2014年高中化學(xué)選修四教學(xué)案1-3 化學(xué)反應(yīng)熱的計算

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第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)熱的計算 ●課標要求 能用蓋斯定律進行有關(guān)反應(yīng)熱的簡單計算。 ●課標解讀 1.理解蓋斯定律的含義。 2．掌握蓋斯定律在反應(yīng)熱計算中的應(yīng)用。 ●教學(xué)地位 前面學(xué)生已經(jīng)定性地了解了化學(xué)反應(yīng)與能量的關(guān)系，通過實驗感受到了反應(yīng)熱，并且了解了物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生能量變化與物質(zhì)的質(zhì)量的關(guān)系，及燃燒熱的概念。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)介紹了蓋斯定律，并從定量的角度來進一步認識物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)伴隨的熱效應(yīng)。本節(jié)內(nèi)容分為兩部分：第一部分，介紹了蓋斯定律。教科書以登山經(jīng)驗“山的高度與上山的途徑無關(guān)”，淺顯地對特定化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱進行形象的比喻，幫助學(xué)生理解蓋斯定律。然后再通過對能量守恒定律的反證來論證蓋斯定律的正確性。 最后通過實例使學(xué)生感受蓋斯定律的應(yīng)用，并以此說明蓋斯定律在科學(xué)研究中的重要意義。第二部分，利用反應(yīng)熱的概念、蓋斯定律和熱化學(xué)方程式進行有關(guān)反應(yīng)熱的計算，通過三道不同類型的例題加以展示。幫助學(xué)生進一步鞏固概念、應(yīng)用定律、理解熱化學(xué)方程式的意義。這是本章的重點考查內(nèi)容之一。 ●新課導(dǎo)入建議 瑞士化學(xué)家蓋斯 “異曲同工”是指不同的曲調(diào)演得同樣好，或者不同的做法收到同樣好的效果。熱化學(xué)奠基人蓋斯總結(jié)出一條規(guī)律：在任何化學(xué)反應(yīng)過程中的熱量，不論該反應(yīng)是一步完成的還是分步進行的，其總熱量變化是相同的。該規(guī)律被命名為“蓋斯定律”。 ●教學(xué)流程設(shè)計 課前預(yù)習(xí)安排：(1)看教材P11～12填寫【課前自主導(dǎo)學(xué)】中的“知識1，蓋斯定律”，并完成【思考交流1】。 (2)看教材P13頁填寫【課前自主導(dǎo)學(xué)】中的“知識2，反應(yīng)熱的計算”，并完成【思考交流2】。?步驟1：導(dǎo)入新課、本課時的教材地位分析。?步驟2：建議對【思考交流】1、2多提問幾個學(xué)生，使80%以上的學(xué)生都能掌握該內(nèi)容，以利于下一步對該重點知識的探究。 ? 步驟6：師生互動完成“探究2、反應(yīng)熱的計算”，可利用【問題導(dǎo)思】中的問題由淺入深地進行，建議教師除【例2】外，再變換一下命題角度，選用【教師備課資源】中的例題以拓展學(xué)生的思路。?步驟5：在老師指導(dǎo)下由學(xué)生自主完成【變式訓(xùn)練1】和【當堂雙基達標】中的1、2、3三題，驗證學(xué)生對探究點的理解掌握情況。?步驟4：教師通過【例1】和教材P11～12頁的講解研析，對【探究1】進行總結(jié)。?步驟3：師生互動完成“探究1、對蓋斯定律的理解”可利用【問題導(dǎo)思】設(shè)置的問題，由淺入深地進行。 　　　　? 步驟7：教師通過【例2】和教材P13頁講解研析，對“探究2”進行總結(jié)。?步驟8：在老師指導(dǎo)下由學(xué)生自主完成【當堂雙基達標】中的4題，驗證學(xué)生對探究點的理解掌握情況。?步驟9：先讓學(xué)生自主總結(jié)本課時學(xué)習(xí)的主要知識，然后對照【課堂小結(jié)】已明確掌握已學(xué)的內(nèi)容，安排學(xué)生課下完成【課后知能檢測】。 課　標　解　讀 重　點　難　點 1.從能量守恒角度理解并掌握蓋斯定律。 2.能正確運用蓋斯定律解決具體問題。 3.學(xué)會化學(xué)反應(yīng)熱的有關(guān)計算。 1.蓋斯定律的含義，能夠利用蓋斯定律進行有關(guān)反應(yīng)熱的計算。(重點) 2.化學(xué)反應(yīng)熱的計算方法和技巧。(難點) 蓋斯定律 1.內(nèi)容：不管化學(xué)反應(yīng)是一步或分幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的。或者說，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無關(guān)。 如物質(zhì)A變成C，有下列兩種途徑： 則有ΔH1＝ΔH2＋ΔH3。 2．解釋：能量的釋放或吸收是以發(fā)生變化的物質(zhì)為基礎(chǔ)的，二者密不可分，但以物質(zhì)為主。 3．應(yīng)用：對于進行得很慢的反應(yīng)，不容易直接發(fā)生的反應(yīng)，產(chǎn)品不純(即有副反應(yīng)發(fā)生)的反應(yīng)，測定這些反應(yīng)的反應(yīng)熱有困難，如果應(yīng)用蓋斯定律，就可以間接地把它們的反應(yīng)熱計算出來。 1．已知H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－241.8 kJ/mol，而H2O(g)―→H2O(l)　ΔH＝－44.0 kJ/mol，請問若1 mol H2和 mol O2反應(yīng)生成液態(tài)水，放出的熱量是多少？ 【提示】　Q＝(241.8 kJ/mol＋44 kJ/mol)1 mol＝285.8 kJ。 反應(yīng)熱的計算 1.反應(yīng)熱計算的主要依據(jù)是熱化學(xué)方程式、蓋斯定律和燃燒熱的數(shù)據(jù)。 2．計算反應(yīng)熱的常用解題方法有：列方程式、估算法、十字交叉法等。 如已知：(1)C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH1＝－393.5 kJ/mol (2)CO(g)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH2＝－283.0 kJ/mol 若C(s)＋O2(g)===CO(g)的反應(yīng)熱為ΔH，則ΔH＝ΔH1－ΔH2＝[－393.5－(－283.0)]kJ/mol＝－110.5_kJ/mol，本題運用了蓋斯定律。 2．已知碳的燃燒熱為393.5 kJ/mol，那么24 g碳完全燃燒，放出的熱量是多少？ 【提示】　24 g碳為2 mol，放出的熱量為2 mol393.5 kJ/mol＝787.0 kJ。 對蓋斯定律的理解 【問題導(dǎo)思】　 ①物質(zhì)從始態(tài)變?yōu)榻K態(tài)，遵循質(zhì)量守恒，遵循能量守恒嗎？ 【提示】　遵循。 ②應(yīng)用蓋斯定律求反應(yīng)熱時，若方程式的化學(xué)計量數(shù)變，則反應(yīng)熱要相應(yīng)變嗎？方程式相加減時，反應(yīng)熱如何計算？ 【提示】　a．反應(yīng)熱的數(shù)值與化學(xué)計量數(shù)成正比。 b．方程式加減時，反應(yīng)熱也要相加減(帶符號)。 (1)從途徑角度 化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。就像登山到山頂，不管選哪一條路走，從山腳到山頂，山的海拔總是不變。 (2)從反應(yīng)熱總值角度 若一個反應(yīng)可以分幾步進行，則各步反應(yīng)的反應(yīng)熱之和與該反應(yīng)一步完成時的反應(yīng)熱是相同的，即反應(yīng)熱總值一定。如圖表示始態(tài)到終態(tài)的反應(yīng)熱。 則ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝ΔH3＋ΔH4＋ΔH5。 (3)從能量守恒角度 我們先從S變化到L，這時體系放出熱量(ΔH1<0)，然后從L變回到S，這時體系吸收熱量(ΔH2>0)。 整個過程中ΔH1＋ΔH2＝0，能量既不會增加，也不會減少，只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。 (4)運用蓋斯定律解題的常用方法。 通常有兩種方法： 其一，虛擬路徑法：如C(s)＋O2(g)===CO2(g)，可設(shè)置如下：ΔH1＝ΔH2＋ΔH3 其二，加合法：即運用所給化學(xué)方程式就可通過加減的方法得到新化學(xué)方程式。 如：求P4(白磷)―→P(紅磷)的熱化學(xué)方程式。 已知：P4(白磷，s)＋5O2(g)===P4O10(s)　ΔH1 ① P(紅磷，s)＋O2(g)===P4O10(s)　ΔH2 ② 即可用①－②4得出白磷轉(zhuǎn)化為紅磷的熱化學(xué)方程式。 1．虛擬路徑法求反應(yīng)熱中，分路徑中的量要與總路徑的量一致。 2．加合法中要根據(jù)給定的反應(yīng)找出要求的反應(yīng)的反應(yīng)物與生成物，把不需要的物質(zhì)去掉。 　把煤作為燃料可通過下列兩種途徑： 途徑Ⅰ　C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH1<0 途徑Ⅱ　先制水煤氣： C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH2>0① 再燃燒水煤氣： 2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)　ΔH3<0② 2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH4<0③ 請回答下列問題： (1)判斷兩種途徑放熱：途徑Ⅰ放出的熱量________途徑Ⅱ放出的熱量(填“大于”、“等于”或“小于”)。 (2)ΔH1、ΔH2、ΔH3、ΔH4的數(shù)學(xué)關(guān)系是____________ _____________________________________________。 (3)由于制取水煤氣的反應(yīng)里，反應(yīng)物具有的總能量________(填“大于”“等于”或“小于”)生成物具有的總能量，那么在化學(xué)反應(yīng)時，反應(yīng)物就需要________能量才能轉(zhuǎn)化為生成物，因此其反應(yīng)條件為________。 【解析】　(1)途徑Ⅱ中，根據(jù)蓋斯定律①＋(②＋③)可得途徑Ⅰ的方程式，故兩種途徑放出的熱量相同。(2)ΔH1＝ΔH2＋(ΔH3＋ΔH4)。(3)因為ΔH>0，故反應(yīng)物的總能量小于生成物的總能量。 【答案】　(1)等于 (2)ΔH1＝ΔH2＋(ΔH3＋ΔH4) (3)小于　吸收　高溫 應(yīng)用蓋斯定律設(shè)計反應(yīng)過程的要點 (1)當熱化學(xué)方程式乘以或除以某數(shù)時，ΔH也相應(yīng)乘以或除以某數(shù)。 (2)當熱化學(xué)方程式進行加減運算時，ΔH也同樣要進行加減運算，且要帶“＋”、“－”符號，即把ΔH看做一個整體進行運算。 (3)通過蓋斯定律計算比較反應(yīng)熱的大小時，同樣要把ΔH看做一個整體。 (4)在設(shè)計的反應(yīng)過程中常會遇到同一物質(zhì)固、液、氣三態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，物質(zhì)的狀態(tài)由“固→液→氣”變化時，會吸熱；反之會放熱。 (5)當設(shè)計的反應(yīng)逆向進行時，其反應(yīng)熱與正反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值相等，符號相反。 1．實驗中不能直接測出由石墨與氫氣反應(yīng)生成甲烷的ΔH，但可測出下面幾個反應(yīng)的熱效應(yīng)： CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1＝－890.3 kJ/mol ① C(石墨)＋O2(g)===CO2(g) ΔH2＝－393.5 kJ/mol ② H2(g)＋O2(g)===H2O(l) ΔH3＝－285.8 kJ/mol ③ 根據(jù)蓋斯定律求反應(yīng)C(石墨)＋2H2(g)===CH4(g)?、? 的ΔH4。 【解析】　方法一：因為反應(yīng)式①②③和④之間有以下關(guān)系：②＋③2－①＝④。 所以ΔH4＝ΔH2＋2ΔH3－ΔH1＝－393.5＋2(－285.8)－(－890.3)＝－74.8(kJ/mol) 方法二：也可以設(shè)計一個途徑，使反應(yīng)物經(jīng)過一些中間步驟最后回到產(chǎn)物： 可見，ΔH4＝ΔH2＋2ΔH3－ΔH1＝－74.8 kJ/mol。 【答案】　ΔH4＝－74.8 kJ/mol 反應(yīng)熱的計算 【問題導(dǎo)思】　 ①反應(yīng)熱計算的依據(jù)有哪些？ 【提示】　可依據(jù)化學(xué)方程式、蓋斯定律等。 ②反應(yīng)熱有哪些計算方法？ 【提示】　列方程法、估算法等。 1．反應(yīng)熱計算的依據(jù) (1)根據(jù)熱化學(xué)方程式計算：反應(yīng)熱與反應(yīng)物各物質(zhì)的物質(zhì)的量成正比，即ΔH1＝nΔH。 (2)根據(jù)反應(yīng)物和生成物的能量計算： ΔH＝生成物的能量和－反應(yīng)物的能量和。 (3)根據(jù)反應(yīng)物和生成物的鍵能計算： ΔH＝反應(yīng)物的鍵能和－生成物的鍵能和 (4)根據(jù)蓋斯定律計算：將熱化學(xué)方程式進行適當?shù)摹凹印?、“減”等變形后，由過程的熱效應(yīng)進行計算、比較。 (5)根據(jù)物質(zhì)的燃燒熱數(shù)值計算： Q(放)＝n(可燃物)|ΔH|。 (6)根據(jù)比熱公式進行計算：Q＝cmΔt。 2．反應(yīng)熱計算的常用解題方法 (1)列方程法：先寫出熱化學(xué)方程式，再根據(jù)熱化學(xué)方程式所體現(xiàn)的物質(zhì)與反應(yīng)熱間的關(guān)系直接求算反應(yīng)熱。 (2)估算法：根據(jù)熱化學(xué)方程式所表示反應(yīng)的熱效應(yīng)與混合物燃燒放出的熱量，大致估算各成分的比例。 此法主要應(yīng)用于解答選擇題，根據(jù)題給信息找出大致范圍，便可以此作依據(jù)找出答案，此法解題快速、簡便。 　已知：①CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH1；②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH2；③2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH3。常溫下取體積比4∶1的甲烷和氫氣的混合氣體11.2 L(標準狀況)，經(jīng)完全燃燒后恢復(fù)至室溫，則放出的熱量為(　　) A．－(0.4 molΔH1＋0.05 molΔH3) B．－(0.4 molΔH1＋0.05 molΔH2) C．－(0.4 molΔH1＋0.1 molΔH3) D．－(0.4 molΔH1＋0.1 molΔH2) 【解析】　先算出甲烷和氫氣各自的體積，再根據(jù)熱化學(xué)方程式分別求算它們各自完全燃燒放出的熱量，就可求出總熱量。也可以求出甲烷和氫氣按體積比4∶1燃燒的熱化學(xué)方程式，列比例來求反應(yīng)放出的總熱量。 n(氣體)＝＝0.5 mol， n(CH4)＝0.5 mol＝0.4 mol，n(H2)＝0.5 mol＝0.1 mol。燃燒后恢復(fù)至室溫，H2O為液態(tài)，所以放出熱量：Q＝0.4 mol(－ΔH1)＋0.1 mol(－)＝－(0.4 molΔH1＋0.05 molΔH3)。 【答案】　A 本題易錯選B。因為忽略了“完全燃燒后恢復(fù)至室溫”時水為液態(tài)，也易錯選C，沒注意2 mol H2完全燃燒的反應(yīng)熱為ΔH3。 2．已知：2Zn(s)＋O2(g)===2ZnO(s)　ΔH＝－701.0 kJ/mol 2Hg(l)＋O2(g)===2HgO(s)　ΔH＝－181.6 kJ/mol 則反應(yīng)Zn(s)＋HgO(s)===ZnO(s)＋Hg(l)的ΔH的(　　) A．＋519.4 kJ/mol　 B．＋259.7 kJ/mol C．－259.7 kJ/mol D．－519.4 kJ/mol 【解析】　由蓋斯定律，第一個式子減去第二個式子后再除以2可得：Zn(s)＋HgO(s)===ZnO(s)＋Hg(l)　ΔH＝(－701.0 kJ/mol＋181.6 kJ/mol)/2＝－259.7 kJ/mol，故C項正確。 【答案】　C 【教師備課資源】 　已知下列兩個熱化學(xué)方程式：H2(g)＋O2(g) ===H2O(l)　ΔH＝－285.8 kJ/mol C3H8(g)＋5O2(g)===3CO2(g)＋4H2O(l) ΔH＝－2 220.0 kJ/mol 實驗測得氫氣和丙烷的混合氣體共5 mol，完全燃燒時放熱3 846.75 kJ，則混合氣體中氫氣和丙烷的體積比是________，兩者放出的熱量之比約為________。 A．1∶3　　　B．3∶1 C．1∶4 D．5∶13 【解析】　設(shè)H2和C3H8的物質(zhì)的量分別為x mol、y mol，由題意得： 解方程組得x＝3.75，y＝1.25。 H2和C3H8的體積之比＝H2和C3H8的物質(zhì)的量之比＝3.75 mol∶1.25 mol＝3∶1；H2和C3H8放出的熱量之比＝(3.75 mol285.8 kJ/mol)∶(1.25 mol2 220.0 kJ/mol)≈5∶13。 【答案】　B　D 反應(yīng)熱的計算依據(jù)依據(jù)熱化學(xué)方程式：反應(yīng)熱與 各物質(zhì)的物質(zhì)的量成正比依據(jù)蓋斯定律“虛擬路徑”法加合法依據(jù)物質(zhì)的燃燒熱ΔH： Q(放)＝n(可燃物)|ΔH|依據(jù)生成物和反應(yīng)物的鍵能之差 ΔH＝Q(吸)－Q(放) 1．(2012南昌三中高二月考)1 mol白磷轉(zhuǎn)化為紅磷時放出18.39 kJ熱量，已知：P4(白磷，s)＋5O2(g)===2P2O5(s) ΔH＝－a kJ/mol(a>0)；4P(紅磷，s)＋5O2(g) ===2P2O5(s)　ΔH＝－b kJ/mol(b>0)，則a和b的關(guān)系是 (　　) A．a(chǎn)>b　　　　　　 B．a(chǎn)＝b C．a(chǎn)b。 【答案】　A 2．下列關(guān)于蓋斯定律描述不正確的是(　　) A．化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱不僅與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，也與反應(yīng)的途徑有關(guān) B．蓋斯定律遵守能量守恒定律 C．利用蓋斯定律可間接計算通過實驗難測定的反應(yīng)的反應(yīng)熱 D．利用蓋斯定律可以計算有副反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)的反應(yīng)熱 【解析】　化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱與反應(yīng)的途徑無關(guān)，只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)。 【答案】　A 3．已知在298 K時，有如下兩個熱化學(xué)方程式： C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－393.5 kJ/mol 2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝－483.6 kJ/mol 現(xiàn)有0.2 mol炭粉和H2的混合物，在O2中燃燒生成CO2(g)和H2O(g)共放出63.53 kJ熱量，則混合物中炭粉和H2的物質(zhì)的量之比是(　　) A．1∶2 B．2∶3 C．3∶2 D．1∶1 【解析】　由題意得 解得n(C)＝n(H2)＝0.1 mol，即n(C)∶n(H2)＝1∶1。 【答案】　D 4．(2012遼寧實驗中學(xué)高二月考)利用蓋斯定律解答下題： 已知：TiO2(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(l)＋O2(g)　ΔH＝＋140 kJ/mol① 2C(s)＋O2(g) ===2CO(g)　ΔH＝－221 kJ/mol② 寫出TiO2和焦炭、氯氣反應(yīng)生成TiCl4和CO氣體的熱化學(xué)方程式：_______________________________________ ____________________________________。 【解析】　根據(jù)蓋斯定律：①＋②得 TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(l)＋2CO(g)　ΔH＝－81 kJ/mol。 【答案】　TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(l)＋2CO(g)　ΔH＝－81 kJ/mol 11