1.1.3 能源的充分利用学案 高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

新苏教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》PAGEPAGE1专题1化学反应与能量变化第一单元化学反应的热效应第3课时能源的充分利用学习目标1.能举例说明化学在解决能源危机中的重要作用，能分析能源的利用对自然环境和社会发展的影响。能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题，如煤炭的综合利用、新型电池的开发等。2.能进行反应焓变的简单计算。核心素养科学态度与社会责任：化学在解决能源危机中做出了重要贡献，主动关心与环境保护、资源开发等有关的社会热点问题，形成与环境和谐共处，合理利用资源的观念。具有“绿色化学”观念，能运用所学知识分析和探讨某些能源在使用过程中对人类健康、社会可持续发展可能带来的双重影响。知识梳理一、标准燃烧热1．概念在101kPa下，1mol物质的反应热叫做该物质的标准燃烧热。2．单位标准燃烧热属于反应热的一种，单位为。3．完全燃烧的含义物质中所含有的氮元素转化为，氢元素转化为，碳元素转化为，硫元素转化为SO2(g)。4．意义25℃时，甲烷的标准燃烧热为ΔH＝－890.3kJ·mol－1，热化学方程式为CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l)ΔH＝－890.3kJ·mol－1。表示甲烷完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)时放出890.3kJ[思考交流]1．什么是热值？热值较大的气体有哪些？2．书写标准燃烧热的热化学方程式时，可燃物的化学计量数有什么要求？3．石墨和金刚石都是碳的单质，它们的标准燃烧热是否相等？为什么？4．已知：CO的标准燃烧热是283.0kJ·mol－1，则14gCO在101kPa下完全燃烧放出的热量是多少？归纳·总结1．正确理解标准燃烧热(1)标准燃烧热一般是由实验测得的。物质燃烧时放出的热量多少与外界条件(如温度、压强)有关(如果未注明条件，就是指25℃、101kPa时的热量)(2)概念中的“1mol物质”是指1mol纯净物(单质或化合物)。(3)可燃物完全燃烧的指定产物为C→CO2(g)，H→H2O(l)，S→SO2(g)，N→N2(g)；C→CO不是完全燃烧，而S→SO3不是燃烧产物，生成的水为液态，不能是气态。(4)因为物质燃烧都是放热反应，故用文字叙述标准燃烧热时用正值；用ΔH表示标准燃烧热时，要加“－”，如CH4的标准燃烧热为890.3kJ·mol－1或ΔH＝－890.3kJ·mol－1。(5)标准燃烧热是以1mol纯物质完全燃烧生成指定产物时所放出的热量来定义的，因此在书写表示标准燃烧热的热化学方程式时，应以燃烧1mol物质为标准来配平其余物质的化学计量数，故在其热化学方程式中常出现分数。2．反应热、标准燃烧热和中和热的比较反应热标准燃烧热中和热概念在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境吸收的热在101kPa下，1mol物质完全燃烧的反应热在25℃和101kPa下，强酸的稀溶液与强碱的稀溶液发生中和反应生成1mol液态水时所能量的变化放热或吸热放热放热ΔH的大小放热时，ΔH<0；吸热时，ΔH>0ΔH<0ΔH<0反应条件一定温度下101kPa稀溶液反应物的量不限1mol物质不一定是1mol生成物的量不限不限1mol液态水巩固·练习1．下列关于标准燃烧热的说法中正确的是()A．在101kPa时，1mol物质完全燃烧的反应热，叫做该物质的标准燃烧热B．常温下，可燃物燃烧放出的热量C．在25℃、1.01×105Pa时，1molD．标准燃烧热随化学方程式前的化学计量数的改变而改变2．已知下列两个热化学方程式：①H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(l)ΔH1＝－285.8kJ·mol－1②C3H8(g)＋5O2(g)=3CO2(g)＋4H2O(l)ΔH2＝－2220kJ·mol－1实验测得H2和C3H8的混合气体共5mol，完全燃烧时放出的热量为3847.0kJ，则混合气体中H2与C3H8的体积之比是()A．1∶3 B．3∶1C．1∶4 D．1∶1二、能源的充分利用活动·探究将煤转化为水煤气的主要化学反应为C(s)＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))CO(g)＋H2(g)；C(s)、CO(g)和H2(g)完全燃烧的热化学方程式为=1\*GB3①C(s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH＝－393.5kJ·mol－1②H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－1③CO(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO2(g)ΔH＝－283.0kJ·mol－1[思考交流]1．根据以上数据，写出C(s)与水蒸气反应的热化学方程式。2．比较反应热数据可知，1molCO(g)和1molH2(g)完全燃烧放出的热量之和比1molC(s)完全燃烧放出的热量多。甲同学据此认为“煤转化为水煤气可以使煤燃烧放出更多的热量”；乙同学根据盖斯定律做出下列循环图：并据此认为“煤转化为水煤气再燃烧放出的热量与煤直接燃烧放出的热量相等”。甲、乙两同学谁的观点正确？为什么？3．请列举将煤转化为水煤气作为燃料的优点。归纳·总结1．能源及其重要作用自然界中，能为人类提供能量的物质或物质运动统称能源，包括阳光、风力、流水、生物质能、地热能、潮汐、核能、化石燃料(煤、石油和天然气)等。能源是国民经济和社会发展的重要物质基础，它的开发和有效利用程度以及人均消费量，是一个国家生产技术水平和生活水平的重要标志。2．我国的能源状况(1)我国的能源总量较丰富，约占世界能源总量的十分之一，但人均能源可采储量远低于世界平均水平。(2)我国的能源结构不平衡、资源分布不均衡。目前我国能源消费快速增长，消费结构以煤为主，以石油、天然气为辅，以流水、核能、风力、阳光为补充。3．解决能源危机的措施(1)“开源”，即开发核能、风能、太阳能等新能源。(2)“节流”，加大节能减排的力度，提高能源利用效率。4．新能源特点及开发人类理想中的新能源应具有资源丰富、可再生、无污染或少污染等特点，只有这样才能实现人类社会绿色、生态化、可持续的发展。当前，我国大力倡导“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”，降低能耗，努力开发和研究太阳能、氢能、风能、地热能、潮汐能和生物质能等多种形式的新能源及其应用。巩固·练习1．能源与我们的日常生活密切相关，下列有关能源的叙述不正确的是()A．化石能源是不可再生能源B．发展太阳能有助于减缓温室效应C．使用乙醇汽油可以减少汽车尾气排放造成的大气污染D．人类利用的能源都是通过化学反应获得的2．“世界环境日”主题之一是促进物质的循环利用。有专家指出，可利用太阳能对燃烧产物CO2、H2O、N2等进行处理，使它们重新组合，实现如图所示的转化。在此循环中太阳能最终转化为()A．化学能 B．热能C．生物质能 D．电能三、计算反应热（ΔH）的几种方法活动·探究1．已知由氢气和氧气反应生成4.5g水蒸气时放出60.45kJ的热量，试计算反应2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)的ΔH。2．根据下表中的键能数据：化学键C—HC—FH—FF—F键能/(kJ·mol－1)414489565155估算CH4(g)＋4F2(g)=CF4(g)＋4HF(g)的反应热ΔH。3．(1)工业上制取硝酸铵的流程如下图所示：eq\x(NH3)eq\o(→,\s\up7(Ⅰ))eq\x(NO)eq\o(→,\s\up7(Ⅱ))eq\x(NO2)eq\o(→,\s\up7(Ⅲ))eq\x(HNO3)eq\o(→,\s\up7(Ⅳ))eq\x(NH4NO3)已知：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)ΔH＝－1745.2kJ·mol－1；6NO(g)＋4NH3(g)5N2(g)＋6H2O(g)ΔH＝－1925.2kJ·mol－1。则反应Ⅰ的热化学方程式可表示为________________________________________________。(2)用O2将HCl转化为Cl2，可提高效益，减少污染。传统上该转化通过如图所示的催化循环实现。其中，反应①为2HCl(g)＋CuO(s)H2O(g)＋CuCl2(s)ΔH1反应②生成1molCl2(g)的反应热为ΔH2，则总反应的热化学方程式为________________________________________________________________________(反应热用ΔH1和ΔH2表示)。归纳·总结反应热的计算依据及计算方法计算依据计算方法热化学方程式热化学方程式可以左右颠倒同时改变ΔH的正负号，各物质化学式前的系数及ΔH数值的绝对值可以同时扩大或缩小相同的倍数盖斯定律先根据盖斯定律采取“加和法”或“虚拟路径法”写出目标热化学方程式，然后进行相应的计算标准燃烧热物质完全燃烧放出的热量＝n(物质)×其|标准燃烧热|化学键的变化ΔH＝反应物的化学键断裂所吸收的能量之和－生成物的化学键形成所释放的能量之和反应物和生成物的总能量ΔH＝E生成物－E反应物图像信息(a、b、c均大于0)ΔH＝(E2－E1)kJ·mol－1＝(a－b)kJ·mol－1＝－ckJ·mol－1图像信息(a、b、c均大于0)ΔH＝(E2－E1)kJ·mol－1＝(a－b)kJ·mol－1＝＋ckJ·mol－1巩固·练习1．在25℃、101kPa条件下，C(s)、H2(g)、CH3COOH(l)的标准燃烧热分别为393.5kJ·mol－1、285.8kJ·mol－1、870.3kJ·mol－1，则2C(s)＋2H2(g)＋O2(g)=CH3COOH(l)的反应热为(A．－488.3kJ·mol－1 B．＋488.3kJ·mol－1C．－191kJ·mol－1 D．＋191kJ·mol－12．请完成下列填空：(1)已知2N2O5(g)=2N2O4(g)＋O2(g)ΔH1＝－4.4kJ·mol－12NO2(g)=N2O4(g)ΔH2＝－55.3kJ·mol－1则反应N2O5(g)=2NO2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。(2)CO2与CH4经催化重整，制得合成气的化学方程式为CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)。已知上述反应中相关的化学键键能数据如下：化学键C—HC=OH—HCO(CO)键能/(kJ·mol－1)4137454361075则该反应的ΔH＝__________________。3．(1)实验测得，5g甲醇(CH3OH)液体在氧气中充分燃烧生成二氧化碳气体和液态水时释放出113.5kJ的热量，则表示甲醇标准燃烧热的热化学方程式为_____________________________________________________________________________________________。(2)从化学键的角度分析，化学反应的过程就是反应物的化学键断裂和生成物的化学键形成的过程。在化学反应过程中，断裂化学键需要消耗能量，形成化学键又会释放能量。化学键H—HN—HN≡N键能/(kJ·mol－1)436391945已知：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝akJ·mol－1，根据上表中所列键能数据可计算出a＝________。(3)根据下图图像写出反应CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)的热化学方程式：________________________________________________________________________。当堂检测1．已知：CH4在一定条件下可发生一系列反应，如图所示。下列有关说法不正确的是()A．ΔH1>ΔH5 B．ΔH3＝ΔH2－ΔH5C．ΔH1＝ΔH2＋ΔH3＋ΔH4 D．ΔH4>02．根据表中的键能数据，可知CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)的ΔH为()化学键O=OC—HH—OCO键能/(kJ·mol－1)497414463803A．－379kJ·mol－1 B．－808kJ·mol－1C．－1656kJ·mol－1 D．－2532kJ·mol－13．金刚石与石墨是碳的两种同素异形体。已知25℃、101kPa下，C(石墨，s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH1＝－393.51kJ·mol－1，C(金刚石，s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH2＝－395.41kJ·mol－1。下列说法或表达正确的是(A．“钻石恒久远，一颗永流传”，说明金刚石比石墨稳定B．C(石墨，s)=C(金刚石，s)ΔH>0C．已知金刚石在隔绝空气的条件下加热到1000℃D．金刚石是天然存在的最硬的物质，所以不能用石墨为原料人工合成金刚石4．已知：H2和CH4的标准燃烧热分别为ΔH＝－285.8kJ·mol－1和ΔH＝－890kJ·mol－1，112LH2和CH4的混合气体(标准状况下)完全燃烧生成CO2和液态水时放出3695kJ的热量，则混合气体中H2和CH4的物质的量之比是________。5．(1)随着化石能源的减少，新能源的开发利用日益迫切。Bunsen热化学循环制氢工艺由下列三个反应组成：SO2(g)＋I2(g)＋2H2O(g)=2HI(g)＋H2SO4(l)ΔH＝akJ·mol－12H2SO4(l)=2H2O(g)＋2SO2(g)＋O2(g)ΔH＝bkJ·mol－12HI(g)=H2(g)＋I2(g)ΔH＝ckJ·mol－1则：2H2O(g)=2H2(g)＋O2(g)ΔH＝____________kJ·mol－1。(2)据粗略统计，我国没有经过处理便排放的焦炉煤气已超过250亿立方米，这不仅是能源的浪费，也对环境造成了极大污染。为解决这一问题，我国在2004年起已利用焦炉煤气制取甲醇及二甲醚。已知CO中的C与O之间为三键连接，且合成甲醇的主要反应原理为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH。下表所列为常见化学键的键能数据：化学键C—CC—HH—HC—OCOH—O键能/(kJ·mol－1)348414436326.81032464则该反应的ΔH＝__________kJ·mol－1。(3)恒温恒容条件下，硫可以发生如下转化，其反应过程和能量关系如图所示。已知：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1=1\*GB3①写出能表示硫的标准燃烧热的热化学方程式：________________________________________________________________________。②ΔH2＝________kJ·mol－1。

参考答案知识梳理一、1．完全燃烧2．kJ·mol－13．N2(g)H2O(l)CO2(g)4．1mol[思考交流]1．提示：1g物质完全燃烧的反应热叫做该物质的热值。对气体而言，热值较大的有H2、CH4、C2H6等。2．提示：可燃物的化学计量数必须为1，因为标准燃烧热是指1mol物质完全燃烧的反应热。3．提示：不相等。因为等物质的量的石墨和金刚石具有的能量不相等，等物质的量的石墨和金刚石完全燃烧时，金刚石放出的热量大于石墨放出的热量。4．提示：14gCO的物质的量是0.5mol，所以放出的热量为283.0kJ·mol－1×0.5mol＝141.5kJ。巩固·练习1．【答案】A【解析】在101kPa时，1mol物质完全燃烧的反应热，叫做该物质的标准燃烧热，A正确，B错误，C错误。标准燃烧热是指1mol可燃物完全燃烧释放的热量，与化学计量数无关，D错误。2．【答案】B【解析】方法一设H2的物质的量为x，则依据题意有285.8kJ·mol－1×x＋2220.0kJ·mol－1×(5mol－x)＝3847.0kJ，解得x≈3.75mol，即C3H8的物质的量为1.25mol，二者的物质的量之比为3.75∶1.25＝3∶1，则同温同压下，二者的体积之比为3∶1。方法二混合气体的平均标准燃烧热为3847.0kJ÷5mol＝769.4kJ·mol－1，则有1450.6∶483.6≈3∶1，即二者的体积之比是3∶1。二、活动·探究[思考交流]1．提示：根据盖斯定律，由①－②－③即可得C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)ΔH＝131.3kJ·mol－1。2．提示：由问题1可知煤转化为水煤气是吸热反应，而甲同学正是忽略了这个问题，才认为“煤转化为水煤气可以使煤燃烧放出更多的热量”。故乙同学的观点正确。3．提示：减少污染，燃烧充分，方便运输等。巩固·练习1．【答案】D【解析】化石能源包括石油、煤和天然气，不可再生，A项正确；发展太阳能可减少CO2的排放，B项正确；普通汽油中含有硫、氮等元素，燃烧会产生二氧化硫和氮氧化物等有害气体，造成大气污染，使用乙醇汽油可减少大气污染，C项正确；水能、风能等不需要通过化学反应就能获得，D项错误。2．【答案】B【解析】图中由CO2、H2O、N2转化为燃料CH4、CH3OH、NH3是在太阳能的作用下完成的，然后燃料燃烧释放出热量，即太阳能先转化为化学能，最终转化为热能，B项正确。三、活动·探究1．提示：已知生成4.5g水蒸气(即0.25mol)放出60.45kJ的热量2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH2mol1mol2mol|ΔH|0.25mol60.45kJ则eq\f(2,0.25)＝eq\f(|ΔH|,60.45)|ΔH|＝483.6kJ·mol－1由于反应放热，所以ΔH＝－483.6kJ·mol－1。2．提示：根据ΔH＝反应物的键能总和－生成物的键能总和，得ΔH＝(4×414＋4×155－4×489－4×565)kJ·mol－1＝－1940kJ·mol－1。3．提示：(1)将已知的两个热化学方程式从上到下依次标记为①和②，根据盖斯定律由①×5－②×4得：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)ΔH＝－1025.2kJ·mol－1。(2)设2HCl(g)＋CuO(s)H2O(g)＋CuCl2(s)ΔH1①由图得2CuCl2(s)＋O2(g)=2CuO(s)＋2Cl2(g)2ΔH2②运用盖斯定律：①×2＋②得总反应：4HCl(g)＋O2(g)=2H2O(g)＋2Cl2(g)ΔH＝2ΔH1＋2ΔH2。巩固·练习1．【答案】A【解析】由25℃、101kPa条件下，H2(g)、C(s)和CH3COOH(l)的标准燃烧热分别是285.8kJ·mol－1、393.5kJ·mol－1和870.3kJ·mol－1，得H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(l)ΔH＝－285.8kJ·mol－1①，C(s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH＝－393.5kJ·mol－1②，CH3COOH(l)＋2O2(g)=2CO2(g)＋2H2O(l)ΔH＝－870.3kJ·mol－1③，由盖斯定律可知，①×2＋②×2－③可得反应2C(s)＋2H2(g)＋O2(g)=CH3COOH(l)ΔH＝2ΔH1＋2ΔH2－ΔH3＝2×(－285.8kJ·mol－1)＋2×(－393.5kJ·mol－1)＋870.3kJ·mol－1＝－488.3kJ·mol－1。2．【答案】(1)53.1(2)＋120kJ·mol－1【解析】(1)已知2N2O5(g)=2N2O4(g)＋O2(g)ΔH1＝－4.4kJ·mol－1、2NO2(g)=N2O4(g)ΔH2＝－55.3kJ·mol－1，根据盖斯定律可知反应N2O5(g)=2NO2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)的ΔH＝eq\f(1,2)ΔH1－ΔH2＝eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(1,2)×（－4.4）－（－55.3）))kJ·mol－1＝(－2.2＋55.3)kJ·mol－1＝53.1kJ·mol－1。(2)对于反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，断裂反应物中的化学键吸收的能量E1＝(413×4＋745×2)kJ＝3142kJ，形成生成物中化学键释放的能量E2＝(2×1075＋2×436)kJ·mol－1＝3022kJ·mol－1，则E1>E2，反应为吸热反应，因此ΔH＝E1－E2＝＋120kJ·mol－1。3．【答案】(1)CH3OH(l)＋eq\f(3,2)O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l)ΔH＝－726.4kJ·mol－1(2)－93(3)CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)ΔH＝－91kJ·mol－1【解析】(1)5g液态CH3OH在氧气中充分燃烧生成CO2气体和液态水时放出113.5kJ热量，故32g即1mol液态CH3OH在氧气中充分燃烧生成CO2气体和液态水时放出eq\f(32,5)×113.5kJ＝726.4kJ热量，则表示甲醇标准燃烧热的热化学方程式为CH3OH(l)＋eq\f(3,2)O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l)ΔH＝－726.4kJ·mol－1。(2)N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)的ΔH＝945kJ·mol－1＋436kJ·mol－1×3－391kJ·mol－1×6＝－93kJ·mol－1，故a＝－93。(3)ΔH＝419kJ·mol－1－510kJ·mol－1＝－91kJ·mol－1，故该反应的热化学方程式为CO(g)＋2H2(g)=CH3OH(g)ΔH＝－91kJ·mol－1。当堂检测1．【答案】B【解析】根据盖斯定律，ΔH1＝ΔH2＋ΔH3＋ΔH4＝ΔH4＋ΔH5，ΔH4是反应2H2O(l)=2H2O(g)的焓变，则ΔH4>0，ΔH1>ΔH5，A、C、D项正确；根据ΔH2＋ΔH