1.1.3 能源的充分利用学案2023-2024学年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第三课时能源的充分利用【课程标准要求】1.认识标准燃烧热的概念，掌握表示标准燃烧热的热化学方程式的书写和有关标准燃烧热的简单计算。2.了解能源的种类、特点和我国目前的能源状况及应对能源危机所采取的措施，知道能源是人类生存和社会发展的重要基础。一、标准燃烧热和热值1.标准燃烧热(1)概念：在101kPa下，1mol物质完全燃烧的反应热叫做该物质的标准燃烧热。单位为kJ·mol－1。(2)物质完全燃烧的含义：物质中所含有的氮元素转化为N2(g)，氢元素转化为H2O(l)，碳元素转化为CO2(g)，硫元素转化为SO2(g)。(3)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1__mol甲烷完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)时放出890.3kJ的热量。2.热值：1__g物质完全燃烧的反应热叫做该物质的热值。【微自测】1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)硫完全燃烧生成二氧化硫时，放出的热量为硫的标准燃烧热()(2)在101kPa时，1mol碳燃烧所放出的热量为碳的标准燃烧热()(3)在101kPa时，由2CO(g)＋O2(g)=2CO2(g)ΔH＝－566kJ·mol－1可知，CO的标准燃烧热为ΔH＝－283kJ·mol－1()(4)乙炔的标准燃烧热为ΔH＝－1299.6kJ·mol－1，则2C2H2(g)＋5O2(g)=4CO2(g)＋2H2O(g)反应的ΔH＝－2599.2kJ·mol－1()答案(1)×(2)×(3)√(4)×二、能源1.能源的概念及其分类(1)概念能源是指可以提供能量的自然资源，它包括化石燃料、阳光、风力、流水、潮汐等。(2)分类分类依据种类举例转换过程一次能源太阳能、风能、化石燃料、地热能、潮汐能等二次能源电能、氢能、石油加工产品、煤的加工产品等使用历史常规能源化石燃料新能源太阳能、风能、核能、氢能、生物质能等能源性质可再生能源太阳能、风能、氢能、生物质能不可再生能源化石燃料、核能2.化石燃料和新能源(1)化石燃料的弊端：蕴藏量有限、不能再生；利用率低；污染环境，特别是会造成酸雨和温室效应。(2)太阳能是能量巨大的清洁能源，缺点是能量密度小，受地域和季节的影响大。(3)氢能有三大优点：一是热值高，二是资源丰富，三是无毒、无污染。缺点是储存、运输困难。3.能源危机的解决方法开发新能源，节约现有能源，提高能源的利用率。【微自测】2.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)我国目前使用的主要能源是化石燃料()(2)提高燃料的燃烧效率对于节约能源并不重要()(3)氢能是一种理想的绿色能源，现在的科技水平已经能够全面推广使用氢能()(4)现在家庭使用的天然气是清洁的新能源()(5)太阳能、风能、氢能、地热能、海洋能和生物质能等都是新能源()答案(1)√(2)×(3)×(4)×(5)√标准燃烧热的理解与应用能源是国民经济和社会发展的重要物质基础，我国目前使用的主要能源来自煤、石油、天然气等化石燃料，例如乙烯、丙烷、汽油、柴油均来自石油的加工。燃料燃烧过程放出的热量是人类生活和生产所需能量的重要来源，不同的燃料，完全燃烧后放出的热量也不相等。我们一般从以下几个方面来选择燃料：燃料的标准燃烧热、热值、储量、开采、运输、储存条件、价格、对生态环境的影响等。(1)理解标准燃烧热的概念时需注意哪些事项？提示标准燃烧热研究的条件是25℃、101kPa；可燃物的用量为1mol；反应的程度是完全燃烧，生成的产物是稳定的氧化物(氮除外)。(2)怎样理解“完全燃烧”？提示“完全燃烧”指单质(或化合物)燃烧后变为最稳定的物质(不能再燃烧了)，“稳定”既包含化学性质的稳定，也包含物质所处的状态稳定。(3)书写表示标准燃烧热的热化学方程式需注意什么？提示书写表示标准燃烧热的热化学方程式时可燃物的化学计量数必须为1。标准燃烧热及表示标准燃烧热的热化学方程式(2)标准燃烧热是以1mol物质完全燃烧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。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，1mol纯物质燃烧时所放出的热量D.标准燃烧热随化学方程式前的化学计量数的改变而改变答案A2.下列热化学方程式中能表示可燃物标准燃烧热的是()A.CO(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO2(g)ΔH＝－283kJ·mol－1B.CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－802.3kJ·mol－1C.2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)ΔH＝－571.6kJ·mol－1D.2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH＝－484.0kJ·mol－1答案A解析表示标准燃烧热的热化学方程式要求1mol纯物质完全燃烧，生成稳定的产物。符合要求的只有A项。3.25℃、101kPa下，碳、氢气、甲烷和葡萄糖的标准燃烧热依次是ΔH＝－393.5kJ·mol－1、ΔH＝－285.8kJ·mol－1、ΔH＝－890.31kJ·mol－1、ΔH＝－2800kJ·mol－1，则下列热化学方程式正确的是()A.C(s)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO(g)ΔH＝－393.5kJ·mol－1B.2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH＝－571.6kJ·mol－1C.CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－890.31kJ·mol－1D.eq\f(1,2)C6H12O6(s)＋3O2(g)=3CO2(g)＋3H2O(l)ΔH＝－1400kJ·mol－1答案D解析根据标准燃烧热的概念中生成稳定氧化物的含义可知，CO2(g)是C的稳定氧化物，生成的H2O应该为液态，只有D项正确。4.计算填空。(1)在25℃、101kPa时，一定量氢气在足量的氧气中完全燃烧生成3.6gH2O(l)放出57.16kJ的热量。H2的标准燃烧热ΔH＝________，该条件下氢气的热值为________kJ·g－1。(2)在25℃、101kPa时，CH4的热值为55.625kJ·g－1，该条件下CH4的标准燃烧热为________。112L(标准状况下)CH4气体完全燃烧生成CO2和液态水时放出的热量为________。答案(1)－285.8kJ·mol－1142.9(2)890kJ·mol－14450kJ解析(1)H2的标准燃烧热应以燃烧1molH2为标准，当H2完全燃烧生成0.2molH2O(l)时，需燃烧0.2molH2，故H2的标准燃烧热ΔH＝－eq\f(57.16kJ,0.2mol)＝－285.8kJ·mol－1，1molH2的质量为2g，则氢气的热值为eq\f(285.8kJ,2g)＝142.9kJ·g－1。(2)1molCH4的质量为16g，则1molCH4完全燃烧放出的热量为55.625kJ·g－1×16g＝890kJ，则CH4的标准燃烧热是ΔH＝－890kJ·mol－1。n(CH4)＝eq\f(112L,22.4L·mol－1)＝5mol，放出的热量为5mol×890kJ·mol－1＝4450kJ。微专题2反应热的计算与比较一、反应热(ΔH)计算的常用方法(一)利用键能计算ΔH【典例1】CO2与CH4经催化重整，制得合成气：CH4(g)＋CO2(g)eq\o(,\s\up7(催化剂))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—H键能/kJ·mol－14137454361075则该反应的ΔH＝________。答案＋120kJ·mol－1解析ΔH＝[4×E(C—H)＋2×E(C=O)]－[2×E(C←,=)O)＋2×E(H—H)]＝(4×413＋2×745)kJ·mol－1－(2×1075＋2×436)kJ·mol－1＝＋120kJ·mol－1。【方法技巧】利用键能计算ΔH的方法(1)计算公式：ΔH＝反应物的总键能－生成物的总键能。(2)计算关键：利用键能计算反应热的关键，就是要算清物质中化学键的数目，清楚中学阶段常见单质、化合物中所含共价键的种类和数目。物质H2OCH4NH3CO2所含共价键H—OC—HN—HC=O每摩尔微粒所含共价键的数目(NA)2432物质P4SiO2石墨金刚石所含共价键P—PSi—OC—CC—C每摩尔微粒所含共价键的数目(NA)641.52【迁移应用】1.能源短缺是全球面临的问题，用CO2来生产燃料甲醇的反应原理为CO2(g)＋3H2(g)=CH3OH(g)＋H2O(g)。已知某些化学键的键能数据如下表所示。则该反应的ΔH为()化学键C—HH—HC—OC=OH—O键能/(kJ·mol－1)413.4436.0351.0745.0462.8A.－46.2kJ·mol－1 B.＋46.2kJ·mol－1C.－181.6kJ·mol－1 D.＋181.6kJ·mol－1答案C解析ΔH＝反应物总键能－生成物总键能＝(745.0×2＋436.0×3)kJ·mol－1－(413.4×3＋351.0＋462.8＋462.8×2)kJ·mol－1＝－181.6kJ·mol－1。(二)根据盖斯定律计算ΔH【典例2】CH4—CO2催化重整反应为CH4(g)＋CO2(g)=2CO(g)＋2H2(g)。已知：C(s)＋2H2(g)=CH4(g)ΔH＝－75kJ·mol－1C(s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH＝－394kJ·mol－1C(s)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO(g)ΔH＝－111kJ·mol－1该催化重整反应的ΔH＝________kJ·mol－1。答案247解析将题给三个反应依次编号为①②③，根据盖斯定律，由③×2－①－②可得CH4(g)＋CO2(g)=2CO(g)＋2H2(g)ΔH＝247kJ·mol－1。【迁移应用】2.烟气(主要污染物SO2、NOx)经O3预处理后用CaSO3水悬浮液吸收，可减少烟气中SO2、NOx的含量。O3氧化烟气中SO2、NOx的主要反应的热化学方程式为①NO(g)＋O3(g)=NO2(g)＋O2(g)ΔH1＝－200.9kJ·mol－1②NO(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=NO2(g)ΔH2＝－58.2kJ·mol－1则反应3NO(g)＋O3(g)=3NO2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。答案－317.3解析将热化学方程式①＋②×2可得3NO(g)＋O3(g)=3NO2(g)ΔH＝ΔH1＋2×ΔH2＝－200.9kJ·mol－1＋2×(－58.2kJ·mol－1)＝－317.3kJ·mol－1。(三)根据物质的标准燃烧热(ΔH)计算反应的ΔH【典例3】已知在101kPa下CH4(g)、H2(g)、C(s)的标准燃烧热分别为890.83kJ·mol－1、285.83kJ·mol－1和393.51kJ·mol－1，则反应C(s)＋2H2(g)=CH4(g)的反应热ΔH＝________。答案－74.34kJ·mol－1解析由题意知，CH4(g)、H2(g)、C(s)的标准燃烧热分别为ΔH1＝－890.83kJ·mol－1，ΔH2＝－285.83kJ·mol－1、ΔH3＝－393.51kJ·mol－1，则反应C(s)＋2H2(g)=CH4(g)的反应热ΔH＝反应物标准燃烧热(ΔH)之和－生成物标准燃烧热(ΔH)之和＝ΔH3＋2ΔH2－ΔH1＝－393.51kJ·mol－1－2×285.83kJ·mol－1＋890.83kJ·mol－1＝－74.34kJ·mol－1。【方法技巧】利用物质的标准燃烧热(ΔH)计算反应热(ΔH)ΔH＝反应物标准燃烧热(ΔH)之和－生成物标准燃烧热(ΔH)之和【迁移应用】3.石油化工生产中，利用裂解反应可以获得重要化工原料乙烯、丙烯。一定条件下，正丁烷裂解的主反应如下：反应ⅠC4H10(g)eq\o(,\s\up7(催化剂))CH4(g)＋CH3CH=CH2(g)ΔH1反应ⅡC4H10(g)eq\o(,\s\up7(催化剂))C2H6(g)＋CH2=CH2(g)ΔH2正丁烷、乙烷和乙烯的标准燃烧热分别为Q1kJ·mol－1、Q2kJ·mol－1、Q3kJ·mol－1，反应Ⅱ的ΔH2＝________。答案(Q2＋Q3－Q1)kJ·mol－1解析由题意，正丁烷、乙烷、乙烯的标准燃烧热分别为ΔH1＝－Q1kJ·mol－1，ΔH2＝－Q2kJ·mol－1，ΔH3＝－Q3kJ·mol－1，则反应C4H10(g)eq\o(,\s\up7(催化剂))C2H6(g)＋CH2=CH2(g)的ΔH＝ΔH1－ΔH2－ΔH3＝－Q1kJ·mol－1＋Q2kJ·mol－1＋Q3kJ·mol－1＝(Q2＋Q3－Q1)kJ·mol－1。(四)其他计算方法计算依据计算方法根据热化学方程式热化学方程式与数学上的方程式相似，可以左右颠倒同时改变正、负号，各项的化学计量数包括ΔH的数值可以同时扩大或缩小相同的倍数根据反应物和生成物的总能量(反应过程的能量变化图)ΔH＝E(生成物)－E(反应物)【迁移应用】4.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)写出能表示硫的标准燃烧热的热化学方程式：_____________________________________________________________。(2)ΔH2＝________kJ·mol－1。答案(1)S(s)＋O2(g)=SO2(g)ΔH＝－297kJ·mol－1(2)－78.64解析(1)由图可知1molS(s)完全燃烧放出的热量为297kJ，故能表示硫的标准燃烧热的热化学方程式为S(s)＋O2(g)=SO2(g)ΔH＝－297kJ·mol－1。(2)由图可知，参加反应的n(SO2)＝1mol－0.2mol＝0.8mol，根据2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1，ΔH2＝0.8×eq\f(1,2)×(－196.6kJ·mol－1)＝－78.64kJ·mol－1。二、反应热(ΔH)的大小比较【典例4】室温下，将1mol的CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低，热效应为ΔH1，将1mol的CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高，热效应为ΔH2；CuSO4·5H2O受热分解的化学方程式为CuSO4·5H2O(s)=CuSO4(s)＋5H2O(l)，热效应为ΔH3。则下列判断正确的是()A.ΔH2＞ΔH3 B.ΔH1＜ΔH3C.ΔH1＋ΔH3＝ΔH2 D.ΔH1＋ΔH2＞ΔH3答案B解析1molCuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低，为吸热反应，故ΔH1＞0，1molCuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高，为放热反应，故ΔH2＜0，1molCuSO4·5H2O(s)溶于水可以分为两个过程，先分解成1molCuSO4(s)和5mol水，然后1molCuSO4(s)再溶于水，CuSO4·5H2O的分解为吸热反应，即ΔH3＞0，根据盖斯定律得到关系式ΔH1＝ΔH2＋ΔH3，分析得到答案；ΔH1＜ΔH3。【方法技巧】反应热大小的比较方法(1)利用盖斯定律与常识比较如①2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH1②2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)ΔH2由①－②可得2H2O(l)=2H2O(g)ΔH＝ΔH1－ΔH2＞0，则ΔH1＞ΔH2。(2)利用能量变化图比较由图像可以看出放出或吸收热量的多少，若是放热反应，放出的热量越多，ΔH越小；若是吸热反应，吸收的热量越多，ΔH越大，故ΔH1＞ΔH2。【迁移应用】5.已知下列热化学方程式：(1)H2(g)＋1/2O2(g)=H2O(g)ΔH1＝akJ·mol－1(2)2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH2＝bkJ·mol－1(3)H2(g)＋1/2O2(g)=H2O(l)ΔH3＝ckJ·mol－1(4)2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)ΔH4＝dkJ·mol－1则a、b、c、d的关系正确的是()A.a＜c＜0 B.b＞d＞0C.2a＝b＜0 D.2c＝d＞0答案C解析在比较ΔH时不仅要看物质的量与聚集状态，还要看正、负。该题中反应都是放热反应，故ΔH1、ΔH2、ΔH3、ΔH4，即a、b、c、d均小于0，(2)中反应物是(1)中反应物的2倍，故放出的热量也是(1)中放出热量的2倍，故2a＝b＜0，同时，2c＝d＜0；(1)中生成气态水，而(3)中生成液态水，(1)比(3)放出的热量少，故c＜a＜0，同时，d＜b＜0；本题正确答案为C。6.已知：C(s)＋O2(g)=CO2(g)ΔH1CO2(g)＋C(s)=2CO(g)ΔH22CO(g)＋O2(g)=2CO2(g)ΔH34Fe(s)＋3O2(g)=2Fe2O3(s)ΔH43CO(g)＋Fe2O3(s)=3CO2(g)＋2Fe(s)ΔH5下列关于上述反应焓变的判断正确的是()A.ΔH1＞0，ΔH3＜0 B.ΔH2＞0，ΔH4＞0C.ΔH1＝ΔH2＋ΔH3 D.ΔH3＝ΔH4＋2ΔH5答案C解析物质的燃烧反应均为放热反应，则ΔH1、ΔH3、ΔH4均小于0，故A、B项错误；将题给的5个热化学方程式依次编号为①、②、③、④、⑤，根据盖斯定律，①＝②＋③，故ΔH1＝ΔH2＋ΔH3，C项正确；根据盖斯定律，3×③＝④＋2×⑤，故3ΔH3＝ΔH4＋2ΔH5，D项错误。1.“能源分类相关图”如图所示，四组能源选项中全部符合图中阴影部分的能源是()A.煤炭、汽油、潮汐能 B.水能、生物质能、天然气C.太阳能、风能、沼气 D.地热能、海洋能、核能答案C解析煤炭、天然气属于化石燃料，属于不可再生能源，也不是新能源，潮汐能来自月球的吸引，A、B项错误；地热能来自地球本身，绝大多数海洋能来自太阳能，核能来自原子核的裂变，D项错误。2.已知H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－1。下列说法错误的是()A.H2的标准燃烧热为241.8kJ·mol－1B.2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH＝－483.6kJ·mol－1C.1molH2(g)完全燃烧生成液态水放出的热量大于241.8kJD.断裂1molH2O(g)的化学键吸收的总能量大于断裂1molH2(g)和0.5molO2(g)的化学键所吸收的总能量答案A解析由气态水转化为液态水需要放出热量，所以1molH2(g)完全燃烧生成液态水放出的热量大于241.8kJ，A项错误、C项正确；H2燃烧放热，说明断裂1molH2(g)和0.5molO2(g)的化学键所吸收的总能量小于形成1molH2O(g)的化学键释放的总能量，而形成1molH2O(g)的化学键释放的总能量等于断裂1molH2O(g)的化学键吸收的总能量，D项正确。3.能源与可持续发展密切相关。下列说法正确的是()