第24讲 化学能与热能-【高效备考】2024年高考化学一轮复习讲义+分层练习

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1.了解反应热、焓变的概念，知道化学反应热效应与反应的焓变之间的关系。
2.知道常见的吸热反应和放热反应，能从多角度分析化学反应中能量变化的原因。
3.了解热化学方程式的含义，能正确书写热化学方程式。
4.了解燃烧热的概念及能源利用的意义。
5.了解中和反应反应热测定的方法。
6.掌握盖斯定律的内容及意义，并能进行有关反应热的计算。
必备知识
考点一 焓变、反应热 热化学方程式
1．化学反应中的变化和守恒
(1)化学反应中的两大变化：物质变化和能量变化。
(2)化学反应中的两大守恒：质量守恒和能量守恒。
(3)化学反应中的能量转化形式：化学能转化为热能、光能、电能等。
2．焓变、反应热
(1)化学反应过程中，当反应物和生成物具有相同的温度时，放出或吸收的热量称为化学反应的反应热。在特定条件下焓变等于反应热。
(2)符号：ΔH。
(3)常用单位：kJ·ml－1或kJ/ml。
3．吸热反应和放热反应
(1)宏观角度：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：
吸热反应 放热反应
(2)微观角度：从化学键变化的角度分析
(3)常见放热反应
a．可燃物的燃烧；
b．酸碱中和反应；
c．大多数化合反应；(特例：C＋CO2eq \(=====,\s\up7(高温))2CO吸热反应)
d．金属与与酸(或水)的置换反应；
e．物质的缓慢氧化；
f．铝热反应等(如2Al＋Fe2O3eq \(=====,\s\up7(高温))Al2O3＋2Fe)
(4)常见吸热反应
a．大多数分解反应(如NH4Cleq \(=====,\s\up7(Δ))NH3↑＋HCl↑)
b．盐的水解；
c．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl反应；
d．碳与水蒸气、C与CO2、CO与CuO、H2与CuO等的反应。
特别提醒：(1)化学反应的本质是旧化学键断裂和新化学键形成，任何化学反应都具有热效应。
(2)不能根据反应条件判断反应是放热还是吸热，需要加热才能进行的反应不一定是吸热反应，不需要加热就能进行的反应也不一定是放热反应。
(3)有能量变化的过程不一定是放热反应或吸热反应，如水结成冰放热但不属于放热反应。浓H2SO4、NaOH固体溶于水放热、NH4NO3溶于水吸热，因为不是化学反应，其放出或吸收的热量不是反应热。
(4)物质三态变化时，能量的变化形式为固态eq \(,\s\up7(吸热),\s\d5(放热))液态eq \(,\s\up7(吸热),\s\d5(放热))气态。
4.热化学方程式
(1)热化学方程式及其意义
①定义：表示参加反应的物质的物质的量和反应热的关系的化学方程式。
②意义：不仅表明了化学反应中的物质变化，也表明了化学反应中的能量变化。例如：H2(g)＋eq \f(1,2)O2(g)===H2O(l) ΔH＝－285.8 kJ·ml－1，表示在25℃和1.01×105Pa下，1 ml氢气和0.5 ml氧气完全反应生成1 ml液态水时放出285.8 kJ的热量。
(2)热化学方程式的书写
①书写步骤。
②注意事项。
特别提醒：
(1)热化学方程式与化学(离子)方程式的3个不同点
①热化学方程式不注明反应条件；
②热化学方程式不标“↑”“↓”，但必须用s、l、g、aq等标出物质的聚集状态。
③热化学方程式的化学计量数只表示物质的量，其ΔH必须与化学方程式及物质的聚集状态相对应。
(2)ΔH与反应的“可逆性”
可逆反应的ΔH表示反应完全时的热量变化，与反应是否可逆无关，如N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) ΔH＝－92.4 kJ·ml－1，表示在298 K时，1 ml N2(g)和3 ml H2(g)完全反应生成2 ml NH3(g)时放出92.4 kJ的热量。但实际上1 ml N2(g)和3 ml H2(g)充分反应，不可能生成2 ml NH3(g)，故实际反应放出的热量小于92.4 kJ。
要点突破
1.最近意大利罗马大学的FuNvi Cacace等人获得了极具理论研究意义的N4分子。N4分子结构如图所示，已知断裂1 ml N－N吸收193 kJ热量，生成1 ml N≡N放出941 kJ热量。根据以上信息和数据，下列说法正确的是( )
A．N4属于一种新型的化合物
B．N4是N2的同位素
C．N4转变为N2是物理变化
D．1 ml N4气体转变为N2放出724 kJ能量
【答案】D
【解析】A项，N4是由同种元素组成的单质，错误；B项，N4和N2都属于单质，互称为同素异形体，错误；C项，N4转变为N2，有新物质生成，属于化学变化，错误；D项，1mlN4气体中含有6mlN-N键，化学键断裂需吸收6×193=1158kJ的能量，可生成2mlN2,形成2mlN≡N键放出的能量为2×941=1882kJ，放出的能量高于吸收的能量，故该反应是放热反应，放出的热量为1882-1158=724kJ， 正确。
2．用Cl2生产某些含氯有机物时会生成副产物HCl。利用如下反应，可实现氯的循环利用：4HCl(g)＋O2(g)2Cl2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－115.6 kJ/ml
下列说法正确的是 ( )
A．升高温度能提高HCl的转化率
B．加入催化剂，能使该反应的焓变减小
C．1 ml Cl2转化为2 ml Cl原子放出243 kJ热量
D．断裂H2O(g)中1 ml H—O键比断裂HCl(g)中1 ml H—Cl键所需能量多
【答案】D
【解析】 A项，正反应是放热反应，所以升高温度平衡逆向移动，HCl转化率降低，错误；B项，催化剂不改变反应的焓变，错误；C项，断键需要吸收能量，错误；D项，ΔH＝4E(H—Cl键)＋E(O===O键)－2E(Cl—Cl键)－4E(H—O键)，所以E(H—O键)－E(H—Cl键)
＝eq \f(EO===O键－2ECl—Cl键－ΔH,4)＝eq \f(498 kJ/ml－2×243 kJ/ml－－115.6 kJ/ml,4)＝31.9 kJ/ml，正确。
3．根据如图所给信息，得出的结论正确的是 ( )
A．48 g碳完全燃烧放出的热量为1 574 kJ/ml
B．2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－221.0 kJ/ml
C．2CO2(g)===2CO(g)＋O2(g) ΔH＝＋283.0 kJ/ml
D．C(s)＋O2(g)===CO2(s) ΔH＝－393.5 kJ/ml
【答案】B
【解析】48 g碳完全燃烧生成二氧化碳气体，放出热量为1 574 kJ，A项错误；根据题给图象可知，C(s)＋eq \f(1,2)O2(g)===CO(g) ΔH＝－110.5 kJ/ml，故2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－221.0 kJ/ml，B项正确；根据图像可知，CO(g)＋eq \f(1,2)O2(g)===CO2(g) ΔH＝－283.0 kJ/ml，故2CO2(g)＝2CO(g)＋O2(g) ΔH＝＋566.0 kJ/ml，C项错误；根据题给图像可知，C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝－393.5 kJ/ml，D应该是生成CO2气体，不是固态，D项错误。
必备知识
考点二 燃烧热 中和热
1.燃烧热
2.中和热
(1)定义及表示方法
(2)中和热的测定
a．装置
b．计算公式：ΔH＝－eq \f(m碱＋m酸·c·t2－t1,n)kJ·ml－1
t1——起始温度，t2——终止温度，n——生成水的物质的量，c——中和后生成的溶液的比热容，一般为4.18 J/(g·℃)。
(3)注意事项
a．碎泡沫塑料(或纸条)及泡沫塑料板的作用是隔热防止热量散失。
b．为保证酸、碱完全中和，常使碱稍稍过量。
c．实验中若使用弱酸或弱碱，会使测得的数值偏小。
特别提醒：
(1)中和热、燃烧热的焓变均为负值。
(2)当用热化学方程式表示中和热时，生成H2O的物质的量必须是1 ml，当用热化学方程式表示燃烧热时，可燃物的物质的量必须为1 ml。
3.燃料的选择 能源
(1)燃料的选择原则
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(首先：保护环境,其次：热值大小,其他：稳定性、来源、价格、运输等))
(2)能源及利用
要点突破
1．下列说法正确的是（ ）
A．CO是不稳定的氧化物，它能继续和氧气反应生成稳定的CO2，故反应一定是吸热反应
B．在101 kPa时，1 ml碳燃烧所放出的热量为碳的燃烧热
C．物质燃烧都需要氧气
D．物质燃烧放出热量的多少与外界条件有关
【答案】D
【解析】A、CO燃烧是放热反应，A项错误；B、1mlC完全燃烧生成二氧化碳时放出的热量才是C的燃烧热，B项错误；C、燃烧是发光放热的激烈的化学反应，氢气可以在氯气中燃烧，C项错误；D、温度不同时反应热大小不同，D项正确；D项正确。
2．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=-1367.0kJ·ml-1(燃烧热)
B．NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) ΔH=+57.3kJ·ml-1(中和热)
C．S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH=-296.8kJ·ml-1(反应热)
D．2NO2=O2+2NO ΔH=+116.2kJ·ml-1(反应热)
【答案】C
【解析】A. 水为气态，不表示燃烧反应的热化学方程式，A不正确；B. 中和反应都是放热反应，ΔH应小于0，B不正确；C. 标明了反应物或生成物的状态，且燃烧反应放热，C正确；D. 没有标明物质的状态，D不正确。故选C。
3．碳是形成化合物种类最多的元素，其单质及其化合物是人类生产生活的主要能源物质。请回答下列问题：
(1)有机物M经过太阳光光照可转化成N，转化过程如下：

ΔH＝88.6 kJ/ml则M、N相比，较稳定的是________。
(2)已知CH3OH(l)的燃烧热为-726.5 kJ·ml－1，CH3OH(l)＋1/2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－a kJ·ml－1，则a________726.5(填“＞”“＜”或“＝”)。
(3)使Cl2和H2O(g)通过灼热的炭层，生成HCl和CO2，当有1 ml Cl2参与反应时释放出145 kJ热量，写出该反应的热化学方程式：_______________________________。
(4)火箭和导弹表面的薄层是耐高温物质。将石墨、铝粉和二氧化钛按一定比例混合在高温下煅烧，所得物质可作耐高温材料：4Al(s)＋3TiO2(s)＋3C(s)===2Al2O3(s)＋3TiC(s) ΔH＝－1176 kJ·ml－1，则反应过程中，每转移1 ml电子放出的热量为________。
【答案】M ＜ 2Cl2(g)＋2H2O(g)＋C(s)===4HCl(g)＋CO2(g)ΔH＝－290 kJ·ml－1 98 kJ
【解析】（1）有机物M经过太阳光光照可转化成N：△H = +88.6kJ•ml-1，该过程是吸热反应，N暗处转化为M，是放热反应，根据反应物的能量越低越稳定，可知M稳定；故答案为M；
（2）燃烧热是1ml物质完全燃烧生成稳定氧化物放出的热量，甲醇燃烧生成CO2(g)和H2(g)属于不完全燃烧，放出的热量小于燃烧热；故答案为<；
（3）有1 ml Cl2参与反应时释放出145kJ热量，2 ml氯气反应放热290 kJ，反应的热化学方程式为：2Cl2(g) + 2H2O(g) + C(s) ═ 4HCl(g) + CO2(g) △H = -290 kJ•ml-1；
故答案为2Cl2(g) + 2H2O(g) + C(g) ═ 4HCl(g) + CO2(g) △H = -290kJ•ml-1 ；
（4）4Al(g) + 3TiO2(g) + 3C(g) ═ 2Al2O3(g) + 3TiC(g) △H = -1176 kJ•ml-1，转移12ml电子放热1176KJ，则反应过程中，每转移1ml电子放热98kJ，故答案为98kJ。
必备知识
考点三 盖斯定律及应用
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
2.反应热的大小比较
(1)根据反应物的量的大小关系比较反应焓变的大小
①H2(g)＋eq \f(1,2)O2(g)===H2O(g) ΔH1
②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH2
反应②中H2的量更多，因此放热更多，故ΔH1＞ΔH2。
(2)根据反应进行的程度大小比较反应焓变的大小
③C(s)＋eq \f(1,2)O2(g)===CO(g) ΔH3
④C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH4
反应④中，C完全燃烧，放热更多，故ΔH3＞ΔH4。
(3)根据反应物或生成物的状态比较反应焓变的大小
⑤S(g)＋O2(g)===SO2(g) ΔH5
⑥S(s)＋O2(g)===SO2(g) ΔH6
方法一：图像法，画出上述两反应能量随反应过程的变化曲线。
由图像可知：ΔH5＜ΔH6。
方法二：通过盖斯定律构造新的热化学方程式。
由⑤－⑥可得S(g)===S(s) ΔH＝ΔH5－ΔH6＜0，故ΔH5＜ΔH6。
(4)根据特殊反应的焓变情况比较反应焓变的大小
⑦2Al(s)＋eq \f(3,2)O2(g)===Al2O3(s) ΔH7
⑧2Fe(s)＋eq \f(3,2)O2(g)===Fe2O3(s) ΔH8
由⑦－⑧可得2Al(s)＋Fe2O3(s)===2Fe(s)＋Al2O3(s) ΔH
已知铝热反应为放热反应，ΔH＝ΔH7－ΔH8＜0，故ΔH7＜ΔH8。
要点突破
1．下列说法或表示方法不正确的是（ ）
A．盖斯定律实质上是能量守恒定律的体现
B．在稀溶液中：H＋(aq)＋OH－(aq)＝H2O(l)；△H = –57.3kJ/ml，若将含0.5ml H2SO4的浓硫酸与含1mlNaOH的溶液混合，放出的热量大于57.3kJ
C．由C(石墨)→C(金刚石)；△H = +73 kJ/ml，可知石墨比金刚石稳定
D．在101kPa时，1mlH2完全燃烧生成液态水，放出285.8kJ热量，氢气燃烧的热化学方程式表示为：2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(l)；△H = –285.8kJ/ml
【答案】D
【解析】A、盖斯定律实质上是能量守恒定律的体现，选项A正确；B、浓硫酸稀释过程中也放出热量，所以放出的热量大于57.3 kJ，选项B正确；C、能量越低的物质，越稳定，选项C正确；D、热化学方程式表示的是4g氢气完全燃烧生成液态水放出的热量，所以反应热应为△H = –571.6kJ/ml，选项D不正确；答案选D。
2．已知：①CH4(g)＋2O2(g) = CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1＝－Q1kJ/ml
②2H2(g)＋O2(g) = 2H2O(g) ΔH2＝－2Q2kJ/ml
③2H2(g)＋O2(g) = 2H2O(l) ΔH3＝－2Q3kJ/ml
常温下取体积比为4∶1的甲烷和氢气共11.2 L(已折合成标准状况)经完全燃烧恢复到常温，放出的热量为( )
A．0.4Q1＋0.05Q2B．0.4Q1＋0.1Q2C．0.4Q1＋0.05Q3D．0.4Q1＋0.1Q3
【答案】D
【解析】甲烷和氢气的混合气体11.2L（已折合成标准状况），甲烷和氢气的混合气体的总的物质的量为n===0.5ml，甲烷和氢气的体积比为4：1，所以甲烷的物质的量为0.5ml×=0.4ml，氢气的物质的量为0.5ml-0.4ml=0.1ml，由CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)；△H=-Q1可知，0.4ml甲烷燃烧放出的热量为0.4ml×Q1kJ/ml=0.4Q1kJ；由2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l) ΔH3＝－2Q3kJ/ml，可知，0.1ml氢气燃烧生成液态水放出的热量为×0.1ml×2Q3kJ/ml=0.1Q3kJ，所以放出的热量为0.4Q1+0.1Q3，答案选D。
3．(1)①2O2(g)＋N2(g)===N2O4(l) ΔH1 ②N2(g)＋2H2(g)===N2H4(l) ΔH2
③O2(g)＋2H2(g)===2H2O(g) ΔH3 ④2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH4＝－1 048.9 kJ·ml－1
上述反应热效应之间的关系式为ΔH4＝_______________________________，联氨和N2O4可作为火箭推进剂的主要原因为________。
(2)已知下列反应：SO2(g)＋2OH－(aq)===SOeq \\al(2－,3)(aq)＋H2O(l) ΔH1
ClO－(aq)＋SOeq \\al(2－,3)(aq)===SOeq \\al(2－,4)(aq)＋Cl－(aq) ΔH2 CaSO4(s)===Ca2＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq) ΔH3
则反应SO2(g)＋Ca2＋(aq)＋ClO－(aq)＋2OH－(aq)===CaSO4(s)＋H2O(l)＋Cl－(aq)的ΔH＝________。
【答案】 (1)2ΔH3－2ΔH2－ΔH1 反应放热量大、产生大量气体
(2)ΔH1＋ΔH2－ΔH3
【解析】 (1)由已知热化学方程式①②③可得：N2O4(l)===2O2(g)＋N2(g) －ΔH1
2N2H4(l)===2N2(g)＋4H2(g) －2ΔH2 2O2(g)＋4H2(g)===4H2O(g) 2ΔH3
根据盖斯定律，将上述三个热化学方程式相加，可得2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH4＝2ΔH3－2ΔH2－ΔH1。由热化学方程式可知，N2H4和N2O4反应时放出大量的热，且产生大量气体。
(2)将题给三个热化学方程式分别标号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，根据盖斯定律，由Ⅰ＋Ⅱ－Ⅲ可得：SO2(g)＋Ca2＋(aq)＋ClO－(aq)＋2OH－(aq)===CaSO4(s)＋H2O(l)＋Cl－(aq)，则有ΔH＝ΔH1＋ΔH2－ΔH3。转化关系
反应热间的关系
aAeq \(――→,\s\up7(ΔH1))B、Aeq \(――→,\s\up7(ΔH2))eq \f(1,a)B
ΔH1＝aΔH2
Aeq \(,\s\up7(ΔH1),\s\d5(ΔH2))B
ΔH1＝－ΔH2
ΔH＝ΔH1＋ΔH2