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专题十二 化学能与热能-2022年高考化学一轮复习对点讲解与练习（通用版）学案
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这是一份专题十二 化学能与热能-2022年高考化学一轮复习对点讲解与练习（通用版）学案，共20页。学案主要包含了拓展训练，解题思路，基础巩固，能力提升，答案与解析等内容，欢迎下载使用。
专题十二 化学能与热能
考点1 化学反应中能量变化的有关概念
考法1 化学反应中的能量变化
命题角度1 结合能量变化图像判断吸热反应和放热反应
例1 （6分）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
【解析】本题主要考查化学反应与能量变化,意在考查考生灵活运用所学知识的能力。根据能量变化示意图可以判断该反应为放热反应,A项错误;根据反应过程示意图可以看出CO中的碳氧键没有断裂,B项错误;CO2中含有极性键,C项正确;状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO和O形成CO2的过程,D项错误。
【答案】 C
【点评】解答本题的关键是将能量变化图像和反应过程示意图对照起来,正确提取反应过程图像中的能量变化信息。由题中左图信息可知,状态Ⅰ→状态Ⅲ,放出热量,从而判断A项正误;由题中右图信息可知,状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ的反应过程,从而判断B、D项正误。
命题角度2 结合反应历程考查化学反应能量变化(新角度)
例2 NH3催化还原NO是重要的烟气脱硝技术,其反应过程与能量关系如图1所示;研究发现在以Fe2O3为主的催化剂上可能发生的反应过程如图2所示。下列说法正确的是
图1 图2
A.NH3催化还原NO为吸热反应
B.过程Ⅰ中NH3断裂非极性键
C.过程Ⅱ中NO为氧化剂,Fe2+为还原剂
D.脱硝的总反应为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)
【解析】本题考查氧化还原反应等。反应物总能量高于生成物总能量,故NH3催化还原NO为放热反应,A项错误。过程Ⅰ中NH3断裂极性键,B项错误。过程Ⅱ中NO转化为N2,氮元素化合价由 +2 变为0,化合价降低,得电子作氧化剂;Fe2+在反应前后没有发生变化,故作催化剂,C项错误。由题图2得出脱硝的总反应为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g),D项正确。
【答案】D
【拓展训练】1. “一碳化工”是重要的化学工业,部分原理如下:
反应① C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH1
反应② C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH2=+130 kJ·mol-1
反应③ CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3=-90.1 kJ·mol-1
反应④ 2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4
反应④的能量变化如图所示:
反应⑤ 3CH3OH(g)CH3CHCH2(g)+3H2O(g) ΔH5=-31.0 kJ·mol-1
已知:H2的燃烧热为285.8 kJ·mol-1,H2O的汽化热(在标准状况下,1 mol 物质在一定温度下蒸发所需要的热量)为44 kJ·mol-1。回答下列问题:
(1)反应①的ΔH1= kJ·mol-1。
(2)反应③中正反应的活化能 (填“大于”“小于”或“等于”)逆反应的活化能。
(3)反应④中代表使用催化剂的曲线是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”),曲线Ⅰ的峰中出现小波谷的原因是 ,反应④的ΔH4= kJ·mol-1。
(4)用适量的CO与H2反应,每生成420 g CH3CHCH2(g)时, (填“吸收”或“放出”) kJ的热量。
考点2 热化学方程式
考法2 热化学方程式的正误判断与书写
命题角度1 热化学方程式的正误判断
例3 下列有关热化学方程式的叙述正确的是
A.2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-483.6 kJ·mol-1,则氢气的燃烧热为241.8 kJ·mol-1
B.已知C(石墨,s)C(金刚石,s)的ΔH>0,则金刚石比石墨稳定
C.含20.0 g NaOH的稀溶液与稀盐酸完全中和,放出28.7 kJ的热量,则中和热的热化学方程式为NaOH+HClNaCl+H2O ΔH=-57.4 kJ·mol-1
D.已知C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1,C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2;则ΔH1<ΔH2
【解析】表示氢气燃烧热时产物中的水应该为液态,故A错误;已知C(石墨,s)C(金刚石,s)的ΔH>0,则石墨能量较低,更稳定,故B错误;含20.0 g(即0.5 mol)NaOH的稀溶液与稀盐酸完全中和,放出28.7 kJ的热量,则中和热的热化学方程式为NaOH(aq)+HCl(aq)NaCl(aq)+H2O(l) ΔH=-57.4 kJ·mol-1,故C错误;已知C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1,C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2,完全燃烧时放出的热量多,故ΔH1<ΔH2,故D正确。
【答案】 D
命题角度2 结合物质循环图示书写热化学方程式(新角度)
例4 (1)（2分）近年来,研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。过程如下:
反应Ⅰ:2H2SO4(l)2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g) ΔH1=+551 kJ·mol-1
反应Ⅲ:S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH3=-297 kJ·mol-1
反应Ⅱ的热化学方程式: 。
(2)（2分）用O2将HCl转化为Cl2,可提高效益,减少污染。
传统上该转化通过如右所示的催化循环实现。其中,反应①为2HCl(g)+CuO(s)H2O(g)+CuCl2(s) ΔH1
反应②生成1 mol Cl2(g)的反应热为ΔH2,则总反应的热化学方程式为 (反应热用ΔH1和ΔH2表示)。
【解析】 (1)由于反应Ⅱ是二氧化硫的催化歧化反应,且由题意可知其氧化产物和还原产物分别为H2SO4和S,根据得失电子守恒和元素守恒可写出反应Ⅱ的化学方程式:3SO2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l)+S(s)。根据盖斯定律,反应Ⅰ与反应Ⅲ的热化学方程式相加得2H2SO4(l)+S(s) 3SO2(g)+2H2O(g) ΔH=+254 kJ·mol-1,所以反应Ⅱ的热化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254 kJ·mol-1。(2)根据图示写出反应②CuCl2(s)+12O2(g)CuO(s)+Cl2(g) ΔH2,由①+②可写出总反应的热化学方程式。
【答案】(1)3SO2(g)+2H2O(g)2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254 kJ·mol-1
(2)2HCl(g)+12O2(g)Cl2(g)+H2O(g) ΔH1+ΔH2
【拓展训练】2. 写出下列反应的热化学方程式。
(1)Si与Cl两元素的单质反应生成1 mol Si的最高价化合物,恢复至室温,放热687 kJ。已知该化合物的熔、沸点分别为-69 ℃和58 ℃。写出该反应的热化学方程式: 。
(2)NaBH4(s)与H2O(l)反应生成NaBO2(s)和H2(g)。在25 ℃、101 kPa下,已知每消耗3.8 g NaBH4(s)放热21.6 kJ,该反应的热化学方程式是 。
(3)已知AX3的熔点和沸点分别为-93.6 ℃和76 ℃,AX5的熔点为167 ℃。室温时AX3与气体X2反应生成1 mol AX5,放出热量123.8 kJ。该反应的热化学方程式为 。
考点3 盖斯定律的应用及反应热的计算和大小比较
考法3 反应热的计算
命题角度1 根据键能计算反应热
例5 （4分）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
H—H
C←O(CO)
键能/(kJ·mol-1)
413
745
436
1 075
则该反应的ΔH= 。
分别在v L恒温密闭容器A(恒容)、B(恒压,容积可变)中,加入CH4和CO2各1 mol的混合气体。两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是 (填“A”或“B”)。
【解析】根据ΔH=反应物总键能-生成物总键能,该反应的ΔH=(413×4+745×2) kJ·mol-1-(1 075×2+436×2) kJ·mol-1=+120 kJ·mol-1。该反应为气体分子数增大的吸热反应,恒容时达到的平衡相当于恒压条件下达到平衡后增大压强,加压平衡向逆反应方向移动,故恒容时反应达平衡后吸收的热量比恒压时反应达平衡后吸收的热量少。
【答案】+120 kJ·mol-1 B
【点评】利用键能计算反应热的关键,就是要算清物质中化学键的数目,清楚中学阶段常见单质、化合物中所含共价键的种类和数目。
物质
(化学键)
CO2
(CO)
CH4
(C—H)
P4
(P—P)
SiO2
(Si—O)
石墨
(C—C)
金刚石
(C—C)
S8
(S—S)
Si
(Si—Si)
每个微粒所含
化学键数目
2
4
6
4
1.5
2
8
2
【拓展训练】3. 请回答下列问题:
(1)（2分）已知反应2HI(g)H2(g)+I2(g)的ΔH=+11 kJ·mol-1,1 mol H2(g)、1 mol I2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收436 kJ、151 kJ的能量,则1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为 kJ。
(2)（4分）甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇,发生的主要反应如下:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
③CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3
已知反应①中相关的化学键键能数据如下:
化学键
H—H
C—O
C←O
H—O
C—H
E/(kJ·mol-1)
436
343
1 076
465
413
由此计算ΔH1= kJ·mol-1;已知ΔH2=-58 kJ·mol-1,则ΔH3= kJ·mol-1。
命题角度2 根据盖斯定律计算反应热(热点角度)
例6 请回答下列问题:
(1)（2分）SiHCl3在催化剂作用下发生反应:
2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g) ΔH1=48 kJ·mol-1
3SiH2Cl2(g)SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30 kJ·mol-1
则反应4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH为 kJ·mol-1。
(2)（2分）正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:
①C4H10(g)C4H8(g)+H2(g) ΔH1
已知:②C4H10(g)+12O2(g)C4H8(g)+H2O(g) ΔH2=-119 kJ·mol-1
③H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH3=-242 kJ·mol-1
反应①的ΔH1为 kJ·mol-1。
(3)（2分）已知下列反应:
SO2(g)+2OH-(aq)SO32-(aq)+H2O(l) ΔH1
ClO-(aq)+SO32-(aq)SO42-(aq)+Cl-(aq) ΔH2
CaSO4(s)Ca2+(aq)+SO42-(aq) ΔH3
则反应SO2(g)+Ca2+(aq)+ClO-(aq)+2OH-(aq)CaSO4(s)+H2O(l)+Cl-(aq)的ΔH= 。
【解题思路】
【解析】(1)将已知热化学方程式依次编号为①、②,根据盖斯定律,由①×3+②可得
4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)
ΔH=3×48 kJ·mol-1 -30 kJ·mol-1=114 kJ·mol-1。
(2)根据盖斯定律,可得①=②-③,
则ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119 kJ·mol-1+242 kJ·mol-1=123 kJ·mol-1。
(3)将三个反应依次记为①②③,根据盖斯定律,由①+②-③得
SO2(g)+Ca2+(aq)+ClO-(aq)+2OH-(aq)CaSO4(s)+H2O(l)+Cl-(aq)
ΔH=ΔH1+ΔH2-ΔH3。
【答案】 (1)114 (2)123 (3)ΔH1+ΔH2-ΔH3
命题角度3 根据反应图像计算反应热
例7 已知:1 g C(s)燃烧生成一氧化碳放出9.2 kJ的热量;氧化亚铜与氧气反应的能量变化如图所示。下列叙述正确的是
A.碳（C(s)）的燃烧热为110.4 kJ·mol-1
B.1 mol CuO分解生成Cu2O放出73 kJ的热量
C.反应2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)的活化能为292 kJ·mol-1
D.足量碳与CuO反应生成Cu2O的热化学方程式为C(s)+2CuO(s)Cu2O(s)+CO(g) ΔH=+35.6 kJ·mol-1
【解析】本题考查化学反应中的能量变化,涉及图像分析、燃烧热的概念及盖斯定律的应用。根据题意,C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH=-9.2×12 kJ·mol-1=-110.4 kJ·mol-1,而C(s)的燃烧热是指1 mol C(s)完全燃烧生成CO2时所放出的热量,A项错误;根据图示,2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) ΔH=(348-640)kJ·mol-1=-292 kJ·mol-1,则1 mol CuO分解生成Cu2O吸收的热量为2924 kJ=73 kJ,B项错误;2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) 的反应热为-292 kJ·mol-1,活化能为348 kJ·mol-1,C项错误;①C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH=-110.4 kJ·mol-1,②2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) ΔH=-292 kJ·mol-1,根据盖斯定律,由①-②×12,可得:C(s)+2CuO(s)Cu2O(s)+CO(g) ΔH=-110.4 kJ·mol-1-(-292 kJ·mol-1)×12=+35.6 kJ·mol-1,D项正确。
【答案】 D
【拓展训练】4. 2 mol金属钠和1 mol 氯气反应的能量关系如图所示,下列说法不正确的是( )
A.相同条件下,K(s)的(ΔH'2+ΔH'3)
C.ΔH5<0,在相同条件下,2Br(g)的ΔH'5>ΔH5
D.ΔH7<0,且该过程形成了分子间作用力
考法4 反应热的大小比较
命题角度 反应热的大小比较
例8 （6分）室温下,将1 mol的CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低,热效应为ΔH1,将1 mol的CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高,热效应为ΔH2;CuSO4·5H2O受热分解的化学方程式为CuSO4·5H2O(s)CuSO4(s)+5H2O(l),热效应为ΔH3。则下列判断正确的是
A.ΔH2>ΔH3 B.ΔH1<ΔH3
C.ΔH1+ΔH3=ΔH2 D.ΔH1+ΔH2>ΔH3
【解析】基础解法 根据题意,可写出热化学方程式:
CuSO4·5H2O(s)CuSO4(aq)+5H2O(l) ΔH1>0;
CuSO4(s)CuSO4(aq) ΔH2<0。
故CuSO4·5H2O(s)CuSO4(s)+5H2O(l) ΔH3=ΔH1-ΔH2>0(吸热)。
从而推出ΔH2(小于0)<ΔH3(大于0),A项错误;由ΔH3=
ΔH1-ΔH2>0(其中ΔH2小于0)知,ΔH1<ΔH3,B项正确,C、D项错误。
能力解法:图示法。如图,由图中关系确定各选项。
【答案】 B
【拓展训练】5. 下列各组热化学方程式的ΔH前者大于后者的是( )
①C(s)+O2(g) CO2(g) ΔH1
C(s)+12O2(g) CO(g) ΔH2
②S(s)+O2(g) SO2(g) ΔH3
S(g)+O2(g) SO2(g) ΔH4
③H2(g)+12O2(g) H2O(l) ΔH5
2H2(g)+O2(g) 2H2O(l) ΔH6
④CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) ΔH7
CaO(s)+H2O(l) Ca(OH)2(aq) ΔH8
A.①③④ B.②④ C.②③④ D.①②③
【基础巩固】
考点1 化学反应中能量变化的有关概念
1.反应A(g)+B(g)C(g)分两步进行:①A(g)+B(g)X(g),②X(g)C(g),反应过程中能量变化如图所示,E1表示反应A(g)+B(g)X(g)的活化能。下列有关叙述正确的是( )
A.E2表示反应X(g)C(g)的活化能
B.X是反应A(g)+B(g)C(g)的催化剂
C.反应A(g)+B(g)C(g)的ΔH<0
D.加入催化剂可改变反应A(g)+B(g)C(g)的焓变
2.工业合成氨反应在催化剂表面的反应历程及能量变化如图所示,下列说法正确的是( )
A.增大压强,①→②之间的能量差值会增大
B.合成氨的正、逆反应的焓变相同
C.合成氨的过程是吸热过程
D.若使用催化剂,生成等量的NH3需要的时间更短
考点2 热化学方程式
3.CO、H2、C2H5OH三种物质燃烧的热化学方程式如下:
①CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH1=a kJ/mol;
②H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH2=b kJ/mol;
③C2H5OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+3H2O(g) ΔH3=c kJ/mol。
下列说法正确的是( )
A.ΔH1>0
B.2H2O(l)2H2(g)+O2(g) ΔH=-2b kJ/mol
C.CO2与H2合成C2H5OH反应的原子利用率为100%
D.2CO(g)+4H2(g)H2O(g)+C2H5OH(l) ΔH=(2a+4b-c) kJ/mol
4.（6分）汽车尾气中排放的NOx和CO会污染环境,通常在汽车尾气系统中安装催化转化器,可有效降低NOx和CO的排放。
已知:①2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ· mol-1
②N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH=+180 kJ· mol-1
③2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH=-116.5 kJ· mol-1
回答下列问题:
(1)CO的燃烧热为 。若1 mol N2(g)、1 mol O2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收946 kJ、498 kJ的能量,则1 mol NO(g) 分子中化学键断裂时需吸收的能量为 kJ。
(2)CO将NO2还原为单质的热化学方程式为 。
考点3 盖斯定律的应用及反应热的计算和大小比较
5.已知可分别通过如下两个反应制取氢气:
a.CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g) ΔH=+256.6 kJ·mol-1
b.2CH3CH2OH(g)+O2(g)6H2(g)+4CO(g) ΔH=+27.6 kJ·mol-1
则下列说法正确的是( )
A.乙醇的燃烧热ΔH=-13.8 kJ·mol-1
B.升高反应a的反应温度,乙醇的转化率减小
C.2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-229 kJ·mol-1
D.制取等量的氢气,反应b吸收的能量更少
6.（7分）CO和NO是汽车尾气的主要成分,它们能缓慢地发生反应Ⅰ:2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)。
(1)汽车行驶时,N2和O2在电火花作用下产生NO,各物质所含化学键键能数据如下表:
物质
N2
O2
NO
化学键键能/(kJ·mol-1)
946
498
632
相同条件下,N2、O2、NO三种物质中最稳定的是 ;N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH= 。
(2)工业上可通过CO和H2化合制备甲醇,反应的化学方程式为CO+2H2CH3OH。
已知:①CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH=-283 kJ·mol-1
②H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH=-242 kJ·mol-1
③CH3OH(g)+32O2(g)CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-651 kJ·mol-1
写出工业上用CO和H2合成CH3OH(g)的热化学方程式: 。
(3)反应Ⅰ在常温下可以自发进行,则该反应的正反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。
(4)为减少汽车尾气污染,下列措施合理的有 (填字母)。
A.开发氢能源
B.寻找反应Ⅰ的高效催化剂
C.市民大量移居城市郊区
D.戴上呼吸面具
【能力提升】
一、选择题(每小题6分,共54分)
1.1 mol白磷(P4,s)和4 mol红磷(P,s)与氧气反应过程中的能量变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.红磷燃烧的热化学方程式是4P(s,红磷)+5O2(g)P4O10(s) ΔH=-(E2-E3) kJ·mol-1
B.P4(s,白磷)4P(s,红磷) ΔH>0
C.白磷比红磷稳定
D.题述变化中,白磷和红磷所需活化能相等
2.（新题型）我国科学家提出了由CO2和CH4转化为 CH3COOH的催化反应历程。该历程示意图如下:
下列有关说法错误的是( )
A.原料到产品的总反应属于加成反应
B.CH3COOH 分子中最多有7个原子共平面
C.①→②放出热量并形成了C—C键
D.CH4→CH3COOH 过程中,有两种类型的化学键断裂
3.如图是1 mol金属镁和卤素单质反应的ΔH(单位:kJ·mol-1)示意图,反应物和生成物均为常温时的稳定状态。下列选项不正确的是( )
A.由图可知,MgF2(s)+Br2(l)MgBr2(s)+F2(g) ΔH=+600 kJ·mol-1
B.MgI2与Br2反应的ΔH<0
C.电解MgBr2制Mg是吸热反应
D.化合物的热稳定性顺序:MgI2>MgBr2>MgCl2>MgF2
4.我国科学家在绿色化学领域取得新进展。利用双催化剂Cu和Cu2O,在水溶液中用氢原子将CO2高效还原为重要工业原料之一的甲醇,反应机理如图。下列有关说法不正确的是( )
A.CO2生成甲醇是通过多步还原反应实现的
B.催化剂Cu结合氢原子,催化剂Cu2O结合含碳微粒
C.该催化过程中只涉及化学键的形成,未涉及化学键的断裂
D.有可能通过调控反应条件获得甲醛等有机物
5.已知:①CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH1
②CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH2
下列推断正确的是( )
A.若CO的燃烧热为ΔH3,则H2的燃烧热为ΔH3-ΔH1
B.反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的ΔH=ΔH2-ΔH1
C.若反应②的反应物总能量低于生成物总能量,则ΔH2<0
D.若等物质的量的CO和H2完全燃烧生成气态产物时前者放热更多,则ΔH1>0
6.异丁烯与氯化氢可能发生两种加成反应,相应的能量变化与反应过程如图所示,下列说法错误的是( )
①+HCl(产物1)
②+HCl(产物2)
A.活化能:反应①>反应②
B.中间产物的稳定性:中间体1<中间体2
C.产物的能量:产物1>产物2
D.ΔH大小:反应①<反应②
7.（新角度）N2O和CO是环境污染性气体,可在Pt2O+表面转化为无害气体,有关化学反应的物质变化过程如图1所示,能量变化过程如图2所示,下列说法正确的是( )
A.总反应为放热反应
B.Pt2O2+是该反应的催化剂
C.加入Pt2O+,可使反应的焓变减小
D.为了实现转化需不断补充Pt2O+和Pt2O2+
8.（新角度）化学上,规定稳定单质的生成热为0;可用物质的生成热表示该物质的相对能量高低。氮的几种氧化物的相对能量如表所示(25 ℃,101 kPa条件下):
物质及状态
N2O(g)
NO(g)
NO2(g)
N2O4(l)
N2O5(g)
相对能量/(kJ·mol-1)
82
90
33
-20
11
下列推断不正确的是( )
A.在5种氮的氧化物中,NO(g)最活泼
B.N2O4(l)2NO2(g) ΔH=-86 kJ·mol-1
C.N2O5(g)2NO2(g)+12O2(g) ΔH=+55 kJ·mol-1
D.1 mol N2O(g)分解成N2(g)和O2(g)需要放出82 kJ能量
9.已知:Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g) ΔH=-24.8 kJ·mol-1
3Fe2O3(s)+CO(g) 2Fe3O4(s)+CO2(g) ΔH=-47.2 kJ·mol-1
Fe3O4(s)+CO(g) 3FeO(s)+CO2(g) ΔH=+19.4 kJ·mol-1
则反应FeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g)的反应热为( )
A.+11 kJ·mol-1 B.-11 kJ·mol-1
C.+23.5 kJ·mol-1 D.-23.5 kJ·mol-1
二、非选择题(共33分)
10.（新情境）（9分）氢能是发展中的新能源,它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。回答下列问题:
(1)与汽油相比,氢气作为燃料的优点是 (至少答出两点)。但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池,写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式: 。
(2)氢气可用于制备H2O2。已知:
H2(g)+A(l)B(l) ΔH1
O2(g)+B(l)A(l)+H2O2(l) ΔH2
其中A、B为有机物,两反应均为自发反应,则H2(g)+O2(g)H2O2(l)的ΔH 0(填“>”“<”或“=”)。
(3)在恒温恒容的密闭容器中,某储氢反应:MHx(s)+yH2(g)MHx+2y(s) ΔH<0达到化学平衡。下列有关叙述正确的是 。
a.容器内气体压强保持不变
b.吸收y mol H2只需1 mol MHx
c.若降温,该反应的平衡常数增大
d.若向容器内通入少量氢气,则v(放氢)>v(吸氢)
(4)利用太阳能直接分解水制氢,是最具吸引力的制氢途径,其能量转化形式为 。
11.（新情境）（10分）2019年11月28日7时52分,在太原卫星发射中心,长征四号丙运载火箭成功将高分十二号卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。其中,长征四号丙运载火箭推进剂以肼(N2H4)为燃料,NO2为氧化剂,反应生成N2和水蒸气。已知:
①N2(g)+2O2(g)2NO2(g) ΔH1=+67.7 kJ·mol-1;
②N2H4(g)+O2(g)N2(g)+2H2O(g) ΔH2=-534 kJ·mol-1;
③12H2(g)+12F2(g)HF(g) ΔH3=-269 kJ·mol-1;
④H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH4=-242 kJ·mol-1。
(1)肼和NO2反应的热化学方程式为 。
此反应用于火箭推进,除释放大量能量和快速产生气体外,还有一个很大的优点是
。
(2)有人认为若用氟气代替二氧化氮作氧化剂,反应释放的能量更大,则肼和氟气反应的热化学方程式为 。
(3)肼—空气碱性(KOH为电解质)燃料电池(氧化产物为大气主要成分)的能量转化率高。写出负极的电极反应式: 。已知:电流效率可用单位质量的燃料提供的电子数表示。肼—空气碱性燃料电池、氨气—空气碱性(KOH为电解质)燃料电池(氧化产物是大气主要成分)的电流效率之比为 。
12.（新素材）（14分）亚硝酰氯(NOCl)可由NO与Cl2反应得到,化学方程式为2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g)。
(1)在一定温度下,该反应于一恒容密闭容器中达到平衡,继续通入Cl2,逆反应速率 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)已知几种化学键的键能数据如表(亚硝酰氯的结构式为Cl—NO):
化学键
Cl—Cl
Cl—N
NO
键能/(kJ·mol-1)
630
243
a
607
2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g) ΔH=-111 kJ·mol-1,则a= 。
(3)在1 L的恒容密闭容器中充入2 mol NO(g)和1 mol Cl2(g),在不同温度下测得c(NOCl)与时间的关系如图1:
图1 图2
①该反应的ΔH (填“>”“<”或“=”)0。
②从反应开始到10 min时NO的平均反应速率v(NO)= mol·L-1·min-1。
③T2时该反应的平衡常数K= 。
(4)一定条件下在恒温恒容的密闭容器中按一定比例充入NO(g)和Cl2(g),平衡时NOCl的体积分数随n(NO)n(Cl2)的变化图像如图2,则A、B、C三状态中,NO的转化率最大的是 点,当n(NO)n(Cl2)=1.5时,反应达到平衡状态时NOCl的体积分数可能是D、E、F三点中的 点。
【答案与解析】
【拓展训练】
1.(1)-111.8 (2)小于 (3)Ⅰ 曲线Ⅰ的峰中出现的小波谷对应的能量是生成的中间产物具有的能量,该催化反应包括反应物与催化剂生成中间产物、中间产物再生成产物两个反应过程,都有断键吸热和成键放热的过程 -134 (4)放出 3 013
【解析】 (1)根据H2的燃烧热和H2O的汽化热可写出热化学方程式:⑥H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔH6=-285.8 kJ·mol-1;⑦H2O(l)H2O(g) ΔH7=+44 kJ·mol-1。根据盖斯定律知①=②+⑥+⑦,则ΔH1=ΔH2+ΔH6+ΔH7=+130 kJ·mol-1-285.8 kJ·mol-1+44 kJ·mol-1=-111.8 kJ·mol-1。(2)反应③是放热反应,反应物的能量高,生成物的能量低,故反应物分子达到活化分子吸收的能量少,即正反应活化能小。(3)使用催化剂可降低反应的活化能,故使用催化剂的曲线是Ⅰ;曲线Ⅰ的峰中出现的小波谷对应的能量是生成的中间产物具有的能量,该催化反应包括反应物与催化剂生成中间产物、中间产物再生成产物两个反应过程,都有断键吸热和成键放热的过程。由题图可知,ΔH4=(152-286) kJ·mol-1=-134 kJ·mol-1。(4)根据盖斯定律,由③×3+⑤得3CO(g)+6H2(g)CH3CHCH2(g)+3H2O(g) ΔH=-90.1 kJ·mol-1×3-31.0 kJ·mol-1=-301.3 kJ·mol-1,故生成420 g(即10 mol)CH3CHCH2(g)放出的热量是301.3 kJ·mol-1×10 mol=3 013 kJ。
2.(1)Si(s)+2Cl2(g)SiCl4(l) ΔH=-687 kJ·mol-1 (2)NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(s)+4H2(g) ΔH=-216.0 kJ·mol-1(3分) (3)AX3(l)+X2(g)AX5(s) ΔH=-123.8 kJ·mol-1(2分)
【解析】 (1)生成物是四氯化硅,书写热化学方程式的关键是判断常温下四氯化硅的状态,根据其熔点和沸点数据,可推断出四氯化硅在常温下呈液态,据此可写出该反应的热化学方程式。(2)根据题中“每消耗3.8 g NaBH4(s)放热21.6 kJ”,可得此反应的热化学方程式为NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(s)+4H2(g) ΔH=-216.0 kJ·mol-1。(3)由题目信息可知,常温时AX3为液体,AX5为固体,从而可写出该反应的热化学方程式:AX3(l)+X2(g)AX5(s) ΔH=-123.8 kJ·mol-1。
3.(1)299(2分) (2)-99(2分) +41(2分)
【解析】 (1)设1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为a kJ,则ΔH=(2a-436-151) kJ·mol-1=+11 kJ·mol-1,解得a=299。(2)反应①中,生成1 mol CH3OH(g)时需要形成3 mol C—H键、1 mol C—O键和1 mol O—H键,则放出的热量为(413×3+343+465) kJ=2 047 kJ,同时需要断裂1 mol C←O键和2 mol H—H键,吸收的热量为(1 076+436×2) kJ=1 948 kJ,则该反应为放热反应,ΔH1=(1 948-2 047) kJ·mol-1=-99 kJ·mol-1;根据盖斯定律,ΔH3=ΔH2-ΔH1=(-58+99) kJ·mol-1=+41 kJ·mol-1。
4.D K比Na活泼,相同条件下K更易失去电子,则K(s)的(ΔH2'+ΔH3')
5.C ΔH有正、负之分,比较时要连同“+”“-”在内一起比较,类似数学中的正、负数大小的比较。①中第一个热化学方程式减去第二个热化学方程式可得CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH=ΔH1-ΔH2,该反应为放热反应,即ΔH1-ΔH2<0,所以ΔH1<ΔH2;②等量的固态硫变为硫蒸气时吸收热量,故在与O2反应产生同样状态的SO2时,气态硫放出的热量多,即ΔH3>ΔH4;③发生同样的燃烧反应,物质的量越多,放出的热量越多,故ΔH5>ΔH6;④碳酸钙分解吸收热量,ΔH7>0,CaO与H2O反应放出热量,ΔH8<0,显然ΔH7>ΔH8。
【基础巩固】
1.C 分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能,由题图可知,E2表示反应C(g)X(g)的活化能,A项错误。X是反应A(g)+B(g)C(g)的中间产物,B项错误。由题图可知,反应物的总能量高于生成物的总能量,故该反应是放热反应,ΔH<0,C项正确。催化剂只改变反应速率,不改变反应的焓变,D项错误。
2.D ①→②之间的能量差是化学键断裂要吸收的能量,即反应的活化能,增大压强,反应的活化能不变,A项错误。由题图知,合成氨的正反应为放热反应,逆反应为吸热反应,焓变不相同,B项错误。合成氨的过程为放热过程,C项错误。使用催化剂能够加快反应速率,D项正确。
3.D 反应①为CO(g)的燃烧反应,一定为放热反应,ΔH1<0,A错误。反应②中的水为气态,而选项B中水为液态,故无法计算选项B中反应的焓变,B错误。CO2与H2合成C2H5OH的反应为2CO2(g)+6H2(g)3H2O(g)+C2H5OH(l),原子利用率小于100%,C错误。根据盖斯定律由①×2+②×4-③可得2CO(g)+4H2(g)H2O(g)+C2H5OH(l) ΔH=(2a+4b-c) kJ/mol,D正确。
4.(1)283.0 kJ· mol-1(2分) 632.0(2分) (2)2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH=-1 195.5 kJ·mol-1(2分)
【解析】 (1)由①2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ·mol-1可知, 2 mol CO完全燃烧放出566.0 kJ的热量,所以1 mol CO完全燃烧放出283.0 kJ的热量,则CO的燃烧热为283.0 kJ·mol-1。若1 mol N2(g)、1 mol O2(g) 分子中化学键断裂时分别需要吸收946 kJ、498 kJ的能量,设NO(g) 分子中化学键断裂时需吸收的能量为x kJ·mol-1,由②N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH=(946+498-2x)kJ·mol-1=+180 kJ·mol-1,解得x=632.0,所以1 mol NO(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为632.0 kJ。(2)根据盖斯定律由①×2-②-③可得2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH=-1 195.5 kJ·mol-1。
5.D 本题考查化学平衡移动、盖斯定律等知识,意在考查考生的分析能力和应用能力。根据题意,无法得知乙醇的燃烧热,A项错误;升高反应a的反应温度,平衡正向移动,乙醇的转化率增大,B项错误;根据盖斯定律,由反应b-反应a×2得2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-485.6 kJ·mol-1,C项错误;制取等量的氢气,反应b吸收的能量低于反应a,D项正确。
6.(1)N2(1分) +180 kJ·mol-1(1分) (2)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-116 kJ·mol-1(2分) (3)放热(1分) (4)AB(2分)
【解析】 (1)由题表中的化学键键能数据可知,N2的键能最大,即要断裂键消耗的能量最多,故其最稳定。结合表格中的键能数据可知,N2(g)+O2(g)2NO(g)的ΔH=946 kJ·mol-1+498 kJ·mol-1- 2×632 kJ·mol-1=+180 kJ·mol-1。(2)根据盖斯定律,由①+2×②-③可得CO与H2转化为CH3OH(g)的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-116 kJ·mol-1。(3)反应Ⅰ为熵减反应,根据ΔH-TΔS<0反应自发进行知,该反应在常温下可以自发进行,则ΔH<0。(4)开发新能源,可以减少化石燃料的使用,从而减少汽车尾气污染,A项正确。高效催化剂可降低反应的活化能,在平常条件下污染物就能转化为无毒物质,B项正确。移居郊外、戴呼吸面具只是个人防止毒害的方法,汽车尾气污染一直存在,C、D项错误。
【能力提升】
1.A 由题图可知,反应物的总能量大于生成物的总能量,为放热反应,ΔH=E生-E反,E3为生成物的总能量,E2为反应物的总能量,红磷燃烧的热化学方程式是4P(s,红磷)+5O2(g)P4O10(s) ΔH=-(E2-E3) kJ·mol-1, A项正确。由题图可知,白磷的能量高于红磷的能量,反应P4(s,白磷)4P(s,红磷)为放热反应,ΔH<0, B项错误。能量越低越稳定,由题图可知,白磷的能量高于红磷的能量,则红磷比白磷稳定, C项错误。白磷和红磷的分子结构不同,化学键的连接方式不同,由稳定分子变为活化分子需要的能量也不同,则二者需要的活化能不相等, D项错误。
2.B 根据题图可知CH4与CO2生成CH3COOH的总反应为CH4+CO2CH3COOH,该反应为加成反应,A正确。CH3COOH中羧基中的C采取sp2杂化,又O—H键可以旋转,所以—COOH中的4个原子可以共面,结合CH4为正四面体结构知,与羧基相连的甲基中最多有1个C和1个H与其共面,因此CH3COOH中最多有6个原子共平面,B错误。根据题图知,①的总能量高于②的总能量,①②放出热量,对比①和②,可知①②形成了C—C键,C正确。结合题图知,CH4→CH3COOH过程中,C—H键、键均发生断裂,D正确。
3.D 由题图可得①Mg(s)+F2(g)MgF2(s) ΔH=-1 124 kJ·mol-1,②Mg(s)+Br2(l)MgBr2(s) ΔH=-524 kJ·mol-1,③Mg(s)+I2(s)MgI2(s) ΔH=-364 kJ·mol-1。根据盖斯定律,由②-①得MgF2(s)+Br2(l)MgBr2(s)+F2(g) ΔH=+600 kJ·mol-1,A项正确。根据盖斯定律,由②-③得MgI2(s)+Br2(l)MgBr2(s)+I2(s) ΔH=-160 kJ·mol-1,ΔH<0,B项正确。由题图可知Mg和Br2反应生成MgBr2为放热反应,故电解MgBr2制Mg是吸热反应,C项正确。MgI2、MgBr2、MgCl2、MgF2均为离子晶体,离子半径F-
5.B 氢气的燃烧热是指1 mol氢气完全燃烧生成液态水时放出的热量,而反应①②中的水是气态,A项错误。根据盖斯定律,反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的ΔH=ΔH2-ΔH1,B项正确。若反应②的反应物总能量低于生成物总能量,则该反应是吸热反应,ΔH2>0,C项错误。放热反应,焓变是负值,则放出的热量越多,焓变越小,所以若等物质的量的CO和H2完全燃烧生成气态产物时前者放热更多,则ΔH1<0,D项错误。
6.D 活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量,由题图可知反应①的活化能大于反应②的活化能,A项正确。物质的能量越低,物质越稳定,由题图可知中间体1的能量大于中间体2的能量,则中间产物的稳定性:中间体1<中间体2,B项正确。由题图可知,产物的能量:产物1>产物2,C项正确。ΔH=生成物的总能量-反应物的总能量,由题图可知,反应①、反应②均为放热反应,ΔH均小于零,则ΔH大小:反应①>反应②,D项错误。
7.A 从题图2可以看出,总反应的反应物的总能量比生成物的总能量高,因此总反应为放热反应,A项正确。由题图1可知,Pt2O+参与反应后又生成,不需要补充,Pt2O+是总反应的催化剂,Pt2O2+是反应的中间产物,也不需要补充,催化剂只能改变反应的活化能,不能改变反应的焓变,B、C、D项错误。
8.B A项,由题给表格中的数据可知,NO(g)的相对能量最高,化学性质最活泼,最不稳定,推断正确。B项,反应热等于生成物的总能量与反应物的总能量之差,该反应的ΔH=66 kJ·mol-1-(-20 kJ·mol-1)=+86 kJ·mol-1,推断错误。C项,该反应的ΔH=66 kJ·mol-1+0-11 kJ·mol-1=+55 kJ·mol-1,推断正确。D项,N2O(g)N2(g)+12O2(g) 该反应的ΔH=(0+0-82) kJ·mol-1=-82 kJ·mol-1,推断正确。
9.B 将已知热化学方程式依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由3×①-②-2×③得6FeO(s)+6CO(g)6Fe(s)+6CO2(g) ΔH=-66 kJ·mol-1,则FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g) ΔH=-11 kJ·mol-1,B项正确。
10.(1)无污染、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高(任写其中2个)(2分) H2+2OH--2e-2H2O(2分) (2)<(2分) (3)ac(2分) (4)光能转化为化学能(1分)
【解析】 (1)氢气的来源广且可再生,燃烧生成水,无污染,且单位质量的氢气燃烧放出的热量比汽油的多。碱性氢氧燃料电池的负极发生氧化反应,在碱性条件下氢气放电生成H2O。(2)题中的两个反应都是熵减的反应,由于两个反应均能自发进行,所以两个反应都是放热反应,即ΔH1<0、ΔH2<0。根据盖斯定律,将题中两个热化学方程式相加得H2(g)+O2(g)H2O2(l) ΔH=ΔH1+ΔH2<0。(3)达到化学平衡时,气体的物质的量不变,所以容器内气体压强保持不变,a项正确。由于该反应是可逆反应,所以吸收y mol H2所需的MHx的物质的量大于1 mol,b项错误。该反应的平衡常数表达式为K=1cy(H2),由于该反应是放热反应,降低温度,平衡向正反应方向移动,c(H2)减小,故K增大,c项正确。向容器内通入少量氢气,平衡向正反应方向移动,v(正)>v(逆),即v(吸氢)>v(放氢),d项错误。(4)太阳能分解水制氢,是光能转化为化学能的过程。
11.(1)N2H4(g)+NO2(g)32N2(g)+2H2O(g) ΔH=-567.85 kJ·mol-1(2分) 产物为N2和H2O,对环境无污染(2分) (2)N2H4(g)+2F2(g)N2(g)+4HF(g) ΔH=-1 126 kJ·mol-1(2分) (3)N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O(2分) 17∶24(2分)
【解析】 (1)根据盖斯定律,由②-12×①即得到N2H4(g)+NO2(g)32N2(g)+2H2O(g) ΔH=-534 kJ·mol-1-67.7 kJ·mol-1×12=-567.85 kJ·mol-1。根据方程式可知,生成物是N2和H2O,对环境无污染。(2)根据盖斯定律,由③×4-④×2+②即得到N2H4(g)+2F2(g)N2(g)+4HF(g) ΔH=-1 126 kJ·mol-1。(3)由题意知,肼—空气碱性燃料电池的总反应为N2H4+O2N2+2H2O,负极电极反应式为N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O。氨气—空气碱性燃料电池总反应为4NH3+3O22N2+6H2O,负极的电极反应式为2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O,电流效率之比为432∶634=17∶24。
12.(1)增大(2分) (2)200(2分) (3)①<(2分) ②0.1(2分) ③2(2分) (4)A(2分) D(2分)
【解析】 (1)该反应于恒容密闭容器中达到平衡,继续通入Cl2,平衡正向移动,c(NOCl)增大,逆反应速率增大,直至正、逆反应速率相等时反应再次达到平衡。(2)由ΔH=反应物总键能-生成物总键能=(2×630+243)kJ·mol-1-(2a+2×607)kJ·mol-1=(289-2a) kJ·mol-1=-111 kJ·mol-1,解得a=200。(3)①根据题图1可知,T2下反应先达到平衡,则T2>T1。T2→T1,降低温度,c(NOCl)增大,说明平衡向正反应方向移动,则正反应是放热反应,ΔH<0。②反应至10 min时,c(NOCl)=1 mol·L-1,则v(NOCl)=1mol·L-110min=0.1 mol·L-1·min-1,则NO的平均反应速率v(NO)=v(NOCl)=0.1 mol·L-1·min-1。③起始时c(NO)=2 mol·L-1,c(Cl2)=1 mol·L-1,T2下,反应达到平衡时c(NOCl)=1 mol·L-1,根据2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g),则平衡时c(NO)=1 mol·L-1,c(Cl2)=0.5 mol·L-1,T2时该反应的平衡常数K=c2(NOCl)c2(NO)·c(Cl2)=1212×0.5=2。(4)n(NO)n(Cl2)的值越小,NO的转化率越大,故A、B、C三状态中NO的转化率最大的是A点,n(NO)n(Cl2)=2时,反应达到平衡状态时NOCl的体积分数最大,结合题图2中曲线的变化趋势,当n(NO)n(Cl2)=1.5时,反应达到平衡状态时NOCl的体积分数可能是D点。
专题十二 化学能与热能
考点1 化学反应中能量变化的有关概念
考法1 化学反应中的能量变化
命题角度1 结合能量变化图像判断吸热反应和放热反应
例1 （6分）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
【解析】本题主要考查化学反应与能量变化,意在考查考生灵活运用所学知识的能力。根据能量变化示意图可以判断该反应为放热反应,A项错误;根据反应过程示意图可以看出CO中的碳氧键没有断裂,B项错误;CO2中含有极性键,C项正确;状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO和O形成CO2的过程,D项错误。
【答案】 C
【点评】解答本题的关键是将能量变化图像和反应过程示意图对照起来,正确提取反应过程图像中的能量变化信息。由题中左图信息可知,状态Ⅰ→状态Ⅲ,放出热量,从而判断A项正误;由题中右图信息可知,状态Ⅰ→状态Ⅱ→状态Ⅲ的反应过程,从而判断B、D项正误。
命题角度2 结合反应历程考查化学反应能量变化(新角度)
例2 NH3催化还原NO是重要的烟气脱硝技术,其反应过程与能量关系如图1所示;研究发现在以Fe2O3为主的催化剂上可能发生的反应过程如图2所示。下列说法正确的是
图1 图2
A.NH3催化还原NO为吸热反应
B.过程Ⅰ中NH3断裂非极性键
C.过程Ⅱ中NO为氧化剂,Fe2+为还原剂
D.脱硝的总反应为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g)
【解析】本题考查氧化还原反应等。反应物总能量高于生成物总能量,故NH3催化还原NO为放热反应,A项错误。过程Ⅰ中NH3断裂极性键,B项错误。过程Ⅱ中NO转化为N2,氮元素化合价由 +2 变为0,化合价降低,得电子作氧化剂;Fe2+在反应前后没有发生变化,故作催化剂,C项错误。由题图2得出脱硝的总反应为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)4N2(g)+6H2O(g),D项正确。
【答案】D
【拓展训练】1. “一碳化工”是重要的化学工业,部分原理如下:
反应① C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH1
反应② C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH2=+130 kJ·mol-1
反应③ CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3=-90.1 kJ·mol-1
反应④ 2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4
反应④的能量变化如图所示:
反应⑤ 3CH3OH(g)CH3CHCH2(g)+3H2O(g) ΔH5=-31.0 kJ·mol-1
已知:H2的燃烧热为285.8 kJ·mol-1,H2O的汽化热(在标准状况下,1 mol 物质在一定温度下蒸发所需要的热量)为44 kJ·mol-1。回答下列问题:
(1)反应①的ΔH1= kJ·mol-1。
(2)反应③中正反应的活化能 (填“大于”“小于”或“等于”)逆反应的活化能。
(3)反应④中代表使用催化剂的曲线是 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”),曲线Ⅰ的峰中出现小波谷的原因是 ,反应④的ΔH4= kJ·mol-1。
(4)用适量的CO与H2反应,每生成420 g CH3CHCH2(g)时, (填“吸收”或“放出”) kJ的热量。
考点2 热化学方程式
考法2 热化学方程式的正误判断与书写
命题角度1 热化学方程式的正误判断
例3 下列有关热化学方程式的叙述正确的是
A.2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-483.6 kJ·mol-1,则氢气的燃烧热为241.8 kJ·mol-1
B.已知C(石墨,s)C(金刚石,s)的ΔH>0,则金刚石比石墨稳定
C.含20.0 g NaOH的稀溶液与稀盐酸完全中和,放出28.7 kJ的热量,则中和热的热化学方程式为NaOH+HClNaCl+H2O ΔH=-57.4 kJ·mol-1
D.已知C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1,C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2;则ΔH1<ΔH2
【解析】表示氢气燃烧热时产物中的水应该为液态,故A错误;已知C(石墨,s)C(金刚石,s)的ΔH>0,则石墨能量较低,更稳定,故B错误;含20.0 g(即0.5 mol)NaOH的稀溶液与稀盐酸完全中和,放出28.7 kJ的热量,则中和热的热化学方程式为NaOH(aq)+HCl(aq)NaCl(aq)+H2O(l) ΔH=-57.4 kJ·mol-1,故C错误;已知C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1,C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2,完全燃烧时放出的热量多,故ΔH1<ΔH2,故D正确。
【答案】 D
命题角度2 结合物质循环图示书写热化学方程式(新角度)
例4 (1)（2分）近年来,研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。过程如下:
反应Ⅰ:2H2SO4(l)2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g) ΔH1=+551 kJ·mol-1
反应Ⅲ:S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH3=-297 kJ·mol-1
反应Ⅱ的热化学方程式: 。
(2)（2分）用O2将HCl转化为Cl2,可提高效益,减少污染。
传统上该转化通过如右所示的催化循环实现。其中,反应①为2HCl(g)+CuO(s)H2O(g)+CuCl2(s) ΔH1
反应②生成1 mol Cl2(g)的反应热为ΔH2,则总反应的热化学方程式为 (反应热用ΔH1和ΔH2表示)。
【解析】 (1)由于反应Ⅱ是二氧化硫的催化歧化反应,且由题意可知其氧化产物和还原产物分别为H2SO4和S,根据得失电子守恒和元素守恒可写出反应Ⅱ的化学方程式:3SO2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l)+S(s)。根据盖斯定律,反应Ⅰ与反应Ⅲ的热化学方程式相加得2H2SO4(l)+S(s) 3SO2(g)+2H2O(g) ΔH=+254 kJ·mol-1,所以反应Ⅱ的热化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g) 2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254 kJ·mol-1。(2)根据图示写出反应②CuCl2(s)+12O2(g)CuO(s)+Cl2(g) ΔH2,由①+②可写出总反应的热化学方程式。
【答案】(1)3SO2(g)+2H2O(g)2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254 kJ·mol-1
(2)2HCl(g)+12O2(g)Cl2(g)+H2O(g) ΔH1+ΔH2
【拓展训练】2. 写出下列反应的热化学方程式。
(1)Si与Cl两元素的单质反应生成1 mol Si的最高价化合物,恢复至室温,放热687 kJ。已知该化合物的熔、沸点分别为-69 ℃和58 ℃。写出该反应的热化学方程式: 。
(2)NaBH4(s)与H2O(l)反应生成NaBO2(s)和H2(g)。在25 ℃、101 kPa下,已知每消耗3.8 g NaBH4(s)放热21.6 kJ,该反应的热化学方程式是 。
(3)已知AX3的熔点和沸点分别为-93.6 ℃和76 ℃,AX5的熔点为167 ℃。室温时AX3与气体X2反应生成1 mol AX5,放出热量123.8 kJ。该反应的热化学方程式为 。
考点3 盖斯定律的应用及反应热的计算和大小比较
考法3 反应热的计算
命题角度1 根据键能计算反应热
例5 （4分）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
H—H
C←O(CO)
键能/(kJ·mol-1)
413
745
436
1 075
则该反应的ΔH= 。
分别在v L恒温密闭容器A(恒容)、B(恒压,容积可变)中,加入CH4和CO2各1 mol的混合气体。两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是 (填“A”或“B”)。
【解析】根据ΔH=反应物总键能-生成物总键能,该反应的ΔH=(413×4+745×2) kJ·mol-1-(1 075×2+436×2) kJ·mol-1=+120 kJ·mol-1。该反应为气体分子数增大的吸热反应,恒容时达到的平衡相当于恒压条件下达到平衡后增大压强,加压平衡向逆反应方向移动,故恒容时反应达平衡后吸收的热量比恒压时反应达平衡后吸收的热量少。
【答案】+120 kJ·mol-1 B
【点评】利用键能计算反应热的关键,就是要算清物质中化学键的数目,清楚中学阶段常见单质、化合物中所含共价键的种类和数目。
物质
(化学键)
CO2
(CO)
CH4
(C—H)
P4
(P—P)
SiO2
(Si—O)
石墨
(C—C)
金刚石
(C—C)
S8
(S—S)
Si
(Si—Si)
每个微粒所含
化学键数目
2
4
6
4
1.5
2
8
2
【拓展训练】3. 请回答下列问题:
(1)（2分）已知反应2HI(g)H2(g)+I2(g)的ΔH=+11 kJ·mol-1,1 mol H2(g)、1 mol I2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收436 kJ、151 kJ的能量,则1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为 kJ。
(2)（4分）甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇,发生的主要反应如下:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
③CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3
已知反应①中相关的化学键键能数据如下:
化学键
H—H
C—O
C←O
H—O
C—H
E/(kJ·mol-1)
436
343
1 076
465
413
由此计算ΔH1= kJ·mol-1;已知ΔH2=-58 kJ·mol-1,则ΔH3= kJ·mol-1。
命题角度2 根据盖斯定律计算反应热(热点角度)
例6 请回答下列问题:
(1)（2分）SiHCl3在催化剂作用下发生反应:
2SiHCl3(g)SiH2Cl2(g)+SiCl4(g) ΔH1=48 kJ·mol-1
3SiH2Cl2(g)SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30 kJ·mol-1
则反应4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)的ΔH为 kJ·mol-1。
(2)（2分）正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:
①C4H10(g)C4H8(g)+H2(g) ΔH1
已知:②C4H10(g)+12O2(g)C4H8(g)+H2O(g) ΔH2=-119 kJ·mol-1
③H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH3=-242 kJ·mol-1
反应①的ΔH1为 kJ·mol-1。
(3)（2分）已知下列反应:
SO2(g)+2OH-(aq)SO32-(aq)+H2O(l) ΔH1
ClO-(aq)+SO32-(aq)SO42-(aq)+Cl-(aq) ΔH2
CaSO4(s)Ca2+(aq)+SO42-(aq) ΔH3
则反应SO2(g)+Ca2+(aq)+ClO-(aq)+2OH-(aq)CaSO4(s)+H2O(l)+Cl-(aq)的ΔH= 。
【解题思路】
【解析】(1)将已知热化学方程式依次编号为①、②,根据盖斯定律,由①×3+②可得
4SiHCl3(g)SiH4(g)+3SiCl4(g)
ΔH=3×48 kJ·mol-1 -30 kJ·mol-1=114 kJ·mol-1。
(2)根据盖斯定律,可得①=②-③,
则ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119 kJ·mol-1+242 kJ·mol-1=123 kJ·mol-1。
(3)将三个反应依次记为①②③,根据盖斯定律,由①+②-③得
SO2(g)+Ca2+(aq)+ClO-(aq)+2OH-(aq)CaSO4(s)+H2O(l)+Cl-(aq)
ΔH=ΔH1+ΔH2-ΔH3。
【答案】 (1)114 (2)123 (3)ΔH1+ΔH2-ΔH3
命题角度3 根据反应图像计算反应热
例7 已知:1 g C(s)燃烧生成一氧化碳放出9.2 kJ的热量;氧化亚铜与氧气反应的能量变化如图所示。下列叙述正确的是
A.碳（C(s)）的燃烧热为110.4 kJ·mol-1
B.1 mol CuO分解生成Cu2O放出73 kJ的热量
C.反应2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)的活化能为292 kJ·mol-1
D.足量碳与CuO反应生成Cu2O的热化学方程式为C(s)+2CuO(s)Cu2O(s)+CO(g) ΔH=+35.6 kJ·mol-1
【解析】本题考查化学反应中的能量变化,涉及图像分析、燃烧热的概念及盖斯定律的应用。根据题意,C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH=-9.2×12 kJ·mol-1=-110.4 kJ·mol-1,而C(s)的燃烧热是指1 mol C(s)完全燃烧生成CO2时所放出的热量,A项错误;根据图示,2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) ΔH=(348-640)kJ·mol-1=-292 kJ·mol-1,则1 mol CuO分解生成Cu2O吸收的热量为2924 kJ=73 kJ,B项错误;2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) 的反应热为-292 kJ·mol-1,活化能为348 kJ·mol-1,C项错误;①C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH=-110.4 kJ·mol-1,②2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) ΔH=-292 kJ·mol-1,根据盖斯定律,由①-②×12,可得:C(s)+2CuO(s)Cu2O(s)+CO(g) ΔH=-110.4 kJ·mol-1-(-292 kJ·mol-1)×12=+35.6 kJ·mol-1,D项正确。
【答案】 D
【拓展训练】4. 2 mol金属钠和1 mol 氯气反应的能量关系如图所示,下列说法不正确的是( )
A.相同条件下,K(s)的(ΔH'2+ΔH'3)
C.ΔH5<0,在相同条件下,2Br(g)的ΔH'5>ΔH5
D.ΔH7<0,且该过程形成了分子间作用力
考法4 反应热的大小比较
命题角度 反应热的大小比较
例8 （6分）室温下,将1 mol的CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低,热效应为ΔH1,将1 mol的CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高,热效应为ΔH2;CuSO4·5H2O受热分解的化学方程式为CuSO4·5H2O(s)CuSO4(s)+5H2O(l),热效应为ΔH3。则下列判断正确的是
A.ΔH2>ΔH3 B.ΔH1<ΔH3
C.ΔH1+ΔH3=ΔH2 D.ΔH1+ΔH2>ΔH3
【解析】基础解法 根据题意,可写出热化学方程式:
CuSO4·5H2O(s)CuSO4(aq)+5H2O(l) ΔH1>0;
CuSO4(s)CuSO4(aq) ΔH2<0。
故CuSO4·5H2O(s)CuSO4(s)+5H2O(l) ΔH3=ΔH1-ΔH2>0(吸热)。
从而推出ΔH2(小于0)<ΔH3(大于0),A项错误;由ΔH3=
ΔH1-ΔH2>0(其中ΔH2小于0)知,ΔH1<ΔH3,B项正确,C、D项错误。
能力解法:图示法。如图,由图中关系确定各选项。
【答案】 B
【拓展训练】5. 下列各组热化学方程式的ΔH前者大于后者的是( )
①C(s)+O2(g) CO2(g) ΔH1
C(s)+12O2(g) CO(g) ΔH2
②S(s)+O2(g) SO2(g) ΔH3
S(g)+O2(g) SO2(g) ΔH4
③H2(g)+12O2(g) H2O(l) ΔH5
2H2(g)+O2(g) 2H2O(l) ΔH6
④CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g) ΔH7
CaO(s)+H2O(l) Ca(OH)2(aq) ΔH8
A.①③④ B.②④ C.②③④ D.①②③
【基础巩固】
考点1 化学反应中能量变化的有关概念
1.反应A(g)+B(g)C(g)分两步进行:①A(g)+B(g)X(g),②X(g)C(g),反应过程中能量变化如图所示,E1表示反应A(g)+B(g)X(g)的活化能。下列有关叙述正确的是( )
A.E2表示反应X(g)C(g)的活化能
B.X是反应A(g)+B(g)C(g)的催化剂
C.反应A(g)+B(g)C(g)的ΔH<0
D.加入催化剂可改变反应A(g)+B(g)C(g)的焓变
2.工业合成氨反应在催化剂表面的反应历程及能量变化如图所示,下列说法正确的是( )
A.增大压强,①→②之间的能量差值会增大
B.合成氨的正、逆反应的焓变相同
C.合成氨的过程是吸热过程
D.若使用催化剂,生成等量的NH3需要的时间更短
考点2 热化学方程式
3.CO、H2、C2H5OH三种物质燃烧的热化学方程式如下:
①CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH1=a kJ/mol;
②H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH2=b kJ/mol;
③C2H5OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+3H2O(g) ΔH3=c kJ/mol。
下列说法正确的是( )
A.ΔH1>0
B.2H2O(l)2H2(g)+O2(g) ΔH=-2b kJ/mol
C.CO2与H2合成C2H5OH反应的原子利用率为100%
D.2CO(g)+4H2(g)H2O(g)+C2H5OH(l) ΔH=(2a+4b-c) kJ/mol
4.（6分）汽车尾气中排放的NOx和CO会污染环境,通常在汽车尾气系统中安装催化转化器,可有效降低NOx和CO的排放。
已知:①2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ· mol-1
②N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH=+180 kJ· mol-1
③2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH=-116.5 kJ· mol-1
回答下列问题:
(1)CO的燃烧热为 。若1 mol N2(g)、1 mol O2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收946 kJ、498 kJ的能量,则1 mol NO(g) 分子中化学键断裂时需吸收的能量为 kJ。
(2)CO将NO2还原为单质的热化学方程式为 。
考点3 盖斯定律的应用及反应热的计算和大小比较
5.已知可分别通过如下两个反应制取氢气:
a.CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g) ΔH=+256.6 kJ·mol-1
b.2CH3CH2OH(g)+O2(g)6H2(g)+4CO(g) ΔH=+27.6 kJ·mol-1
则下列说法正确的是( )
A.乙醇的燃烧热ΔH=-13.8 kJ·mol-1
B.升高反应a的反应温度,乙醇的转化率减小
C.2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-229 kJ·mol-1
D.制取等量的氢气,反应b吸收的能量更少
6.（7分）CO和NO是汽车尾气的主要成分,它们能缓慢地发生反应Ⅰ:2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)。
(1)汽车行驶时,N2和O2在电火花作用下产生NO,各物质所含化学键键能数据如下表:
物质
N2
O2
NO
化学键键能/(kJ·mol-1)
946
498
632
相同条件下,N2、O2、NO三种物质中最稳定的是 ;N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH= 。
(2)工业上可通过CO和H2化合制备甲醇,反应的化学方程式为CO+2H2CH3OH。
已知:①CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH=-283 kJ·mol-1
②H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH=-242 kJ·mol-1
③CH3OH(g)+32O2(g)CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-651 kJ·mol-1
写出工业上用CO和H2合成CH3OH(g)的热化学方程式: 。
(3)反应Ⅰ在常温下可以自发进行,则该反应的正反应为 (填“吸热”或“放热”)反应。
(4)为减少汽车尾气污染,下列措施合理的有 (填字母)。
A.开发氢能源
B.寻找反应Ⅰ的高效催化剂
C.市民大量移居城市郊区
D.戴上呼吸面具
【能力提升】
一、选择题(每小题6分,共54分)
1.1 mol白磷(P4,s)和4 mol红磷(P,s)与氧气反应过程中的能量变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.红磷燃烧的热化学方程式是4P(s,红磷)+5O2(g)P4O10(s) ΔH=-(E2-E3) kJ·mol-1
B.P4(s,白磷)4P(s,红磷) ΔH>0
C.白磷比红磷稳定
D.题述变化中,白磷和红磷所需活化能相等
2.（新题型）我国科学家提出了由CO2和CH4转化为 CH3COOH的催化反应历程。该历程示意图如下:
下列有关说法错误的是( )
A.原料到产品的总反应属于加成反应
B.CH3COOH 分子中最多有7个原子共平面
C.①→②放出热量并形成了C—C键
D.CH4→CH3COOH 过程中,有两种类型的化学键断裂
3.如图是1 mol金属镁和卤素单质反应的ΔH(单位:kJ·mol-1)示意图,反应物和生成物均为常温时的稳定状态。下列选项不正确的是( )
A.由图可知,MgF2(s)+Br2(l)MgBr2(s)+F2(g) ΔH=+600 kJ·mol-1
B.MgI2与Br2反应的ΔH<0
C.电解MgBr2制Mg是吸热反应
D.化合物的热稳定性顺序:MgI2>MgBr2>MgCl2>MgF2
4.我国科学家在绿色化学领域取得新进展。利用双催化剂Cu和Cu2O,在水溶液中用氢原子将CO2高效还原为重要工业原料之一的甲醇,反应机理如图。下列有关说法不正确的是( )
A.CO2生成甲醇是通过多步还原反应实现的
B.催化剂Cu结合氢原子,催化剂Cu2O结合含碳微粒
C.该催化过程中只涉及化学键的形成,未涉及化学键的断裂
D.有可能通过调控反应条件获得甲醛等有机物
5.已知:①CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH1
②CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH2
下列推断正确的是( )
A.若CO的燃烧热为ΔH3,则H2的燃烧热为ΔH3-ΔH1
B.反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的ΔH=ΔH2-ΔH1
C.若反应②的反应物总能量低于生成物总能量,则ΔH2<0
D.若等物质的量的CO和H2完全燃烧生成气态产物时前者放热更多,则ΔH1>0
6.异丁烯与氯化氢可能发生两种加成反应,相应的能量变化与反应过程如图所示,下列说法错误的是( )
①+HCl(产物1)
②+HCl(产物2)
A.活化能:反应①>反应②
B.中间产物的稳定性:中间体1<中间体2
C.产物的能量:产物1>产物2
D.ΔH大小:反应①<反应②
7.（新角度）N2O和CO是环境污染性气体,可在Pt2O+表面转化为无害气体,有关化学反应的物质变化过程如图1所示,能量变化过程如图2所示,下列说法正确的是( )
A.总反应为放热反应
B.Pt2O2+是该反应的催化剂
C.加入Pt2O+,可使反应的焓变减小
D.为了实现转化需不断补充Pt2O+和Pt2O2+
8.（新角度）化学上,规定稳定单质的生成热为0;可用物质的生成热表示该物质的相对能量高低。氮的几种氧化物的相对能量如表所示(25 ℃,101 kPa条件下):
物质及状态
N2O(g)
NO(g)
NO2(g)
N2O4(l)
N2O5(g)
相对能量/(kJ·mol-1)
82
90
33
-20
11
下列推断不正确的是( )
A.在5种氮的氧化物中,NO(g)最活泼
B.N2O4(l)2NO2(g) ΔH=-86 kJ·mol-1
C.N2O5(g)2NO2(g)+12O2(g) ΔH=+55 kJ·mol-1
D.1 mol N2O(g)分解成N2(g)和O2(g)需要放出82 kJ能量
9.已知:Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g) ΔH=-24.8 kJ·mol-1
3Fe2O3(s)+CO(g) 2Fe3O4(s)+CO2(g) ΔH=-47.2 kJ·mol-1
Fe3O4(s)+CO(g) 3FeO(s)+CO2(g) ΔH=+19.4 kJ·mol-1
则反应FeO(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g)的反应热为( )
A.+11 kJ·mol-1 B.-11 kJ·mol-1
C.+23.5 kJ·mol-1 D.-23.5 kJ·mol-1
二、非选择题(共33分)
10.（新情境）（9分）氢能是发展中的新能源,它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。回答下列问题:
(1)与汽油相比,氢气作为燃料的优点是 (至少答出两点)。但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池,写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式: 。
(2)氢气可用于制备H2O2。已知:
H2(g)+A(l)B(l) ΔH1
O2(g)+B(l)A(l)+H2O2(l) ΔH2
其中A、B为有机物,两反应均为自发反应,则H2(g)+O2(g)H2O2(l)的ΔH 0(填“>”“<”或“=”)。
(3)在恒温恒容的密闭容器中,某储氢反应:MHx(s)+yH2(g)MHx+2y(s) ΔH<0达到化学平衡。下列有关叙述正确的是 。
a.容器内气体压强保持不变
b.吸收y mol H2只需1 mol MHx
c.若降温,该反应的平衡常数增大
d.若向容器内通入少量氢气,则v(放氢)>v(吸氢)
(4)利用太阳能直接分解水制氢,是最具吸引力的制氢途径,其能量转化形式为 。
11.（新情境）（10分）2019年11月28日7时52分,在太原卫星发射中心,长征四号丙运载火箭成功将高分十二号卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。其中,长征四号丙运载火箭推进剂以肼(N2H4)为燃料,NO2为氧化剂,反应生成N2和水蒸气。已知:
①N2(g)+2O2(g)2NO2(g) ΔH1=+67.7 kJ·mol-1;
②N2H4(g)+O2(g)N2(g)+2H2O(g) ΔH2=-534 kJ·mol-1;
③12H2(g)+12F2(g)HF(g) ΔH3=-269 kJ·mol-1;
④H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH4=-242 kJ·mol-1。
(1)肼和NO2反应的热化学方程式为 。
此反应用于火箭推进,除释放大量能量和快速产生气体外,还有一个很大的优点是
。
(2)有人认为若用氟气代替二氧化氮作氧化剂,反应释放的能量更大,则肼和氟气反应的热化学方程式为 。
(3)肼—空气碱性(KOH为电解质)燃料电池(氧化产物为大气主要成分)的能量转化率高。写出负极的电极反应式: 。已知:电流效率可用单位质量的燃料提供的电子数表示。肼—空气碱性燃料电池、氨气—空气碱性(KOH为电解质)燃料电池(氧化产物是大气主要成分)的电流效率之比为 。
12.（新素材）（14分）亚硝酰氯(NOCl)可由NO与Cl2反应得到,化学方程式为2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g)。
(1)在一定温度下,该反应于一恒容密闭容器中达到平衡,继续通入Cl2,逆反应速率 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)已知几种化学键的键能数据如表(亚硝酰氯的结构式为Cl—NO):
化学键
Cl—Cl
Cl—N
NO
键能/(kJ·mol-1)
630
243
a
607
2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g) ΔH=-111 kJ·mol-1,则a= 。
(3)在1 L的恒容密闭容器中充入2 mol NO(g)和1 mol Cl2(g),在不同温度下测得c(NOCl)与时间的关系如图1:
图1 图2
①该反应的ΔH (填“>”“<”或“=”)0。
②从反应开始到10 min时NO的平均反应速率v(NO)= mol·L-1·min-1。
③T2时该反应的平衡常数K= 。
(4)一定条件下在恒温恒容的密闭容器中按一定比例充入NO(g)和Cl2(g),平衡时NOCl的体积分数随n(NO)n(Cl2)的变化图像如图2,则A、B、C三状态中,NO的转化率最大的是 点,当n(NO)n(Cl2)=1.5时,反应达到平衡状态时NOCl的体积分数可能是D、E、F三点中的 点。
【答案与解析】
【拓展训练】
1.(1)-111.8 (2)小于 (3)Ⅰ 曲线Ⅰ的峰中出现的小波谷对应的能量是生成的中间产物具有的能量,该催化反应包括反应物与催化剂生成中间产物、中间产物再生成产物两个反应过程,都有断键吸热和成键放热的过程 -134 (4)放出 3 013
【解析】 (1)根据H2的燃烧热和H2O的汽化热可写出热化学方程式:⑥H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔH6=-285.8 kJ·mol-1;⑦H2O(l)H2O(g) ΔH7=+44 kJ·mol-1。根据盖斯定律知①=②+⑥+⑦,则ΔH1=ΔH2+ΔH6+ΔH7=+130 kJ·mol-1-285.8 kJ·mol-1+44 kJ·mol-1=-111.8 kJ·mol-1。(2)反应③是放热反应,反应物的能量高,生成物的能量低,故反应物分子达到活化分子吸收的能量少,即正反应活化能小。(3)使用催化剂可降低反应的活化能,故使用催化剂的曲线是Ⅰ;曲线Ⅰ的峰中出现的小波谷对应的能量是生成的中间产物具有的能量,该催化反应包括反应物与催化剂生成中间产物、中间产物再生成产物两个反应过程,都有断键吸热和成键放热的过程。由题图可知,ΔH4=(152-286) kJ·mol-1=-134 kJ·mol-1。(4)根据盖斯定律,由③×3+⑤得3CO(g)+6H2(g)CH3CHCH2(g)+3H2O(g) ΔH=-90.1 kJ·mol-1×3-31.0 kJ·mol-1=-301.3 kJ·mol-1,故生成420 g(即10 mol)CH3CHCH2(g)放出的热量是301.3 kJ·mol-1×10 mol=3 013 kJ。
2.(1)Si(s)+2Cl2(g)SiCl4(l) ΔH=-687 kJ·mol-1 (2)NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(s)+4H2(g) ΔH=-216.0 kJ·mol-1(3分) (3)AX3(l)+X2(g)AX5(s) ΔH=-123.8 kJ·mol-1(2分)
【解析】 (1)生成物是四氯化硅,书写热化学方程式的关键是判断常温下四氯化硅的状态,根据其熔点和沸点数据,可推断出四氯化硅在常温下呈液态,据此可写出该反应的热化学方程式。(2)根据题中“每消耗3.8 g NaBH4(s)放热21.6 kJ”,可得此反应的热化学方程式为NaBH4(s)+2H2O(l)NaBO2(s)+4H2(g) ΔH=-216.0 kJ·mol-1。(3)由题目信息可知,常温时AX3为液体,AX5为固体,从而可写出该反应的热化学方程式:AX3(l)+X2(g)AX5(s) ΔH=-123.8 kJ·mol-1。
3.(1)299(2分) (2)-99(2分) +41(2分)
【解析】 (1)设1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为a kJ,则ΔH=(2a-436-151) kJ·mol-1=+11 kJ·mol-1,解得a=299。(2)反应①中,生成1 mol CH3OH(g)时需要形成3 mol C—H键、1 mol C—O键和1 mol O—H键,则放出的热量为(413×3+343+465) kJ=2 047 kJ,同时需要断裂1 mol C←O键和2 mol H—H键,吸收的热量为(1 076+436×2) kJ=1 948 kJ,则该反应为放热反应,ΔH1=(1 948-2 047) kJ·mol-1=-99 kJ·mol-1;根据盖斯定律,ΔH3=ΔH2-ΔH1=(-58+99) kJ·mol-1=+41 kJ·mol-1。
4.D K比Na活泼,相同条件下K更易失去电子,则K(s)的(ΔH2'+ΔH3')
5.C ΔH有正、负之分,比较时要连同“+”“-”在内一起比较,类似数学中的正、负数大小的比较。①中第一个热化学方程式减去第二个热化学方程式可得CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH=ΔH1-ΔH2,该反应为放热反应,即ΔH1-ΔH2<0,所以ΔH1<ΔH2;②等量的固态硫变为硫蒸气时吸收热量,故在与O2反应产生同样状态的SO2时,气态硫放出的热量多,即ΔH3>ΔH4;③发生同样的燃烧反应,物质的量越多,放出的热量越多,故ΔH5>ΔH6;④碳酸钙分解吸收热量,ΔH7>0,CaO与H2O反应放出热量,ΔH8<0,显然ΔH7>ΔH8。
【基础巩固】
1.C 分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量称为活化能,由题图可知,E2表示反应C(g)X(g)的活化能,A项错误。X是反应A(g)+B(g)C(g)的中间产物,B项错误。由题图可知,反应物的总能量高于生成物的总能量,故该反应是放热反应,ΔH<0,C项正确。催化剂只改变反应速率,不改变反应的焓变,D项错误。
2.D ①→②之间的能量差是化学键断裂要吸收的能量,即反应的活化能,增大压强,反应的活化能不变,A项错误。由题图知,合成氨的正反应为放热反应,逆反应为吸热反应,焓变不相同,B项错误。合成氨的过程为放热过程,C项错误。使用催化剂能够加快反应速率,D项正确。
3.D 反应①为CO(g)的燃烧反应,一定为放热反应,ΔH1<0,A错误。反应②中的水为气态,而选项B中水为液态,故无法计算选项B中反应的焓变,B错误。CO2与H2合成C2H5OH的反应为2CO2(g)+6H2(g)3H2O(g)+C2H5OH(l),原子利用率小于100%,C错误。根据盖斯定律由①×2+②×4-③可得2CO(g)+4H2(g)H2O(g)+C2H5OH(l) ΔH=(2a+4b-c) kJ/mol,D正确。
4.(1)283.0 kJ· mol-1(2分) 632.0(2分) (2)2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH=-1 195.5 kJ·mol-1(2分)
【解析】 (1)由①2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ·mol-1可知, 2 mol CO完全燃烧放出566.0 kJ的热量,所以1 mol CO完全燃烧放出283.0 kJ的热量,则CO的燃烧热为283.0 kJ·mol-1。若1 mol N2(g)、1 mol O2(g) 分子中化学键断裂时分别需要吸收946 kJ、498 kJ的能量,设NO(g) 分子中化学键断裂时需吸收的能量为x kJ·mol-1,由②N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH=(946+498-2x)kJ·mol-1=+180 kJ·mol-1,解得x=632.0,所以1 mol NO(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为632.0 kJ。(2)根据盖斯定律由①×2-②-③可得2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH=-1 195.5 kJ·mol-1。
5.D 本题考查化学平衡移动、盖斯定律等知识,意在考查考生的分析能力和应用能力。根据题意,无法得知乙醇的燃烧热,A项错误;升高反应a的反应温度,平衡正向移动,乙醇的转化率增大,B项错误;根据盖斯定律,由反应b-反应a×2得2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-485.6 kJ·mol-1,C项错误;制取等量的氢气,反应b吸收的能量低于反应a,D项正确。
6.(1)N2(1分) +180 kJ·mol-1(1分) (2)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-116 kJ·mol-1(2分) (3)放热(1分) (4)AB(2分)
【解析】 (1)由题表中的化学键键能数据可知,N2的键能最大,即要断裂键消耗的能量最多,故其最稳定。结合表格中的键能数据可知,N2(g)+O2(g)2NO(g)的ΔH=946 kJ·mol-1+498 kJ·mol-1- 2×632 kJ·mol-1=+180 kJ·mol-1。(2)根据盖斯定律,由①+2×②-③可得CO与H2转化为CH3OH(g)的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-116 kJ·mol-1。(3)反应Ⅰ为熵减反应,根据ΔH-TΔS<0反应自发进行知,该反应在常温下可以自发进行,则ΔH<0。(4)开发新能源,可以减少化石燃料的使用,从而减少汽车尾气污染,A项正确。高效催化剂可降低反应的活化能,在平常条件下污染物就能转化为无毒物质,B项正确。移居郊外、戴呼吸面具只是个人防止毒害的方法,汽车尾气污染一直存在,C、D项错误。
【能力提升】
1.A 由题图可知,反应物的总能量大于生成物的总能量,为放热反应,ΔH=E生-E反,E3为生成物的总能量,E2为反应物的总能量,红磷燃烧的热化学方程式是4P(s,红磷)+5O2(g)P4O10(s) ΔH=-(E2-E3) kJ·mol-1, A项正确。由题图可知,白磷的能量高于红磷的能量,反应P4(s,白磷)4P(s,红磷)为放热反应,ΔH<0, B项错误。能量越低越稳定,由题图可知,白磷的能量高于红磷的能量,则红磷比白磷稳定, C项错误。白磷和红磷的分子结构不同,化学键的连接方式不同,由稳定分子变为活化分子需要的能量也不同,则二者需要的活化能不相等, D项错误。
2.B 根据题图可知CH4与CO2生成CH3COOH的总反应为CH4+CO2CH3COOH,该反应为加成反应,A正确。CH3COOH中羧基中的C采取sp2杂化,又O—H键可以旋转,所以—COOH中的4个原子可以共面,结合CH4为正四面体结构知,与羧基相连的甲基中最多有1个C和1个H与其共面,因此CH3COOH中最多有6个原子共平面,B错误。根据题图知,①的总能量高于②的总能量,①②放出热量,对比①和②,可知①②形成了C—C键,C正确。结合题图知,CH4→CH3COOH过程中,C—H键、键均发生断裂,D正确。
3.D 由题图可得①Mg(s)+F2(g)MgF2(s) ΔH=-1 124 kJ·mol-1,②Mg(s)+Br2(l)MgBr2(s) ΔH=-524 kJ·mol-1,③Mg(s)+I2(s)MgI2(s) ΔH=-364 kJ·mol-1。根据盖斯定律,由②-①得MgF2(s)+Br2(l)MgBr2(s)+F2(g) ΔH=+600 kJ·mol-1,A项正确。根据盖斯定律,由②-③得MgI2(s)+Br2(l)MgBr2(s)+I2(s) ΔH=-160 kJ·mol-1,ΔH<0,B项正确。由题图可知Mg和Br2反应生成MgBr2为放热反应,故电解MgBr2制Mg是吸热反应,C项正确。MgI2、MgBr2、MgCl2、MgF2均为离子晶体,离子半径F-
5.B 氢气的燃烧热是指1 mol氢气完全燃烧生成液态水时放出的热量,而反应①②中的水是气态,A项错误。根据盖斯定律,反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的ΔH=ΔH2-ΔH1,B项正确。若反应②的反应物总能量低于生成物总能量,则该反应是吸热反应,ΔH2>0,C项错误。放热反应,焓变是负值,则放出的热量越多,焓变越小,所以若等物质的量的CO和H2完全燃烧生成气态产物时前者放热更多,则ΔH1<0,D项错误。
6.D 活化能是指分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量,由题图可知反应①的活化能大于反应②的活化能,A项正确。物质的能量越低,物质越稳定,由题图可知中间体1的能量大于中间体2的能量,则中间产物的稳定性:中间体1<中间体2,B项正确。由题图可知,产物的能量:产物1>产物2,C项正确。ΔH=生成物的总能量-反应物的总能量,由题图可知,反应①、反应②均为放热反应,ΔH均小于零,则ΔH大小:反应①>反应②,D项错误。
7.A 从题图2可以看出,总反应的反应物的总能量比生成物的总能量高,因此总反应为放热反应,A项正确。由题图1可知,Pt2O+参与反应后又生成,不需要补充,Pt2O+是总反应的催化剂,Pt2O2+是反应的中间产物,也不需要补充,催化剂只能改变反应的活化能,不能改变反应的焓变,B、C、D项错误。
8.B A项,由题给表格中的数据可知,NO(g)的相对能量最高,化学性质最活泼,最不稳定,推断正确。B项,反应热等于生成物的总能量与反应物的总能量之差,该反应的ΔH=66 kJ·mol-1-(-20 kJ·mol-1)=+86 kJ·mol-1,推断错误。C项,该反应的ΔH=66 kJ·mol-1+0-11 kJ·mol-1=+55 kJ·mol-1,推断正确。D项,N2O(g)N2(g)+12O2(g) 该反应的ΔH=(0+0-82) kJ·mol-1=-82 kJ·mol-1,推断正确。
9.B 将已知热化学方程式依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由3×①-②-2×③得6FeO(s)+6CO(g)6Fe(s)+6CO2(g) ΔH=-66 kJ·mol-1,则FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g) ΔH=-11 kJ·mol-1,B项正确。
10.(1)无污染、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高(任写其中2个)(2分) H2+2OH--2e-2H2O(2分) (2)<(2分) (3)ac(2分) (4)光能转化为化学能(1分)
【解析】 (1)氢气的来源广且可再生,燃烧生成水,无污染,且单位质量的氢气燃烧放出的热量比汽油的多。碱性氢氧燃料电池的负极发生氧化反应,在碱性条件下氢气放电生成H2O。(2)题中的两个反应都是熵减的反应,由于两个反应均能自发进行,所以两个反应都是放热反应,即ΔH1<0、ΔH2<0。根据盖斯定律,将题中两个热化学方程式相加得H2(g)+O2(g)H2O2(l) ΔH=ΔH1+ΔH2<0。(3)达到化学平衡时,气体的物质的量不变,所以容器内气体压强保持不变,a项正确。由于该反应是可逆反应,所以吸收y mol H2所需的MHx的物质的量大于1 mol,b项错误。该反应的平衡常数表达式为K=1cy(H2),由于该反应是放热反应,降低温度,平衡向正反应方向移动,c(H2)减小,故K增大,c项正确。向容器内通入少量氢气,平衡向正反应方向移动,v(正)>v(逆),即v(吸氢)>v(放氢),d项错误。(4)太阳能分解水制氢,是光能转化为化学能的过程。
11.(1)N2H4(g)+NO2(g)32N2(g)+2H2O(g) ΔH=-567.85 kJ·mol-1(2分) 产物为N2和H2O,对环境无污染(2分) (2)N2H4(g)+2F2(g)N2(g)+4HF(g) ΔH=-1 126 kJ·mol-1(2分) (3)N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O(2分) 17∶24(2分)
【解析】 (1)根据盖斯定律,由②-12×①即得到N2H4(g)+NO2(g)32N2(g)+2H2O(g) ΔH=-534 kJ·mol-1-67.7 kJ·mol-1×12=-567.85 kJ·mol-1。根据方程式可知,生成物是N2和H2O,对环境无污染。(2)根据盖斯定律,由③×4-④×2+②即得到N2H4(g)+2F2(g)N2(g)+4HF(g) ΔH=-1 126 kJ·mol-1。(3)由题意知,肼—空气碱性燃料电池的总反应为N2H4+O2N2+2H2O,负极电极反应式为N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O。氨气—空气碱性燃料电池总反应为4NH3+3O22N2+6H2O,负极的电极反应式为2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O,电流效率之比为432∶634=17∶24。
12.(1)增大(2分) (2)200(2分) (3)①<(2分) ②0.1(2分) ③2(2分) (4)A(2分) D(2分)
【解析】 (1)该反应于恒容密闭容器中达到平衡,继续通入Cl2,平衡正向移动,c(NOCl)增大,逆反应速率增大,直至正、逆反应速率相等时反应再次达到平衡。(2)由ΔH=反应物总键能-生成物总键能=(2×630+243)kJ·mol-1-(2a+2×607)kJ·mol-1=(289-2a) kJ·mol-1=-111 kJ·mol-1,解得a=200。(3)①根据题图1可知,T2下反应先达到平衡,则T2>T1。T2→T1,降低温度,c(NOCl)增大,说明平衡向正反应方向移动,则正反应是放热反应,ΔH<0。②反应至10 min时,c(NOCl)=1 mol·L-1,则v(NOCl)=1mol·L-110min=0.1 mol·L-1·min-1,则NO的平均反应速率v(NO)=v(NOCl)=0.1 mol·L-1·min-1。③起始时c(NO)=2 mol·L-1,c(Cl2)=1 mol·L-1,T2下,反应达到平衡时c(NOCl)=1 mol·L-1,根据2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g),则平衡时c(NO)=1 mol·L-1,c(Cl2)=0.5 mol·L-1,T2时该反应的平衡常数K=c2(NOCl)c2(NO)·c(Cl2)=1212×0.5=2。(4)n(NO)n(Cl2)的值越小,NO的转化率越大,故A、B、C三状态中NO的转化率最大的是A点,n(NO)n(Cl2)=2时,反应达到平衡状态时NOCl的体积分数最大,结合题图2中曲线的变化趋势,当n(NO)n(Cl2)=1.5时,反应达到平衡状态时NOCl的体积分数可能是D点。
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