为4.18 J·g－1·℃－1、溶液的密度均近似为1.00 g·cm－3，忽略溶液体积、质量变化和金属吸收的热量。请计算：
(1)反应放出的热量Q＝________J。
(2)反应Zn(s)＋CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)＋Cu(s)的ΔH＝________kJ·ml－1(列式计算)。
解析：(1)根据Q＝cmΔt，反应放出的热量Q＝4.18 J·g－1·℃－1×100 mL×1.00 g·cm－3×(30.1 ℃－20.1 ℃)＝4.18×103 J。(2)n(CuSO4)＝0.100 L×0.200 ml·L－1＝0.020 ml，n(Zn)＝ eq \f(1.95 g,65 g·ml－1) ＝0.030 ml，显然Zn过量，即0.020 ml Zn和0.020 ml CuSO4反应放出的热量为4.18×103 J，故反应Zn(s)＋CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)＋Cu(s)的ΔH＝－ eq \f(4.18×103/1000,0.100×0.200) ＝－209 kJ·ml－1。
答案：(1)4.18×103
(2)－ eq \f(4.18×103/1 000,0.100×0.200) ＝－209
[分级训练·课课过关]______________________________________________________
1.假设反应体系的始态为甲，中间态为乙，终态为丙，它们之间的变化如图所示，则下列说法不正确的是( )
A．|ΔH1|一定大于|ΔH2|
B．|ΔH1|<|ΔH3|
C．ΔH1＋ΔH2＋ΔH3＝0
D．甲→丙过程的ΔH＝ΔH1＋ΔH2
解析：选A 题述过程中甲为始态，乙为中间态，丙为终态，由盖斯定律可知，甲→丙过程的ΔH＝ΔH1＋ΔH2，D项正确；在题述过程中无法判断ΔH1与ΔH2的大小，故无法判断|ΔH1|与|ΔH2|的大小，A项错误；由|ΔH3|＝|ΔH1|＋|ΔH2|可知，|ΔH1|<|ΔH3|，B项正确；ΔH1＋ΔH2＋ΔH3＝0，C项正确。
2．强酸与强碱的稀溶液发生中和反应的热化学方程式为H＋(aq)＋OH－(aq)===H2O(l) ΔH＝－57.3 kJ·ml－1。稀醋酸、浓硫酸、稀硝酸分别与0.1 ml·L－1的NaOH溶液恰好完全反应，放出的热量与消耗NaOH溶液的体积之间的关系如图所示(CH3COOH电离要吸热)。则下列描述正确的是( )
A.A表示稀硝酸与NaOH溶液的反应
B．B表示稀醋酸与NaOH溶液的反应
C．b＝5.73
D．C表示浓硫酸与NaOH溶液的反应
解析：选C CH3COOH是弱酸，电离会吸热，浓硫酸溶解会放出大量的热，这些不属于中和热，所以稀醋酸、浓硫酸、稀硝酸分别与1.0 L 0.1 ml·L－1的NaOH溶液恰好完全反应，实际放出的热量的大小顺序为浓硫酸(A)>稀硝酸(B)>稀醋酸(C)，b点表示生成0.1 ml H2O(l)放出的热量，所以b＝5.73。
3．下列关于盖斯定律的描述不正确的是( )
A．化学反应的反应热不仅与反应体系的始态和终态有关，也与反应的途径有关
B．盖斯定律遵守能量守恒定律
C．利用盖斯定律可间接计算难以通过实验测定的反应的反应热
D．利用盖斯定律可以计算有副反应发生的反应的反应热
答案：A
4．已知：N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH1＝180.5 kJ·ml－1
2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH2＝－221.0 kJ·ml－1
C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH3＝－393.5 kJ·ml－1
则能表示汽车尾气转化的热化学方程式为( )
A．2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)
ΔH＝－746.5 kJ·ml－1
B．2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)
ΔH＝＋746.5 kJ·ml－1
C.NO(g)＋CO(g)=== eq \f(1,2) N2(g)＋CO2(g)
ΔH＝－373.25 kJ
D．2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)
ΔH＝＋1 493 kJ·ml－1
解析：选A 将已知的热化学方程式从上到下依次编号为①、②、③，能表示汽车尾气转化的反应的化学方程式为2NO＋2CO===N2＋2CO2，则根据盖斯定律，由③×2－①－②即可得出要求的热化学方程式，其ΔH＝2ΔH3－ΔH1－ΔH2＝－746.5 kJ·ml－1，所以A项正确。
5．(1)已知：①Fe(s)＋ eq \f(1,2) O2(g)===FeO(s) ΔH1＝－272.0 kJ·ml－1，②2Al(s)＋ eq \f(3,2) O2(g)===Al2O3(s)
ΔH2＝－1 675.7 kJ·ml－1。
那么Al和FeO发生反应(铝热反应)的热化学方程式是
________________________________________________________________________。
(2)已知：Na2CO3·10H2O(s)===Na2CO3(s)＋10H2O(g)
ΔH＝＋532.36 kJ·ml－1
Na2CO3·10H2O(s)===Na2CO3·H2O(s)＋9H2O(g)
ΔH＝＋473.63 kJ·ml－1
写出Na2CO3·H2O脱水反应的热化学方程式： _____________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)该铝热反应的化学方程式为3FeO(s)＋2Al(s)===Al2O3(s)＋3Fe(s)，其热化学方程式可由②－①×3得到，故该反应的ΔH＝ΔH2－ΔH1×3＝－1 675.7 kJ·ml－1－(－272.0 kJ·ml－1)×3＝－859.7 kJ·ml－1。
(2)Na2CO3·H2O脱水的化学方程式为Na2CO3·H2O(s)===Na2CO3(s)＋H2O(g)，将题给热化学方程式依次编号为①、②，则①－②即得目标热化学方程式：
Na2CO3·H2O(s)===Na2CO3(s)＋H2O(g)
ΔH＝＋532.36 kJ·ml－1－(＋473.63 kJ·ml－1)＝＋58.73 kJ·ml－1。
答案：(1)3FeO(s)＋2Al(s)===Al2O3(s)＋3Fe(s)
ΔH＝－859.7 kJ·ml－1
(2)Na2CO3·H2O(s)===Na2CO3(s)＋H2O(g)
ΔH＝＋58.73 kJ·ml－1
明课程标准
扣核心素养
1.能进行反应焓变的简单计算。
2.了解盖斯定律及其简单应用。
证据推理与模型认知：能理解、描述和表示盖斯定律计算模型，并能熟练运用于反应焓变的计算。
盐酸的温度(T1)/℃
氢氧化钠溶液的温度(T2)/℃
反应体系的最高温度(T3)/℃
反应体系的温度变化 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(ΔT＝T3－\f(T1＋T2,2))) /℃
反应体系的热容
[C＝(VHCl·ρHCl＋VNaOH·ρNaOH)×4.18]/(J·℃－1)
反应热 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(ΔH＝－\f(C×ΔT×10－3,0.025))) /(kJ·ml－1)
引起误差的实验操作
ΔT
中和热数值
保温措施不好
偏小
偏小
搅拌不充分
偏小
偏小
所用酸、碱的浓度过大
偏大
偏大
用同浓度的氨水代替NaOH溶液
偏小
偏小
用同浓度的醋酸代替盐酸
偏小
偏小
量热器中小烧杯杯口与大烧杯杯口不相平
偏小
偏小
化学键
N—N
O===O
N≡N
O—H
N—H
键能/
(kJ·ml－1)
154
500
942
463
a