化学反应中的能量变化学习导航
1.化学反应中的能量变化
(1)化学反应的基本特征
①物质变化:
化学变化是以新物质的生成为标志,任何一个化学变化一定表现出原子重新组合而生成新物质。
②能量变化:
生成的新物质与反应物的能量不同,而反应体系又遵守能量守恒,故任何一个化学变化一定表现出能量的吸收和放出,通常化学反应的能量变化又主要是以热能形式变化(除此之外还可能有电能、光能、声能等)。
(2)放热反应、吸热反应
化学反应所释放的能量是现代能量的主要来源之一。化学反应一般以热和功的形式与外界进行能量交换,而主要以热的形式。
不同物质内部能量是不同的,而整个反应过程中能量又是守恒的。反应物和生成物的能量差异常以热量的形式表现出放热和吸热,如果反应物和生成物两者能量相近,则吸、放热不明显。
当反应物的总能量高于生成物的总能量,则放出热量。
当反应物的总能量低于生成物的总能量,则吸收热量。
按反应过程中热量的变化,通常把化学反应分为放热反应、吸热反应。
①放热反应:
有热量放出的化学反应。
原因:反应物具有的总能量高于生成物具有的总能量。
常见放热反应:燃烧,缓慢氧化,中和反应,金属与酸反应制取氢气,生石灰和水反应等。
②吸热反应:
吸收热量的化学反应。
原因:反应物具有的总能量低于生成物具有的总能量。
常见的吸热反应:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2O
C+CO22CO,Ba(OH)2·8H2O+NH4Cl的反应。
以及:KClO3、KMnO4、CaCO3的分解等。
放热反应、吸热反应示意图
(3)注意问题:
化学反应中的能量变化主要表现为放热和吸热,反应是放热还是吸热主要取决于反应物、生成物所具有的总能量相对大小。放热反应和吸热反应在一定条件下都能发生。反应开始时需加热的反应可能是吸热反应,也可能是放热反应。反应的热量变化与反应发生是否需要加热没有必然联系。
为什么许多反应(如煤的燃烧、H2的燃烧等)在反应时要加热呢?这是因为,在常温下能稳定存在的物质,其自身能量不是很高,加热或光照可提高反应物的能量,使反应物分子运动速率增大,分子间相互碰撞发生反应的机会增大,使反应容易进行。当反应开始后,若反应放出的能量够继续维持或超过开始反应所需要能量,则停止加热时反应继续进行,这就是放热反应;若反应时放出的热量不足以提供继续反应所需要的能量,则要持续不断的加热反应才能进行,这就是吸热反应。
例1.下列说法正确的是( )
A.需加热方能发生的反应一定是吸热反应
B.放热的反应在常温下一定很易发生
C.反应是吸热还是放热必须看反应物和生成物具有总能量的相对大小
D.吸热反应在一定条件下也能发生
[解析]
明确基本概念是解决问题的关键。化学反应的能量变化主要表现为放热或吸热。反应是放热还是吸热主要取决于反应物和生成物所具有总能量的相对大小。
放热反应和吸热反应在一定条件下都能发生。反应开始需要加热的反应,可能是吸热反应,也可能是放热反应,放热的反应在常温下不一定能发生,如煤的燃烧,只有先加热才能使反应进行。
答案:C、D。
2.燃料的充分燃烧
(1)能源的划分:
按能源提供的方式,能源可划分为一级能源和二级能源。自然界以现成方式提供的能源称为一级能源;需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。化石燃料,包括煤、石油、天然气等,属一级能源,同时也是一次性能源、非再生能源。而风能、水能、柴草、木材等一级能源,同时也是可再生能源;但电能属于二级能源。
(2)燃料充分燃烧的条件:
①燃烧时有足够的空气。(但空气不可过多,否则将带走部分热量,造成浪费)
②燃料和空气要充分接触。(可以改变燃料分散程度,或采用“逆流原理”等。)
(3)燃烧不充分的危害:
①产生的热量减少,造成能源浪费。
②产生污染物,造成环境污染(如产生酸雨等)。
(4)煤的充分利用
①新型煤粉燃烧器(燃烧效率≥95%)
②煤的气化、液化。
③转化为水煤气或干馏煤气:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)。
例2.煤在炉子里烧的很旺时,续了一块煤就立即封上了,在有氧气的条件下,有时会看到炉火熄灭了,试解释原因?
[解析]
物质燃烧需要具备两个条件:
(1)温度达到可燃物的着火点;
(2)与氧气接触。本题中已有氧气,因此应从温度方面考虑。考虑C+O2CO2放出热量,而CO2+C2CO吸收热量。当吸收热量多于放出的热量时,体系的温度就会降低,当温度降到煤炭的着火点以下时,炉火就熄灭了。
3.煤炭的综合利用
煤是由无机物和有机物组成的复杂的混合物,在国民经济中占重要地位。煤炭直接燃烧,不仅产生大量烟尘、一氧化碳、含氮的氧化物等大气污染物,而且煤中含有硫元素,燃烧时会生成二氧化硫,是产生酸雨的主要原因。同时因煤中含有大量的有机物,直接燃烧会造成资源的巨大浪费。因此,发展洁净煤技术,减少污染物的排放,提高煤炭利用率,节约能源,成为国际上的重要研究课题。
煤炭的综合利用主要有以下途径。
(1)煤的气化,液化
原理:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
用途:工业制备氢气的一种重要方法。
CO和H2还可以合成液体燃料甲醇(重要的燃料和化工原料)
CO+2H2CH3OH(液体)
(2)高温干馏:
把煤隔绝空气加强热,使其分解生成焦炭,煤焦油和焦炉气。焦炭用于冶金,如炼铁、制电石等。
煤焦油进一步处理可得多种化工原料,用于制备染料、农药、医药等。焦炉气可做气体燃料。
(3)加生石灰脱硫:
对于烟煤,如直接燃烧常常加少许生石灰脱硫,以防止SO2污染大气,反应方程式是:CaO+SO2CaSO3,2CaSO3+O22CaSO4
例3.能源可划分为一级能源和二级能源。自然界以现成方式提供的能源称为一级能源;需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效而没有污染的二级能源,它可以由自然界中大量存
在的水来制取:
2H2O(1)2H2(g)+O2(g)
该反应要吸收大量的热。根据上述内容回答下列问题:
(1)下列叙述正确的是( )
A.电能是二级能源
B.水力是二级能源
C.天然气是一级能源
D.水煤气是一级能源
(2)关于用水制取二级能源氢气,以下研究方向不正确的是( )
①构成水的氢和氧都是可以燃烧的物质,因此可研究在水不分解的情况下,使氢气成为二级能源;
②设法将太阳光聚焦,产生高温,使水分解产生氢气;
③寻找高效催化剂,使水分解产生氢气,同时释放能量;
④寻找特殊催化剂,用于开发廉价能源,以分解水制取氢气。
A.①
B.②③
C.②④
D.①③
[解析]
能源问题是当今化学界研究的热点问题,这方面的考查题目也成为热点。
(1)由题给信息可知:水力、天然气是一级能源。电能是依靠煤燃烧的热能或水力、风能、核能等转化而制得能源;水煤气是CO和H2的混合气,它是由焦炭和水蒸气在高温下反应生成。故电能和水煤气均是二级能源。
答案:AC
(2)水本身并不能燃烧,水分解后生成的H2才可以燃烧放出热量,而水的分解是吸热反应,在发生吸热反应时,反应物需要吸收能量才能转化为生成物。
答案:D
说明:
化学变化中的能量变化,虽然内容浅显,但由于能源问题已成为社会热点问题,因此,有关化学变化中的能量转换方面试题是高考命题的焦点。又由于这部分知识与生活、生产、科研,与物理学中的“热”,与生物学中的“能量传递”密切相关,有关能量的学科间综合将成为理科综合命题的结合点。
例4.航天飞机用铝粉与高氯酸铵(NH4ClO4)的混合物为固体燃料,点燃时,铝粉氧化放热引发高氯酸铵反应,其方程式可表示为:2NH4ClO4=N2↑+4H2O+Cl2↑+2O2↑,反应放出大量的热,下列对此反应叙述错误的是( )
A.上述反应属于分解反应
B.上述反应瞬间产生的大量高温气体推动航天飞机飞行
C.反应从能量变化上说,主要是化学能转变为热能和功能
D.在反应中高氯酸铵只起氧化剂作用
[解析]
本题把化学反应中的能量变化与化学反应基本概念(分解反应,氧化还原反应)以及物理学中的动能联系起来,有一定的综合性。
具体分析:2NH4ClO4=N2↑+4H2O+Cl2↑+2O2↑,该反应是分解反应,同时产生的大量高温气体是推动航天飞机飞行的动力。从能量变化的角度分析,主要是化学能转变为热能和动能。至于高氯酸铵在反应中的作用,由于 Cl元素的化合价由→,N元素的化合价从→,O元素的化合价从→,故NH4ClO4在反应中既是氧化剂,又是还原剂。
答案:D
[学科内综合]
化学反应一定伴有两个变化:①物质的变化,②能量的变化。因此,化学变化中的能量变化,贯穿于整个高中化学教学的全过程。
例5.一定量的无水酒精(C2H5OH)完全燃烧时放出的热量Q,它所生成的CO2用过量的饱和石灰水完全吸收可得100gCaCO3沉淀,则完全燃烧46g无水酒精时放出的热量是( )
A.0.5Q
B.Q
C.2Q
D.5Q
[解析]
此题的两个化学反应为:C2H5OH+3O2 2CO2+3H2O
CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O,由反应可知有以下关系式
C2H5OH→2CO2→2CaCO3↓,
如设生成100gCaCO3沉淀需酒精xg
则C2H5OH ~ 2CaCO3↓
46 200
x 100g
46∶200=x∶100g
解得x=23g。
即生成100gCaCO3沉淀需燃烧23g酒精,放出的热量为Q,则燃烧46g无水酒精时,放出的热量应为2Q。
答案:C
