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“反应热的大小比较”是化学反应与能量相关知识和技能的综合运用,涉及反应热、燃烧热、盖斯定律等概念和物质的量在化学方程式中的计算等。现介绍三种常见方法:
1. 直接比较法
依据规律、经验和常识直接判断不同反应的ΔH的大小的方法可称为直接比较法。
例1 根据热化学方程式S(l)+O2(g)=SO2(g)ΔH =-293.23 kJ•mol-1。下列说法正确的是( )
A.S(s)+O2(g)=SO2(g),反应放出的热量大于293.23 kJ•mol-1
B.S(g)+O2(g)=SO2(g),反应放出的热量小于293.23 kJ•mol-1
C.1 mol SO2的键能的总和大于1 mol 硫和1 mol 氧气的键能之和
D.1 mol SO2的键能的总和小于1 mol 硫和1 mol 氧气的键能之和
解析 物质由固态变为液态要吸热,由气态变为液态要放热,故A、B项都不正确。因为反应是放热反应,故生成物分子成键时放出的总能量大于反应物分子断键时吸收的总能量,故C项正确,D项错误。
答案 C
点拨 记住一些简要的规律对直接比较法很有帮助,诸如吸热反应的ΔH肯定比放热反应的大(前者大于0,后者小于0);生成等量的水时,强酸和强碱的稀溶液反应比弱酸和强碱或弱碱和强酸或弱酸和弱碱的稀溶液反应放出的热量多;对于可逆反应,因反应不能进行完全,实际反应过程中放出或吸收的热量要小于相应热化学方程式中的反应热的数值等。
2. 盖斯定律比较法
盖斯定律强调“化学反应不管是一步完成还是分几步完成,其反应热是相同的”。简而言之,热化学方程式可以相加减,ΔH也同样相加减。
例2 物质A在一定条件下可发生一系列转化,由图判断下列关系错误的是( )
[A][B][C][D][E][F]
A.A→F,ΔH=-ΔH6
B.ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=1
C.C→F,|ΔH|=|ΔH1+ΔH2+ΔH6|
D.|ΔH1+ΔH2+ΔH3|=|ΔH4+ΔH5+ΔH6|
解析 要注意箭头的方向问题。在A项中,是由A→F,从图中可以看出F→A的ΔH为ΔH6,所以A→F的ΔH=-ΔH6;在B项中,ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=0,所以B项是错误的;在C项中,是由C→F,其ΔH=ΔH3+ΔH4+ΔH5,与ΔH1+ΔH2+ΔH6的值互为相反数,其绝对值是相等的,所以C项是正确的。在D项中其表达的意义和C项是一样的。
答案 B
点拨 在比较中,要把 “山的高度与上山的途径无关”这一形象的比喻迁移到盖斯定律的理解上来。要弄清盖斯定律只与反应体系的始态和终态有关,与反应的途径无关。
3. 图示比较法
画出化学变化过程中的能量变化图后,依据反应物的总能量与生成物的总能量的高低关系可以很方便地比较ΔH的大小。
例3 已知:CH3OH(l)的燃烧热 ΔH1=-726.64 kJ•mol-1,HCHO(g)的燃烧热 ΔH2=-563.58kJ•mol-1。求反应 CH3OH(l)+[12]O2(g)→HCHO(g)+H2O(l)的反应热ΔH。
解析 CH3OH(l)和HCHO(g)完全燃烧的产物是CO2和H2O。CO2(g)是稳定化合物,而H2O(l)才是稳定化合物。据燃烧热概念,有:
CH3OH(l)+[32]O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)
ΔH1=-726.64 kJ•mol-1
CO2(g)+H2O(l)→HCHO(g)+O2(g)
ΔH2=+563.58 kJ•mol-1
采用图解法较为简单,将反应分解为如下几步:
[CH3OH(1)+[12]O2(g)][CO2(g)+2H2O(l)][HCHO(g)+O2(g)+H2O(l)][HCHO(g)+H2O(l)][ΔH2][ΔH1][ΔH3][ΔH][①][②][③][④][-O2(g)][+O2(g)]
图中①②③④为反应过程。要实现CH3OH(l)+[12]O2(g)→HCHO(g)+H2O(l)的反应,可以有两种途径:
途径Ⅰ:直接由过程④实现。发生的反应是CH3OH(l)+[12]O2(g)→HCHO(g)+H2O(l)反应热为ΔH。
途径Ⅱ:由过程①②③实现。要明白过程③中没有发生反应,只是从体系中放出O2(g),正好与过程①中吸收的O2(g)抵消,所以,ΔH3=0。据盖斯定律,得:ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3=-726.64 kJ•mol-1+563.58 kJ•mol-1=
-163.06 kJ•mol-1。
答案 D
点拨 比较反应热的大小,用图解法最为直观。只要把握住“化学反应的反应热只与反应的始态(各反应物)和终态(各生成物)有关,而与具体反应进行的途径无关”这一实质,找出反应的途径,或是将有关热化学方程式进行变形叠加,一切问题便迎刃而解。
[【练习】]
1.有两个反应,反应a是放热反应,反应b是吸热反应。
a. C2H2(g)+H2(g)⇌C2H4(g)
b. 2CH4(g)⇌C2H4(g)+2H2(g)
根据上述变化,判断以下几个热化学方程式中Q1、Q2、Q3关系:
C(s)+2H2(g)⇌CH4(g) ΔH=-Q1……Ⅰ
2C(s)+H2(g)⇌C2H2(g) ΔH=-Q2……Ⅱ
2C(s)+2H2(g)⇌C2H4(g) ΔH=-Q3 ……Ⅲ
(1)Q2 Q3(填“>、<、=”,下同);
(2)2Q1 Q3。
2. 根据以下3个热化学方程式:
2H2S(g)+3O2(g)=2SO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-Q1 kJ•mol-1
2H2S(g)+O2(g)=2S(s)+2H2O(g) ΔH3=-Q3 kJ•mol-1
判断Q1、Q2、Q3三者关系正确的是( )
A.Q1>Q2>Q3 B.Q1>Q3>Q2
C.Q3>Q2>Q1 D.Q2>Q1>Q3
3. 已知胆矾溶于水时溶液温度降低。胆矾分解的热化学方程式为:
CuSO4•5H2O(s)[△]CuSO4(s)+5H2O(l);ΔH>0
室温下,若将16 g无水硫酸铜和25 g胆矾溶于水分别配制成80 g溶液时,用温度计测量溶液的温度分别为T1、T2,则T1与T2的关系为( )
A.T1>T2 B.T1=T2
C.T1 4.已知,在298K、100kPa时:
2H2O(g)=O2(g)+2H2(g) ΔH1
Cl2(g)+H2(g)=2HCl(g) ΔH2
2Cl2(g)+2H2O(g)=4HCl(g)+O2(g) ΔH3
则ΔH3与ΔH1和ΔH2间的关系正确的是( )
A. ΔH3=ΔH1+2ΔH2 B. ΔH3=ΔH1+ΔH2
C. ΔH3=ΔH1-2ΔH2 D. ΔH3=ΔH1-ΔH2
5.已知:
(1)H2(g)+[12]O2(g)=H2O(g) ΔH1=a kJ•mol-1
(2)2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH2=b kJ•mol-1
(3)H2(g)+[12]O2(g)=H2O(l) ΔH3=c kJ•mol-1
(4)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH4=d kJ•mol-1
下列关系式正确的是( )
A.a<c<0 B.b>d>0
C.2a=b<0 D.2c=d>0
6.(1)根据图示情况,判断下列说法正确的是( )
[反应过程] [能量][生成物的总能量][反应物的总能量][反应物CO2(g)+H2(g)][CO(g)+H2(g)生成物][ΔH=+41 kJ•mol-1]
A.其热化学方程式为:CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH=+41 kJ•mol-1
B.该反应为吸热反应
C.该反应为放热反应
D.当H2O为液态时,其反应热值小于41 kJ•mol-1
(2)已知16 g固体硫完全燃烧时放出148.4 kJ的热量,该反应的热化学方程式是 。
(3)下图是某温度下,N2与H2反应过程中能量变化的曲线图。该反应的热化学方程式为: 。a、b两条曲线产生区别的原因很可能是 。
[反应过程] [能量/kJ•mol-1] [a][b][508][600][N2(g)+3H2][2NH3(g)][O]
[【参考答案】]
1. (1)Q2Q3。解析 从有机物的含C和H的数目来理解:2C→C2H2→C2H4→2CH4。根据这种守恒关系,得出以下能量关系:
[2Q1][Q2][Q3][2C(s)+8H2(g)
C2H2(g)+4H2(g)
C2H4(g)+2H2(g)
2CH4(g)][E]
也可以看出反应a是放热反应,反应b是吸热反应。不难得出:Q2Q3。
2. A 解析 后两个反应理解为生成产物的状态不同,而第一个反应可理解为在第二个反应的基础上,S进一步与O2反应,该反应放热。故可以作图如下:
[ΔH1][ΔH2][ΔH3][2H2S(g)+3O2(g)
2S(s)+2H2O(g)+2O2(g)
2S(s)+2H2O(l)+2O2(g)
2SO2(g)+2H2O(l)][ΔH]
3. A 解析 胆矾溶于水时溶液温度降低。胆矾分解吸热,反过来无水硫酸铜转化为胆矾是放热;按化学反应方程式计算,16 g无水硫酸铜可生成25 g CuSO4•5H2O,配成80 g溶液时,无水硫酸铜吸热少,温度下降的少。分析如图所示,即有T1>T2。
[E][CuSO4][溶液][吸热][吸热][吸热][粉末][晶体]
4. A 解析 第三个方程式可由第二个方程式乘以2与第一个方程式相加,有盖斯定律可知ΔH3=ΔH1+2ΔH2
5. C 解析 对于A项,据盖斯定律,气态水转变为液态水要放热,有ΔH=-a+c<0,c<a<0,A项错误;对于B项,可设计如下反应过程:
同理,ΔH=-b+d<0,d<b<0,B项错误;(1)、(2)式反应物、生成物的状态均相同,(1)×2=(2),即2ΔH1=△H2,2a=b,又H2的燃烧反应为放热反应,故2a=b<0,C项符合题意。同理,(3)×2=(4),有2c=d<0,D项错误。
6. (1)B (2)S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH=-296.8 kJ•mol-1
(3)N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH=-92 kJ•mol-1;a没有使用催化剂,b使用了催化剂。
解析 (1)根据所给图示可知,A选项将反应的反应物与生成物弄反了,故错误;生成物的能量比反应物的能量高,故该反应为吸热反应,B选项正确,C选项错误;D选项未限定H2O的物质的量,故错误。答案为B。(3)b反应中使用催化剂,可以降低反应的活化能,但反应的热效应不会改变。
1. 直接比较法
依据规律、经验和常识直接判断不同反应的ΔH的大小的方法可称为直接比较法。
例1 根据热化学方程式S(l)+O2(g)=SO2(g)ΔH =-293.23 kJ•mol-1。下列说法正确的是( )
A.S(s)+O2(g)=SO2(g),反应放出的热量大于293.23 kJ•mol-1
B.S(g)+O2(g)=SO2(g),反应放出的热量小于293.23 kJ•mol-1
C.1 mol SO2的键能的总和大于1 mol 硫和1 mol 氧气的键能之和
D.1 mol SO2的键能的总和小于1 mol 硫和1 mol 氧气的键能之和
解析 物质由固态变为液态要吸热,由气态变为液态要放热,故A、B项都不正确。因为反应是放热反应,故生成物分子成键时放出的总能量大于反应物分子断键时吸收的总能量,故C项正确,D项错误。
答案 C
点拨 记住一些简要的规律对直接比较法很有帮助,诸如吸热反应的ΔH肯定比放热反应的大(前者大于0,后者小于0);生成等量的水时,强酸和强碱的稀溶液反应比弱酸和强碱或弱碱和强酸或弱酸和弱碱的稀溶液反应放出的热量多;对于可逆反应,因反应不能进行完全,实际反应过程中放出或吸收的热量要小于相应热化学方程式中的反应热的数值等。
2. 盖斯定律比较法
盖斯定律强调“化学反应不管是一步完成还是分几步完成,其反应热是相同的”。简而言之,热化学方程式可以相加减,ΔH也同样相加减。
例2 物质A在一定条件下可发生一系列转化,由图判断下列关系错误的是( )
[A][B][C][D][E][F]
A.A→F,ΔH=-ΔH6
B.ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=1
C.C→F,|ΔH|=|ΔH1+ΔH2+ΔH6|
D.|ΔH1+ΔH2+ΔH3|=|ΔH4+ΔH5+ΔH6|
解析 要注意箭头的方向问题。在A项中,是由A→F,从图中可以看出F→A的ΔH为ΔH6,所以A→F的ΔH=-ΔH6;在B项中,ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=0,所以B项是错误的;在C项中,是由C→F,其ΔH=ΔH3+ΔH4+ΔH5,与ΔH1+ΔH2+ΔH6的值互为相反数,其绝对值是相等的,所以C项是正确的。在D项中其表达的意义和C项是一样的。
答案 B
点拨 在比较中,要把 “山的高度与上山的途径无关”这一形象的比喻迁移到盖斯定律的理解上来。要弄清盖斯定律只与反应体系的始态和终态有关,与反应的途径无关。
3. 图示比较法
画出化学变化过程中的能量变化图后,依据反应物的总能量与生成物的总能量的高低关系可以很方便地比较ΔH的大小。
例3 已知:CH3OH(l)的燃烧热 ΔH1=-726.64 kJ•mol-1,HCHO(g)的燃烧热 ΔH2=-563.58kJ•mol-1。求反应 CH3OH(l)+[12]O2(g)→HCHO(g)+H2O(l)的反应热ΔH。
解析 CH3OH(l)和HCHO(g)完全燃烧的产物是CO2和H2O。CO2(g)是稳定化合物,而H2O(l)才是稳定化合物。据燃烧热概念,有:
CH3OH(l)+[32]O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)
ΔH1=-726.64 kJ•mol-1
CO2(g)+H2O(l)→HCHO(g)+O2(g)
ΔH2=+563.58 kJ•mol-1
采用图解法较为简单,将反应分解为如下几步:
[CH3OH(1)+[12]O2(g)][CO2(g)+2H2O(l)][HCHO(g)+O2(g)+H2O(l)][HCHO(g)+H2O(l)][ΔH2][ΔH1][ΔH3][ΔH][①][②][③][④][-O2(g)][+O2(g)]
图中①②③④为反应过程。要实现CH3OH(l)+[12]O2(g)→HCHO(g)+H2O(l)的反应,可以有两种途径:
途径Ⅰ:直接由过程④实现。发生的反应是CH3OH(l)+[12]O2(g)→HCHO(g)+H2O(l)反应热为ΔH。
途径Ⅱ:由过程①②③实现。要明白过程③中没有发生反应,只是从体系中放出O2(g),正好与过程①中吸收的O2(g)抵消,所以,ΔH3=0。据盖斯定律,得:ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3=-726.64 kJ•mol-1+563.58 kJ•mol-1=
-163.06 kJ•mol-1。
答案 D
点拨 比较反应热的大小,用图解法最为直观。只要把握住“化学反应的反应热只与反应的始态(各反应物)和终态(各生成物)有关,而与具体反应进行的途径无关”这一实质,找出反应的途径,或是将有关热化学方程式进行变形叠加,一切问题便迎刃而解。
1.有两个反应,反应a是放热反应,反应b是吸热反应。
a. C2H2(g)+H2(g)⇌C2H4(g)
b. 2CH4(g)⇌C2H4(g)+2H2(g)
根据上述变化,判断以下几个热化学方程式中Q1、Q2、Q3关系:
C(s)+2H2(g)⇌CH4(g) ΔH=-Q1……Ⅰ
2C(s)+H2(g)⇌C2H2(g) ΔH=-Q2……Ⅱ
2C(s)+2H2(g)⇌C2H4(g) ΔH=-Q3 ……Ⅲ
(1)Q2 Q3(填“>、<、=”,下同);
(2)2Q1 Q3。
2. 根据以下3个热化学方程式:
2H2S(g)+3O2(g)=2SO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-Q1 kJ•mol-1
2H2S(g)+O2(g)=2S(s)+2H2O(g) ΔH3=-Q3 kJ•mol-1
判断Q1、Q2、Q3三者关系正确的是( )
A.Q1>Q2>Q3 B.Q1>Q3>Q2
C.Q3>Q2>Q1 D.Q2>Q1>Q3
3. 已知胆矾溶于水时溶液温度降低。胆矾分解的热化学方程式为:
CuSO4•5H2O(s)[△]CuSO4(s)+5H2O(l);ΔH>0
室温下,若将16 g无水硫酸铜和25 g胆矾溶于水分别配制成80 g溶液时,用温度计测量溶液的温度分别为T1、T2,则T1与T2的关系为( )
A.T1>T2 B.T1=T2
C.T1
2H2O(g)=O2(g)+2H2(g) ΔH1
Cl2(g)+H2(g)=2HCl(g) ΔH2
2Cl2(g)+2H2O(g)=4HCl(g)+O2(g) ΔH3
则ΔH3与ΔH1和ΔH2间的关系正确的是( )
A. ΔH3=ΔH1+2ΔH2 B. ΔH3=ΔH1+ΔH2
C. ΔH3=ΔH1-2ΔH2 D. ΔH3=ΔH1-ΔH2
5.已知:
(1)H2(g)+[12]O2(g)=H2O(g) ΔH1=a kJ•mol-1
(2)2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH2=b kJ•mol-1
(3)H2(g)+[12]O2(g)=H2O(l) ΔH3=c kJ•mol-1
(4)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH4=d kJ•mol-1
下列关系式正确的是( )
A.a<c<0 B.b>d>0
C.2a=b<0 D.2c=d>0
6.(1)根据图示情况,判断下列说法正确的是( )
[反应过程] [能量][生成物的总能量][反应物的总能量][反应物CO2(g)+H2(g)][CO(g)+H2(g)生成物][ΔH=+41 kJ•mol-1]
A.其热化学方程式为:CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH=+41 kJ•mol-1
B.该反应为吸热反应
C.该反应为放热反应
D.当H2O为液态时,其反应热值小于41 kJ•mol-1
(2)已知16 g固体硫完全燃烧时放出148.4 kJ的热量,该反应的热化学方程式是 。
(3)下图是某温度下,N2与H2反应过程中能量变化的曲线图。该反应的热化学方程式为: 。a、b两条曲线产生区别的原因很可能是 。
[反应过程] [能量/kJ•mol-1] [a][b][508][600][N2(g)+3H2][2NH3(g)][O]
[【参考答案】]
1. (1)Q2
[2Q1][Q2][Q3][2C(s)+8H2(g)
C2H2(g)+4H2(g)
C2H4(g)+2H2(g)
2CH4(g)][E]
也可以看出反应a是放热反应,反应b是吸热反应。不难得出:Q2
2. A 解析 后两个反应理解为生成产物的状态不同,而第一个反应可理解为在第二个反应的基础上,S进一步与O2反应,该反应放热。故可以作图如下:
[ΔH1][ΔH2][ΔH3][2H2S(g)+3O2(g)
2S(s)+2H2O(g)+2O2(g)
2S(s)+2H2O(l)+2O2(g)
2SO2(g)+2H2O(l)][ΔH]
3. A 解析 胆矾溶于水时溶液温度降低。胆矾分解吸热,反过来无水硫酸铜转化为胆矾是放热;按化学反应方程式计算,16 g无水硫酸铜可生成25 g CuSO4•5H2O,配成80 g溶液时,无水硫酸铜吸热少,温度下降的少。分析如图所示,即有T1>T2。
[E][CuSO4][溶液][吸热][吸热][吸热][粉末][晶体]
4. A 解析 第三个方程式可由第二个方程式乘以2与第一个方程式相加,有盖斯定律可知ΔH3=ΔH1+2ΔH2
5. C 解析 对于A项,据盖斯定律,气态水转变为液态水要放热,有ΔH=-a+c<0,c<a<0,A项错误;对于B项,可设计如下反应过程:
同理,ΔH=-b+d<0,d<b<0,B项错误;(1)、(2)式反应物、生成物的状态均相同,(1)×2=(2),即2ΔH1=△H2,2a=b,又H2的燃烧反应为放热反应,故2a=b<0,C项符合题意。同理,(3)×2=(4),有2c=d<0,D项错误。
6. (1)B (2)S(s)+O2(g)=SO2(g) ΔH=-296.8 kJ•mol-1
(3)N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g) ΔH=-92 kJ•mol-1;a没有使用催化剂,b使用了催化剂。
解析 (1)根据所给图示可知,A选项将反应的反应物与生成物弄反了,故错误;生成物的能量比反应物的能量高,故该反应为吸热反应,B选项正确,C选项错误;D选项未限定H2O的物质的量,故错误。答案为B。(3)b反应中使用催化剂,可以降低反应的活化能,但反应的热效应不会改变。