化學(xué)反應(yīng)中的能量變化

【專家解說】：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化(2007-04-17 17:22:07) 分類：化學(xué) 1．化學(xué)反應(yīng)中的能量變化 （1）化學(xué)反應(yīng)的2個基本特征 ①物質(zhì)變化：化學(xué)變化是以新物質(zhì)的生成為標(biāo)志，任何一個化學(xué)變化一定表現(xiàn)出原子重新組合而生成新物質(zhì)。 ②能量變化：生成的新物質(zhì)與反應(yīng)物的能量不同，而反應(yīng)體系又遵守能量守恒，故任何一個化學(xué)變化一定表現(xiàn)出能量的吸收和放出，通?；瘜W(xué)反應(yīng)的能量變化又主要是以熱能形式變化（除此之外還可能有電能、光能、聲能等）。 （2）放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量是現(xiàn)代能量的主要來源之一?；瘜W(xué)反應(yīng)一般以熱和功的形式與外界進行能量交換，而主要以熱的形式。 不同物質(zhì)內(nèi)部能量是不同的，而整個反應(yīng)過程中能量又是守恒的。反應(yīng)物和生成物的能量差異常以熱量的形式表現(xiàn)出放熱和吸熱，如果反應(yīng)物和生成物兩者能量相近，則吸、放熱不明顯。 當(dāng)反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，則放出熱量。 當(dāng)反應(yīng)物的總能量低于生成物的總能量，則吸收熱量。 按反應(yīng)過程中熱量的變化，通常把化學(xué)反應(yīng)分為放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)。 ①放熱反應(yīng)：有熱量放出的化學(xué)反應(yīng)。 原因：反應(yīng)物具有的總能量高于生成物具有的總能量。 常見放熱反應(yīng)： 燃燒與緩慢氧化，中和反應(yīng)。 金屬與酸反應(yīng)制取氫氣，生石灰和水反應(yīng)等。 ②吸熱反應(yīng)：有熱量吸收的化學(xué)反應(yīng)。 原因：反應(yīng)物具有的總能量低于生成物具有的總能量。 常見的吸熱反應(yīng)： C(s)+H2O(g) CO(g)+H2O C+CO2 2CO，Ba(OH)2·8H2O+NH4Cl的反應(yīng)。 以及：KClO3、KMnO4、CaCO3的分解等。 （3）注意問題： 化學(xué)反應(yīng)中的能量變化主要表現(xiàn)為放熱和吸熱，反應(yīng)是放熱還是吸熱主要取決于反應(yīng)物、生成物所具有的總能量相對大小。放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)在一定條件下都能發(fā)生。反應(yīng)開始時需加熱的反應(yīng)可能是吸熱反應(yīng)，也可能是放熱反應(yīng)。反應(yīng)的熱量變化與反應(yīng)發(fā)生是否需要加熱沒有必然聯(lián)系。 為什么許多反應(yīng)（如煤的燃燒、H2的燃燒等）在反應(yīng)時要加熱呢？這是因為，在常溫下能穩(wěn)定存在的物質(zhì)，其自身能量不是很高，加熱或光照可提高反應(yīng)物的能量，使反應(yīng)物分子運動速率增大，分子間相互碰撞發(fā)生反應(yīng)的機會增大，使反應(yīng)容易進行。當(dāng)反應(yīng)開始后，若反應(yīng)放出的能量夠繼續(xù)維持或超過開始反應(yīng)所需要能量，則停止加熱時反應(yīng)繼續(xù)進行，這就是放熱反應(yīng)；若反應(yīng)時放出的熱量不足以提供繼續(xù)反應(yīng)所需要的能量，則要持續(xù)不斷的加熱反應(yīng)才能進行，這就是吸熱反應(yīng)。 例1．下列說法正確的是（ ） A．需加熱方能發(fā)生的反應(yīng)一定是吸熱反應(yīng) B．放熱的反應(yīng)在常溫下一定很易發(fā)生 C．反應(yīng)是吸熱還是放熱必須看反應(yīng)物和生成物具有的總能量的相對大小 D．吸熱反應(yīng)在一定條件下也能發(fā)生 [解析] 明確基本概念是解決問題的關(guān)鍵?；瘜W(xué)反應(yīng)的能量變化主要表現(xiàn)為放熱或吸熱。反應(yīng)是放熱還是吸熱主要取決于反應(yīng)物和生成物所具有的總能量的相對大小。 放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)在一定條件下都能發(fā)生。反應(yīng)開始需要加熱的反應(yīng)，可能是吸熱反應(yīng)，也可能是放熱反應(yīng)，放熱的反應(yīng)在常溫下不一定容易發(fā)生，如煤的燃燒，只有先加熱才能使反應(yīng)進行。 答案：C、D 2．燃料的充分燃燒 （1）能源的劃分： 按能源提供的方式，能源可劃分為一級能源和二級能源。自然界以現(xiàn)成方式提供的能源稱為一級能源；需依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級能源。化石燃料，包括煤、石油、天然氣等，屬一級能源，同時也是一次性能源、非再生能源。而風(fēng)能、水能、柴草、木材等一級能源，同時也是可再生能源；但電能屬于二級能源。 （2）燃料充分燃燒的條件： ①燃燒時有足夠的空氣。（但空氣不可過多，否則將帶走部分熱量，造成浪費） ②燃料和空氣要充分接觸。（可以改變?nèi)剂戏稚⒊潭龋虿捎谩澳媪髟怼钡?。? （3）燃料不充分的危害： ①產(chǎn)生的熱量減少，造成資源浪費。 ②產(chǎn)生污染物，造成環(huán)境污染（如產(chǎn)生酸雨等）。 （4）煤的充分利用： ①新型煤粉燃燒器（燃燒效率≥95%） ②煤的氣化、液化。 ③轉(zhuǎn)化為水煤氣或干餾煤氣：(C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g))。 例2．煤在爐子里燒的很旺時，續(xù)了一塊煤就立即封上了，在有氧氣的條件下，有時會看到爐火熄滅了，試解釋原因？ [解析] 物質(zhì)燃燒需要具備兩個條件： （1）溫度達到可燃物的著火點。 （2）與氧氣接觸。本題中已有氧氣，因此應(yīng)從溫度方面考慮?？紤]C+O2 CO2放出熱量，而CO2+C 2CO吸收熱量。當(dāng)吸收熱量多于放出的熱量時，體系的溫度就會降低，當(dāng)溫度降到C的著火點以下時，爐火就熄滅了。 3．煤炭的綜合利用 煤是由無機物和有機物組成的復(fù)雜的混合物，在國民經(jīng)濟中占重要地位。煤炭直接燃燒，不僅產(chǎn)生大量煙塵、一氧化碳、含氮的氧化物等大氣污染物，而且煤中含有硫元素，燃燒時會生成二氧化硫，是產(chǎn)生酸雨的主要原因。同時因煤中含有大量的有機物，直接燃燒會造成資源的巨大浪費。因此，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，減少污染物的排放，提高煤炭利用率，節(jié)約能源，成為國際上的重要研究課題。 煤炭的綜合利用主要有以下途徑。 （1）煤的氣化，液化 原理： C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) 用途： 工業(yè)制備氫氣的一種重要方法。 CO和H2還可以合成液體燃料甲醇（重要的燃料和化工原料） CO+2H2 CH3OH（液體） （2）高溫干餾： 把煤隔絕空氣加強熱，使其分解生成焦炭，煤焦油和焦?fàn)t氣。焦炭用于冶金，如煉鐵、制電石等。 煤焦油進一步處理可得多種化工原料，用于制備染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等。焦?fàn)t氣可做氣體燃料。 （3）加生石灰脫硫： 對于煙煤，如直接燃燒常常加少許生石灰脫硫，以防止SO2污染大氣，反應(yīng)方程式是：CaO+SO2 CaSO3, 2CaSO3+O2 2CaSO4 例3．能源可劃分為一級能源和二級能源。自然界以現(xiàn)成方式提供的能源稱為一級能源；需依靠其他能源的能量間接制取的能源稱為二級能源。氫氣是一種高效而沒有污染的二級能源，它可以由自然界中大量存在的水來制取： 2H2O(1) 2H2(g)+O2(g) 該反應(yīng)要吸收大量的熱。 根據(jù)上述內(nèi)容回答下列問題： （1）下列敘述正確的是（ ） A．電能是二級能源 B．水力是二級能源 C．天然氣是一級能源 D．水煤氣是一級能源 （2）關(guān)于用水制取二級能源氫氣，以下研究方向不正確的是（ ） ①構(gòu)成水的氫和氧都是可以燃燒的物質(zhì)，因此可研究在水不分解的情況下，使氫氣成為二級能源； ②設(shè)法將太陽光聚焦，產(chǎn)生高溫，使水分解產(chǎn)生氫氣； ③尋找高效催化劑，使水分解產(chǎn)生氫氣，同時釋放能量； ④尋找特殊催化劑，用于開發(fā)廉價能源，以分解水制取氫氣。 A．① B．②③ C．②④ D．①③ [解析] 能源問題是當(dāng)今化學(xué)界研究的熱點問題，這方面的考查題目也成為熱點。 （1） 由題給信息可知：水力、天然氣是一級能源。電能是依靠煤燃燒的熱能或水風(fēng)能、核能等轉(zhuǎn)化而制得能源；水煤氣是CO和H2的混合氣，它是由焦炭和水蒸氣在高溫下反應(yīng)生成。故電能和水煤氣均是二級能源。 答案：AC （2） 水本身并不能燃燒，水分解后生成的H2才可以燃燒放出熱量，而水的分解是吸熱反應(yīng)，在發(fā)生吸熱反應(yīng)時，反應(yīng)物需要吸收能量才能轉(zhuǎn)化為生成物。 答案：D 說明： 化學(xué)變化中的能量變化，雖然內(nèi)容淺顯，但由于能源問題已成為社會熱點問題，因此，有關(guān)化學(xué)變化中的能量轉(zhuǎn)換方面試題是高考命題的焦點。又由于這部分知識與生活、生產(chǎn)、科研，與物理學(xué)中的“熱”，與生物學(xué)中的“能量傳遞”密切相關(guān)，有關(guān)能量的學(xué)科間綜合將成為理科綜合命題的結(jié)合點。 例4．航天飛機用鋁粉與高氯酸銨（NH4ClO4）的混合物為固體燃料，點燃時，鋁粉氧化放熱引發(fā)高氯酸銨反應(yīng)，其方程式可表示為：2NH4ClO4=N2↑+4H2O+Cl2↑+2O2↑+熱量，下列對此反應(yīng)敘述錯誤的是（ ） A．上述反應(yīng)屬于分解反應(yīng) B．上述反應(yīng)瞬間產(chǎn)生的大量高溫氣體推動航天飛機飛行 C．反應(yīng)從能量變化上說，主要是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎凸δ? D．在反應(yīng)中高氯酸銨只起氧化劑作用 [解析] 本題把化學(xué)反應(yīng)中的能量變化與化學(xué)反應(yīng)基本概念（分解反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)）以及物理學(xué)中的動能聯(lián)系起來，有一定的綜合性。 具體分析： 2NH4ClO4=N2↑+4H2O+Cl2↑+2O2↑+熱量這個反應(yīng)，它是分解反應(yīng)，同時產(chǎn)生的大量高溫氣體是推動航天飛機飛行的動力。從能量變化的角度分析，主要是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎蛣幽?。至于高氯酸銨在反應(yīng)中的作用，由于Cl元素的化合價由 → ，N元素的化合價從 → ，O元素的化合價從 → ，故NH4ClO4在反應(yīng)中既是氧化劑，又是還原劑。 答案：D 〔學(xué)科內(nèi)綜合〕 化學(xué)反應(yīng)一定伴有2個變化，①物質(zhì)的變化，②能量的變化。因此，化學(xué)變化中的能量變化，貫穿于整個高中化學(xué)教學(xué)的全過程。 例5．一定量的無水酒精（C2H5OH）完全燃燒時放出的熱量Q，它所生成的CO2用過量的飽和石灰水完全吸收可得100gCaCO3沉淀，則完全燃燒46g無水酒精時放出的熱量是（ ） A．0.5Q B．Q C．2Q D．5Q [解析] 此題的兩個化學(xué)反應(yīng)為： C2H5OH+3O2 2CO2+3H2O， CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O， 由反應(yīng)可知有以下關(guān)系式 C2H5OH→2CO2→2CaCO3， 如設(shè)生成100gCaCO3沉淀需酒精xg 則 C2H5OH ～ 2CaCO3 46 200 x 100 46∶200=x∶100 解得x=23g。 即：生成100gCaCO3沉淀需燃燒23g酒精，放出的熱量為Q，則燃燒46g無水酒精時，放出的熱量應(yīng)為2Q。