2020届高考化学二轮复习化学能与热能学案


1.了解化学反应中能量转化的原因及常见的能量转化形式。
2.了解化学能与热能的相互转化，了解吸热反应、放热反应、反应热等概念。
3.了解热化学方程式的含义，能正确书写热化学方程式。
4.了解焓变(ΔH)与反应热的含义。
5.理解盖斯定律，并能运用盖斯定律进行有关反应焓变的计算。
6.了解能源是人类生存和社会发展的重要基础，了解化学在解决能源危机中的重要作用。

知识点一 焓变、热化学方程式
1.反应热(焓变)
(1)概念：在恒压条件下进行的反应的热效应。
符号：ΔH。
单位：kJ·mol－1或kJ/mol。
(2)表示方法
吸热反应：ΔH>0；放热反应：ΔH<0。
2.放热反应和吸热反应的判断
(1)从反应物和生成物的总能量相对大小的角度分析，如图所示。
　
(2)从反应热的量化参数——键能的角度分析

(3)记忆常见的放热反应和吸热反应
放热反应：①可燃物的燃烧；②酸碱中和反应；③大多数化合反应；④金属跟酸的置换反应；⑤物质的缓慢氧化等。
吸热反应：①大多数分解反应；②盐的水解；③Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应；④碳和水蒸气、C和CO2的反应等。
3.理解反应历程与反应热的关系
图示


意义
a表示正反应的活化能；b表示逆反应的活化能。c表示该反应的反应热。
ΔH
图1：ΔH＝(a－b) kJ·mol－1＝－c kJ·mol－1，表示放热反应
图2：ΔH＝(a－b) kJ·mol－1＝c kJ·mol－1，表示吸热反应
4.热化学方程式
(1)概念
表示参加反应物质的量和反应热的关系的化学方程式。
(2)意义
表明了化学反应中的物质变化和能量变化。
如：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)
ΔH＝－571.6 kJ·mol－1
表示：2 mol氢气和1 mol氧气反应生成2 mol液态水时放出571.6 kJ的热量。
(3)书写要求
①注明反应的温度和压强(25 ℃、101 kPa下进行的反应可不注明)。
②注明反应物和生成物的状态：固态(s)、液态(l)、水溶液(aq)、气态(g)。
③热化学方程式中各物质的化学计量数只表示物质的物质的量，而不表示分子个数(或原子个数)，因此可以写成分数。
④热化学方程式中不用“↑”和“↓”。
⑤由于ΔH与反应物的物质的量有关，所以热化学方程式中物质的化学计量数必须与ΔH相对应，如果化学计量数加倍，则ΔH也要加倍。当反应向逆反应方向进行时，其反应热与正反应的反应热数值相等，符号相反。
【典例1】（浙江镇海中学2019届模拟）已知化学反应A2(g)＋B2(g)===2AB(g)　ΔH＝＋100 kJ·mol－1的能量变化如图所示，判断下列叙述中正确的是(　　)

A.加入催化剂，该反应的反应热ΔH将减小
B.每形成2 mol A—B键，将吸收b kJ能量
C.每生成2分子AB吸收(a－b) kJ热量
D.该反应正反应的活化能大于100 kJ·mol－1
【答案】D
【解析】催化剂不能改变反应热的大小，A错误；形成化学键，释放能量，B错误；热化学方程式中，化学计量数代表物质的量，C错误。
【方法技巧】
(1)焓变与反应发生的条件、反应进行是否彻底无关。
(2)催化剂能降低反应所需活化能，但不影响焓变的大小。
(3)在化学反应中，反应物各原子之间的化学键不一定完全断裂。
【变式1】（福建莆田一中2019届模拟）最新报道：科学家首次用X射线激光技术观察到CO与O在催化剂表面形成化学键的过程。反应过程的示意图如下：


下列说法正确的是(　　)
A.CO和O生成CO2是吸热反应
B.在该过程中，CO断键形成C和O
C.CO和O生成了具有极性共价键的CO2
D.状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O2反应的过程
【答案】C
【解析】由题干上图可知状态Ⅲ的能量低于状态Ⅰ的能量，因此该过程是放热过程，A项错误；由题干下图可知该过程中CO的化学键没有断开，B项错误；CO与O生成的CO2具有极性共价键，C项正确；状态Ⅰ到状态Ⅲ表示CO与O生成CO2的过程，D项错误。
知识点二 燃烧热、中和热、能源
1.燃烧热和中和热的比较

燃烧热
中和热
相同点
能量变化
放热
ΔH及其单位
ΔH＜0，单位均为kJ·mol－1
不同点
反应物的量
1 mol
不一定为1 mol
生成物的量
不确定
生成水的量为1 mol
反应热的含义
101 kPa时，1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量
在稀溶液里，酸与碱发生中和反应生成1 mol水时所放出的热量
表示方法
燃烧热ΔH＝－a kJ·mol－1(a＞0)
强酸与强碱反应的中和热ΔH＝－57.3 kJ·mol－1
2.中和热的测定
(1)实验装置

(2)测定原理
ΔH＝－
c＝4.18 J·g－1·℃－1＝4.18×10－3 kJ·g－1·℃－1；
n为生成H2O的物质的量。
(3)注意事项
①泡沫塑料板和碎泡沫塑料(或纸条)的作用是保温。
②为保证酸完全中和，采取的措施是若采用的酸、碱浓度相等，可采用碱体积稍过量。
3.能源
(1)能源分类

(2)解决能源问题的措施
①提高能源的利用效率：a.改善开采、运输、加工等各个环节；b.科学控制燃烧反应，使燃料充分燃烧。
②开发新能源：开发资源丰富、可以再生、没有污染或污染很小的新能源。
【典例2】（山东青岛二中2019届模拟）下列热化学方程式中ΔH的数值表示可燃物燃烧热的是(　　)
A.CO(g)＋O2(g)===CO2(g)
ΔH＝－283 kJ·mol－1
B.CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)
ΔH＝－802.3 kJ·mol－1
C.2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)
ΔH＝－571.6 kJ·mol－1
D.H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)
ΔH＝－184.6 kJ·mol－1
【答案】A
【解析】A项，符合燃烧热的概念，正确；B项，生成物中的水是气体，属于不稳定氧化物，错误；C项，热化学方程式中是2 mol可燃物氢气燃烧放热，不符合燃烧热的概念，错误；D项，HCl不是氧化物，不符合燃烧热的概念要求，错误。
【方法技巧】
(1)有关燃烧热的判断，一看是否以1 mol可燃物为标准，二看是否生成稳定氧化物。
(2)有关中和热的判断，一看是否以生成1 mol H2O为标准，二看酸碱的强弱和浓度，应充分考虑弱酸、弱碱，电离吸热，浓的酸碱稀释放热等因素。
【变式2】（重庆巴蜀中学2019届模拟）下列热化学方程式或说法正确的是(　　)
A．甲烷的燃烧热为890.3 kJ·mol－1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－890.3 kJ·mol－1
B．500 ℃、30 MPa下，将0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密闭的容器中充分反应生成NH3(g)，放热19.3 kJ，其热化学方程式为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－38.6 kJ·mol－1
C．同温同压下，等物质的量的H2与足量的Cl2在光照和点燃条件下充分反应，所产生的热量相同
D．已知中和热为57.3 kJ·mol－1，则稀硫酸与氢氧化钡溶液反应的热化学方程式为2H＋(aq)＋SO(aq)＋Ba2＋(aq)＋2OH－(aq)===BaSO4(s)＋2H2O(l)　ΔH＝－57.3 kJ·mol－1
【答案】C　
【解析】甲烷的燃烧热为890.3 kJ·mol－1，表示1 mol甲烷完全燃烧生成稳定的氧化物时放出的热量，由于水的稳定状态是液态，所以其燃烧的热化学方程式是CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－890.3 kJ·mol－1，A错误；由于氮气与氢气产生氨气的反应是可逆反应，反应物不能完全转化为生成物，所以500 ℃、30 MPa下，将0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密闭的容器中充分反应生成氨气的物质的量小于1 mol，该反应的ΔH<－38.6 kJ·mol－1，B错误；由于反应热只与反应物、生成物的状态及物质的量的多少有关，与反应途径无关，所以在同温同压下，等物质的量的H2与足量的Cl2在光照和点燃条件下充分反应，所产生的热量相同，C正确；稀硫酸与氢氧化钡溶液反应生成了BaSO4沉淀和水，生成BaSO4沉淀还需要放出热量，所以该反应的ΔH<－57.3 kJ·mol－1×2，D错误。
知识点三 盖斯定律、反应热的计算与比较
1.盖斯定律
(1)内容
对于一个化学反应，无论是一步完成还是分几步完成，其反应热是相同的。即：化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关。
(2)意义
间接计算某些反应的反应热。
(3)应用
转化关系
反应热间的关系
aAB、AB
ΔH1＝aΔH2
AB
ΔH1＝－ΔH2

ΔH＝ΔH1＋ΔH2
2.利用盖斯定律计算反应热
(1)运用盖斯定律的技巧——“三调一加”
一调：根据目标热化学方程式，调整已知热化学方程式中反应物和生成物的左右位置，改写已知的热化学方程式。
二调：根据改写的热化学方程式调整相应ΔH的符号。
三调：调整中间物质的化学计量数。
一加：将调整好的热化学方程式及其ΔH相加。
(2)运用盖斯定律的三个注意事项
①热化学方程式乘以某一个数时，反应热的数值必须也乘上该数。
②热化学方程式相加减时，物质之间相加减，反应热也必须相加减。
③将一个热化学方程式颠倒时，ΔH的“＋”“－”随之改变，但数值不变。
3.反应热大小的比较
(1)看物质状态。物质的气、液、固三态转化时的能量变化如下：

(2)看ΔH的符号。比较反应热大小时不要只比较ΔH数值的大小，还要考虑其符号。
(3)看化学计量数。当反应物与生成物的状态相同时，化学计量数越大，放热反应的ΔH越小，吸热反应的ΔH越大。
(4)看反应的程度。对于可逆反应，参加反应的物质的量和状态相同时，反应的程度越大，热量变化越大。
【典例3】（山西省运城一中2019届模拟）已知：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH1
3H2(g)＋Fe2O3(s)===2Fe(s)＋3H2O(g)　ΔH2
2Fe(s)＋O2(g)===Fe2O3(s)　ΔH3
2Al(s)＋O2(g)===Al2O3(s)　ΔH4
2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s)　ΔH5
下列关于上述反应焓变的判断正确的是(　　)
A.ΔH1<0，ΔH3>0
B.ΔH5<0，ΔH4<ΔH3
C.ΔH1＝ΔH2＋ΔH3
D.ΔH3＝ΔH4＋ΔH5
【答案】B
【解析】大多数化合反应为放热反应，而放热反应的反应热(ΔH)均为负值，故A错误；铝热反应为放热反应，故ΔH5<0，而2Fe(s)＋O2(g)===Fe2O3(s)　ΔH3③，2Al(s)＋O2(g)===Al2O3(s)　ΔH4④，由④－③可得：2Al(s)＋Fe2O3(s)===Al2O3(s)＋2Fe(s)　ΔH5＝ΔH4－ΔH3<0，可得ΔH4<ΔH3、ΔH3＝ΔH4－ΔH5，故B正确、D错误；已知：3H2(g)＋Fe2O3(s)===2Fe(s)＋3H2O(g)　ΔH2②，2Fe(s)＋O2(g)===Fe2O3(s)　ΔH3③，将(②＋③)×可得：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH1＝(ΔH2＋ΔH3)，故C错误。
【方法技巧】
(1)直接比较法
①物质燃烧时，可燃物物质的量越大，燃烧放出的热量越多。
②等量的可燃物完全燃烧所放出的热量肯定比不完全燃烧所放出的热量多。
③生成等量的水时，强酸和强碱的稀溶液反应比弱酸和强碱或弱碱和强酸或弱酸和弱碱的稀溶液反应放出的热量多。
④对于可逆反应，因反应不能进行完全，实际反应过程中放出或吸收的热量要小于相应热化学方程式中的反应热数值。例如：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＝－197 kJ·mol－1，表示2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)完全反应生成2 mol SO3(g)时，放出的热量为197 kJ，实际上向密闭容器中通入2 mol SO2(g)和1 mol O2(g)，反应达到平衡后，放出的热量要小于197 kJ。
(2)盖斯定律比较法
①同一反应，生成物状态不同时
如A(g)＋B(g)===C(g)　ΔH1<0
A(g)＋B(g)===C(l)　ΔH2<0
C(g)===C(l)　ΔH3<0

ΔH1＋ΔH3＝ΔH2，ΔH1<0，ΔH2<0，ΔH3<0，
所以ΔH2<ΔH1。
②同一反应，反应物状态不同时
如S(g)＋O2(g)===SO2(g)　ΔH1<0
S(s)＋O2(g)===SO2(g)　ΔH2<0
S(g)===S(s)　ΔH3<0

ΔH2＋ΔH3＝ΔH1，ΔH1<0，ΔH2<0，ΔH3<0，
所以ΔH1<ΔH2。
【变式3】（陕西西安交大附中2019届模拟）已知室温下，将CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低，将CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高，则下列能量转化关系的判断不正确的是(　　)

A.ΔH1＞0 B.ΔH2＞ΔH3
C.ΔH3＞ΔH1 D.ΔH2＝ΔH1＋ΔH3
【答案】C
【解析】A项，CuSO4·5H2O(s)受热分解生成CuSO4(s)，为吸热反应，ΔH1＞0，正确；B项，ΔH2＞0，ΔH3＜0，则ΔH2＞ΔH3，正确；C项，ΔH3＜0，ΔH1＞0，则ΔH3＜ΔH1，错误；D项，根据盖斯定律可知：ΔH2＝ΔH1＋ΔH3，正确。


考点一 热化学方程式的书写
【典例4】（四川南充高级中学2019届模拟）航天燃料从液态变为固态，是一项重大的技术突破。铍是高效率的火箭材料，燃烧时放出巨大的能量，已知1 kg金属铍完全燃烧放出的热量为62 700 kJ。则铍燃烧的热化学方程式正确的是(　　)
A．Be＋O2===BeO　ΔH＝－564.3 kJ·mol－1
B．Be(s)＋O2(g)===BeO(s)　ΔH＝＋564.3 kJ·mol－1
C．Be(s)＋O2(g)===BeO(s)　ΔH＝－564.3 kJ·mol－1
D．Be(s)＋O2(g)===BeO(g)　ΔH＝－564.3 kJ·mol－1
【答案】C　
【解析】1 kg Be的物质的量为＝ mol，又因为1 kg Be完全燃烧放出的热量为62 700 kJ，则1 mol Be完全燃烧放出的热量为 kJ＝564.3 kJ，Be与O2反应生成BeO固体，则其热化学方程式为Be(s)＋O2(g)===BeO(s)　ΔH＝－564.3 kJ·mol－1。
【方法技巧】
书写热化学方程式要“五查”
(1)查热化学方程式是否配平。
(2)查各物质的聚集状态是否正确。
(3)查ΔH的“＋”“－”符号是否正确。
(4)查反应热的单位是否为kJ·mol－1。
(5)查反应热的数值与化学计量数是否对应。
【变式4】（广东中山纪念中学2019届模拟）25 ℃、101 kPa时，强酸与强碱的稀溶液发生中和反应的中和热为57.3 kJ·mol－1，辛烷的燃烧热为5 518 kJ·mol－1。下列热化学方程式书写正确的是(　　)
A.2H＋(aq)＋SO(aq)＋Ba2＋(aq)＋2OH－(aq)===BaSO4(s)＋2H2O(l)　ΔH＝－57.3 kJ·mol－1
B.KOH(aq)＋H2SO4(aq)===K2SO4(aq)＋H2O(l)　ΔH＝－57.3 kJ·mol－1
C.C8H18(l)＋O2(g)===8CO2(g)＋9H2O(g)　ΔH＝－5 518 kJ·mol－1
D.2C8H18(g)＋25O2(g)===16CO2(g)＋18H2O(l)　ΔH＝－5 518 kJ·mol－1
【答案】B
【解析】A项，所列热化学方程式中有两个错误，一是中和热是指反应生成1 mol H2O(l)时的反应热，二是当有BaSO4沉淀生成时，反应放出的热量会增加，生成1 mol H2O(l)时放出的热量大于57.3 kJ，错误；C项，燃烧热是指1 mol 纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所产生的热量，产物中的水应为液态水，错误；D项，当2 mol辛烷完全燃烧时，产生的热量为11 036 kJ，且辛烷应为液态，错误。
考点二 依据键能或能量变化图计算焓变
【典例5】(2018·天津高考)CO2与CH4经催化重整，制得合成气：CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)。已知上述反应中相关的化学键键能数据如下：
化学键
C—H
C===O
H—H
CO(CO)
键能/kJ·mol－1
413
745
436
1 075
则该反应的ΔH＝__________________。
【答案】＋120 kJ·mol－1
【解析】ΔH＝[4×E(C—H)＋2×E(CO)]－[2×E(CO)＋2×E(H—H)]＝(4×413＋2×745)kJ·mol－1－(2×1 075＋2×436)kJ·mol－1＝＋120 kJ·mol－1。
【方法技巧】熟记反应热ΔH的基本计算公式
ΔH＝生成物的总能量－反应物的总能量
ΔH＝反应物的总键能之和－生成物的总键能之和
【变式5】（湖北荆州中学2019届模拟）通常把拆开1 mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱，也可用于估算化学反应的反应热(ΔH)，化学反应的ΔH等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。下面列举了一些化学键的键能数据，供计算使用。
化学键
Si—O
Si—Cl
H—H
H—Cl
Si—Si
Si—C
键能/kJ·mol－1
460
360
436
431
176
347
工业上的高纯硅可通过下列反应制取：SiCl4(g)＋2H2(g)===Si(s)＋4HCl(g)，该反应的反应热ΔH为______。
【答案】＋236 kJ·mol－1
【解析】SiCl4、H2和HCl分子中共价键的数目容易计算，而产物硅属于原子晶体，可根据原子晶体的结构计算晶体硅中的共价键的数目。1 mol晶体硅中所含的Si—Si键为 2 mol，即制取高纯硅反应的反应热ΔH＝4×360 kJ·mol－1＋2×436 kJ·mol－1－(2×176 kJ·mol－1＋4×431 kJ·mol－1)＝＋236 kJ·mol－1。
考点三 盖斯定律及其应用
【典例6】 [2019新课标Ⅲ节选]近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：
（2）Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：
CuCl2(s)=CuCl(s)+Cl2(g) ΔH1=83 kJ·mol− 1
CuCl(s)+O2(g)=CuO(s)+Cl2(g) ΔH2=− 20 kJ·mol− 1
CuO(s)+2HCl(g)=CuCl2(s)+H2O(g) ΔH3=− 121 kJ·mol− 1
则4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=_________ kJ·mol− 1。
【答案】（2）
【解析】（2）根据盖斯定律知，（反应I+反应II+反应III）×2得 ∆H=（∆H1+∆H2+∆H3）×2=− 116kJ·mol− 1。
【举一反三】[2019新课标Ⅱ节选]环戊二烯（）是重要的有机化工原料，广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题：
（1）已知：(g) (g)+H2(g) ΔH1=100.3 kJ·mol −1 ①
H2(g)+ I2(g) 2HI(g) ΔH2=−11.0 kJ·mol −1 ②
对于反应：(g)+ I2(g) (g)+2HI(g) ③ ΔH3=___________kJ·mol −1。
【答案】(1)89.3
【解析】（1）根据盖斯定律①− ②，可得反应③的ΔH=89.3kJ/mol；
【变式6】[2018·全国卷Ⅱ，27(1)]CH4—CO2催化重整反应为CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)。
已知：C(s)＋2H2(g)===CH4(g)　ΔH＝－75 kJ·mol－1
C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－394 kJ·mol－1
C(s)＋O2(g)===CO(g)　ΔH＝－111 kJ·mol－1
该催化重整反应的ΔH＝________kJ·mol－1。
【答案】247
【解析】C(s)＋2H2(g)===CH4(g)　ΔH＝－75 kJ·mol－1①
C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－394 kJ·mol－1②
C(s)＋O2(g)===CO(g)　ΔH＝－111 kJ·mol－1③
运用盖斯定律，③×2－①－②可得CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝[(－111×2)－(－75)－(－394)] kJ·mol－1＝247 kJ·mol－1。