选修四第一章化学反应与能量第一节化学反应与能量的变化第1课时反应热焓变教案1

第一章化学反应与能量

第一节化学反应与能量的变化

教学目标:

1.能举例说明化学能与热能的相互转化,了解反应热的概念。

2.知道化学反应热效应与反应的焓变之间的关系。

教学重点、难点:化学反应热效应与反应的焓变之间的关系。

探究建议:查阅资料、交流探究。

课时划分:一课时。

教学过程:

[讨论]在我们学过的化学反应当中,有哪些反应伴随着能量（热量）变化？

[引言]通过讨论知道,在化学反应当中,常件有能量变化,现在我们来学习化学反应

中的能量变化。

[板书] 第一章化学反应与能量

第一节化学反应与能量的变化

一、反应热焓变:在化学反应过程中放出或吸收的热量、通常叫做反应热。又称焓变。

（1）符号:用△H表示。

（2）单位:一般采用kJ/mol。

（3）可直接测量,测量仪器叫量热计。

（4）研究对象:一定压强下,在敞口容器中发生的反应所放出或吸收的热量。

（5）反应热产生的原因:

[设疑]例如:H2(g)＋Cl2(g) ＝2HCl(g)

实验测得lmol H2与lmol Cl2反应生成2 mol HCl时放出184.6 kJ的热量,从微观角度应如何解释？

[电脑投影]

[析疑]

化学键断裂时需要吸收能量。吸收总能量为:436kJ＋243kJ＝679 kJ,

化学键形成时需要释放能量。释放总能量为:431kJ＋431kJ＝862 kJ,

反应热的计算:862kJ—679kJ＝183kJ

[讲述]任何化学反应都有反应热,这是由于反应物中旧化学键断裂时,需要克服原子间的相互作用而吸收能量；当原子重新组成生成物、新化学键形成时,又要释放能量。新化学键形成时所释放的总能量与反应物中旧化学键断裂时所吸收的总能量的差就是此反应的反应热。

[板书]

（6）反应热表示方法:

[学生阅读教材小结]①当生成物释放的总能量大于反应物吸收的总能量时,反应为放热反应,使反应本身能量降低,规定放热反应△H为“一”,所以△H为“一”或△H＜0时为放热反应。

上述反应H2(g)＋Cl2(g) ＝2HCl(g),反应热测量的实验数据为184.6 kJ/mol,与计算数据183kJ/mol很接近,一般用实验数据表示,所以△H ＝-184.6 kJ/mol。

②当生成物释放的总能量小于反应物吸收的总能量时,反应是吸热反应,通过加热、光照等方法吸收能量,使反应本身能量升高,规定△H为“＋”,所以△H为“＋”或△H＞0时为吸热反应。

[板书] △H为“＋”或△H＞0时为吸热反应；△H为“一”或△H＜0时为放热反应。

[投影]

[讲解]

（1）如果反应物所具有的总能量大于生成物所具有的总能量,反应物转化为生成物时放出热量。反应为放热反应。规定放热反应△H为“一”。

（2）如果反应物所具有的总能量小于生成物所具有的总能量,反应物转化为生成物时吸收热量。反应为吸热反应。规定△H为“＋”。

[投影]

例1:1molC与1molH2O(g)反应失成lmol CO(g)和1mol H2(g),需要吸收131.5kJ的热量,该反应的反应热为△H＝kJ/mol。(＋131.5)

例2:拆开lmol H—H键、lmol N－H键、lmolN≡N键分别需要的能量是436kJ、391kJ、946N,则1mol N2生成NH3的反应热为,1mol H2生成NH3的反应热为。

分析:N2(g)＋3H2(g)＝2NH3(g),因拆开lmol N—H键和生成lmol N—H键吸收和释放出的能量相等,所以此反应的反应热计算如下:

2×3×391kJ/mol-946kJ/mol-3×436kJ/mol＝92kJ/mol

而 lmol H 2只与31mol N 2反应,所以反应热△H ＝30.6kJ/mol kJ/mol 3

92-=-,则此题lmolN 2生成NH 3的反应热△H ＝ -92kJ/mol 。

[过渡]什么是化学反应热？如何表示？如何准确地描述物质间的化学反应及其能量变化？下面我们来学习热化学方程式。

[板书]

二、热化学方程式

1.定义:表明反应所放出或吸收的热量的化学方程式,叫做热化学方程式。

例:H 2(g)＋I 2(g) 2HI(g)；△H ＝－14.9 kJ/mol

[学生分析]热化学方程式不仅表明了化学反应中的物质变化,也表明了化学反应中的能量变化。

[板书]2.书写热化学方程式的注意事项:(让学生阅读教材归纳、总结)

(1)需注明反应的温度和压强。因反应的温度和压强不同时,其△H 不同。

[讲述]但中学化学中所用的△H 的数据,一般都是在101 kPa 和 25℃时的数据,因此可不特别注明。但需注明△H 的“＋”与“－”。

[板书](2)要注明反应物和生成物的状态。物质的聚集状态,与它们所具有的能量有关。

[]讨论]例如:H 2(g)＋

2

1O 2(g) ＝ H 2O(g)；△H ＝-241.8 kJ/mol H 2(g)十21O 2 (g)＝H 2O(l)；△H ＝-285.8kJ/mol 从上述两个热化学方程式可看出,lmol H 2反应生成H 2O(l)比生成H 2O(g)多放出44kJ/mol 的热量。产生的热量为什么不同？

[板书](3)热化学方程式各物质前的化学计量数不表示分子个数,它可以是整数也可以是分数。对于相同物质的反应,当化学计量数不同时,其△H 也不同。

[投影]例如:H 2(g)＋C12(g) ＝ 2HCl(g)；△H ＝-184.6 kJ/mol

21H 2(g)＋ 2

1Cl 2(g) ＝ HCl(g)；△H ＝－92.3 kJ/mol [板书]3.热化学方程式的含义 [投影]例:H 2(g)＋

21O 2(g) ＝ H 2O(g)；△H ＝-241.8 kJ/mol,表示 lmol 气态 H 2 和2

1mol 气态 O 2反应生成 lmol 水蒸气,放出 241.8kJ 的热量。(在 101kPa 和 25℃时) H 2(g)十21O 2 (g)＝H 2O(l)；△H ＝-285.8kJ/mol,表示lmol 气态H 2与2

1mo 气态O 2反应在101 kPa 和 25℃时,生成lmol 液态水,放出285.8kJ 的热量。

[学生归纳]描述在一定条件下,一定量某状态下的物质,充分反应后所吸收或放出热量的多少。

[板书]4.热化学方程式的应用

[投影]

例1 已知在25℃,101kPa 下,1g 188H C (辛烷)燃烧生成二氧化碳和液态水时放出48.40kJ 热量.表示上述反应的热化学方程式正确的是( ) A.)g (O H 9)g (CO 8)g (O 2

25)1(H C 222188+=+

；△H ＝－48.40kJ/mol B.)1(O H 9)g (CO 8)g (O 2

25)1(H C 222188+=+；△H ＝－5518kJ/mol C.)1(O H 9)g (CO 8)g (O 225)1(H C 222188+=+；△H ＝＋5518kJ/mol D.)1(O H 18)g (CO 16)g (O 25)1(H C 2222188+=+；△H ＝－11036kJ/mol 分析与解答

1 mol 18

8H C 燃烧放出热量48.40kJ/g ×114g ＝5518kJ 。答案 BD 例2 0.3mol 的气态高能燃料乙硼烷(62H B )在氧气中燃烧,生成固态三氧化二硼和液态水,放出649.5kJ 热量,其热化学方程式为_________________________.又已知:)g (O H )1(O H 22====；△H ＝44kJ.则11.2L(标准状况)乙硼烷完全燃烧生成气态水时放出的热量是________________kJ.

分析与解答

1 mol 62H B 燃烧放出热量

kJ 21653.0kJ 5.649=,0.5mol 62H B 燃烧生成液态水(1.5mol)放出热量为kJ 21652

1?,1.5mol )1(O H 2变为1.5mol )g (O H 2需吸收热量为66kJ,所以,0.5mol 62H B 燃烧生成气态水时放出热量为:

kJ 5.1016kJ 445.1kJ 216521=?-?

答案 )l (O H 3)s (O B )g (O 3)g (H B 232262+====+；△H ＝－2165kJ/mol 1016.5

[小结]略

[作业]P 5 1、2、3、4

[板书计划] 第一节 化学反应与能量的变化

一、反应热 焓变:在化学反应过程中放出或吸收的热量、通常叫做反应热。又称焓变。

（1）符号:用△H 表示。

（2）单位:一般采用kJ/mol 。

（3）可直接测量,测量仪器叫量热计。

（4）研究对象:一定压强下,在敞口容器中发生的反应所放出或吸收的热量。

（5）反应热产生的原因:

（6）反应热表示方法:

①当生成物释放的总能量大于反应物吸收的总能量时,反应为放热反应,△H 为“一”或△H ＜0

②当生成物释放的总能量小于反应物吸收的总能量时,反应是吸热反应,△H 为“十”或△H ＞0

二、热化学方程式

1.定义:表明反应所放出或吸收的热量的化学方程式,叫做热化学方程式。

2.书写热化学方程式的注意事项:

(1)需注明反应的温度和压强；因反应的温度和压强不同时,其△H不同。

(2)要注明反应物和生成物的状态。

(3)热化学方程式各物质前的化学计量数不表示分子个数,它可以是整数也可以是分数。对于相同物质的反应,当化学计量数不同时,其△H也不同。

3.热化学方程式的舍义

描述在一定条件下,一定量某状态下的物质,充分反应后所吸收或放出热量的多少。

4.热化学方程式的应用

[备课参考资料]

剖析中学化学教材中热化学方程式的表示方法

按照国家指令性规定,在使用“量和单位”的名称、符号、书写规则时都应符合《中华人民共和国国家标准GB3100～3102-93“量和单位”》(以下简称《国标》)的规定。《全日制普通高级中学教科书(试验本)化学》(以下简称“新教材”)遵循国家的有关规定,结合中学化学教学特点,在物理量的引用上,积极贯彻“量和单位”国家标准,规范了教材中相关物理量的表述。本文就新教材里“化学反应中的能量变化”中引入热力学函数“△H”及其由此引发的热化学方程式的表示方法问题作一些探讨。

一、新教材引入△H的必要性和依据

在化学反应中,物质发生化学变化的同时,还伴随有能量的变化,通常以热能的形式表现出来,称为反应热。这种化学反应的热效应（反应中吸收或放出的热量）可用热化学方程式来表示。在旧教材中热化学方程式是这样表示的:

C(固) ＋O2(气) ＝CO2(气) ＋393.5 kJ

上式表示标准状态(即反应体系在压强为101kPa和温度为25℃时的状态)下,1mol固态碳和1mol氧气反应生成1mol二氧化碳气体时放出393.5kJ的热量。这种表示方法的优点是写法直观,容易为学生所理解。但由于物质的化学式具有表示物种及其质量之意义,化学方程式揭示的又是物质的转化关系,而热化学方程式的这种表示方法把反应中物质的变化和热量的变化用加号连在一起是欠妥的。因此,《国标》规定,热量(Q)应当用适当的热力学函数的变化来表示,例如用“T·△S”或“△H”表示(△S 是熵的变化,△H 是焓的变化)。

在中等化学中,一般仅研究在一定压强(即恒压条件)下,在敞开容器中发生的反应所放出或吸收的热量。因此根据热力学第一定律:系统在过程中的热力学能(旧称内能)变化“△U”等于传给系统的热量“Q”与外界对系统所作功“W”之和,即:△U ＝Q＋W 。当系统处于恒压过程时,则有:

△U ＝Q P＋W

若系统在反应过程中只有体积功,即:W ＝－P(V2－V1) ＝－(P2V2－P1V1),则有:

△U ＝Q P－(P2V2－P1V1)

依据焓(H )的定义:H＝U＋PV ,显然:

Q P＝(U2－U1)＋(P2V2－P1V1)

＝(U2＋P2V2)－(U1＋P1V1) ＝H2－H1 ＝△H

即有: Q P＝△H

式中“Q P”叫恒压热,是指封闭系统不做除体积功以外的其他功时,在恒压过程中吸收或放出的热量。上式表明,恒压热等于系统焓的变化。所以,在中等化学所研究的反应范围之内,Q ＝Q P ＝△H,这就是新教材中引入△H的依据。但需注意的是,限于中等化学学生的知识水平和接受能力,教材不便引入焓的概念,而仍称“△H”为反应热,教学中也不必引深。

二、引入△H后的热化学方程式表示方法

新教材引入△H 这个物理量后,热化学方程式的表示方法同旧教材相比发生了如下变化。

1.根据《国家标准》,在热力学中将内能U 改称为热力学能。其定义为:对于热力学封闭系统,

△U ＝Q ＋W

式中“Q”是传给系统的能量,“W”是对系统所作的功。Q、W都是以“系统”的能量增加为“＋”来定义的。而旧教材中,Q是以“环境”的能量增加(或以“系统”的能量减少)为“＋”来定义的,这样,旧教材中热化学方程式中反应热的“＋”、“－”所表示的意义正好与《国家标准》的规定相反。因此,引入△H以后,当反应为放热反应时,△H为“－”或△H ＜0 (表明系统能量减少)；当反应为吸热反应时,△H 为“＋”或△H ＞0 (表明系统能量增加)。

2.在旧教材里,热化学方程式中物质的聚集状态用中文表示,如固、液、气等。根据《国家标准》,应当用英文字母(取英文词头)表示,如“s”代表固体(solid)、“l”代表液体(liquid)、“g”代表气体(gas)、“aq”表示水溶液(Aqueous solution)等。

3.热化学方程式中反应热的单位不同。旧教材中反应热的单位是J或kJ,而△H的单位为J/mol或kJ/mol。

根据引入△H以后的这些变化,类似以下热化学方程式的表示方法已经废除:

C(固) ＋O2(气) ＝CO2(气) ＋393.5 kJ

C(固) ＋H2O(气) ＝CO(气) ＋H2(气) －131.5 kJ

正确的表示方法为:

在化学方程式中用规定的英文字母注明各物质的聚集状态。然后写出该反应的摩尔焓[变]△r H m(下标“r”表示反应,“m”表示摩尔)。实际上通常给出的是反应体系处于标准状态(指温度为298.15K,压强为101kPa时的状态)时的摩尔焓[变],即反应的标准摩尔焓[变],以“△r H mΘ”表示(上标“Θ”表示标准)。方程式与摩尔焓[变]间用逗号或分号隔开。例如: C(s)＋O2(g) ＝CO2(g)；△r H mΘ(298.15 K) ＝－393.5 kJ/mol

C(s)＋H2O(g) ＝CO(g)＋H2(g)；△r H mΘ(298.15 K) ＝＋131.5 kJ/mol 由于△r H m与反应体系的温度和压强有关,对于非标准状态下的反应体系,书写热化学方程式时还应注明反应的温度和压强。但中等化学所用的△r H m的数据,一般都是反应的标准摩尔焓[变],因此可不特别注明。考虑到这一点和中等化学学生的知识水平和接受能力,新教材中将“△r H mΘ(298.15K)”简写为△H 来表示。例如:

C(s)＋O2(g) ＝CO2(g)；△H＝－393.5 kJ/mol

C(s)＋H2O(g) ＝CO(g)＋H2(g)；△H＝＋131.5 kJ/mol

三、△H的单位与反应进度

基于对中等化学知识的要求深度,新教材中没有引入“反应进度(代号为ξ)”这个物理量。但应明确,△r H m的单位“kJ/mol”中的“mol”是指定反应体系的反应进度的国际单位制(简称SI)单位,而不是物质的量的单位。

反应进度的定义为:对于化学反应0 ＝∑νB B ,

n B(ξ) ＝n B(0) ＋νBξ

式中“n B(0)”和“n B(ξ)”分别为反应进度ξ＝0(反应未开始)和ξ＝ξ时B的物质的量,“νB”为反应中B物质的化学计量数(对于反应物其为负,对于产物其为正)。因“n B(0)”为常数,则对于反应系统发生微小变化时有:

dξ＝νB－1d n B

对于反应系统发生有限的变化,则有:

△ξ＝νB－1△n B

在此所定义的反应进度,显然只与指定反应系统的化学方程式的写法有关,而与选择系统中何种物质B无关。反应进度与物质的量具有相同的量纲,SI单位为mol。由于ξ的定义与νB有关,因此在使用ξ及其与此相关的其它物理量时必须指明化学方程式,否则是无意义的。例如,说“氢气跟氧气反应生成水蒸气的标准摩尔焓[变]为:△r H mΘ(298.15 K) ＝－483.6

kJ/mol”是不明确的。

反应进度是研究化学反应过程状态变化的最基础的物理量。由于化学中引入了此量,使涉及化学反应的量纲和单位的标准化大大前进了一步,也很好地解决了一系列物理量在量纲上出现的困难和矛盾。

对于化学反应“0 ＝∑νB B”,反应的摩尔焓[变]△r H m,一般可由测量反应进度ξ1→ξ2时的焓变△H,除以反应进度变△ξ而得,即:

△r H m＝△H／△ξ

由于反应进度(ξ)的定义与化学方程式的写法(即与反应方程式中物质B的νB)有关,因此反应的摩尔焓[变]△r H m也与化学方程式的写法有关,即对同一实验数据,由于计算△ξ所依据的化学方程式不同,使得△r H m也不同。所以在使用△r H m时,必须指明对应的化学方程式。例如:

2H2(g) ＋O2(g) ＝2H2O(g)；△r H mΘ(298.15 K) ＝－483.6 kJ/mol①

H2(g) ＋1/2 O2(g) ＝H2O(g)；△r H mΘ(298.15 K) ＝－241.8 kJ/mol②

对于反应①来说,2molH2(g)和1molO2(g)完全反应生成2molH2O(g)表示反应进度“ξ＝1mol”的反应,对于反应②来说,1molH2(g)和0.5molO2(g)完全反应生成1molH2O(g)也表示反应进度“ξ＝1mol”的反应,前者放热483.6kJ,后者放热241.8kJ。因此,两个反应的△r H m不同,反应①的△r H m是反应②的两倍。

由上可见:

(1)反应的摩尔焓[变]△r H m,实际上是单位反应进度的焓变。△r H m的单位“J/mol”或“kJ/mol”中的“mol”是“指定反应”的反应进度的SI单位,mol－1是每单位反应进度的SI单位。

(2)对于某个反应系统,当其指定反应的化学方程式的写法不同时,每单位反应进度的反应所表示的意义是不同的,当然相对应的△r H m也是不同的。

总之,引入△H后,热化学方程式的表示方法同旧教材相比有了较大的变动,其表达方式以热力学理论为根据,以《国家标准》为规范,因此,具有了更强的科学性和规范性。教学中应做到心中有数,但不要过分引深,以避免不必要的深究。