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第18讲 化学能与热能
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知识点
基础
能力
挑战
反应热与焓变、热化学方程式
1,2
9,10
12,13
燃烧热、中和热
3
盖斯定律的应用
4
7
综合应用
5
6,8,11
1.(2018·山西实验中学月考)如图所示,有关化学反应和能量变化的说法正确的是( C )
A.图a表示的是吸热反应的能量变化
B.图b中生成物比反应物稳定
C.图b可以表示氯化铵固体与氢氧化钡晶体反应的能量变化
D.图a不需要加热就一定能发生,图b一定需要加热才能发生
解析:图a中反应物总能量高于生成物总能量,故为放热反应,故A错误;图b中反应物总能量低,反应物稳定,故B错误;图b中反应物总能量低于生成物总能量,可以表示吸热反应,故C正确;图a表示的是放热反应,所有的燃烧均为放热反应,但是多数的燃烧需要加热,吸热反应也不一定需要加热,故D错误。
2.(2019·湖北武汉部分学校调研)已知化学反应S(l)+O2(g)SO2(g),通常情况下,燃烧1 mol S液体生成SO2气体放出293.23 kJ的热量。分析下列说法中正确的是( C )
A.1 mol固体S单质燃烧放出的热量大于293.23 kJ
B.1 mol气体S单质燃烧放出的热量小于293.23 kJ
C.1 mol SO2(g)的键能总和大于1 mol S(l)和1 mol O2(g)的键能 之和
D.1 mol SO2(g)的键能总和小于1 mol S(l)和1 mol O2(g) 的键能 之和
解析:因物质由液态转变成固态要放出热量,所以1 mol固体S单质燃烧放出的热量小于293.23 kJ,故A错误;因物质由液态转变成气态要吸收热量,所以1 mol气体S单质燃烧放出的热量大于293.23 kJ,故B错误;因放热反应中旧键断裂吸收的能量小于新键形成所放出的能量,1 mol SO2(g)的键能总和大于1 mol S(l)和1 mol O2(g)的键能总和,故C正确,D错误。
3.(2018·甘肃天水一中月考)下列说法正确的是( A )
A.在25 ℃、101 kPa,1 mol S(s)和2 mol S(s)的燃烧热相等
B.1 mol H2SO4(浓)与1 mol Ba(OH)2完全中和所放出的热量为中和热
C.CO是不稳定的氧化物,它能继续和氧气反应生成稳定的CO2,所以CO的燃烧反应一定是吸热反应
D.101 kPa时,1 mol H2燃烧所放出的热量为氢气的燃烧热
解析:燃烧热指25 ℃、101 kPa时1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量,因此S的燃烧热相等,故A正确;中和热是稀酸与稀碱发生中和反应生成1 mol H2O时放出的热量,浓硫酸遇水放出热量,故B错误;所有的燃烧都是放热反应,故C错误;应是生成稳定的氧化物,即101 kPa时1 mol氢气燃烧产生的H2O是液态水时,放出的热量才是燃烧热,故D错误。
4.(2018·湖南长沙长郡中学月考)已知热化学方程式:①CH4(g)+ 2O2(g)CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3 kJ/mol;②N2(g)+O2(g) 2NO(g) ΔH=+180 kJ/mol。则CH4(g)+4NO(g)CO2(g)+2N2(g)+ 2H2O(l)的ΔH为( A )
A.-1 250.3 kJ/mol B.-2 500.6 kJ/mol
C.+1 250.3 kJ/mol D.+2 500.6 kJ/mol
解析:CH4(g)+4NO(g)CO2(g)+2N2(g)+2H2O(l),这个反应可由①-②×2得到,则由盖斯定律,ΔH=-890.3 kJ/mol-(+180 kJ/mol)×2=-1 250.3 kJ/mol,故A正确。
5.(2018·河南淮阳月考)通常人们把拆开1 mol某化学键所吸收的能量看成该化学键的键能。键能的大小可以衡量化学键的强弱,也可用于估算化学反应的反应热(ΔH),化学反应的反应热等于反应中断裂旧化学键的键能之和与反应中形成新化学键的键能之和的差。
化学键
Si—O
Si—Cl
H—H
H—Cl
Si—Si
Si—C
键能/
(kJ·mol-1)
460
360
436
431
176
347
提示:1 mol Si中含有2 mol Si—Si键,1 mol SiO2中含有4 mol Si—O键。
请回答下列问题:
(1)已知Si、SiC、SiO2熔化时必须断裂所含化学键,比较下列两组物质的熔点高低(填“>”或“<”):SiC Si,Si SiO2。
(2)工业上高纯硅可通过下列反应制取:SiCl4(g)+2H2(g)Si(s)+ 4HCl(g),则2 mol H2生成高纯硅需 (填“吸收”或“放出”)能量 kJ。
(3)已知硅燃烧热的热化学方程式为Si(s)+O2(g)SiO2(s) ΔH= -989.2 kJ·mol-1,则OO键键能为 。
解析:(1)化学键越强,断裂时需要的能量越高,熔点越高,所以碳化硅的熔点强于硅,单质硅的熔点弱于二氧化硅。
(2)反应热就是断裂化学键吸收的能量和形成化学键放出的能量的差值,所以该反应的反应热是360 kJ·mol-1×4+2×436 kJ·mol-1-4× 431 kJ·mol-1-176 kJ·mol-1×2=+236 kJ·mol-1,所以是吸热反应。
(3)设O-O 键键能为x,由键能可知176 kJ·mol-1×2+x-4× 460 kJ·mol-1=-989.2 kJ·mol-1,所以x=498.8 kJ·mol-1
答案:(1)> < (2)吸收 236
(3)498.8 kJ·mol-1
6.(2018·广西河池高级中学月考)科学家已获得了极具理论研究意义的N4分子,其结构为正四面体(如图所示),与白磷分子相似。已知断裂1 molN—N 键吸收 193 kJ 热量,断裂1 mol N≡N键吸收941 kJ热量,则下列说法不正确的是( B )
A.N4与N2互为同素异形体
B.1 mol N4气体转化为N2时要吸收724 kJ能量
C.N4变成N2是化学变化
D.N4分子中有6个共价键
解析:N4和N2均是氮元素形成的单质,互为同素异形体,A正确;1 mol N4转化为N2时能量变化为6×193 kJ-2×941 kJ=-724 kJ,即放出724 kJ能量,B不正确;N4和N2均是氮元素形成的单质,互为同素异形体,N4转化为N2属于化学变化,C正确;根据结构式可知N4分子中有6个共价键,D正确。
7.(2018·山东日照高三联考)已知CaSO4·2H2O脱水过程的热化学方程式如下:
CaSO4·2H2O(s)CaSO4·H2O(s)+H2O(g) ΔH1=+83.2 kJ·mol-1
CaSO4·H2O(s)CaSO4(s)+H2O(g) ΔH2又知:CaSO4·2H2O(s) CaSO4(s)+2H2O(l) ΔH3=+26 kJ·mol-1
H2O(g)H2O(l) ΔH4=-44 kJ·mol-1
则ΔH2为( A )
A.+30.8 kJ·mol-1 B.-30.8 kJ·mol-1
C.+61.6 kJ·mol-1 D.-61.6 kJ·mol-1
解析:①CaSO4·2H2O(s)CaSO4·H2O(s)+H2O(g) ΔH1= +83.2 kJ·mol-1;
③CaSO4·2H2O(s)CaSO4(s)+2H2O(l) ΔH3=+26 kJ·mol-1;
④H2O(g)H2O(l) ΔH4=-44 kJ·mol-1;
根据盖斯定律,③-①-④×2,得CaSO4·H2O(s)CaSO4(s)+H2O(g) ΔH2,ΔH2=+30.8 kJ·mol-1,故A正确。
8.(2018·湖北华师一附中、黄冈中学等八校联考)已知 298 K时反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-197 kJ·mol-1,在相同温度下向一密闭容器中加入2 mol SO2和1 mol O2,达化学平衡时放出热量为a1 kJ;向另一容积相同的密闭容器中通入1 mol SO2和0.5 mol O2,达化学平衡时放出热量为a2 kJ,则下列关系式中正确的是( B )
A.2a2>a1>197 B.2a2<a1<197
C.2a2=a1>197 D.2a2=a1=197
解析:该反应是可逆反应,所以a1<197,前一个容器对于后一个容器而言相当于加压,平衡右移,反应物的转化率增大,所以,2a2<a1,总之,2a2<a1<197,故选B。
9.(2018·山东潍坊高三期中)已知:1 g C(s)燃烧生成一氧化碳放出9.2 kJ的热量;氧化亚铜与氧气反应的能量变化如图所示。
下列叙述正确的是( D )
A.碳[C(s)]的燃烧热ΔH为-110.4 kJ·mol-1
B.1 mol CuO分解生成Cu2O放出73 kJ的热量
C.反应2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)的活化能为292 kJ·mol-1
D.足量炭粉与CuO反应生成Cu2O的热化学方程式为
C(s)+2CuO(s)Cu2O(s)+CO(g) ΔH=35.6 kJ·mol-1
解析:因1 g C(s)燃烧生成CO时放出热量9.2 kJ;12 g C燃烧生成一氧化碳放热110.4 kJ,而燃烧热指的是 1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量,A项错误;根据图像可知,由CuO分解生成Cu2O需要吸收热量,B项错误;反应2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) 的活化能为348 kJ·mol-1,C项错误;依据图像书写热化学方程式①2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s) ΔH=-292 kJ·mol-1,再根据1 g C(s)燃烧全部生成CO时放出热量9.2 kJ,热化学方程式为②2C(s)+O2(g)2CO(g) ΔH=-220.8 kJ·mol-1,根据盖斯定律,②-①得4CuO(s)+2C(s)2CO(g)+2Cu2O(s) ΔH=+71 kJ·mol-1,即2CuO(s)+C(s)CO(g)+Cu2O(s) ΔH=+35.6 kJ·mol-1,D项正确。
10.(2018·山西太原第五中学期中)化学反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的能量变化如图所示(ΔE为能量变化值,a、b、c均为正值)。下列相关说法正确的是( C )
A.此反应为吸热反应
B.1 mol N+3 mol H中的总能量等于1 mol NH3中的能量
C.1 mol NH3(l)转变为1 mol NH3(g)需要吸收c kJ能量
D.反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的能量变化值为a+b
解析:反应物总能量高于生成物总能量,此反应为放热反应,A错误;1 mol N+3 mol H中的总能量高于1 mol NH3中的能量,B错误;根据示意图可判断1 mol NH3(l)转变为1 mol NH3(g)需要吸收c kJ能量,C正确;根据示意图可判断反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)的能量变化值为2b-2a,D错误。
11.Ⅰ.许多变化中存在着能量的变化,请回答下列问题:
(1)从化学键角度上看,化学反应的本质是 。
已知反应2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g),反应过程中的能量变化如图所示:
则反应中断裂的化学键是 (用相应化学键的符号表示),该反应是 (填“吸热”或“放热”)反应。4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(l)中,该反应中反应物的总能 量 (填“>”或“<”)生成物的总能量。
(2)写出一个属于吸热反应的化学方程式: 。
Ⅱ.如表所示为断裂1 mol化学键所需的能量数据:
化学键
OO
N≡N
N—N
N—H
键能/(kJ·mol-1)
a
942
154
391
肼燃烧及化学键变化过程中的有关能量变化如图所示;则a= 。
解析:Ⅰ.(1)从化学键角度上看,化学反应的本质为旧化学键的断裂与新化学键的形成;根据2N2(g)+6H2O(l)4NH3(g)+3O2(g),反应中断裂的化学键有O—H、N≡N,根据图示,反应物的总能量低于生成物的总能量,该反应是吸热反应,则4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(l)为放热反应,反应中反应物的总能量>生成物的总能量。
(2)属于吸热反应的有氢氧化钡晶体与氯化铵固体的反应、碳与二氧化碳的反应,氢气还原氧化铜的反应等。
Ⅱ.利用题中图示可知,1 mol肼和1 mol氧气变成原子时断键需要的能量为2 752 kJ-534 kJ=2 218 kJ。1 mol肼和1 mol氧气断键变为原子时要断裂1 mol N—N、4 mol N—H、1 mol O-O 键,所以1×154+4×391+1×a=2 218,解得a=500。
答案:Ⅰ.(1)旧化学键的断裂与新化学键的形成 O—H、N≡N 吸热 > (2)C+CO22CO(其他合理答案均可) Ⅱ.500
12.(2018·安徽滁州月考)已知3.6 g碳在6.4 g氧气中燃烧,至反应物耗尽,并放出X kJ热量。已知1 mol单质碳完全燃烧放出热量为Y kJ,则1 mol C与O2反应生成CO的热量变化为( B )
A.放出Y kJ B.放出(5X-0.5Y)kJ
C.放出(10X-Y)kJ D.吸收(10X-Y)kJ
解析:碳在氧气中燃烧,氧气不足发生反应2C+O22CO,氧气足量发生反应C+O2CO2。3.6 g碳的物质的量为n(C)==0.3 mol,6.4 g氧气的物质的量为n(O2)==0.2 mol,n(C)∶n(O2)=3∶2,在2∶1与1∶1之间,所以上述反应都发生。假设生成的CO为x mol,CO2为 y mol,根据碳元素守恒有x+y=0.3,根据氧元素守恒有x+2y=0.2×2,联立方程,解得x=0.2,y=0.1。单质碳的燃烧热为 Y kJ/mol,所以生成0.1 mol二氧化碳放出的热量为 0.1 mol×Y kJ/mol=0.1Y kJ,所以生成0.2 mol CO放出的热量为X kJ-0.1Y kJ。由于碳燃烧为放热反应,所以反应热ΔH的符号为“-”,故1 mol C与O2反应生成CO的反应热ΔH=-(X kJ-0.1Y kJ)÷0.2 mol=-(5X-0.5Y) kJ/mol,选项B 正确。
13.(1)在一定条件下N2与H2反应生成NH3,请回答:
①若反应物的总能量为E1,生成物的总能量为E2,且E1>E2,则该反应 为 (填“吸热”或“放热”)反应。
②已知拆开1 mol H—H 键、1 mol N—H 键、1 mol N≡N 键分别需要的能量是436 kJ、391 kJ、946 kJ,则N2与H2反应生成NH3的热化学方程式为 。
(2)N2H4和H2O2混合可作火箭推进剂。已知:16 g液态N2H4和足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l),放出310.6 kJ 的热量;2H2O2(l)O2(g)+ 2H2O(l) ΔH=-196.4 kJ·mol-1。反应N2H4(g)+O2(g)N2(g)+2H2O(l)的ΔH= kJ·mol-1。N2H4和H2O2反应生成N2(g)和H2O(l)的热化学方程式为 。
(3)实验室用50 mL 0.50 mol·L-1盐酸与50 mL某浓度的NaOH溶液在如图所示装置中反应,通过测定反应过程中所放出的热量可计算中和热。该装置有一处明显的错误,该处错误是缺少一种玻璃仪器,该仪器的名称为 ;实验室提供了0.50 mol·L-1和0.55 mol·L-1两种浓度的NaOH溶液,应选择 mol·L-1的溶液进行实验。
(4)“嫦娥二号”卫星使用液态四氧化二氮和液态偏二甲肼(C2H8N2)作推进剂。N2O4与偏二甲肼燃烧产物只有CO2(g)、H2O(g)、N2(g),并放出大量热,已知10.0 g液态偏二甲肼与液态四氧化二氮完全燃烧可放出425 kJ热量,该反应的热化学方程式为 。
解析:(1)①若反应物的总能量为E1,生成物的总能量为E2,且E1>E2,则ΔH=E2-E1<0,该反应为放热反应。②ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能,已知拆开1 mol H—H 键、1 mol N—H 键、1 mol N≡N键分别需要的能量是436 kJ、391 kJ、946 kJ,则N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=946 kJ·mol-1+3×436 kJ·mol-1-2×3×391 kJ·mol-1=
-92 kJ·mol-1。
(2)16 g液态N2H4和足量氧气反应生成N2(g)和 H2O(l),放出310.6 kJ的热量,故N2H4(l)和足量氧气反应的热化学方程式为N2H4(l)+O2(g)N2(g)+2H2O(l) ΔH=-621.2 kJ·mol-1 a,又已知:2H2O2(l)2H2O(l)+O2(g) ΔH=-196.4 kJ·mol-1 b,根据盖斯定律,由a+b得:N2H4(l)+2H2O2(l)N2(g)+4H2O(l) ΔH=
-817.6 kJ·mol-1。
(3)由题图可知该装置缺少的仪器是环形玻璃搅拌棒,应加入过量的氢氧化钠溶液以保证盐酸反应完全,故应选择0.55 mol·L-1的溶液进行实验。
(4)N2O4与偏二甲肼反应的产物为CO2、N2和气态水,1 mol C2H8N2(l)与N2O4完全燃烧放出的热量为×60 g=2 550.0 kJ。热化学方程式为C2H8N2(l)+2N2O4(l)2CO2(g)+4H2O(g)+3N2(g) ΔH=
-2 550.0 kJ·mol-1。
答案:(1)①放热
②N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92 kJ·mol-1
(2)-621.2 N2H4(l)+2H2O2(l)N2(g)+4H2O(l) ΔH=
-817.6 kJ·mol-1
(3)环形玻璃搅拌棒 0.55
(4)C2H8N2(l)+2N2O4(l)2CO2(g)+4H2O(g)+3N2(g) ΔH=
-2 550.0 kJ·mol-1
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