化學反應(yīng)與能量變化熱點題型分類例析

■陜西省永壽縣中學 馬亞樓

能源問題是社會熱點問題,是近年來高考必考知識,其中與化學反應(yīng)的能量變化、反應(yīng)熱有關(guān)的判斷與計算是高考考查的重點,也是難點。現(xiàn)就高考試題中化學反應(yīng)與能量變化的熱點題型進行分類例析,以期對讀者有所幫助。

題型一:化學反應(yīng)中能量變化的圖像分析

例1反應(yīng)物(S)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物(P 或P·Z)的能量與反應(yīng)進程的關(guān)系如圖1所示。下列有關(guān)四種不同反應(yīng)進程的說法正確的是( )。

A.進程Ⅰ是吸熱反應(yīng)

B.平衡時P的產(chǎn)率:Ⅱ>Ⅰ

C.生成P的速率:Ⅲ>Ⅱ

D.進程Ⅳ中,Z沒有催化作用

解析:由圖中信息可知,進程Ⅰ中S的總能量大于產(chǎn)物P 的總能量,因此進程Ⅰ是放熱反應(yīng),故A 項錯誤。進程Ⅱ中使用了催化劑X,但是催化劑不能改變平衡產(chǎn)率,因此平衡時進程Ⅰ和進程Ⅱ中P 的產(chǎn)率相同,故B項錯誤。進程Ⅲ中由S·Y 轉(zhuǎn)化為P·Y 的活化能高于進程Ⅱ中由S·X 轉(zhuǎn)化為P·X的活化能,由于這兩步反應(yīng)分別是兩個進程的決速步驟,因此生成P的速率為Ⅲ<Ⅱ,故C項錯誤。由圖中信息可知,進程Ⅳ中S 吸附到Z表面生成S·Z,然后S·Z 轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物P·Z,由于P·Z沒有轉(zhuǎn)化為P+Z,因此,Z沒有表現(xiàn)出催化作用,故D 項正確。

答案:D

例2自由基是化學鍵斷裂時產(chǎn)生的含未成對電子的中間體,活潑自由基與氧氣的反應(yīng)一直是科研人員的關(guān)注點。HNO 自由基與O2反應(yīng)過程的能量變化如圖2所示,下列說法正確的是( )。

圖2

A.反應(yīng)物的鍵能總和大于生成物的鍵能總和

B.產(chǎn)物P1與P2的分子式、氧元素的化合價均相同

C.該歷程中最大正反應(yīng)的活化能E正=186.19 kJ

D.相同條件下,Z 轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速率:v(P1)>v(P2)

解析:由圖可知,反應(yīng)物總能量大于生成物總能量,該反應(yīng)為放熱反應(yīng),則參與反應(yīng)的反應(yīng)物總鍵能小于生成物的總鍵能,故A 項錯誤。產(chǎn)物P1與P2的分子式均為HNO3,但產(chǎn)物P1結(jié)構(gòu)中存在“—O—O—”,則產(chǎn)物P1中部分氧元素的化合價為-1 價,而產(chǎn)物P2氧元素的化合價為-2 價,兩者氧元素的化合價不同,故B 項錯誤。最大的正反應(yīng)的活化能出現(xiàn)在由中間產(chǎn)物Z 到過渡態(tài)Ⅳ時,即最大正反應(yīng)的活化能E正=-18.92 kJ·mol-1-(-205.11 kJ·mol-1)=186.19 kJ·mol-1,故C 項錯誤。相同條件下,反應(yīng)所需的活化能越小,則反應(yīng)的速率越快,由于到產(chǎn)物P1所需活化能更小,故反應(yīng)速率更快,故v(P1)>v(P2),故D 項正確。

答案:D

題型二:熱化學方程式的書寫與正誤判斷

例3298 K 時,1gH2燃燒生成H2O(g)放熱121 kJ,1 mol H2O(l)蒸發(fā)吸熱44 kJ,表示 H2燃燒熱的熱化學方程式為_____。

解析:由298 K 時,1gH2燃燒生成H2O(g)放熱121 kJ,可知1 mol H2燃燒生成H2O(g)放熱242 kJ。1 mol H2O(l)蒸發(fā)吸熱44 kJ,則1 mol H2O(g)→H2O(l)放熱44 kJ,故1 mol H2燃燒生成1 mol H2O(l)放熱242 kJ+44 kJ=286 kJ,表示H2燃燒熱的熱化學方程式為H2O(l) ΔH=-286 kJ·mol-1。

答案:ΔH=-286 kJ·mol-1

例4標準狀況下,氣態(tài)分子斷開1 mol化學鍵的焓變稱為鍵焓。已知H—H、H—O 和 O═ O 鍵的鍵焓 ΔH分別為436 kJ·mol-1、463 kJ·mol-1、495 kJ·mol-1,下列熱化學方程式正確的是( )。

B.H2O(g)══H2(g)+ΔH=+485 KJ·mol-1

C.2H2(g)+O2(g)══2H2O(g) ΔH=+485 kJ·mol-1

D.2H2(g)+O2(g)══2H2O(g) ΔH=-485 kJ·mol-1

解析:由于水分解是吸熱反應(yīng),應(yīng)該ΔH>0,故A 項錯誤。H2O(g)══H2(g)+的ΔH=2×463 kJ· mol-1-242.5 kJ·mol-1,故B 項錯誤。氫氣燃燒放熱,應(yīng)該ΔH<0,故C 項錯誤。2 mol H2和1 mol O2完全反應(yīng)生成2 mol H2O(g)產(chǎn)生的焓變是436 kJ·mol-1×2+495 kJ·mol-1×1-463 kJ·mol-1×4=-485 kJ·mol-1,所以該過程的熱化學方程式為2H2(g)+O2(g)══2H2O(g) ΔH=-485 kJ·mol-1,D 項正確。

答案:D

評注:此類試題考查了熱化學方程式的書寫、反應(yīng)熱的計算,題目難度中等,注意掌握熱化學方程式的書寫原則,明確化學鍵與化學反應(yīng)中能量變化的關(guān)系是解題關(guān)鍵。

題型三:利用蓋斯定律進行計算

例5已知下列反應(yīng)的熱化學方程式:

①2H2S(g)+3O2(g)══2SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=+103 kJ·mol-1

②4H2S(g)+2SO2(g)══3S2(g)+4H2O(g) ΔH2=+94 kJ·mol-1

③2H2(g)+O2(g)══2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1

計算H2S 熱分解反應(yīng)④2H2S(g)══S2(g)+2H2(g)的ΔH4=_____kJ·mol-1。

解析:根據(jù)蓋斯定律,(①+②)×即得到2H2S(g)══S2(g)+2H2(g)的ΔH4=(-1 036+94)kJ· mol-1×484 kJ·mol-1=+170 kJ·mol-1。

答案:+170

例6“世上無難事,九天可攬月”,我國的航空航天事業(yè)取得了舉世矚目的成就。碳酰肼類化合物[Mn(L)3](ClO4)2是一種優(yōu)良的含能材料,可作為火箭推進劑的組分,其相關(guān)反應(yīng)的能量變化如下所示,已知ΔH2=-299 kJ·mol-1,則ΔH1(單位:kJ·mol)為( )。

A.-1 703 B.-1 389

C.-1 334D.-1 160

解析:由蓋斯定律可知,ΔH1=2ΔH2+ΔH3-ΔH4=2× (-299 kJ·mol-1)+(-1 018 kJ·mol-1)-(+87 kJ·mol-1)=-1 703 kJ·mol-1。

答案:A

題型四:利用鍵能計算反應(yīng)熱

例7已知共價鍵的鍵能與熱化學方程式信息如表1所示。

表1

則2O(g)══O2(g)的ΔH為( )。

A.+428 kJ·mol-1B.-428 kJ·mol-1

C.+498 kJ·mol-1D.-498 kJ·mol-1

解析:根據(jù)ΔH=反應(yīng)物的鍵能總和-生成物的鍵能總和計算。反應(yīng)2H2(g)+O2(g)══2H2O(g)的ΔH=2(H—H)+(O—O)-4(H—O),即-482 kJ·mol-1=2×436 kJ· mol-1+ (O—O)- 4 ×463 kJ·mol-1,解得 O—O 鍵的鍵能為498 kJ·mol-1,2個氧原子結(jié)合生成氧氣的過程需要釋放能量,因此2O(g)══O2(g)的ΔH=-498 kJ·mol-1。

答案:D

例8白磷與氧氣可發(fā)生反應(yīng)P4+5O2══P4O10。已知斷裂下列化學鍵需要吸收的能量分別為 P—PakJ· mol-1、P—ObkJ·mol-1、P═ OckJ· mol-1、O═ OdkJ·mol-1。根據(jù)圖3所示的分子結(jié)構(gòu)和有關(guān)數(shù)據(jù)估算該反應(yīng)的ΔH,其中正確的是( )。

圖3

A.(6a+5d-4c-12b)kJ·mol-1

B.(4c+12b-6a-5d)kJ·mol-1

C.(4c+12b-4a-5d)kJ·mol-1

D.(4a+5d-4c-12b)kJ·mol-1

解析:由題給結(jié)構(gòu)圖可知P4中有6 個P—P 鍵,P4O10中有12 個P—O 鍵和4 個P═ O 鍵,反應(yīng)熱=反應(yīng)物的鍵能-生成物的鍵能,所以ΔH=(6a+5d)-(12b+4c)=(6a+5d-12b-4c)kJ·mol-1。

答案:A

題型五:根據(jù)反應(yīng)熱計算鍵能

例9已知反應(yīng)2HI(g)══H2(g)+I2(g)的ΔH= +11 kJ· mol-1,1 mol H2(g)、1 mol I2(g)分子中化學鍵斷裂時分別需要吸收436 kJ、151 kJ的能量,則1 mol HI(g)分子中化學鍵斷裂時需吸收的能量為____kJ。

解析:該題主要考查根據(jù)反應(yīng)熱計算鍵能的問題,難度不大,解答時根據(jù)反應(yīng)熱與鍵能的關(guān)系進行計算即可。設(shè)1 mol HI(g)分子中化學鍵斷裂吸收的能量為xkJ,由反應(yīng)熱與鍵能的關(guān)系可知,2x=436+151+11,解得x=299,故1 mol HI(g)分子中化學鍵斷裂時需吸收的能量為299 kJ。

答案:299

題型六:已知一定量的物質(zhì)參加反應(yīng)計算放出的熱量

例10已知丙烷的燃燒熱ΔH=-2 215 kJ·mol-1,若一定量的丙烷完全燃燒后生成1.8 g 水,則放出的熱量約為( )。

A.55 kJ B.220 kJ

C.550 kJD.1 108 kJ

解析:由丙烷分子式是C3H8,燃燒熱為ΔH=-2 215 kJ·mol-1,可知1 mol丙烷完全燃燒會產(chǎn)生4 mol水,放熱2 215 kJ。丙烷完全燃燒產(chǎn)生1.8 g 水,物質(zhì)的量為0.1 mol,消耗丙烷的物質(zhì)的量為0.025 mol,所以反應(yīng)放出的熱量是Q=0.025 mol×2 215 kJ·mol-1=55.375 kJ,因此大約數(shù)值與選項A 接近。

答案:A

題型七:反應(yīng)熱大小的比較

例11相同溫度和壓強下,關(guān)于反應(yīng)的ΔH,下列判斷正確的是( )

A.ΔH1>0,ΔH2>0

B.ΔH3=ΔH1+ΔH2

C.ΔH1>ΔH2,ΔH3>ΔH2

D.ΔH2=ΔH3+ΔH4

解析:一般的烯烴與氫氣發(fā)生的加成反應(yīng)為放熱反應(yīng),但是,由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的特殊性決定了苯環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,苯與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成1,3-環(huán)己二烯時,破壞了苯環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,因此該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。即環(huán)己烯、1,3-環(huán)己二烯分別與氫氣發(fā)生的加成反應(yīng)均為放熱反應(yīng),因此,ΔH1<0,ΔH2<0,故A 項不正確。苯分子中沒有碳碳雙鍵,其中的碳碳鍵是介于單鍵和雙鍵之間的特殊的共價鍵,因此,其與氫氣完全加成的反應(yīng)熱不等于環(huán)己烯、1,3-環(huán)己二烯分別與氫氣發(fā)生的加成反應(yīng)的反應(yīng)熱之和,即ΔH3≠ΔH1+ΔH2,故B項不正確。環(huán)己烯、1,3-環(huán)己二烯分別與氫氣發(fā)生的加成反應(yīng)均為放熱反應(yīng),ΔH1<0,ΔH2<0,由于1 mol 1,3-環(huán)己二烯與氫氣完全加成后消耗的氫氣是等量環(huán)己烯的2 倍,故其放出的熱量更多,其ΔH1>ΔH2;苯與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成1,3-環(huán)己二烯的反應(yīng)為吸熱反應(yīng)(ΔH4>0),根據(jù)蓋斯定律可知,苯與氫氣完全加成的反應(yīng)熱ΔH3=ΔH4+ΔH2,因此ΔH3>ΔH2,故C項正確。根據(jù)蓋斯定律可知,苯與氫氣完全加成的反應(yīng)熱ΔH3=ΔH4+ΔH2,因此ΔH2=ΔH3-ΔH4,故D 項不正確。

答案:C

題型八:燃燒熱、中和熱的判斷、求算及測量

例12已知熱化學方程式:

則氫氣的燃燒熱為( )。

A.241.8 kJ·mol-1

B.483.6 kJ·mol-1

C.285.8 kJ·mol-1

D.571.6 kJ·mol-1

解析:燃燒熱指1 mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定的化合物時所放出的熱量,根據(jù)熱化學方程式的含義,H2的標準燃燒熱的熱化學方程式為ΔH=-285.8 kJ·mol-1。

答案:C

題型九:根據(jù)已知的熱化學方程式,進行有關(guān)的計算(求放出的熱量、參加反應(yīng)的物質(zhì)的量等)

例13已知:2H2+O2(g)══2H2O(l)ΔH=-571.6 kJ·mol-1

CH4(g)+2O2(g)══CO2+2H2O(l)ΔH=-890 kJ·mol-1

現(xiàn)有H2與CH4的混合氣體112 L(標準狀況),使其完全燃燒生成CO2和H2O(l),若實驗測得反應(yīng)放熱3 695 kJ。則原混合氣體中H2與CH4的物質(zhì)的量之比是( )。

A.1∶1 B.1∶3

C.1∶4 D.2∶3

解析:設(shè)原混合氣體中H2的物質(zhì)的量為xmol,CH4的物質(zhì)的量為ymol,單位物質(zhì)的量的 H2和 CH4放 出 熱 量 分 別 為285.8 kJ·mol-1、890 kJ·mol-1。依題意有:

解得x=1.25,y= 3.75,故

答案:B

題型十:綜合性判斷

例14通過以下反應(yīng)可獲得新型能源二甲醚(CH3OCH3)。下列說法不正確的是( )。

①C(s)+H2O(g)══CO(g)+H2(g)ΔH1=akJ·mol-1

②CO(g)+H2O(g)══CO2(g)+H2(g)ΔH2=bkJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)══CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=ckJ·mol-1

④2CH3OH(g)══CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4=dkJ·mol-1

A.反應(yīng)①②為反應(yīng)③提供原料氣

B.反應(yīng)③也是CO2資源化利用的方法之一

D.反應(yīng) 2CO (g)+ 4H2(g)══CH3OCH3(g)+H2O(g)的ΔH=(2b+2c+d) kJ·mol-1

解析:本題是有關(guān)反應(yīng)熱的綜合性判斷。由反應(yīng)①中的產(chǎn)物CO 和反應(yīng)②中的H2可知A項正確。反應(yīng)③中將CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH,因此B項正確。根據(jù)蓋斯定律,結(jié)合題給熱化學方程式,可知2×②+2×③+④即可得2CO(g)+4H2(g)══CH3OCH3(g)+H2O(g),故D 項正確。C 項貌似正確,實則產(chǎn)物中的H2O 為液態(tài)形式,而反應(yīng)④生成物中的H2O為氣態(tài),因而最終的

答案:C

鞏固與練習:

1.工業(yè)上常用磷精礦[Ca5PO4)3F]和硫酸反應(yīng)制備磷酸。已知25 ℃,101 kPa時:

CaO(s)+H2SO4(l)══CaSO4(s)+H2O(l) ΔH=-271 kJ·mol-1

5CaO(s)+3H3PO4(l)+HF(g)══Ca5(PO4)3F(s)+ 5H2O (l) ΔH=-937 kJ·mol-1

則Ca5(PO4)3F 和硫酸反應(yīng)生成磷酸的熱化學方程式是____。

2.已知下列反應(yīng):

3.通過以下反應(yīng)均可獲取H2。下列有關(guān)說法正確的是( )。

①太陽光催化分解水制氫:2H2O(l)══2H2(g)+O2(g) ΔH1=+571.6 kJ·mol-1

②焦炭與水反應(yīng)制氫:C(s)+H2O(g)══CO(g)+H2(g) ΔH2=+131.3 kJ·mol-1

③甲烷與水反應(yīng)制氫:CH4(g)+H2O(g)══CO(g)+3H2(g) ΔH3=+206.1 kJ·mol-1

A.反應(yīng)①中電能轉(zhuǎn)化為化學能

B.反應(yīng)②為放熱反應(yīng)

C.反應(yīng)③使用催化劑,ΔH3減小

D.反應(yīng)CH4(g)══C(s)+2H2(g)的ΔH=+74.8 kJ·mol-1

答案:1.Ca5(PO4)3F(s)+5H2SO4(l)══5CaSO4(s)+3H3PO4(l)+HF(g)ΔH=-418 kJ·mol-1

2.ΔH1+ΔH2-ΔH3

3.D