第2章 第2节 第1课时 化学反应中能量变化的本质及转化形式 学案 （教师版）2022-2023学年高一化学鲁科版（2019）必修第二册.docx

第2节化学反应与能量转化第1课时化学反应中能量变化的本质及转化形式自主学习一、化学反应中的能量变化1化学反应中的能量变化(1)木炭在空气中燃烧，化学能要转化成热能和光能。(2)电解水时电能转化为化学能，化学能也可以转化成电能。2放热反应和吸热反应(1)吸热反应：吸收热量的化学反应。(2)放热反应：放出热量的化学反应。 吸热反应与放热反应吸热反应和放热反应均是化学反应。NaOH固体溶于水、浓H2SO4的稀释，属于放热过程，不属于放热反应；NH4NO3固体溶于水属于吸热过程，不属于吸热反应。二、化学反应中能量变化的实质1从化学键的变化角度分析注：E1为破坏旧化学键吸收的能量，E2为形成新化学键释放的能量。(1)E1<E2时，反应放出能量，反应释放能量数值E2E1。(2)E1>E2时，反应吸收能量，反应吸收能量数值E1E2。2从物质所具有的总能量关系分析(1)反应物总能量>生成物总能量，反应释放能量。(2)反应物总能量<生成物总能量，反应吸收能量。3能量转化的形式化学能_热能_、_电能_或_光能_等。1判断下列说法是否正确：(1)化学反应过程中不一定都有能量变化。(×)提示：因为化学变化中需断裂化学键与形成化学键，而化学键的断裂与形成需要吸收或释放能量，所以化学反应一定伴随着能量的变化。(2)镁带燃烧时，化学能全部转化为热能。(×)提示：镁带燃烧时发出耀眼的白光，所以化学能的一部分变为光能。(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。(×)提示：NaOH固体溶于水释放能量，NH4NO3固体溶于水吸收能量，但二者均属于物理变化，不是化学反应。(4)对于反应2H2O22H2O来说，反应物的总能量高于生成物的总能量。()提示：此反应为燃烧反应，是放热反应，因此反应物的总能量高于生成物的总能量。2教材中“焊接钢轨利用了铝与氧化铁反应产生的热量”，请写出反应的化学方程式，并判断反应类型，这类反应都是放热反应吗？提示：发生了：2AlFe2O3Al2O32Fe。为置换反应。并不是所有的置换反应都是放热反应，如氢气还原氧化铜就是吸热反应。3氧化钙干燥剂常常被添加在食品包装袋里面，用来吸湿、保存食品，具有较好的干燥效果。氧化钙干燥剂干燥时的反应是放热反应还是吸热反应？提示：氧化钙干燥时发生了氧化钙和水反应生成了氢氧化钙，是放热反应。合作探究化学反应中能量变化的原因及计算材料一：2020年11月24日4时30分，中国在文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，顺利将探测器送入预定轨道。长征五号运载火箭使用的燃料是液氢。材料二：在25 和101 kPa的条件下，燃烧1 mol H2生成水蒸气的能量变化： 探究2 mol H2燃烧生成H2O(g)时的能量变化(1)断裂旧化学键时吸收的总能量是多少？提示：吸收的总能量：2×436 kJ2×249 kJ1 370 kJ。(2)形成新化学键时释放的能量是多少？提示：930 kJ×21 860 kJ。(3)H2燃烧是吸热反应还是放热反应？2 mol H2在该条件下燃烧的能量变化了多少？提示：放热反应，因为形成新化学键释放的能量高于断裂旧化学键吸收的能量。能量变化：1 860 kJ1 370 kJ490 kJ。(4)1 mol H2(g)与 mol O2(g)具有的总能量和1 mol H2O(g)具有的总能量谁高？提示：由于此反应为放热反应，因此1 mol H2(g)与 mol O2(g)具有的总能量高。1化学反应的能量变化分析：(1)从化学键的角度：E1>E2：反应吸收能量(吸热反应)。E1<E2：反应放出能量(放热反应)。可以总结为新大于旧，反应放热；旧大于新，反应吸热。(2)从物质内部能量变化的角度“两个过程”：可以看作是热能、电能或光能等物质外部的能量被“储存”起来的过程。可以看作是“储存”在物质内部的能量(化学能)转化成热能、光能或电能等释放出来的过程。2化学反应中能量计算的步骤(1)根据化学方程式确定断键、成键的物质的量。(2)确定断键吸收的总能量和成键释放的总能量。(3)计算反应的能量变化：若反应释放能量。E成键时释放能量之和断键时吸收能量之和若反应吸收能量。E断键时吸收能量之和成键时释放能量之和思考讨论:石灰吟：千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲。粉骨碎身浑不怕，要留清白在人间。这是一首托物言志诗。作者以石灰作比喻，表达自己为国尽忠，不怕牺牲的意愿和坚守高洁的决心。通过古诗的描述，制取石灰的反应是放热反应还是吸热反应？石灰遇水的反应呢？提示：碳酸钙变为氧化钙的反应为吸热反应，氧化钙变为氢氧化钙的反应为放热反应。 【典例】(2021·德州高一检测)下表中的数据表示破坏1 mol化学键需消耗的能量，根据表中数据计算以下反应生成1 mol CO2时的热量变化()CH4(g)2O2(g)CO2(g)2H2O(g)化学键CHOOO=OCOC=OHO能量(kJ)415138498343798465A.放出热量800 kJ B放出热量1 520 kJC吸收热量110 kJ D放出热量610 kJ【思维建模】利用化学键计算反应中能量变化的解答思路如下：解析:选A。1个CH4中含4个CH键，1个O2中含1个O=O键，1个CO2中含2个C=O键，1个H2O中含2个HO键。生成1 mol CO2时，断裂4 mol CH键和2 mol O=O键，吸收的热量为4ECH2EO=O4×415 kJ2×498 kJ2 656 kJ。形成4 mol HO键和2 mol C=O键，释放的热量为4EOH2EC=O4×465 kJ2×798 kJ3 456 kJ，因为3 456 kJ>2 656 kJ，所以反应放热，且放出的热量为3 456 kJ2 656 kJ800 kJ。(1)因为甲烷生成二氧化碳的反应是放热反应，能不能说甲烷具有的能量大于二氧化碳？(关键能力理解与辨析)提示：不可以。放热反应是指反应物总能量大于生成物总能量。(2)当反应生成液态水时，反应放出的热量是变多还是变少？(关键能力分析与推测)提示：变多。气态水变为液态水时放热。【误区警示】(1)断裂化学键需要吸收的能量越多，物质内部的能量越低，物质越稳定，即能量越低越稳定。(2)通过化学键的断裂、形成来计算化学反应中能量变化时，要注意物质内部化学键的数量。【备选例题】(2021·合肥高一检测)从化学键的角度来分析，化学反应是旧键的断裂和新键的形成。已知，白磷与氧可发生如下反应：P43O2=P4O6。已知断裂下列化学键需要吸收的能量分别为PP 198 kJ·mol1、PO 360 kJ·mol1、O=O 498 kJ·mol1。根据图示的分子结构和有关数据估算该反应的能量变化，其中正确的是()A释放1 638 kJ的能量B吸收1 638 kJ的能量C释放126 kJ的能量D吸收126 kJ的能量解析:选A。在反应中，要破坏6 mol PP键、3 mol O=O键，吸收的能量为6 mol×198 kJ·mol13 mol×498 kJ·mol12 682 kJ，形成12 mol PO键需释放的能量为12 mol×360 kJ·mol14 320 kJ。E释放E吸收1 638 kJ。 (2021·福州高一检测)氢气在氯气中燃烧时产生苍白色火焰。在反应过程中，断裂1 mol H2中的化学键消耗的能量为Q1 kJ，断裂1 mol Cl2 中的化学键消耗的能量为Q2 kJ，形成1 mol HCl中的化学键释放的能量为Q3 kJ。下列关系式中，正确的是()AQ1Q2>Q3BQ1Q22Q3CQ1Q2<Q3 DQ1Q22Q3解析:选D。氢气在氯气中的燃烧反应为放热反应，反应物断键所吸收的能量小于生成物成键所放出的能量，再结合化学方程式H2Cl2=2HCl，可得成键比例关系，故Q1Q2<2Q3。【拔高题组】1化学反应的实质是旧键断裂，新键形成。已知断裂1 mol CH键，要吸收热量415 kJ；断裂1 mol CC键，要吸收热量347.4 kJ；生成1 mol C=C键，会放出热量615.3 kJ；生成1 mol HH键，会放出热量436 kJ，某有机物分解的反应可表示为若在反应中消耗了1 mol乙烷，该过程中吸收多少热量？提示：126.1 kJ。1 mol乙烷含有1 mol CC键，6 mol CH键，生成物含1 mol C=C键，4 mol CH键和1 mol HH键。断键吸收的热量为6ECHECC415 kJ×6347.4 kJ2 837.4 kJ。成键释放的热量为4ECHECCEHH4×415 kJ615.3 kJ436 kJ2 711.3 kJ，因为吸收的热量大于放出的热量，所以该反应吸热。吸收的热量为2 837.4 kJ2711.3 kJ126.1 kJ。2(双选)H2和I2能发生反应：H2(g)I2(g)2HI(g)，生成2 mol HI(g)反应放出a kJ热量，已知a、b、c均大于零。下列说法正确的是()A.反应物的总能量高于生成物的总能量B断开1 mol HH键和1 mol II键所需能量大于断开2 mol HI键所需能量C向密闭容器中加入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，充分反应后放出的热量等于2a kJD断开2 mol HI键所需能量为(cba)kJ 解析:选A、D。H2(g)I2(g) 2HI(g)是放热反应，反应物总能量高于生成物总能量，故A正确；断裂化学键吸收能量，形成化学键放出能量，因为该反应是放热反应，所以形成化学键放出的能量大于断裂化学键吸收的能量，断开1 mol HH键和1 mol II键所需能量小于断开2 mol HI键所需能量，故B错误；该反应是可逆反应，不能进行彻底，所以向密闭容器中加入2 mol H2(g)和2 mol I2(g)，充分反应后放出的热量小于2a kJ，故C错误；反应物断裂化学键需要的能量生成物形成化学键放出的能量b kJc kJ2EHIa kJ，所以断开2 mol HI键所需能量EHI为(abc)kJ，D正确。合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂条件下直接合成的氨，为一种基本无机化工流程。合成氨工业在20世纪初期形成，开始用氨作火炸药工业的原料，为战争服务，第一次世界大战结束后，转向为农业、工业服务。随着科学技术的发展，对氨的需求量日益增长。德国化学家哈伯从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨，于1908年申请专利，即“循环法”。氨的合成反应为N23H22NH3，1 mol N2完全反应时放出的能量为92.4 kJ。若断开1 mol HH键吸收的能量为436 kJ，形成1 mol HN键放出的能量为391 kJ，请判断断开1 mol NN键需吸收的能量是多少？提示：945.6 kJ。设断开1 mol NN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 kJ6×391 kJ3×436 kJx，x945.6 kJ。放热反应和吸热反应的比较材料：冬季生活中人们获得热量的方式有多种，如下为生活中常见的四种取暖方式。 探究反应的吸热和放热某同学用如图所示装置对物质变化过程中的能量变化进行探究。探究发现向试管中加入NH4NO3(s)时，甲管液面高于乙管，向试管中加入CaO(s)时，甲管液面低于乙管。(1)将NH4NO3加入水中后，发生了吸热的化学反应吗？提示：不是。NH4NO3溶于水是吸热的物理变化过程。(2)向水中加入CaO后，为什么甲管液面低于乙管？提示：CaO与水反应是一个放热反应，使锥形瓶内空气体积膨胀。 认识生活中的吸热反应和放热反应(1)结合实例列举常见的放热反应。提示：所有的燃烧反应，如木炭、H2、CH4等在氧气中的燃烧，H2在Cl2中的燃烧。酸碱中和反应，如HOH=H2O。大多数的化合反应，如H2Cl22HCl。铝热反应，如2AlFe2O3Al2O32Fe。活泼金属与酸或H2O的反应，如2Al6H=2Al33H2，2Na2H2O=2Na2OHH2。(2)材料中的四种常见取暖方式中哪些是利用了化学反应释放的能量？提示：根据图示可以得知取暖锅炉中煤炭燃烧和壁挂炉中天然气的燃烧均是利用了化学反应释放的热量。比较放热反应吸热反应定义放出热量的化学反应吸收热量的化学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常见反应类型所有的燃烧反应大多数化合反应所有的酸碱中和反应金属与酸或水的反应铝热反应大多数分解反应盐的水解和电解质的电离Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应C和H2O或CO2的反应思考讨论:(1)需要加热才能发生的反应一定是吸热反应吗？提示：不一定。加热只是反应所需的一种条件，并不能证明一定是吸热反应。反应放热还是吸热取决于反应物总能量和生成物总能量的相对大小。只要反应物总能量大于生成物总能量，反应一定放热。(2)有热量放出的变化都是放热反应吗？吸收热量的变化都是吸热反应吗？提示：不一定。如图，物质的各种状态之间的转化也伴随热量的变化，但它们属于物理变化；而放热反应和吸热反应指的是化学变化。【典例】(2021·南宁高一检测)某反应由两步反应ABC构成，它的反应能量曲线如图所示，下列叙述正确的是()A两步反应均为吸热反应B三种物质中C最稳定CA与C的能量差为E4DAB反应的条件一定是加热【思维建模】由图示判断化学反应吸热还是放热的一般思维流程如下：解析:选B。从图看，题给反应分为两个阶段，第一阶段为吸热反应，第二阶段为放热反应，总反应AC为放热反应，A项错误；A、B、C三种物质，C的能量最低，性质最稳定，B项正确；A、C的能量差值为图中的E5，C项错误；AB反应是吸热反应，但不一定需要加热，D项错误。(1)本题图示中E1、E2、E3、E4、E5含义分别是什么？(关键能力理解与辨析)提示：E1为在反应AB中断裂反应物A中消耗的能量，E2为在反应AB中形成生成物B中释放的能量，E3为在反应BC中断裂反应物B中消耗的能量，E4为在反应BC中形成生成物C中释放的能量，E5为物质A与C具有的能量差。(2)1 mol A完全生成B时的能量变化是多少？1 mol B完全生成C时的能量变化又是多少？(关键能力归纳与论证)提示：根据图示可以判断1 mol A完全生成B时的能量变化为吸收(E1E2)的能量，1 mol B完全生成C时的能量变化为释放(E4E3)的能量。(3)若物质A直接反应生成物质C，反应是吸热还是放热？(关键能力分析与推测)提示：根据图示可知物质A具有的能量比物质C要高，因此物质A反应生成C为放热反应。【备选例题】由如图分析，有关叙述正确的是()AABC和BCA两个反应吸收或放出的能量不等BABC是放热反应CA具有的能量高于B和C具有的能量总和DABC是吸热反应，则BCA必然是放热反应【解题指南】解答本题注意以下两点：(1)化学反应过程一定伴随着能量变化。(2)一个反应若为放热反应，其逆反应为吸热反应且吸、放热相反，数值相等。解析:选D。本题考查化学反应中的能量变化，由图可知，BC的能量高于A的能量，则反应BCA一定是放热反应；反之，ABC则是吸热反应。根据能量守恒定律，两反应的反应热在数值上相等，符号相反。(2021·承德高一检测)下列物质间的反应或过程，其能量变化符合如图的是()A. 碳酸钙的分解B. 灼热的炭与水蒸气反应C. 氢氧化钠固体溶于水D. 钠和水反应解析:选D。碳酸钙的分解生成氧化钙和二氧化碳，反应是吸热反应，故A不符合题意；灼热的炭与水蒸气反应是吸热反应，故B不符合题意，氢氧化钠固体溶于水放出大量的热，但是不是化学变化，故C不符合题意；钠和水反应生成氢氧化钠和氢气，是放热反应，故D符合题意。【拔高题组】1(2021·开封高一检测)将盛有NH4HCO3粉末的小烧杯放入盛有少量醋酸的大烧杯中，然后向小烧杯中加入盐酸，反应剧烈，醋酸逐渐凝固。由此可见()ANH4HCO3和盐酸的反应是放热反应B该反应中，热能转化为产物内部的能量C反应物的总能量高于生成物的总能量D反应的离子方程式为CO2H=H2OCO2解析:选B。根据醋酸逐渐凝固说明该反应是吸热反应，A、C错误，B正确；该反应的离子方程式为HCOH=H2OCO2，D错误。 2(2021·泰安高一检测)下列图示表示吸热反应的是()解析:选A。根据图像可知，反应物的总能量低于生成物的总能量，因此是吸热反应，A正确；根据图像可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，因此是放热反应，B错误；浓硫酸稀释放热，属于物理变化，既不是吸热反应，也不是放热反应，C错误；锌与稀硫酸发生置换反应生成硫酸锌和氢气，属于放热反应，D错误。白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得钢灰色固体黑磷，其转化过程中的能量变化如图所示。黑磷与白磷哪一个更稳定？提示：由于黑磷的能量比白磷的能量低，因此黑磷更稳定。白磷转化为黑磷是氧化还原反应吗？(宏观辨识与微观探析)提示：不是。白磷转化为黑磷的过程中元素化合价未变，不属于氧化还原反应。白磷转化为黑磷是吸热反应吗？(宏观辨识与微观探析)提示：由于白磷的能量比黑磷的能量高，白磷转化为黑磷为放热反应。课堂测评1(水平1·教材习题改编)酸碱中和反应()A是吸热反应B是放热反应C既是吸热反应又是放热反应D既不是吸热反应又不是放热反应解析:选B。酸碱中和反应属于放热反应。2(水平1)下列关于化学反应中能量变化的说法正确的是()A化学反应中的能量变化，都表现为热能的变化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 氢分子所具有的能量为E2，则2E1E2解析:选B。化学反应中的能量变化，不是只表现为热能的变化，还可能有其他形式能量的变化，如光能等，故A项错误；放热反应中反应物总能量大于生成物总能量，故C项错误；原子结合成分子有新化学键形成，要放出热量，故2E1>E2，故D项错误。补偿训练:下列有关说法中正确的是()A能量的变化是相互的B物质在氧气中燃烧时，化学能只转化为光能C植物的光合作用是将化学能转化为生物能D旧化学键断裂所放出的能量大于形成新化学键吸收的能量时，反应放热解析:选A。物质燃烧时，化学能不仅转化为光能，也转化为热能，故B项错误；光合作用是将光能转化为化学能，故C项错误；旧化学键断裂需要吸收能量，形成新化学键释放能量，故D项错误；能量的变化是相互的，如电能可转化为化学能，化学能也可转化为电能，热能可转化为化学能，化学能也可转化为热能等，故A项正确。 3(水平1)如图是自热火锅的结构示意图。这种火锅使用起来非常方便，撤去底部的隔板几分钟后，火锅中的饭菜就变热了。该过程中涉及的化学反应是Mg2H2OMg(OH)2H2。下列有关说法不正确的是()A“自热火锅”利用的能量变化是化学能转化为热能B该反应中Mg为还原剂CH2O是催化剂D铁粉的作用类似于催化剂，加快反应速率解析:选C。由“自热火锅”的工作原理可知工作过程中化学能转化为热能，A项正确；由题给的化学方程式可知：Mg为还原剂，H2O为氧化剂，B项正确、C项错误；铁粉是催化剂，D项正确。4(水平2)化学反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)的能量变化如图所示，请回答下列问题：(1)图中A、C分别表示_、_，反应_(填“吸收”或“放出”)能量。(2)反应过程中断裂的化学键及其物质的量为_，_(填“吸收”或“放出”，下同)的能量为_(用E1、E2或E3表示，下同)；形成的化学键及其物质的量为_，_的能量为_。(3)E2_或_。(用“A、C”或“E1、E3”表示)解析:(1)A、C分别表示1 mol N2(g)和3 mol H2(g)(反应物)的总能量、2 mol NH3(g)(生成物)的总能量，由于反应物总能量高于生成物总能量，因此反应放出能量。(2)反应过程中断裂的化学键为1 mol NN键和3 mol HH键，吸收的能量为E1；形成的化学键为6 mol NH 键，放出的能量为E3。答案：(1)1 mol N2(g)和3 mol H2(g)(反应物)的总能量2 mol NH3(g)(生成物)的总能量放出(2)1 mol NN键和3 mol HH键吸收E16 mol NH键放出E3(3)ACE3E1学科网（北京）股份有限公司