高中第一章 化学反应的热效应第一节 反应热第1课时学案

第一节　反应热

第1课时　反应热　焓变

要点一　反应热及测定

1．体系与环境——以盐酸与NaOH溶液之间的反应为例

(1)体系(又称系统)：试管中的盐酸、NaOH溶液及发生的反应等看作一个反应体系。

(2)环境：与体系相互影响的其他部分，如盛溶液的试管和溶液之外的空气等看作环境。

2．反应热的概念

在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境吸收的热量，称为化学反应的热效应，简称反应热。

3．反应热的测定

许多反应热可以通过量热计直接测定。在反应前后，如果环境的温度没有变化，则反应放出的热量就会使体系的温度升高，这时可以根据测得的体系的温度变化和有关物质的比热容等来计算反应热。

4．中和反应反应热的测定

(1)实验目的

测定强酸与强碱反应的反应热，感受化学反应的热效应。

(2)实验装置

(3)实验步骤

①反应物温度的测量

a．用量筒量取50 mL 0.50 mol·L－1盐酸，打开杯盖，倒入量热计的内筒中，盖上杯盖，插入温度计，测量并记录盐酸的温度。用水把温度计上的酸冲洗干净，擦干备用。

b．用另一个量筒量取50 mL 0.55 mol·L－1NaOH溶液，用温度计测量并记录NaOH溶液的温度。

②反应后体系温度的测量

a．打开杯盖，将量筒中的NaOH溶液迅速倒入量热计的内筒中，立即盖上杯盖，插入温度计，用搅拌器匀速搅拌。密切关注温度变化，将最高温度记为反应后体系的温度(t2)。

b．重复上述步骤①至步骤②两次。

(4)数据处理

①取盐酸温度和NaOH溶液温度的平均值记为反应前体系的温度(t1)。计算温度差(t2－t1)。

②取三次测量所得温度差的平均值作为计算依据。

③根据温度差和比热容等计算反应热。

为了计算简便，可以近似地认为实验所用酸、碱溶液的密度、比热容与水的相同，并忽略量热计的比热容，则：

a．50 mL 0.50 mol·L－1盐酸的质量m1＝50 g,50 mL 0.55 mol·L－1NaOH溶液的质量m2＝50 g。

b．反应后生成的溶液的比热容c＝4.18 J·(g·℃)－1，50 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1NaOH溶液发生中和反应时放出的热量为(m1＋m2)·c(t2－t1)＝0.418(t2－t1)kJ。

c．生成1 mol H2O时放出的热量为0.418(t2－t1)/(0.025)kJ。

要点二　反应热与焓变

1．内能

化学反应前后体系的内能(符号为U)发生了变化。内能是体系内物质的各种能量的总和，受温度、压强和物质的聚集状态等影响。

2．焓与焓变

(1)

(2)焓变与反应热的关系

在等压条件下进行的化学反应(严格地说，对反应体系做功还有限定，中学阶段一般不考虑)，其反应热等于反应的焓变。

(3)焓变与吸热反应和放热反应的关系

①放热反应：当反应体系放热时其焓减小，ΔH为负值，即ΔH<0。

②吸热反应：当反应体系吸热时其焓增大，ΔH为正值，即ΔH>0。

3．化学反应中能量变化的原因——以氢气和氯气反应生成氯化氢为例

判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)加热条件下发生的反应均为吸热反应。(　　)

(2)吸热反应的ΔH＜0，放热反应的ΔH＞0。(　　)

(3)反应热、焓变均指化学反应中的热量变化，单位为kJ或J。(　　)

(4)所有的化学反应都伴有能量的变化，伴有能量变化的一定是化学反应。(　　)

(5)一个化学反应反应物的能量大于生成物的能量时，反应放热，ΔH为“－”。(　　)

答案 (1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√

(1)反应热是指化学反应过程中的能量变化，为化学能与热能、电能、光能等之间的相互转化。

(2)反应热是体系指从始态(反应物)到终态(生成物)总能量的变化，放热反应的体系能量降低(ΔH的符号为“－”)，吸热反应的体系能量升高(ΔH的符号为“＋”)。

考点一　反应热

1．已知H2和O2反应过程中能量的变化如图所示：

(1)上述反应是放热反应还是吸热反应？

(2)图中a、b、c分别代表什么意义？

(3)上述反应的焓变ΔH与a、b、c有什么关系？

答案 (1)放热反应。

(2)a代表断开1 mol氢气中的化学键和0.5 mol氧气中的化学键所吸收的总能量；b代表1 mol氢气和0.5 mol氧气反应生成1 mol气态水放出的总能量；c代表形成2 mol O—H键放出的总能量。

(3)ΔH＝a－c＝－b。

1．放热反应与吸热反应的比较

【例题1】 下列有关化学能与热能的说法正确的是(　　)

A．铝热反应属于吸热反应

B．若某反应的反应物总能量大于生成物总能量，则该反应为吸热反应

C．H2―→H＋H的过程需要吸收能量

D．凡经加热而发生的化学反应都是吸热反应

思维导引：理解ΔH＝生成物总能量－反应物总能量，以及断裂化学键一定吸收能量，形成化学键一定释放能量。

答案　C

解析　铝热反应属于放热反应，A项错误；反应物总能量大于生成物总能量，则该反应为放热反应，B项错误；H2―→H＋H的变化是断裂了H—H键，断裂化学键需要吸收能量，C项正确；一个反应是吸热反应还是放热反应取决于反应物总能量和生成物总能量的相对大小，与反应的条件无关，有些放热反应也需要经加热才能发生，如燃烧反应，D项错误。

化学反应热效应的理解

(1)吸热反应和放热反应均指化学反应，而不是纯粹的热现象。浓硫酸稀释、氢氧化钠固体溶于水等放出热量，但不是放热反应；硝酸铵晶体溶于水、物质的电离等吸收热量，但不是吸热反应。

(2)化学反应中的能量变化通常以热量形式表现出来，但也可转化为光能、电能、内能等，且均遵循能量守恒定律。

(3)反应是吸热还是放热与反应开始时是否需要加热无关，与反应类型(化合、分解、置换、复分解反应，氧化还原反应和非氧化还原反应等)没有直接的因果关系，只取决于反应物和生成物所具有的总能量的相对大小。

【变式1】 化学能可以与热能、电能等能量相互转化。关于化学能与其他能量相互转化的说法正确的是(　　)

A．图1所示的装置能将化学能转变为电能

B．图2所示的反应为吸热反应

C．中和反应中，反应物的总能量比生成物的总能量低

D．化学反应中能量变化的主因是化学键的断裂与形成

答案　D

解析　图1所示的装置没有构成闭合回路，不能将化学能转化为电能，A项错误；图2所示的反应中，反应物的总能量大于生成物的总能量，为放热反应，B项错误；中和反应为放热反应，反应物的总能量大于生成物的总能量，C项错误；在化学反应中，一定有旧的化学键断开和新的化学键形成，断开键吸收能量，形成键释放能量，因此化学反应中能量变化的主因是化学键的断裂与形成，D项正确。

2．计算反应热的方法

(1)根据物质具有的能量来计算

ΔH＝E(总生成物)－E(总反应物)

(2)根据化学键键能来计算

ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和

(3)根据反应过程中能量的变化来计算

ΔH＝反应物断键吸收的总能量－生成物成键放出的总能量

【例题2】 通常，人们把拆开1 mol某化学键吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以估量化学键的强弱，也可以估计化学反应的反应热(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。下列是一些化学键的键能，根据键能数据估算下列反应的反应热ΔH为(　　)

CH4(g)＋4F2(g)===CF4(g)＋4HF(g)

A．－1 940 kJ·mol－1  B．＋1 940 kJ·mol－1

C．－485 kJ·mol－1  D．＋485 kJ·mol－1

思维导引：明确反应物和生成物中存在的化学键种类→每个分子所含的各类化学键的条数→根据焓变与化学键键能关系计算式进行计算。

答案　A

解析　在反应CH4(g)＋4F2(g)===CF4(g)＋4HF(g)中，ΔH＝(4×414＋4×155) kJ·mol－1－(4×489＋4×565) kJ·mol－1＝－1 940 kJ·mol－1，A项正确。

【变式2】 已知断裂1 mol化学键所需的能量(kJ)：N≡N为942、O===O为500、N—N为154，O—H为452.5，则断裂1 mol N—H所需的能量(kJ)是(　　)

A．194  B．316

C．391  D．658

答案　C

解析　依据图像分析，反应为N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)↑＋2H2O(g)，反应的焓变ΔH1＝－534 kJ/mol，反应的焓变＝反应物断裂化学键吸收的能量－生成物形成化学键放出的能量，设断裂1 mol N—H键吸收的能量为x，断裂化学键吸收的能量为2 752 kJ－534 kJ＝2 218 kJ＝4x＋154 kJ＋500 kJ，解得x＝391 kJ。故选C项。

考点二　中和反应反应热测定的误差分析

2．量热计中起到保温作用的有哪些结构？玻璃搅拌器在该实验中起什么作用？

答案 杯盖、隔热层、外壳；使反应物迅速混合，使反应充分进行，保持体系的温度均匀。

3．温度计在该实验中的作用是什么？最终读取什么时候的温度？

答案 测量反应前后体系的温度；最高温度。

4．该实验中为什么使用浓度略大于盐酸的NaOH溶液？

答案 碱过量的目的是保证盐酸完全反应。

1．中和反应反应热测定实验中产生误差的原因

(1)装置方面：装置的隔热保温效果不好，造成实验过程中热量损失而引起误差。

(2)操作方面

(3)读数方面

2．误差分析

50 mL 0.50 mol·L－1盐酸与50 mL 0.55 mol·L－1NaOH溶液反应的误差分析：

【例题3】 某化学兴趣小组要完成中和反应反应热的测定。

(1)实验桌上备有0.5 mol·L－1盐酸、0.55 mol·L－1NaOH溶液及如图的仪器，尚缺少的实验玻璃用品是________________________________。

(2)实验中能否用环形铜丝搅拌棒代替玻璃搅拌器？__(填“能”或“否”)，其原因是___________________________________________________。

(3)他们记录的实验数据如表：

已知：Q＝cm(t2－t1)，反应后溶液的比热容c为4.18 kJ/(kg·℃)，各物质的密度均为1 g·cm－3。完成表格。

(4)若用KOH代替NaOH，对测定结果__(填“有”或“无”)影响。

思维导引：根据中和热概念明确测定原理→明确量热计的构造及作用→数据处理(温度变化取平均值)→计算中和热并做出判断。

解析 (1)中和反应反应热的测定过程中，需要用量筒量取酸溶液、碱溶液，需要使用温度计测量温度，所以还缺少量筒。(2)不能用环形铜丝搅拌棒代替环形玻璃搅拌棒，因为铜丝搅拌棒是热的良导体，热量损失大。(3)2次温度差分别为3.3 ℃和3.5 ℃，2组数据都有效，温度差平均值为3.4 ℃，50 mL 0.55 mol·L－1NaOH溶液和50 mL 0.5 mol·L－1 HCl溶液的质量和为m＝100 mL×1 g/mL＝100 g；c＝4.18 J/(g·℃)，Δt＝3.4 ℃，代入公式Q＝cmΔt可得生成0.025 mol的水放出热量Q＝4.18 J/(g·℃)×100 g×3.4 ℃＝1 421.2 J＝1.421 2 kJ，所以生成1 mol水放出热量为1.421 2÷0.025≈56.8 kJ，即该实验测得中和反应热ΔH＝－56.8 kJ/mol。(4)KOH代替NaOH，二者都是强碱，符合中和反应反应热的概念，所以用KOH代替NaOH，对测定结果无影响。

答案 (1)量筒　(2)否　Cu易导热，热量散失导致误差大　

(3)－56.8 kJ/mol　(4)无

【变式3】 某实验小组用0.50 mol/L NaOH溶液和0.50 mol/L硫酸溶液进行中和热的测定。实验装置如图所示。

(1)仪器a的名称是________。

(2)取50 mL NaOH溶液和30 mL硫酸溶液进行实验，测得起止温度差的平均值为4.0 ℃。近似认为0.50 mol/L NaOH溶液和0.50 mol/L硫酸溶液的密度都是1 g/cm3，中和后生成溶液的比热容c＝4.18 J/(g·℃)。则计算得中和热ΔH＝_______ (取小数点后一位)。

(3)上述实验结果与－57.3 kJ/mol有偏差，产生偏差的原因可能是____(填字母)。

a．实验装置保温、隔热效果差

b．用量筒量取NaOH溶液的体积时仰视刻度线读数

c．分多次把NaOH溶液倒入盛有硫酸的小烧杯中

d．用温度计测定NaOH溶液起始温度后直接测定H2SO4溶液的温度

解析　(1)仪器a的名称是玻璃搅拌器。

(2)ΔH＝≈－53.5 kJ/mol。(3)53.5<57.3，即ΔH的测定值偏低。a项，实验装置保温、隔热效果差，ΔH数值偏小；b项，用量筒量取NaOH溶液的体积时仰视刻度线读数，NaOH所取体积偏大，释放的热量偏多，ΔH数值偏大；c项，分多次把NaOH溶液倒入盛有硫酸的小烧杯中，在加入过程中导致热量损失，ΔH数值偏小；d项，用温度计测定NaOH溶液起始温度后直接测定H2SO4溶液的温度，因温度计上附着的NaOH与硫酸反应放热，导致硫酸的起始温度偏高，最终温度差值偏小，ΔH数值偏小。

答案 (1)玻璃搅拌器　(2)－53.5 kJ/mol　(3)acd

1．(焓变、反应热的概念理解)下列说法正确的是(　　)

A．放热反应的反应速率一定大于吸热反应的反应速率

B．有化学键破坏的一定是化学反应，且一定伴随着能量的变化

C．一个化学反应中，反应物的总能量高于生成物的总能量时，反应放热，ΔH<0

D．同温同压下，H2(g)＋Cl2(g)===2HCl(g)在光照和点燃条件下的ΔH不同

答案　C

解析　化学反应的反应速率与反应吸、放热无关，A项错误；有化学键破坏的不一定是化学反应，如氯化钠固体溶解时破坏了离子键，形成钠离子和氯离子，但该过程属于物理变化，B项错误；焓变＝生成物总能量－反应物总能量，依据能量守恒，反应物总能量高于生成物总能量，反应放热，ΔH<0，C项正确；反应热的大小只与反应物和生成物能量的相对大小有关，与反应条件无关，D项错误。

2．(吸热反应与放热反应的判断)根据图中提供的信息﹐下列所得结论不正确的是(　　)

A．该反应是吸热反应

B．该反应一定需要加热才能发生

C．该反应可能是碳酸钙的分解反应

D．该反应不可能是铝与氧化铁的反应

答案　B

解析　由图像可知反应物能量低于生成物能量，反应是吸热反应，A项正确；吸热反应在常温下也能发生，如氢氧化钡晶体和氯化铵反应就是常温下进行的吸热反应，B项错误；碳酸钙的分解反应为吸热反应，C项正确；铝与氧化铁的反应为铝热反应，是放热反应，D项正确。

3．(反应热的计算)如图为N2(g)和O2(g)反应生成NO(g)过程中的能量变化，则该反应的反应热为(　　)

A．－180 kJ·mol－1  B．＋180 kJ·mol－1

C．＋812 kJ·mol－1  D．－812 kJ·mol－1

答案　B

解析　该反应的化学方程式为N2(g)＋O2(g)===2NO(g)，则ΔH＝(946＋498－2×632) kJ·mol－1＝＋180 kJ·mol－1。

4．(综合应用)我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程。该反应历程示意图如图所示，下列说法不正确的是(　　)

A．该催化剂可以改变反应的ΔH

B．CH4―→CH3COOH过程中，有C—H键发生断裂

C．①→②的过程放出能量并形成了C—C键

D．生成CH3COOH的总反应的原子利用率为100%

答案　A

解析　加入催化剂，只改变反应的活化能，不改变反应的焓变，A项错误；根据图示CH4选择性活化变为CH3COOH过程中，有1个C—H键发生断裂，B项正确；根据图示，①的总能量高于②的总能量，①→②放出能量，对比①和②，①→②形成了C—C键，C项正确；该反应只有CH3COOH一种生成物，原子利用率为100%，D项正确。

5．(中和反应反应热的测定)实验是化学学习的基础，请完成以下实验填空。某实验小组在同样的实验条件下，用同样的实验仪器和方法步骤进行两组中和反应反应热测定的实验，实验试剂及其用量如表所示。

(1)甲同学预计ΔH1≠ΔH2，其依据是_______________________________。

(2)若实验测得①中最终温度为28.4 ℃，则该反应的中和热ΔH1＝________　(保留一位小数)(已知盐酸、NaOH溶液密度近似为1.0 g·cm－3，比热容c＝4.18×10－3 kJ·g－1·℃－1)。

(3)在中和热测定实验中，若测定酸的温度计未洗涤干燥就直接测量碱溶液的温度，则测得的中和热ΔH____(填“偏大”“偏小”或“不变”)。

解析 (1)CH3COOH是弱酸，存在电离平衡，其电离过程会吸收热量，所以反应热会比强酸的少。(2)反应中总质量为100 g，温度变化为28.4 ℃－25.1 ℃＝3.3 ℃，反应中生成水的物质的量为0.5 mol/L×0.05 L＝0.025 mol，则中和热为≈55.2 kJ/mol。(3)在实验过程中，测定硫酸的温度计未用水洗涤就直接测量碱溶液的温度，则酸碱中和放热，会使碱溶液的温度偏高，最后测定实验中温度差变小，中和热数值偏小，ΔH偏大。

答案 (1)CH3COOH是弱酸，其电离过程会吸收热量

(2)－55.2 kJ/mol　(3)偏大