第五讲 化学能与热能
2016高考导航——适用于全国卷Ⅰ
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1.了解化学反应中能量转化的原因，能说出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，能用盖斯定律进行有关反应热的简单计算。
4．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。
5．以上各部分知识的综合应用。
反应热
2015·T28
利用盖斯定律计算反应热并书写热化学方程式，是高考命题的常见题型，难度一般不大。解答此类题目一定要注意细节，如物质的状态、反应热的数值、正负号及单位等。
热化学方程式
的书写及判断
2013·T28
盖斯定律及其
相关计算
2014·T28
2013·T28
,
考点一 反应热
[学生用书P20]
1．从两个角度理解化学反应的热效应
(1)从微观的角度说，是旧化学键断裂吸收的热量与新化学键形成放出的热量的差值，如上图所示：
a表示旧化学键断裂吸收的热量；
b表示新化学键形成放出的热量；
c表示反应热。
(2)从宏观的角度说，是反应物具有的总能量与生成物具有的总能量的差值，如上图所示：
a表示反应的活化能；
b表示活化分子变成生成物分子所释放的能量；
c表示反应热。
2．反应热的量化参数——键能
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反应热与键能的关系：
反应热ΔH＝E1－E2或ΔH＝E4－E3，即ΔH等于反应物的键能总和减去生成物的键能总和，或生成物具有的总能量减去反应物具有的总能量。
反应热与键能的换算
1．(反应热与键能计算类)[2015·高考全国卷Ⅰ，T28－(3)]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。
[破题关键] 焓变与键能的关系为ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。
解析：设1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需要吸收的能量为x，则11 kJ＝2x－436 kJ－151 kJ，得：x＝299 kJ。
答案：299
[互动拓展]
(1)催化剂能否改变化学反应的ΔH?
(2)键能与物质所具有的能量有何关系？
答案：(1)催化剂只能改变化学反应的过程，降低化学反应的活化能，但不能改变化学反应的ΔH。
(2)键能越大，物质所具有的能量越低，物质越稳定。
化学反应中的能量变化，是由化学反应中旧化学键断裂时吸收的能量与新化学键形成时放出的能量不同所致。键能也可以用于估算化学反应的反应热(ΔH)，下表是部分化学键的键能数据：
化学键
P—P
P—O
O===O
P===O
键能(kJ·mol－1)
172
335
498
X
已知白磷及完全燃烧后的产物结构如下图：
经测定1 mol白磷完全燃烧时，释放2 378 kJ的能量，则上表中X＝________。
解析：由结构图可知，P4(s)＋5O2(g)===P4O10(s) ΔH＝－2 378 kJ·mol－1，ΔH＝5E(O===O)＋6E(P—P)－[4E(P===O)＋12E(P—O)]，即可求得P===O的键能。
答案：470
2．某反应的反应过程中能量变化如图所示(图中E1表示正反应的活化能，E2表示逆反应的活化能)。下列有关叙述正确的是( )
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A．该反应为放热反应
B．催化剂能改变该反应的焓变
C．催化剂能降低该反应的活化能
D．逆反应的活化能大于正反应的活化能
解析：选C。由题图可知，生成物的总能量高于反应物的总能量，故该反应为吸热反应；催化剂能降低该反应的活化能，但不能改变该反应的焓变；E1>E2，说明正反应的活化能大于逆反应的活化能。
2．(2015·河南洛阳高三期末)常温下，1 mol化学键分解成气态原子所需要的能量用E表示。结合表中信息判断下列说法不正确的是( )
共价键
H—H
F—F
H—F
H—Cl
H—I
E(kJ·mol－1)
436
157
568
432
298
A.432 kJ·mol－1>E(H—Br)>298 kJ·mol－1
B．表中最稳定的共价键是H—F键
C．H2(g)―→2H(g) ΔH＝＋436 kJ·mol－1
D．H2(g)＋F2(g)===2HF(g) ΔH＝－25 kJ·mol－1
解析：选D。观察表中数据知，氟、氯、碘的氢化物键能逐渐减小，故432 kJ·mol－1>E(H—Br)>298 kJ·mol－1，A项正确；表中H—F共价键的键能最大，即H—F 共价键最稳定，B项正确；H2(g)―→2H(g)，共价键断裂要吸收能量，即H2(g)―→2H(g) ΔH＝＋436 kJ·mol－1，C项正确；反应H2(g)＋F2(g)===2HF(g)的反应热ΔH＝436 kJ·mol－1＋157 kJ·mol－1－2×568 kJ·mol－1＝－543 kJ·mol－1，D项不正确。
有关反应热和焓变的认识误区
(1)反应热不一定是焓变，恒压下的反应热为焓变。
(2)物质中化学键越难断裂，物质越稳定，具有的能量越低。
(3)同一物质的能量不一定相同，气态时最高。
(4)反应热不仅带数值、单位，还要指明“＋”、“－”。
反应热与化学反应的过程
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1．(2015·高考北京卷)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形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：选C。A.状态Ⅰ总能量为反应物总能量，状态Ⅲ总能量为生成物总能量，由图示知反应物的总能量大于生成物的总能量，故该反应为放热反应。B.从状态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的图示可以看出，反应中CO并未断裂成C和O，C、O原子间一直有化学键。C.由图示可以看出，CO和O生成了CO2，CO2分子中C与O形成极性共价键。D.状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O反应生成CO2的过程，并不是CO与O2的反应过程。
2．(2014·高考海南卷改编)某反应过程能量变化如图所示，下列说法正确的是( )
A．反应过程a有催化剂参与
B．该反应为吸热反应，热效应等于ΔH
C．改变催化剂，可改变该反应的活化能
D．有催化剂的条件下，反应的活化能等于E1＋E2
解析：选C。由图示可知反应过程a需要的活化能较高，没有催化剂参与，A错误。由于反应物的能量高于生成物的能量，多余的能量就以热能的形式释放出来，所以该反应为放热反应，热效应等于生成物与反应物能量的差值ΔH，B错误。改变催化剂，改变了反应途径，改变了反应的活化能，但是反应热不变，C正确。
考点二 热化学方程式的书写与判断
[学生用书P22]
1．六个注意
(1)注意ΔH的符号和单位
若为放热反应，ΔH为“－”；若为吸热反应，ΔH为“＋”。ΔH的单位为 kJ·mol－1。
(2)注意反应热的测定条件
书写热化学方程式时应注意ΔH的测定条件(温度、压强)，但绝大多数的ΔH是在25 ℃、101 kPa下测定的，此时可不注明温度和压强。
(3)注意热化学方程式中的化学计量数
热化学方程式中各物质化学式前面的化学计量数仅表示该物质的物质的量，并不表示物质的分子数或原子数。因此化学计量数可以是整数，也可以是分数。
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(4)注意物质的聚集状态
反应物和生成物的聚集状态不同，反应热ΔH不同。因此，必须注明物质的聚集状态才能完整地体现出热化学方程式的意义。气体用“g”，液体用“l”，固体用“s”，溶液用“aq”。热化学方程式中不用“↑”和“↓”。
(5)注意ΔH的数值与符号
热化学方程式中的ΔH的值应是表示反应已完成的热量变化。由于ΔH与反应完成的物质的量有关，所以方程式中化学式前面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。
逆反应的反应热与正反应的反应热数值相等，但符号相反。
(6)注意燃烧热和中和热
2．记忆口诀
热化方程要点多，漏掉一点分不得；
标清状态配好平，焓变正负千焦摩；
系数焓变成正比，逆向反应焓变号。
热化学方程式的书写
1．(热化学方程式书写类)(1)(2015·高考山东卷)贮氢合金ThNi5可催化由CO、H2合成CH4的反应。温度为T时，该反应的热化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
已知温度为T时：CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g) ΔH＝＋165 kJ·mol－1
CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)
ΔH＝－41 kJ·mol－1
(2)(2014·高考大纲卷)化合物AX3和单质X2在一定条件下反应可生成化合物AX5。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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)H2S的燃烧热ΔH＝－a kJ·mol－1，写出H2S燃烧反应的热化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[破题关键] 根据物质的熔、沸点判断该物质在室温时的状态；燃烧热表示 101 kPa时 1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物所放出的热量，故产物H2O为液态；燃烧热的数值唯一，但表示燃烧反应的热化学方程式不唯一。
解析：(1)由题意知CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g) ΔH＝＋165 kJ·mol－1①
CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41 kJ·mol－1②
应用盖斯定律，由②－①可得CO、H2合成CH4的反应：
CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g) ΔH＝－206 kJ·mol－1。
(2)由题意知，室温时，AX3是液体，AX5是固体，所以热化学方程式为AX3(l)＋X2(g)===AX5(s) ΔH＝－123.8 kJ· mol－1。
(3)H2S的燃烧热ΔH＝－a kJ·mol－1，则1 mol H2S完全燃烧生成SO2(g)和H2O(l)放出
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a kJ的热量，所以H2S燃烧的热化学方程式为2H2S(g)＋3O2(g)===2SO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝－2a kJ·mol－1或H2S(g)＋3/2O2(g)===SO2(g)＋H2O(l) ΔH＝－a kJ·mol－1。
答案：(1)CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g)
ΔH＝－206 kJ·mol－1
(2)AX3(l)＋X2(g)===AX5(s) ΔH＝－123.8 kJ· mol－1
(3)2H2S(g)＋3O2(g)===2SO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝－2a kJ·mol－1[或H2S(g)＋3/2O2(g)===SO2(g)＋H2O(l) ΔH＝－a kJ·mol－1]
[互动拓展]
可逆反应不能彻底进行，在表示可逆反应的热化学方程式中，ΔH的数值与反应物的化学计量数还成比例吗？
答案：成比例。热化学方程式中的ΔH的值是表示反应已完成的热量变化，即指按照反应物的化学计量数完成反应的反应热，所以可逆反应中ΔH的数值与化学计量数成比例。
(1)汽车发动机工作时会引发N2和O2反应，其能量变化示意图如下：
写出该反应的热化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)焙烧产生的SO2可用于制硫酸。已知25 ℃、101 kPa时：
2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH1＝－197 kJ·mol－1；
H2O(g)===H2O(l) ΔH2＝－44 kJ·mol－1；
2SO2(g)＋O2(g)＋2H2O(g)===2H2SO4(l)
ΔH3＝－545 kJ·mol－1。
则SO3(g)与H2O(l)反应的热化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)反应物断裂化学键所需要吸收的总能量减去生成物形成化学键释放的总能量即为焓变：ΔH＝[(945＋498)－2×630] kJ·mol－1＝＋183 kJ·mol－1。
(2)给题中的三个热化学方程式分别编号为①、②、③，根据盖斯定律由(③－①)－②可得到目标热化学方程式。
答案：(1)N2(g)＋O2(g)===2NO(g) ΔH＝＋183 kJ·mol－1
(2)SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l) ΔH＝－130 kJ·mol－1
2．(1)肼是一种高能燃料，有关化学反应的能量变化如图所示，写出肼燃烧的热化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
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(2)已知：Q的单质是常见的半导体材料，在25 ℃、101 kPa下，Q的气态氢化物在氧气中完全燃烧可得Q的最高价氧化物，反应中每转移1 mol电子放热190.0 kJ。则该反应的热化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)根据题干图示可知，肼充分燃烧的产物是N2(g)和H2O(g)，1 mol 肼充分燃烧放出的热量为2 752 kJ－2 218 kJ＝534 kJ，根据要求写出热化学方程式。(2)由信息知Q为Si，其气态氢化物SiH4与O2反应生成SiO2和H2O,1 mol SiH4完全反应转移8 mol电子，故1 mol SiH4参加反应放出1 520.0 kJ热量，即可写出该反应的热化学方程式。
答案：(1)N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)
ΔH＝－534 kJ·mol－1
(2)SiH4(g)＋2O2(g)===SiO2(s)＋2H2O(l)ΔH＝－1 520.0 kJ·mol－1
热化学方程式的正误判断
1．(2015·河南洛阳高三统考)下列热化学方程式书写正确的是(ΔH的绝对值均正确)( )
A．C2H5OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(g)
ΔH＝－1 367.0 kJ/mol(燃烧热)
B．NaOH(aq)＋HCl(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l)
ΔH＝＋57.3 kJ/mol(中和热)
C．2NO2===O2＋2NO ΔH＝＋116.2 kJ/mol(反应热)
D．S(s)＋O2(g)===SO2(g)
ΔH＝－296.8 kJ/mol(反应热)
解析：选D。燃烧热是指101 kPa时1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物所放出的热量，而气态水不是稳定的氧化物，故A错误。中和反应是放热反应，ΔHΔH2。
(4)两个有联系的反应相比较时，如C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH1 ①，C(s)＋1/2O2(g)===CO(g) ΔH2 ②。
比较方法：利用反应①(包括ΔH1)乘以某计量数减去反应②(包括ΔH2)乘以某计量数，即得出ΔH3＝ΔH1×某计量数－ΔH2×某计量数，根据ΔH3大于0或小于0进行比较。
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总之，比较反应热的大小时要注意：①反应中各物质的聚集状态；②ΔH有正负之分，比较时要连同“＋”、“－”一起比较，类似数学中的正、负数大小的比较；③若只比较放出或吸收热量的多少，则只比较数值的大小，不考虑正、负号。
有关化学能与热能的易错问题汇总
1．误认为1 mol可燃物燃烧时放出的热量就是燃烧热。其实不然，生成的氧化物应该是稳定的，如H2是指生成H2O(l)而非H2O(g)，C是指生成CO2(g)而非CO(g)等。
2．比较化学反应的热效应的大小时，易忽略“＋”、“－”和单位。例如：化学反应的热效应用ΔH表示，ΔH由符号和数字组成，单位是kJ/mol，计算和比较时要包括“＋”、“－”。
3．误认为在热化学方程式的反应物和生成物连接符号(“===”或“―→”或“”)处应标注反应条件(点燃、加热、电解等)，其实不需要。
4．误认为反应条件不同时，ΔH也不同。其实不然，如同温同压下，H2(g)和Cl2(g)的总能量与HCl(g)的总能量的差值不受光照和点燃条件的影响，故该反应在不同条件下的ΔH相同。
5．误认为可逆反应的反应热与物质转化率有关。其实不然，如2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－197 kJ/mol，是指生成2 mol SO3(g)时放出的热量为197 kJ。
6．利用键能计算反应热，其关键是算清物质中化学键的数目。
原子晶体：1 mol金刚石中含2 molCC键，1 mol硅中含2 mol SiSi键，1 mol SiO2晶体中含4 molSiO键；
分子晶体：1 mol P4中含有6 molPP键，1 mol P4O10(即五氧化二磷)中含有12 molPO键和4 molPO键，1 mol CH3CH3中含有6 molCH键和1 mol CC键。
1．下列设备工作时，将化学能转化为热能的是( )
A
B
C
D
硅太阳能电池
锂离子电池
太阳能集热器
燃气灶
解析：选D。本题考查能量转化形式的判断，意在考查考生运用化学知识和化学原理解释日常生活中化学问题的能力。硅太阳能电池工作时将光能转化为电能，A项错误；锂离子电池工作时将化学能转化为电能，B项错误；太阳能集热器工作时将光能转化为热能，C项错误；燃气灶工作时将化学能转化为热能，D项正确。
2．(2015·山西太原二模)反应A＋B―→C分两步进行：①A＋B―→X，②X―→C，反应过程中能量变化如图所示，E1表示反应A＋B―→X的活化能。下列有关叙述正确的是( )
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A．E2表示反应X―→C的活化能
B．X是反应A＋B―→C的催化剂
C．反应A＋B―→C的ΔH
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