化学能与热能(知识点归纳总结+典例导析)

化学能与热能
【学习目标】
1、初步理解物质的化学变化、化学键变化和能量变化之间的关系，掌握物质的化学变化和能量变化的实质；
2、了解放热反应、吸热反应的含义，了解化学反应在提供热能方面的重要作用；
3、认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料的重要性，培养节约能源及保护环境意识。

【要点梳理】
要点一、化学键与化学反应中能量变化的关系
1、化学反应的实质
化学反应的过程就是反应物分子中的原子重新组合成生成物分子的过程，也就是反应物分子中化学键断裂和生成物分子中化学键形成的过程。

2、化学反应中能量变化的原因
(1)断开化学键吸收能量
例：1molH2中含有1molH—H键，常温常压下断开1molH—H键，需要吸收436kJ的热量。

(2)形成化学键放出能量
由2molH原子生成1molH2，有1molH—H键生成，生成过程中向外界释放436kJ的热量。

要点诠释：形成1molH—H键释放的能量与断开1molH—H键吸收的能量相等。

(3)化学键与化学反应中能量变化的关系
当E1＞E2，反应吸收热量；当E1＜E2，反应放出热量。

要点诠释：任何化学反应都要经历旧化学键断裂和新化学键形成的过程，因此，任何化学反应都伴随着能量的变化。

在化学反应中，从反应物分子改变为生成物分子，各原子内部并没有多少变化，但原子间的结合方式发生了改变。

在这个过程中，反应物分子中的化学键部分或全部遭到破坏，生成物分子中的新化学键形成了，在破坏旧化学键时，需要能量来克服原子间的相互作用，在形成新化学键时，由于原子间的相互作用而放出能量。

因此说化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因。

3、决定化学反应中能量变化的因素及反应能量变化的判定
化学反应在发生过程中是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。

如下图所示：
反应物的总能量＜生成物的总能量，反应吸收能量(图1)；
反应物的总能量＞生成物的总能量，反应放出能量(图2)。

要点二、化学能与热能的相互转化
1、两条基本的自然定律
(1)质量守恒定律：自然界的物质可以发生相互转化，但是总质量保持不变。

(2)能量守恒定律：一种形式的能量可以转化为另一种形式的能量，转化的途径和能量形式可以不同，但是体系包含的总能量不变。

要点诠释：
a．质量与能量也是相互联系的(质量和能量也可以相互转化)，故统称为质能守恒定律。

b．所有化学反应中反应物和生成物的总能量都不相同，即所有的化学反应都有一定能量变化(即热效应)。

2、化学反应中的能量变化，通常主要表现为热量变化—吸热或放热。

(1)定义：
放热反应：有能量放出的化学反应。

吸热反应：有能量吸收的化学反应。

要点诠释：有热量放出未必是放热反应，吸收能量也未必是吸热反应，因为放热反应和吸热反应必须是化学变化。

(2)吸热反应、放热反应的判定
如图，
E1＞E2，新化学键的形成所释放的能量小于破坏旧化学键所吸收的能量，该反应就是吸热反应；
E1＜E2，新化学键的形成所释放的能量大于破坏旧化学键所吸收的能量，该反应就是放热反应。

如
反应物断键吸收的能量＜生成物成键释放的能量，说明该反应为放热反应。

即遵循能量守恒定律，反应物的总能量=生成物总能量+热量(放热反应)，反应物总能量=生成物总能量－热量(吸热反应)。

要点诠释：
①物质本身所具有的能量越低，说明其结构越稳定，热稳定性强，断裂其化学键所吸收的能量就越高，而形成其化学键所释放的能量也越多。

②反应的条件与反应的热效应没有必然的联系，每一个反应都有特定的条件，需要点燃或加热的反应不一定是吸热反应。

例如燃烧都是放热反应，但是要达到着火点。

要点三、常见的放热反应和吸热反应
1、常见的放热反应：
①所有的燃烧反应；②大多数的化合反应(注：CO2+C2CO为吸热反应)；③酸碱中和反应；④金属与酸或水的反应；⑤缓慢的氧化反应；⑥其他，如：CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O；CaO+H2O=Ca(OH)2；2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑；2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2；2Al+ Fe2O32Fe+Al2O3(铝热反应)
2、常见的吸热反应：
①大多数的分解反应；②以下几个反应是吸热反应：Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl==2NH3↑+BaCl2+10H2O；CO2+C2CO；C+H2O(g)CO+H2；3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
要点诠释：
(1)常见的热效应如浓硫酸溶于水、NaOH溶于水、Ca(OH)2溶于水，虽伴随着能量的放出，但并不是放热反应；铵盐溶于水虽需要吸收能量，也不是吸热反应。

(2)对于可逆反应，若正反应为放热反应，则逆反应必为吸热反应。

要点四、中和热的测定
1、概念：酸和碱发生中和反应生成1mol水时所释放的热量称为中和热。

要点诠释：
(1)必须是酸和碱的稀溶液，因为浓酸溶液和浓碱溶液在相互稀释时会放热；
(2)强酸和强碱的稀溶液反应才能保证H＋(aq)＋OH－(aq)=H2O(l)中和热均为57.3 kJ·mol-1，而弱酸或弱碱在中和反应中由于电离吸收热量，其中和热小于57.3 kJ·mol-1；
(3)以生成1 mol水为基准
2、中和热的测定：
【实验用品】大烧杯(500mL)、小烧杯(100mL)、温度计，量筒(50mL)两个、泡沫塑料或纸条、泡沫塑料板或硬纸板(中心有两个小孔)、环形玻璃搅拌棒。

0.50mol·L－1盐酸、0.55mol·L－1NaOH溶液。

【实验步骤】
①在大烧杯底部垫泡沫塑料(或纸条)。

使放入的小烧杯口与大烧杯口相平。

然后再在大、小烧杯之间填满塑料(或纸条)，大烧杯上用泡沫塑料板(也可用硬纸板)作盖板，在板中间开两个小孔，正好使温度计和环形玻璃搅拌棒通过，以达到保温、隔热、减少实验过程中热量损失的目的(如图所示)，该实验也可以在保温杯中进行。

②用一个量筒量取50mL 0.50mol·L－1盐酸，倒入小烧杯中，并用温度计测量盐酸的温度，记录数据。

然后把温度计上的酸用水冲洗干净。

③用另一个量筒量取50mL 0.55mol·L－1NaOH溶液，并用温度计测量NaOH溶液的温度，记录数据。

④把套有盖板的温度计和环形玻璃搅拌棒放入小烧杯的盐酸中，并把量筒中的NaOH溶液一次倒入小烧杯(注意不要洒到外面)，盖好盖板。

用环形玻璃搅拌棒轻轻搅动溶液，并准确读取混合溶液的最高温度，记为终止温度，记入下表。

⑤重复实验两次，取测量所得数据的平均值作为计算依据。

⑥根据实验数据计算中和热(具体计算不要求)。

【注意点】
要精确地测定反应中的能量变化，一是要注重“量的问题”，如①反应物的浓度和体积取定值；②测量反应前后的温度值；③做平行实验取平均值。

二是要最大限度地减小实验误差，要做到：
①所用装置要尽可能做到保温、隔热。

②所用药品溶液浓度的配制必须准确，且浓度尽可能的要小。

③为保证盐酸完全被氢氧化钠中和，须使氢氧化钠溶液的浓度稍大于盐酸的浓度。

④温度计刻度要小点，读数要尽可能准确，且估读至小数点后两位。

⑤水银球部位一定要完全浸没在溶液中，且要稳定一段时间后再读数，以提高测量的精度。

⑥两次读数的时间间隔要短，这样才能读到最高温度，即最终温度。

⑦实验操作时动作要快，以尽量减少热量的损失。

要点诠释：
(1)容易误认为中和热是指1mol酸和1mol碱参加反应放出的热量，没有从本质上理解概念。

中和热是反应热的一种，前提条件是“1mol”。

1mol不是指1mol酸和1mol碱参加反应，而是指生成1mol水时的反应热，与酸碱的用量无关。

(2)实验中所需要的酸和碱的用量并不是恰好完全反应，其目的是为了保证0.5mol·L－1的盐酸完全被NaOH 中和，采用0.55mol·L－1NaOH溶液，使碱液稍稍过量。

要点五、能源及其分类
凡是能够提供某种形式能量的物质或是物质的运动，统称为能源。

它是人类取得能量的来源，包括已开采出来的可供使用的自然资源和经过加工或转移的能量的来源，尚未开采出的能量资源不列入能源的范畴，只能是能源资源。

能源的分类方法有多种：
1、一次能源与二次能源
从自然界直接取得的天然能源叫一次能源，如原煤、原油、流过水坝的水等；一次能源经过加工转换后获得的能源称为二次能源，如各种石油制品、蒸气、煤气、电力、氢能等。

2、常规能源与新能源
在一定历史时期和科学技术水平下，已被人们广泛使用的能源称为常规能源，如煤、石油、天然气、水能等；随着科技的不断发展，才开始被人类采用先进的方法加以利用的古老能源以及新发现的利用先进技术所获得的能源都是新能源，如核能、风能、太阳能、海洋能等。

3、可再生能源与非再生能源
可连续再生、永久利用的一次能源称为可再生能源，如水力、风能等；经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源，称为非再生能源，如石油、煤、天然气等。

人类利用能源的三个阶段是：柴草时期、化石能源时期和多能源结构时期。

新能源是指以新技术为基础，系统开发利用的能源，包括太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热能等。

其中最引人注目的是太阳能的利用。

植物的光合作用是大自然“利用”太阳能极为成功的范例。

在人工利用太阳能方面，例如模拟生物体储存太阳能、利用太阳能电池把太阳能直接转化为电能、利用太阳能直接分解水，使太阳能转化为氢能等方面的研究，都取得了一些可喜的成绩。

氢能是人类最理想的能源，氢能主要用作高能燃料，广泛应用于飞机、汽车、燃料电池等其他需要热能或其他形式的能量的设备中。

新能源中一种无限的可再生性的能源是生物质能。

它是自然界中各种绿色植物通过光合作用，将太阳能转换为化学能而固定下来的，储存在植物体内的一种自然资源能。

【典型例题】
类型一：化学键与化学反应中能量变化的关系
例1、下列对化学反应的认识错误的是( )
A．会引起化学键的变化B．会产生新的物质
C．必然引起物质状态的变化D．必然伴随着能量的变化
【答案】C
【解析】化学反应的本质是化学键的断裂和形成，表现为有新物质生成，而化学变化中的反应物和生成物的状态在反应前后可能相同，也可能不相同，故C项错。

反应物与生成物的能量不同，故化学反应必然伴随着能量的变化。

【总结升华】本题考查化学反应的实质和物质本身具有的化学能，可以从这两个角度分析。

举一反三：
【变式1】下列说法正确的是( )
A．物质发生化学反应都伴随着能量变化
B．伴有能量变化的物质变化都是化学变化
C．在一个确定的化学反应体系中，反应物的总能量与生成物的总能量一定不同
D．在一个确定的化学反应体系中，反应物的总能量总是高于生成物的总能量
【答案】AC
【解析】本题考查对化学反应中能量变化的理解与应用。

物质发生化学反应都伴随着能量的变化，伴有能量
变化的变化不一定是化学变化，物质发生物理变化、核变化（如原子弹的爆炸）也都伴有能量变化。

从能量变化的角度来认识化学反应，有助于加深对化学反应本质的理解。

在一个确定的化学反应关系中，反应物的总能量＞生成物的总能量，化学反应为放热反应，反之，为吸热反应。

【变式2】最新报道：科学家首次用X射线激光技术观察到CO与O在催化剂表面形成化学键的过程。

反应过程的示意图如下：
下列说法正确的是( )
A．CO和O生成CO2是吸热反应
B．在该过程中，CO断键形成C和O
C．CO和O生成了具有极性共价键的CO2
D．状态Ⅰ→状态Ⅲ表示CO与O2反应的过程
【答案】C
【解析】A．由图1可知状态Ⅲ的能量低于状态Ⅰ的能量，因此该过程是放热过程。

B．由图2可知该过程CO中的化学键没有断键。

C．CO与O生成的CO2具有极性共价键。

D．状态Ⅰ到状态Ⅲ表示的CO与O生成的CO2的过程。

类型二：化学能与热能的相互转化
例2、某同学设计如图的实验方案来探究NH4Cl和Ba(OH)2·8H2O反应中的能量变化。

根据他的实验步骤填写对应的实验现象和结论。

(1)
在烧杯口放一湿润的红色石蕊试纸
(2)
①实验中为何要在晶体混合后立即用玻璃棒快速搅拌混合物？
②在实验中即使不结冰，将烧杯拿起时烧杯与玻璃片也可能粘在一起。

怎样用简单方法说明烧杯与玻璃片之间是因结冰而粘在一起的？
③浸有稀H2SO4的棉花有何作用？
【答案】(1)
②将烧杯和玻璃片提起，从侧面轻推玻璃片，若玻璃片能发生相对滑动，则说明烧杯和玻璃片是因水粘在一起的，若不能相对滑动，则为冰所冻结。

③吸收生成的氨气。

【解析】此实验操作过程中需注意如下几点：
a．Ba(OH)2·8H2O晶体应研磨成粉末，以便与NH4Cl晶体充分接触；b.一定要在晶体混合起反应时立即用玻璃棒搅拌混合物，以便它们快速反应；c.反应有刺激性气味的气体生成，要注意防止吸入NH3；d.底部粘有水的小烧杯不能提得太高，移得太远，防止玻璃片脱落损坏。

根据结论可知反应原理为：2NH4Cl＋Ba(OH)2·8H2O＝2NH3↑＋BaCl2＋10H2O，此反应过程吸收能量。

问题讨论①因为反应体系会从环境中吸收热量，若反应速率过慢，虽然反应吸热导致反应混合物温度下降，但会因与环境间的热量交换而使现象不明显。

快速搅拌可使反应迅速充分进行，现象明显。

②由于水排开了烧杯底部和玻璃片之间的空气，在大气压作用下烧杯也可能与玻璃片粘在一起，可将烧杯和玻璃片提起，从侧面轻推玻璃片，通过玻璃片能否发生滑动来判断。

举一反三：
【变式1】下列能量转换的说法正确的是( )
A．煤燃烧是化学能转化为热能的过程
B．化石燃料和植物燃料燃烧时放出的能量均来源于太阳能
C．动物体内葡萄糖被氧化为CO2是热能转变成化学能的过程
D．植物通过光合作用将CO2转化为葡萄糖是太阳能转变成热能的过程
【答案】A、B
例3、石墨和金刚石都是碳的单质，石墨在一定条件下可转化为金刚石，已知12g石墨完全转化为金刚石时，要吸收EkJ的热量，下列说法正确的是( )
A．石墨不如金刚石稳定
B．金刚石不如石墨稳定
C．等质量的石墨与金刚石完全燃烧，金刚石放出的的热量多
D．等质量的石墨与金刚石完全燃烧，石墨放出的的热量多
【答案】B、C
【解析】石墨转化为金刚石需要吸收能量，说明石墨比金刚石的能量低，根据能量越低越稳定，则B对；石墨和金刚石燃烧后都生成CO2，则金刚石燃烧时放出的能量多，故C对。

【总结升华】物质的能量与结构有一定的关系，能量越低，其结构越稳定。

举一反三：
【变式1】研究物质变化时，人们可以从不同的角度、不同层面来认识物质变化时所引起的化学键及能量的变化。

据此判断以下叙述中错误的是( )
A．金属钠与氯气反应生成氯化钠后，其结构的稳定性增强，体系的能量降低
B．物质燃烧可看成是储存在物质内部的能量(化学能)转化为热能释放出来
C．氮气分子内部存在着很强的化学键，故通常情况下氮气的化学性质很活泼
D．需要加热才能发生的反应不一定是吸收热量的反应
【答案】C
【解析】氮气分子中存在很强的化学键，破坏其化学键时需要更多的能量，故其化学性质不活泼，则C错。

类型三：常见的放热反应和吸热反应
例4、如图所示，把试管放入盛有25℃时饱和石灰水的烧杯中，试管中开始放入几小块镁片，再用滴管滴入5mL盐酸于试管中。

试回答下列问题：
(1)实验中观察到的现象是_____________________________________________
(2)产生上述现象的原因是_____________________________________________
(3)写出有关反应的离子方程式 _________________________________________
(4)由实验推知，MgCl 2溶液和H 2的总能量___________(填“大于”、“小于”或“等
于”)镁片和盐酸的总能量。

镁条与盐酸反应放热，氢氧化钙的溶解度随温度的升高而减小
【答案】(1)①镁片上有大量气泡产生；②镁片逐渐溶解；③烧杯中溶液变浑浊
(2)镁条与盐酸反应放热，氢氧化钙的溶解度随温度的升高而减小
(3)Mg+2H +═Mg 2++H 2↑
(4)小于
【解析】镁片与盐酸的反应是放热反应，是由于反应物(Mg 和盐酸)的总能量高于生成物(MgCl 2和H 2)的总能量。

放出的热量通过小试管传递给饱和澄清石灰水溶液，使饱和澄清水的溶解度下降而析出Ca(OH)2。

【总结升华】放热反应可以对外界提供能量，吸热反应必须从外界吸收能量。

该放热反应使饱和石灰水的温度升高，Ca(OH)2的溶解度降低，从而观察到溶液变浑浊。

举一反三：
【变式1】下列反应既是氧化还原反应，又是吸热反应的是( )
A ．Ba(OH)2·8H 2O 与NH 4Cl 反应
B ．铝与稀盐酸
C ．灼热的炭与CO 2反应
D ．甲烷与O 2的燃烧反应
【答案】C
【解析】选项A ，反应Ba(OH)2·8H 2O+2NH 4Cl==2NH 3↑+BaCl 2+10H 2O 虽然是吸热反应，但不属于氧化还原反应；选项B ，2Al+6HCl=2AlCl 3+H 2↑虽然是氧化还原反应，但属于放热反应；选项C ，反应CO 2+C 2CO
是氧化还原反应，同时也是吸热反应；选项D ，CH 4+2O 2
CO 2+2H 2O 虽然是氧化还原反应，但属于放热反应。

【变式2】已知金刚石在一定条件下转化为石墨是放热的。

据此，以下判断或说法正确的是( )
A ．需要加热方能发生的反应一定是吸热反应
B ．放热反应在常温下一定很容易发生
C ．反应是放热还是吸热，必须看反应物和生成物所具有的总能量的相对大小
D ．吸热反应在一定条件下也能发生
【答案】D
【解析】本题考查反应是吸热反应还是放热反应与加热条件之间的关系。

判断一个反应是吸热反应还是放热反应，可以从比较反应物与生成物所具有的能量大小来考虑，也可以从比较断键吸收的能量与成键放出的能量大小来考虑，而与具体的反应条件并无绝对的关系，故A 、C 错。

放热反应和吸热反应在一定条件下都可能发生，反应开始时需加热的反应可能是放热反应也可能是吸热反应，放热反应在常温时也不一定能发生，比如燃烧时需要达到着火点，故B 错，而D 对。

【变式3】把下列物质分别加入装有水的锥形瓶里，立即塞紧带U 形管的塞子，已知U
形管内预先装有少量水(为使水容易观察，预先染成红色)，如右图所示，结果U 形管左侧液
面升高，则加入的物质可能是( )
A ．NaOH 固体
B ．浓H 2SO 4
C ．NH 4NO 3晶体
D ．Na 2O 2固体
【答案】C
【解析】U 形管左侧液面升高，原因只能是锥形瓶内空气压强减小，造成压强减小的因素是温度和锥形瓶内气体的体积。

NaOH 固体溶于水、浓H 2SO 4稀释温度均升高，NH 4NO 3晶体溶于水温度降低，Na 2O 2和水反应放热且有气体生成。

类型四：能源及其分类
例5、氢气是一种很有开发前景的能源物质，以水为原料大量制取氢气的最理想的途径是( )
A ．利用太阳能直接使水分解产生氢气
B ．以焦炭和水制取水煤气后分离出氢气
C ．用Fe 跟HCl 反应放出H 2
点燃
D．由热电站提供电力电解水产生氢气
【答案】A
【解析】A选项，利用太阳能直接使水分解产生氢气不会产生污染，成本低；B选项，C+H2O(g)CO+H2，产物CO有毒，且分离麻烦；C选项，用金属资源制取H2，成本高；D选项，电解水产生氢气，成本高。

【总结升华】制取物质时要考虑原料廉价、途径简单、产物种类少，成本低。

举一反三：
【变式1】下列关于能源和作为能源物质的叙述中错误的是( )
A．化石能源物质内部蕴藏着大量的能量
B．绿色植物进行光合作用时将太阳能转化为化学能贮存起来
C．物质的化学能可以在不同条件下转化为热能、电能为人类所利用
D．吸热反应没有利用价值
【答案】D
【解析】可以利用发生吸热反应降低温度等。