高三化学化学反应与能量专题

一、 反应热　热化学方程式

1. 焓变ΔH的计算

书写热化学方程式(写出图1、图2中反应的热化学方程式)：

图1：CO(g)＋H₂O(g)===CO₂(g)＋H₂(g) ΔH＝－41 kJ/mol。

图2：N₂(g)＋3H₂(g)2NH₃(l) ΔH＝－2(b＋c－a) kJ/mol。

      

图1                                图2

例1. (2018·江苏卷)NO_x(主要指NO和NO₂)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NO_x是环境保护的重要课题。用水吸收NO_x的相关热化学方程式如下：

①2NO₂(g)＋H₂O(l)===HNO₃(aq)＋HNO₂(aq) ΔH₁＝－116.1 kJ/mol

②3HNO₂(aq)===HNO₃(aq)＋2NO(g)＋H₂O(l) ΔH₂＝＋75.9 kJ/mol

反应3NO₂(g)＋H₂O(l)===2HNO₃(aq)＋NO(g)的ΔH＝－136.2kJ/mol。

  (2023·南通二调)乙硫醇(C₂H₅SH)的综合利用及治理是当前环境领域关注的焦点之一。家用煤气中可掺入微量具有难闻气味的乙硫醇。已知：

C₂H₅OH(g)＋H₂S(g)===C₂H₅SH(g)＋H₂O(g)ΔH₁＝－32 kJ/mol

C₂H₅OH(g)＋3O₂(g)===2CO₂(g)＋3H₂O(g)ΔH₂＝－1 277 kJ/mol

2H₂S(g)＋3O₂(g)===2SO₂(g)＋2H₂O(g)ΔH₃＝－1 036 kJ/mol

则反应：2C₂H₅SH(g)＋9O₂(g)===4CO₂(g)＋6H₂O(g)＋2SO₂(g)的ΔH＝－3 526 kJ/mol。

【解析】 设给定的三个热化学方程式分别为①②③，由盖斯定律可知，③＋2×②－2×①可得：2C₂H₅SH(g)＋9O₂(g)===4CO₂(g)＋6H₂O(g)＋2SO₂(g) ΔH＝ΔH₃＋2ΔH₂－2ΔH₁＝－1 036 kJ/mol－2×1 277 kJ/mol＋ 2×32 kJ/mol＝－3 526 kJ/mol。

例2.(2017·江苏卷)通过以下反应可获得新型能源二甲醚(CH₃OCH₃)。下列说法错误的是 (     )

①C(s)＋H₂O(g)===CO(g)＋H₂ (g) ΔH₁＝a kJ/mol

②CO(g)＋H₂O(g)===CO₂(g)＋H₂(g) ΔH₂＝b kJ/mol

③CO₂(g)＋3H₂(g)===CH₃OH(g)＋H₂O(g) ΔH₃＝c kJ/mol

④2CH₃OH(g)===CH₃OCH₃ (g)＋H₂O(g) ΔH₄＝d kJ/mol

A. 反应①②为反应③提供原料气

B. 反应③也是CO₂资源化利用的方法之一

C. 反应CH₃OH(g)===2(1)CH₃OCH₃ (g)＋2(1)H₂O(l)的ΔH ＝2(d) kJ/mol

D. 反应2CO(g)＋4H₂(g)===H₂O(g)＋CH₃OCH₃ (g)的ΔH＝(2b＋2c＋d)kJ/mol

 

2. 常考归纳

(1)在101kPa时，1mol纯物质完全燃烧生成指定产物时所放出的热量，叫作该物质的燃烧热。“指定产物”指可燃物中的C元素变为CO₂(g)，H元素变为H₂O(l)，S元素变为SO₂(g)，N元素变为N₂(g)等。

(2)在25 ℃和101 kPa下，强酸的稀溶液与强碱的稀溶液发生中和反应生成1mol H₂O时，放出57.3 kJ的热量。

①若用弱酸代替强酸(或用弱碱代替强碱)，由于电离吸热，则放出的热量减少。

②若用浓硫酸(或NaOH固体)作反应物，则放出的热量增多。

③若是稀硫酸和Ba(OH)₂稀溶液反应，则生成 1 mol H₂O时所释放的热量会比57.3 kJ多。原因是H^＋与OH^－结合生成1 mol H₂O的同时，Ba^2＋和SO4(2－)结合生成BaSO₄沉淀会放出热量。

(3)比较焓变大小：

C(s)＋O₂(g)===CO₂(g) ΔH₁                           C(s)＋2(1)O₂(g)===CO(g)ΔH₂

则ΔH₁<ΔH₂。

S(s)＋O₂(g)===SO₂(g)ΔH₃                              S(g)＋O₂(g)===SO₂(g)ΔH₄

则ΔH₃>ΔH₄。

2H₂(g)＋O₂(g)===2H₂O(g)ΔH₅                           2H₂(g)＋O₂(g)===2H₂O(l)ΔH₆

则ΔH₅>ΔH₆。

 

二 化学反应进行的方向

例3 下列叙述正确的是(C)

A. 加入催化剂可以使反应2SO₂(g)＋O₂(g)2SO₃(g)在低温下由非自发变为自发，从而提高产率

B. ΔH＜0、ΔS＞0时，反应可以自发进行，例如Ba(OH)₂固体与NH₄Cl固体混合

C. 常温下，反应4Fe(OH)₂(s)＋2H₂O(l)＋O₂(g)===4Fe(OH)₃(s)的ΔH＜0

D. 因为ΔH和ΔS都与反应的自发性有关，因此ΔH或ΔS均可单独作为判断自发性的判据

  

三 化学反应原理与能量小综合

[反应的自发性、ΔH计算、化学平衡常数]

1. (2021·江苏卷)对于反应2NO(g)＋O₂(g)2NO₂(g) ΔH＝－116.4 kJ/mol。下列说法正确的是(A)

A. 该反应的ΔH＜0、ΔS＜0

B. 反应的平衡常数可表示为K＝c2(NO2)(c2(NO)·c(O2))

C. 使用高效催化剂能降低反应的焓变

 2. (2020·江苏卷)反应SiCl₄(g)＋2H₂(g)高温(=====)Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是(B)

A. 该反应ΔH>0、ΔS<0

B. 该反应的平衡常数K＝c(SiCl4)·c2(H2)(c4(HCl))

C. 高温下，反应每生成1 mol Si需消耗2×22.4 L H₂

D. 若用E表示键能，则该反应的ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl)

  例6 （2021江苏高考18）甲烷是重要的资源，通过下列过程可实现由甲烷到氢气的转化。

（1）500℃时，CH₄与H₂O重整主要发生下列反应：

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+ 3H₂(g)

CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+ CO₂(g)

已知 CaO(s)+CO₂(g)=CaCO₃(s)  ΔH＝-178.8 kJ·mol^-1。向重整反应体系中加人适量多孔 CaO，其优点是                         

                                                。

（2）CH₄与CO₂重整的主要反应的热化学方程式为

反应I：CH₄(g)+CO₂(g)=2CO(g)+2H₂(g)    ΔH＝246.5 kJ·mol^-1

反应Ⅱ：H₂(g)+CO₂(g)=CO(g)+H₂O(g)     ΔH＝41.2 kJ·mol^-1

反应Ⅲ：2CO(g)=CO₂(g)+C(s)    ΔH＝-172.5 kJ·mol^-1

①在CH₄与CO₂重整体系中通人适量H₂O(g)，可减少C(s)的生成，反应3CH₄(g)+ CO₂(g)+ 2H₂O(g)=4CO(g)+8H₂(g)的ΔH =          。

②1.01×10⁵Pa下，将n_起始(CO₂) ∶n起始(CH₄)＝1∶1 的混合气体置于密闭容器中，不同温度下重整体系中CH₄和CO₂的平衡转化率如题18图-1所示。800℃下CO₂平衡转化率远大于 600℃下CO₂平衡转化率，其原因是                                              。

答案：（1）为体系提供热量、提高H₂产率

（2）①657.1 kJ·mol^－1

②反应Ⅰ、反应Ⅱ的ΔH>0，高温下正反应进行程度大，反应的量多；反应Ⅲ的ΔH<0，高温下正反应进行程度小，CO₂的生成量少

四、能垒图

 

1.在Rh催化下，甲酸分解H₂反应的过程如图所示。其中带“*”的物种表示吸附在Rh表面。

(1)图中反应前的最左侧能量下降0.12 eV，即气态的甲酸分子被吸附在催化剂表面的活性位点上，所以能量_________________。

(2)在催化机理能垒图中，有几个活化状态，就有几个基元反应。该反应机理有____个基元反应。

(3)每步基元反应的快慢取决于其能垒的大小，能垒越大，反应速率越慢。所以决定该反应速率的是过渡态_______。

(4)可依据图中每步基元反应前后的活性物质和能量变化，写出其热化学方程式。写出该反应过程中决定反应速率步骤的热化学方程式为__________________________________(设N_A为阿伏加德罗常数的值)。

(5)甲酸分解制H₂的热化学方程式可表示为________________________________________

答案：下降  3    i      

HCOOH^*===HCOO^*＋H^* ΔH＝＋0.33N_A eV/mol

HCOOH(g)===CO₂(g)＋H₂(g) ΔH＝－0.16N_A eV/mol。

2.(2024·南通一调)在金属催化剂表面发生^*CO₂→^*C₂H₄转化的过程可能为^*CO₂→^*COOH→^*CO →^*OCCO→^*C₂H₄(“*”表示吸附在催化剂表面)。其中部分物种在催化剂表面的吸附构型如图1所示，反应历程中的相对能量如图2所示。

图1

图2

与Cu催化剂相比，掺杂了Cs的Cu-Cs复合催化剂更有利于C₂H₄的形成，可能原因是___________

______________________________________________________________________________________

答案：Cu-Cs复合催化剂可提供更多的活性位点(CuCs复合催化剂更有利于CO等中间体的吸附)，且能降低反应的活化能，因此更有利于C₂H₄的形成。

3. (2024·泰州)利用CO₂制甲烷可实现碳中和。CO₂催化加氢合成CH₄反应如下：

CO₂(g)＋4H₂(g)===CH₄(g)＋2H₂O(g)  ΔH＝－165 kJ/mol

(1)CO₂催化加氢合成CH₄过程中，CO₂活化的可能途径如图所示，CO是CO₂活化的优势中间体，原因是_______________________________________________________________

答案：生成中间体CO反应的活化能小，反应速率快、CO中间体能量低，稳定，有利于生成。