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2021届高考化学二轮复习 专题6 化学能与热能学案 新人教版

2021届高考化学二轮复习 专题6 化学能与热能学案 新人教版

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- 13 -

专题六　化学能与热能

体系构建·串真知

真题回放·悟高考
解读考纲
1．了解化学反应中能量转化的原因及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，能正确书写热化学方程式。
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．了解焓变(ΔH)与反应热的含义。
6．理解盖斯定律，并能用盖斯定律进行有关反应焓变的计算。
体验真题
1．(2020·全国卷Ⅰ·28节选)硫酸是一种重要的基本化工产品，接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化：SO2(g)＋O2(g)SO3(g)　ΔH＝－98 kJ· mol－1。回答下列问题：
钒催化剂参与反应的能量变化如图所示，V2O5(s)与SO2(g)反应生成VOSO4(s)和V2O4(s)的热化学方程式为：__2V2O5(s)＋2SO2(g)2VOSO4(s)＋V2O4(s)　ΔH＝－351 kJ·mol－1__。

【解析】　(1)由题中信息可知：①SO2(g)＋O2(g)SO3(g)　ΔH＝－98 kJ·mol－1
②V2O4(s)＋SO3(g)V2O5(s)＋SO2(g)　ΔH2＝－24 kJ·mol－1
③V2O4(s)＋2SO3(g)2VOSO4(s)　ΔH1＝－399 kJ·mol－1
根据盖斯定律可知，③－②×2得2V2O5(s)＋2SO2(g)2VOSO4(s)＋V2O4(s)，则ΔH＝ΔH1－2ΔH2＝(－399 kJ·mol－1)－(－24 kJ·mol－1)×2＝－351 kJ·mol－1，所以该反应的热化学方程式为：2V2O5(s)＋2SO2(g)2VOSO4(s)＋V2O4(s)　ΔH＝－351 kJ·mol－1。
2．(2020·全国卷Ⅱ·28)乙烷在一定条件可发生如下反应：C2H6(g)═══C2H4(g)＋H2(g)　ΔH，相关物质的燃烧热数据如下表所示：
物质
C2H6(g)
C2H4(g)
H2(g)
燃烧热ΔH/(kJ· mol－1)
－1 560
－1 411
－286
ΔH＝__＋137__kJ· mol－1。
【解析】　由表中燃烧热数值可知：
①C2H6(g)＋O2(g)═══2CO2(g)＋3H2O(l)　ΔH1＝－1 560 kJ·mol－1；
②C2H4(g)＋3O2(g)═══2CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH2＝－1 411 kJ·mol－1；
③H2(g)＋O2(g)═══H2O(l)　ΔH3＝－286 kJ·mol－1；根据盖斯定律可知，①－②－③得C2H6(g)═══C2H4(g)＋H2(g)，则ΔH＝ΔH1－ΔH2－ΔH3＝(－1 560 kJ·mol－1)－(－1 411 kJ·mol－1)－(－286 kJ·mol－1)＝＋137 kJ·mol－1。
3．(2019·全国卷Ⅲ·28节选)近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。
Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：
CuCl2(s)═══CuCl(s)＋Cl2(g)　ΔH1＝83 kJ· mol－1
CuCl(s)＋O2(g)═══CuO(s)＋Cl2(g)　ΔH2＝－20 kJ· mol－1
CuO(s)＋2HCl(g)═══CuCl2(s)＋H2O(g)　ΔH3＝－121 kJ· mol－1
则4HCl(g)＋O2(g)═══2Cl2(g)＋2H2O(g)的ΔH＝__－116__ kJ· mol－1。
【解析】　利用盖斯定律解答本题。
CuCl2(s)═══CuCl(s)＋Cl2(g)　ΔH1＝83 kJ· mol－1①
CuCl(s)＋O2(g)═══CuO(s)＋Cl2(g)　ΔH2＝－20 kJ· mol－1②
CuO(s)＋2HCl(g)═══CuCl2(s)＋H2O(g)　ΔH3＝－121 kJ· mol－1③
则4HCl(g)＋O2(g)═══2Cl2(g)＋2H2O(g)可由①×2＋②×2＋③×2得到，所以其ΔH＝83×2＋(－20)×2＋(－121)×2＝－116(kJ· mol－1)。
4．(1)(2018·全国卷Ⅰ·28节选)已知：
2N2O5(g)═══2N2O4(g)＋O2(g)　ΔH1＝－4.4 kJ·mol－1
2NO2(g)═══N2O4(g)　ΔH2＝－55.3 kJ·mol－1
则反应的N2O5(g)═══2NO2(g)＋O2(g)的ΔH＝__53.1__kJ·mol－1。
(2)(2018·全国卷Ⅱ·27节选)CH4－CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2)，还对温室气体的减排具有重要意义。
回答下列问题：
(1)CH4－CO2催化重整反应为：CH4(g)＋CO2(g)═══2CO(g)＋2H2(g)。
已知：C(s)＋2H2(g)═══CH4(g)　ΔH＝－75 kJ· mol－1
C(s)＋O2(g)═══CO2(g)　ΔH＝－394 kJ· mol－1
C(s)＋O2(g)═══CO(g)　ΔH＝－111 kJ· mol－1
该催化重整反应的ΔH＝__＋247__kJ· mol－1。
(3)(2018·全国卷Ⅲ·28节选)三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。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＝__＋114__kJ· mol－1。
【解析】　(1)由2N2O5(g)═══2N2O4(g)＋O2(g)　ΔH＝－4.4 kJ·mol－1和2NO2(g)＝N2O4(g)　ΔH2＝－55.3 kJ·mol－1，根据盖斯定律，故反应N2O5(g)═══2NO2(g)＋O2(g)的ΔH＝1/2　ΔH1－ΔH2＝(－2.2＋55.3)kJ·mol－1＝53.1 kJ·mol－1。
(2)将题目给出的热化学方程式依次编为序号①、②、③，则将③×2－①－②就得出催化重整的反应，因此催化重整反应的ΔH＝－111 kJ· mol－1×2＋394 kJ· mol－1＋75 kJ· mol－1＝＋247 kJ· mol－1。
(3)结合两个反应2SiHCl3(g)═══SiH2Cl2(g)＋SiCl4(g)　ΔH1＝48 kJ· mol－1
3SiH2Cl2(g)═══SiH4(g)＋2SiHCl3(g)　ΔH2＝－30 kJ· mol－1
可得反应4SiHCl3(g)═══SiH4(g)＋3SiCl4(g)的ΔH＝3ΔH1＋ΔH2＝[3×48＋(－30)]kJ· mol－1＝＋114 kJ· mol－1
预判考情
本部分内容是高考必考知识点，且考查形式固定，主要以填空题型考查，预测未来高考中仍会以非选择题的形式与化学平衡相结合考查热化学方程式的书写、盖斯定律的应用、反应热的计算，偶尔在选择题型中考查反应热的大小比较。

知识深化·精整合
1．反应热计算的四种方法

(1)从宏观角度计算　ΔH＝H1(生成物的总能量)－H2(反应物的总能量)
(2)从微观角度计算　ΔH＝E1(反应物的键能总和)－E2(生成物的键能总和)
(3)从活化能角度计算　ΔH＝E1(正反应的活化能)－E2(逆反应的活化能)
(4)根据盖斯定律计算
①计算步骤

②计算方法

2．热化学方程式书写注意事项
(1)注意ΔH的符号和单位：ΔH的单位为kJ·mol－1。
(2)注意测定条件：绝大多数的反应热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：热化学方程式的化学计量数可以是整数，也可以是分数。
(4)注意物质的聚集状态：气体用“g”，液体用“1”，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：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)对于具有同素异形体的物质，除了要注明聚集状态外，还要注明物质的名称。
如：①S(单斜，s)＋O2(g)═══SO2(g)　ΔH＝－297.16 kJ·mol－1
②S(正交，s)＋O2(g)═══SO2(g)　ΔH2＝－296.83 kJ·mol－1
③S(单斜，s)═══S(正交，s)　ΔH3＝－0.33 kJ·mol－1

典题精研·通题型
考点一　反应热　热化学方程式
典例探究
角度一　化学反应中的能量变化
典例1 (2020·营口模拟)下列有关化学反应与能量变化的说法正确的是(　D　)

A．如图所示的化学反应中，反应物的键能之和大于生成物的键能之和
B．相同条件下，氢气和氧气反应生成液态水比生成等量的气态水放出的热量少
C．金刚石在一定条件下转化成石墨能量变化如图所示，热反应方程式可为：C(s金刚石)＝C(s，石墨)　ΔH＝－(E2－E3)kJ· mol－1
D．同温同压下，H2(g)＋Cl2(g)═══2HCl(g)能量变化如图所示，在光照和点燃条件下的ΔH相同
【解析】　据图可知，该反应是放热反应，反应实质是旧键断裂和新键生成，前者吸收能量，后者释放能量，所以反应物的键能之和小于生成物的键能之和，A错误；液态水的能量比等量的气态水的能量低，而氢气在氧气中的燃烧为放热反应，故当生成液态水时放出的热量高于生成气态水时放出的热量，故B错误；放出的热量＝反应物的总能量－生成物的总能量，ΔH＝－(E1－E3)kJ· mol－1，故C错误；反应的热效应取决于反应物和生成的总能量的差值，与反应条件无关，故D正确。
规律方法
解答能量变化图像题的“4关键”
(1)反应热不能取决于部分反应物能量和部分生成物能量的相对大小，即部分反应物能量和部分生成物能量的相对大小不能决定反应是吸热还是放热。
(2)注意活化能在图示(如图)中的意义。

从反应物至最高点的能量数值表示正反应的活化能，即E1；从最高点至生成物的能量数值表示逆反应的活化能，即E2。
(3)催化剂只能影响正、逆反应的活化能，而不影响反应的ΔH。
(4)设计反应热的有关计算时，要切实注意图示中反应物和生成物的物质的量。
角度二　热化学方程式的书写
典例2 (2020·昆明模拟)(1)已知2 mol H2完全燃烧生成液态水放出572 kJ热量。写出H2燃烧热的热化学反应方程式：__H2(g)＋1/2O2(g)═══H2O(l)　ΔH＝－286 kJ· mol－1__。
(2)在25 ℃、101 kPa下，1 g CH4(g)完全燃烧生成CO2和液态H2O，放出55 kJ的热量，写出该反应的热化学方程式__CH4(g)＋2O2(g)═══CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－880 kJ· mol－1__。
(3)已知热化学方程式：
①2C2H2(g)＋5O2(g)═══4CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH1＝－2 602.0 kJ· mol－1
②C(s)＋O2(g)═══CO2(g)　ΔH2＝－393.5 kJ· mol－1
③H2(g)＋O2(g)═══H2O(l)　ΔH3＝－285.8 kJ· mol－1则反应④2C(s)＋H2(g)═══C2H2(g)的ΔH为__＋228.2_kJ·_mol－1__。
【解析】　(1)已知2 mol H2完全燃烧生成液态水放出572 kJ热量。则1 mol H2完全燃烧生成液态水放出286 kJ热量，H2燃烧热的热化学反应方程式：H2(g)＋1/2O2(g)═══H2O(l)　ΔH＝－286 kJ· mol－1；(2)在25 ℃、101 kPa下，1 g CH4(g)完全燃烧生成CO2和液态H2O，放出55 kJ的热量，则1 mol甲烷完全燃烧生成CO2和液态H2O，放出880 kJ的热量，该反应的热化学方程式CH4(g)＋2O2(g)═══CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－880 kJ· mol－1；
(3)已知热化学方程式：
①2C2H2(g)＋5O2(g)═══4CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH1＝－2 602.0 kJ· mol－1
②C(s)＋O2(g)═══CO2(g)　ΔH2＝－393.5 kJ· mol－1
③H2(g)＋O2(g)═══H2O(l)　ΔH3＝－285.8 kJ· mol－1
根据盖斯定律，2×②＋③－×①得：
2C(s)＋H2(g)═══C2H2(g)的ΔH为＋228.2 kJ· mol－1。
易错警示
热化学方程式书写与正误判断易出现的5种常见错误
(1)“＋”“－”漏写或使用不正确。如放热反应未标“－”。
(2)单位与热量Q单位混淆。ΔH的单位为“kJ·mol－1(或kJ/ mol)”，易错写成“kJ”。
(3)物质的状态标注不正确。s、l、 g和aq分别表示固态、液态、气态和水溶液。
(4)ΔH的数值不正确。即ΔH的数值必须与方程式中的化学计量数相对应。
(5)对概念的理解不正确。如燃烧热是指1 mol可燃物，且生成CO2(g)、H2O(l)、SO2(g)等；中和热是指1 mol H＋和1 mol OH－生成1 mol H2O(l)。
类题精练
1．(2020·福州模拟)根据能量变化示意图，下列说法正确的是(　C　)

A．状态1是液态，则状态3一定是气态
B．状态3是液态，则状态4一定是气态
C．A(状态2)＋B(g)═══C(状态3)＋D(g)　ΔH＝(d－a)kJ·mol－1
D．断裂1 mol C(状态3)和1 mol D(g)中的化学键需要吸收的能量为(e－d)kJ
【解析】　A与B生成C和D的反应中，A和B的总能量小于C和D的总能量，为吸热反应，若状态1为液体，状态3可能为气体，也可能为液体，故A错误；C(状态3)＋D(g)的总能量高于C(状态4)＋D(g)的总能量，若状态3为液体，则状态4为液体或固体，故B错误；A(状态2)＋B(g)═══C(状态3)＋D(g)，反应物的总能量小于生成物的总能量，为吸热反应，则吸收的能量为(d－a)kJ，故C正确；未标明C的状态，C不一定为气体，则吸收的总能量不全是断键消耗的，还可能包含其他状态转化为气体所吸收的能量，故D错误。
2．(2020·成都模拟)下列热化学方程式或离子方程式中，正确的是(　B　)
A．甲烷的标准燃烧热为890.3 kJ·mol－1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为：CH4(g)＋2O2(g)═══CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－890.3 kJ·mol－1
B．CO(g)的燃烧热是283.0 kJ/mol，则CO2(g)═══2CO(g)＋O2(g)的反应热ΔH＝＋2×283.0 kJ/mol
C．NaOH和HCl反应的中和热ΔH＝－57.3 kJ/mol，则H2SO4和Ca(OH)2反应的中和热ΔH＝2×(－57.3)kJ/mol
D．500 ℃、30 MPa下，将0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密闭的容器中充分反应生成NH3(g)，放热19.3 kJ，其热化学方程式为：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－38.6 kJ/mol
【解析】　甲烷的标准燃烧热为890.3 kJ·mol－1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)＋2O2(g)═══CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－890.3 kJ·mol－1，A错误；燃烧热是指25 ℃ 101 KP时，1 mol可燃物完全燃烧生成稳定的氧化物时放出的热量，反应热与方程式的计量数成正比，CO(g)的燃烧热是283.0 kJ/mol，则2CO(g)＋O2(g)═══2CO2(g)反应的ΔH＝－2×283.0 kJ/mol，B正确；中和热是指在稀溶液中，强酸和强碱反应生成1 mol水和可溶性盐时放出的热量，但H2SO4和Ca(OH)2反应生成的盐微溶，C错误；相同条件下的同一可逆反应，正逆反应反应热数值相等，符号相反，0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密闭容器中充分反应生成NH3(g)，放热19.3 kJ，生成的氨气的物质的量小于1 mol，所以2 mol氨气分解，吸收的热量大于38.6 kJ，D错误。
考点二　盖斯定律　焓变的计算
典例探究
典例3 (1)(2020·绵阳模拟)氨是最重要的化工产品之一。合成氨用的氢气可以甲烷为原料制得：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。有关化学反应的能量变化如下图所示，则CH4(g)与H2O(g)反应生成CO(g)和H2(g)的热化学方程式为__CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋161.1 kJ/mol__。

(2)(2020·南京模拟)已知：2H2(g)＋O2(g)═══2H2O(g)　ΔH1
S(s)＋O2(g)═══SO2(g)　ΔH2
2S(s)S2(g)　ΔH3
2H2S(g)＋SO2(g)═══3S(s)＋2H2O(g)　ΔH4
则反应2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)的ΔH＝__ΔH2＋ΔH3＋ΔH4－ΔH1__。
(3)(2020·济南模拟)工业上利用CO和水蒸气在一定条件下发生反应制取氢气：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－41 kJ/mol
已知：2H2(g)＋O2(g)═══2H2O(g)　ΔH＝－484 kJ/mol，写出CO完全燃烧生成CO2的热化学方程式：__2CO(g)＋O2(g)═══CO2(g)　ΔH＝－566 kJ/mol__。
【解析】　(1)由图像分析可知
①CO(g)＋1/2O2(g)═══CO2(g)　ΔH＝－282 kJ/mol
②H2(g)＋1/2O2(g)═══H2O(g)　ΔH＝－241.8 kJ/mol
③CH4(g)＋2O2(g)═══CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－846.3 kJ/mol
由盖斯定律③－②×3－①得：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋161.1 kJ/mol。
(2)根据盖斯定律：②＋③＋④－①可得2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)的ΔH＝ΔH2＋ΔH3＋ΔH4－ΔH1。
(3)由①CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－41 kJ/mol
②2H2(g)＋O2(g)═══2H2O(g)　ΔH＝－484 kJ/mol，
根据盖斯定律，①×2＋②可得：2CO(g)＋O2(g)═══CO2(g)　ΔH＝－566 kJ/mol。
技巧点拨
利用盖斯定律计算ΔH的方法和步骤

类题精练
3．(2018·北京高考·节选)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：__3SO2(g)＋2H2O(g)═══2H2SO4(l)＋S(s)　ΔH2＝－254 kJ·mol－1__。
【解析】　由于反应Ⅱ是二氧化硫的歧化反应，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的化学方程式为3SO2＋2H2O2H2SO4＋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。
4．化学反应的焓变既可以通过实验测定，也可以根据理论计算。
(1)一氧化碳还原氧化铁是工业炼铁的原理。已知：
①Fe2O3(s)＋3CO(g)═══2Fe(s)＋3CO2(g)　ΔH1＝－26.7 kJ·mol－1
②3Fe2O3(s)＋CO(g)═══2Fe3O4(s)＋CO2(g)　ΔH2＝－50.8 kJ·mol－1
③Fe3O4(s)＋CO(g)═══3FeO(s)＋CO2(g)　ΔH＝－36.5 kJ·mol－1
试写出CO气体还原固态FeO生成固态Fe和CO2气体的热化学方程式：__FeO(s)＋CO(g)═══Fe(s)＋CO2(g)　ΔH＝＋7.3 kJ·mol－1__。
(2)请根据表中的数据计算ΔH1和ΔH2。
物质
石墨
H2
CO
CH4
燃烧热/(kJ·mol－1)
393.5
285.8
283.0
890.3

化学键
H—H
C═══O
CO
H—O
C—H
E/(kJ·mol－1)
436
799
1 076
465
413
CO2(g)＋4H2(g)═══CH4(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝__－170__kJ· mol－1；CH4(g)＋H2O(l)═══3H2(g)＋CO(g)的ΔH2＝__＋250.1__kJ·mol－1。
【解析】　(1)根据盖斯定律，由(①×3－②－③×2)×得FeO(s)＋CO(g)═══Fe(s)＋CO2(g)　ΔH＝(ΔH1×3－ΔH2－ΔH3×2)×≈＋7.3 kJ·mol－1。(2)ΔH1＝2E(C═══O)＋4E(H—H)－4E(C—H)－4E(H—O)＝(2×799＋4×436－4×413－4×465)kJ·mol－1＝－170 kJ·mol－1。根据燃烧热写出如下热化学方程式：CH4(g)＋2O2(g)═══CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH3＝－890.3 kJ·mol－1；H2(g)＋O2(g)═══H2O(l)　ΔH4＝－285.8 kJ·mol－1；CO(g)＋O2(g)═══CO2(g)　ΔH5＝－283.0 kJ·mol－1。根据盖斯定律可得ΔH2＝ΔH3－3ΔH4－ΔH5＝(－890.3＋3×285.8＋283.0) kJ·mol－1＝＋250.1 kJ·mol－1.