化学反应中能量变化的本质及转化形式

化学反应中能量变化的本质及转化形式

化学反应中的能量变化是化学学科中的一个重要概念，它涉及到化学能与热能、电能等能量形式的相互转化。本文将从化学反应中的能量变化、化学反应中能量变化的原因以及化学反应中能量转化的形式等方面进行详细讲解。

学习目标

1. 通过生产、生活、实验中的实例，了解化学能与热能的相互转化，建立吸热反应、放热反应的概念，从能量变化的视角发展对化学反应的认识，形成“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。
2. 关注与化学有关的社会热点问题，认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料的重要性，增强节约能源及环境保护等意识，形成“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

基点探究

一、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。

活动探究——感受化学反应中的能量变化

结论：化学反应都会伴随能量的变化，有的释放能量，有的吸收能量。

吸热反应：吸收热量的化学反应。

放热反应：放出热量的化学反应。

【思维火花】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，氧化钙和水反应生成了氢氧化钙，是放热反应。

二、化学反应中能量变化的原因

1. 从化学键的变化角度分析

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。E1<E2时，反应放出能量，反应释放能量数值＝E2－E1。E1>E2时，反应吸收能量，反应吸收能量数值＝E1－E2。

2. 从物质所具有的总能量关系分析

反应物总能量>生成物总能量，反应释放能量。

反应物总能量<生成物总能量，反应吸收能量。

3. 化学反应中能量转化的形式

化学能
热能、电能或光能等。

【思维火花】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)任何化学反应都伴随能量变化。 (　　)

(2)反应物的总能量高于生成物的总能量时，反应放热。(　　)

(3)化学键断裂需要吸收能量，化学键形成会放出能量。(　　)

(4)相同质量的氢气在氧气中燃烧比与氧气混合发生爆炸反应放出的热量少。(　　)

(5)化学反应中的能量变化全部是以热量的形式转化的。(　　)

【答案】(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×

重点剖析

一、放热反应和吸热反应

【思维火花】某学生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溶于水吸热是物理变化过程。

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。

【规律总结】

【易错警示】化学反应中能量变化的“不一定”

(1)需加热才能发生的反应不一定是吸热反应，如碳和氧气的反应。

(2)放热反应常温下不一定容易发生，如铝热反应。

(3)吸热反应也不一定需要加热，如Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。

(4)放热(或吸热)过程不一定是放热(或吸热)反应，如冰融化是吸热过程而不是吸热反应。

【典例1】下列实验现象或图像信息不能充分说明相应的化学反应是放热反应的是(　　)

A B

温度计的水银柱不断上升 反应物总能量大于生成物总能量

C D

反应开始后，甲处液面低于乙处液面 反应开始后，针筒活塞向右移动

【解析】温度计的水银柱不断上升，则中和反应放出热量，说明相应的化学反应是放热反应，A不选；反应物总能量大于生成物总能量，说明相应的化学反应是放热反应，B不选；甲处液面低于乙处液面，可知瓶内空气受热体积增大，说明相应的化学反应是放热反应，C不选；发生装置中有气体生成，则生成的气体也可使针筒活塞向右移动，所以该实验不能充分说明相应的化学反应一定是放热反应，D选。

【答案】D

【典例2】已知反应X＋Y===M＋N为吸热反应，对这个反应的下列说法中正确的是(　　)

A．X的能量一定低于M的，Y的能量一定低于N的

B．因为该反应为吸热反应，故一定要加热反应才能进行

C．破坏反应物中的化学键所吸收的能量小于形成生成物中化学键所放出的能量

D．反应物X和Y的总能量一定小于生成物M和N的总能量

【解析】反应是吸热反应还是放热反应比较的是反应物的总能量和生成物的总能量，当反应物的总能量小于生成物的总能量时，反应为吸热反应，故A错、D对；反应是吸热还是放热与反应条件无关，故B错；当破坏化学键吸收的总能量大于形成化学键所放出的总能量时为吸热反应，故C错。

【答案】D

【典例3】下列各组变化中，前者是放热反应，后者是吸热反应的是(　)

A．生石灰溶于水；锌粒和稀硫酸反应

B．干冰升华；金属或金属氧化物熔化

C．氨水与醋酸反应；碳和水蒸气反应生成CO和H2

D．工业煅烧石灰石；化石燃料燃烧

【解析】生石灰溶于水发生的反应是放热反应；锌粒和稀硫酸的反应为放热反应，故A错误。干冰升华属于物理变化；金属或金属氧化物的熔化也属于物理变化，故B错误。氨水与醋酸反应为酸碱中和反应，为放热反应；碳和水蒸气反应生成CO和H2，为吸热反应，故C正确。工业煅烧石灰石是分解反应，为吸热反应；化石燃料的燃烧为放热反应，故D错误。

【答案】C

二、利用化学键计算化学反应中的能量变化

【思维火花】用H2和O2反应的实例探究化学反应中能量变化的实质

现探究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 kJ＋2×249 kJ＝1 370 kJ。

2. 形成新化学键时释放的能量是多少？

提示：930 kJ×2＝1 860 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 kJ－1 370 kJ＝490 kJ。

【规律总结】

1. 化学反应中能量变化的实质

化学反应中能量的变化ΔQ＝反应物的总键能(断开旧化学键吸收的能量)－生成物的总键能(形成新化学键放出的能量)。计算得到的值如果是正值，则该反应为吸热反应；如果是负值，该反应为放热反应。

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：

①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

②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

【典例4】下表中的数据表示破坏或形成1 mol化学键需消耗或释放的能量，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)点燃CO2(g)＋2H2O(g)

化学键 C—H O—O O===O C—O C===O H—O

能量(kJ) 415 138 498 343 798 465

A．放出热量800 kJ　 B．放出热量1 520 kJ

C．吸收热量110 kJ D．放出热量610 kJ

【解析】1个CH4中含4个C—H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H—O键。生成1 mol CO2时，断裂4 mol C—H键和2 mol O===O键，吸收的热量为Q吸＝4EC－H＋2EO＝O＝4×415 kJ＋2×498 kJ＝2 656 kJ。形成4 mol HO键和2 mol C===O键，释放的热量为Q放＝4EO－H＋2EC＝O＝4×465 kJ＋2×798 kJ＝3 456 kJ，因为Q放>Q吸，所以反应放热。放出的热量为ΔQ＝Q放－Q吸＝3 456 kJ－2 656 kJ＝800 kJ。

【答案】A

【思维拓展】(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？

(2)当反应生成液态水时，反应放出的热量是变多还是变少？

提示：(1)不能。放热反应是指反应物总能量大于生成物总能量。

(2)变多。气态水变为液态水时放热。

【典例5】氮气与氧气化合生成一氧化氮是自然固氮的重要方式之一，1 mol N2和1 mol O2反应的能量变化如图所示，下列说法错误的是(　　)

A．该反应中反应物的总能量低于产物的总能量

B．完全断开1 mol NO中的化学键需要吸收1 264 kJ能量

C．每1 mol NO(g)完全分解为N2(g)和O2(g)，释放90 kJ能量

D．该反应过程中有非极性键的断裂和极性键的形成

【解析】该反应断键吸收的能量是946＋498＝1 444 kJ，成键放出的能量是1 264 kJ，总反应吸热，则该反应中反应物的总能量低于产物的总能量，A项正确；完全断开2 mol NO中的化学键需要吸收1 264 kJ能量，B项错误；生成2 mol NO需要吸收能量为(946＋498－1 264)＝180 kJ，则每1 mol NO(g)完全分解为N2(g)和O2(g)，释放90 kJ能量，C项正确；该反应过程中氮气和氧气分子内非极性共价键断裂，同时氮氧原子之间形成新的化学键，即有非极性共价键的断裂和极性共价键的形成，D项正确。

【答案】B

【典例6】已知断开1 mol H—H键吸收的能量为436 kJ，形成1 mol N—H键放出的能量为391 kJ，根据化学方程式N2＋3H2
2NH3，反应消耗1 mol N2放出的能量为92.4 kJ，则断开1 mol N≡N键吸收的能量是(　　)

A．945.6 kJ B．869 kJ C．649.6 kJ D．431 kJ

【解析】设断开1 mol N≡N键需吸收的能量为x，根据反应放出的能量＝形成新化学键放出的能量－断开旧化学键吸收的能量可知：92.4 kJ＝6×391 kJ－3×436 kJ－x，解得x＝945.6 kJ。

【答案】A

实战演练

1. 古文记载：杭人削松木为小片，其薄为纸，熔硫黄涂木片顶端分许，名曰发烛……盖以发火及代灯烛用也。下列有关说法错误的是(　　)

A．将松木削薄为纸片状有助于发火和燃烧

B．“发烛”发火和燃烧利用了物质的可燃性

C．“发烛”发火和燃烧伴随不同形式的能量转化

D．硫黄是“发烛”发火和燃烧反应的催化剂

2. 下列变化过程需要吸收能量的是(　　)

A．2H2＋O2―→2H2O B．CaO＋H2O―→Ca(OH)2

C．Cl＋Cl―→Cl2 D．H2―→H＋H

3. 下列反应既属于氧化还原反应，又属于吸热反应的是(　　)

A．实验室制H2

B．用Al焊接钢轨

C．Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl晶体反应

D．灼热的碳放入CO2中

4. 下列图像能准确表示氢气燃烧的热量变化的是(　　)

A　　　　　　　　　　　　B

C　　　　　　　　　　　　D

5. 在一定条件下，A与B反应可生成C和D，其能量变化如图所示：

(1)若E1>E2，则反应体系的总能量________(填“升高”或“降低”)，该反应为________(填“吸热”或“放热”)，原因是_____________________。

(2)若E1<E2，则反应体系的总能量________(填“升高”或“降低”)，该反应为________(填“吸热”或“放热”)反应，原因是________________。

答案及解析

1.D　【解析】将松木削薄为纸片状可以增大可燃物与氧气接触面积，有助于发火和燃烧，A正确；“发烛”发火和燃烧利用了物质的可燃性，B正确；“发烛”发火和燃烧伴随不同形式的能量转化，如化学能转化为光能、热能等，C正确；硫磺也燃烧，不是催化剂，D错误。

2.D　【解析】A、B项反应均是放出能量的反应，C项是新化学键形成放出能量，D项是旧化学键断裂过程，为吸收能量过程。

3.D　【解析】实验室制H2的反应Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑是放热的氧化还原反应；焊接钢轨的原理是2Al＋Fe2O3△2Fe＋Al2O3是放热的氧化还原反应。C项是吸热的复分解反应。

4.C　【解析】氢气在氧气中燃烧生成气态水的反应为放热反应，反应物的总能量大于生成物的总能量，气态水转化为液态水的过程为放热过程，气态水的能量高于液态水，则图C符合题意。

5.(1)降低　放热　反应物的部分能量转化为热能释放到环境中　(2)升高　吸热　反应物从环境中吸收能量

【解析】研究化学反应的能量变化，应从反应体系和环境两个方面进行分析。

本文原文来自360doc.com