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化学反应能量转化及应用 导学案
【项目复习目标】
（1）能辨识化学反应中的能量转化形式，能解释化学反应中能量变化的本质。
（2）能进行反应焓变的简单计算，能用热化学方程式表示反应中的能量变化。
（3）能运用反应焓变合理选择和利用化学反应。
【项目任务及复习过程】
[项目任务] 以“神舟十四号航天员太空之旅”为情境，体会化学反应能量的转化形式及具体应用。
[课前导学]
（2022年，神舟十三号、十四号、十五号接力腾飞，中国空间站全面建成，我们的“太空之家”遨游苍穹。
载人航天工程自1992年立项以来，30年间先后发射15艘神舟飞船，成功将16名航天员、26人次顺利送入太空。中国人在太空中大声宣告：中国空间站永远值得期待！）
[情境引入]
2022年，中国航天事业取得了很大成就，中国天宫空间站基本构型建立。神舟十四号宇航员在轨生活长达6个月，引起了人们的广泛关注。
[任务一] 化学反应能量的转化形式与本质
[复习回顾]
问题1．化学反应中的能量转化形式有哪些？
问题2．化学反应中能量变化的本质是什么？
[活动Ⅰ] 了解火箭升空的秘密
观看两段视频，分小组讨论并完成下列表格。
讨论内容 “万户飞天” 火箭升空
起飞原理
能量转化形式
推进剂
推进剂状态
例题1．液氢液氧组合是最高效的液体火箭推进剂，具有比冲大、无污染等优点。
有关化学键的键能数值如下
化学键 H－H O＝O H－O
键能/ kJ·mol－1 436 496 463
写出H2(g)和O2(g)燃烧生成H2O(g)的热化学方程式。
思考：请借助相关数据说明上述反应是放热反应的本质原因。
[任务二] 热化学方程式的书写及焓变的计算
[复习回顾]
问题1．书写热化学方程式的注意事项有哪些？
问题2．可以利用哪些物理量计算化学反应的焓变？
例题2．偏二甲肼(C2H8N2)和四氧化二氮(N2O4)是常用的液体火箭推进剂组合，其优点是点火延迟短，稳定性好，比冲高，成本低等。
（1）已知C2H8N2(l)的热值为4.25×107 J·kg－1，写出表示偏二甲肼摩尔燃烧焓的热化学方程式。
（已知：热值是一定质量的可燃物充分燃烧生成稳定产物时放出的热量。）
（2）已知N2O4(l)的标准摩尔生成焓△H=＋50.0 kJ·mol-1，写出C2H8N2(l)和N2O4(l)充分反应的热化学方程式。
（指定温度(通常是298K)和标准大气压下，由最稳定的单质合成1mol某物质B的反应焓变，叫做该温度下物质B的标准摩尔生成焓。）
例题4．肼(N2H4)常用作载人飞船姿态发动机的燃料。已知200℃时，肼可能发生以下反应：
① 3N2H4(g)＝N2(g)+4NH3(g) ΔH1=－32.9 kJ·mol-1
② N2H4(g)+H2(g)＝2NH3(g) ΔH2= a kJ·mol-1
反应②的能量变化过程如图1所示。
（1）根据题意，计算反应②的焓变ΔH2＝___________ kJ·mol-1
（2）200℃时，写出肼分解生成氮气和氢气的热化学方程式。
[小结] 核心考点1 热化学方程式
[任务三] 合理选择和利用化学反应的能量
问题1．已知200℃时，肼可能发生以下反应：
① 3N2H4(g)＝N2(g)+4NH3(g) ΔH1=－32.9 kJ·mol-1 ② N2H4(g)= N2(g)+2H2(g)　 ΔH2=＋50.7 kJ·mol-1
请根据能量变化，选择更合适的姿态发动机推进剂原理并说明理由。
问题2．电解制氧过程中涉及哪些形式能量的转化？
[活动Ⅱ] 观看视频，了解中国空间站的环控生保系统。
例题4．[2022年海南卷改编]
中国空间站的环控生保系统功能之一是将人体代谢废物CO2中的氧元素转化为O2，实现氧循环。
（1）已知下列反应：
① CO2(g)＋2H2O(g)＝CH4(g)＋2O2(g) ΔH1=＋802.3 kJ·mol-1
② 2H2O(g)＝2H2(g)＋O2(g) ΔH2=＋483.6 kJ·mol-1
③ CO2(g)＋4H2(g)＝CH4(g)＋2H2O(g) ΔH3
反应③的焓变ΔH3=______________kJ·mol-1。
（2）可以实现CO2转化为O2的过程有：
① CO2(g)＝C(g)＋O2(g) ΔH1=＋393.5 kJ·mol-1
② 2CO2(g)＋2Na2O2(s)＝2Na2CO3(s)＋O2(g) ΔH2=－452.8 kJ·mol-1
③ CO2(g)＋2H2O(g)＝CH4(g)＋2O2(g) ΔH3=＋802.3 kJ·mol-1
④ CO2(g)＋4H2(g)＝CH4(g)＋2H2O(g) ΔH4=－164.9 kJ·mol-1
2H2O(g)＝2H2(g)＋O2(g) ΔH5=＋483.6 kJ·mol-1
请从能量和物质的角度分析，上述四个过程更适合在空间站中应用的________，
理由是____________________________________________________________________。
（3）中国空间站氧气和水的循环再生示意图如下，下列有关说法错误的是（ ）
A．为保证转化率、控制反应器内温度，一般会将反应气体
提前加热至反应温度再通入反应器
该系统的缺陷是有50%的氢元素存在于甲烷中而没有得
到利用
该系统充分利用了人体代谢废物二氧化碳和电解制氧的
副产物氢气，减少了能量的损失
通过该系统使空间站的水资源物质闭合度达到100%，
完全不需要从地面补充
[小结] 核心考点2 焓变的计算
[拓展活动] 自制火箭体验推进剂的反应原理
1．用锡纸、火柴、竹签、打火机自制固体火箭推进器
2．用注射针管、压电陶瓷、热熔枪、酒精等自制液体火箭推进器
[课后拓展活动]
1.搜集资料、查阅文献，进一步了解中国航天发展史，体会化学反应能量变化在中国航天事业上的应用。
2.通过调查问卷、咨询相关人士、网络搜集等方式，了解化学反应能量变化在生产、生活中的其他应用。
3.完成课后习题。
化学反应能量转化及应用 课后习题
1. [2022江苏卷6] 周期表中ⅣA族元素及其化合物应用广泛，甲烷具有较大的燃烧热，是常见燃料；Si、Ge是重要的半导体材料，硅晶体表面能与氢氟酸(HF，弱酸)反应生成(在水中完全电离为和)；1885年德国化学家将硫化锗与共热制得了门捷列夫预言的类硅—锗；下列化学反应表示正确的是
A. 与HF溶液反应：
B. 高温下还原：
C. 铅蓄电池放电时的正极反应：
D. 甲烷的燃烧：
[22年山东卷20节选]利用丁内酯(BL)制备1，丁二醇(BD)，反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和丁醇(BuOH)的副反应，涉及反应如下：
已知：①反应Ⅰ为快速平衡，可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响；②因反应Ⅰ在高压氛围下进行，故压强近似等于总压。回答下列问题：
（1）以或BD为初始原料，在、的高压氛围下，分别在恒压容器中进行反应。达平衡时，以BL为原料，体系向环境放热；以BD为原料，体系从环境吸热。忽略副反应热效应，反应Ⅰ焓变_______。
[22年湖南卷16节选] 2021年我国制氢量位居世界第一，煤的气化是一种重要的制氢途径。回答问题：
（1）在一定温度下，向体积固定的密闭容器中加入足量的和，起始压强为时，发生下列反应生成水煤气：
Ⅰ.
Ⅱ.
①反应平衡时，的转化率为，CO的物质的量为。此时，整个体系_______(填“吸收”或“放出”)热量_______kJ，反应Ⅰ的平衡常数_______(以分压表示，分压=总压×物质的量分数)。
[22年湖北19节选]自发热材料在生活中的应用日益广泛。某实验
小组为探究“”体系的发热原理，在隔热装置中进行了
下表中的五组实验，测得相应实验体系的温度升高值()随时间(t)
的变化曲线，如图所示。
回答下列问题：
（1）已知：
①
②
③
则的___________。
[22广东卷19节选] 铬及其化合物在催化、金属防腐等方面具有重要应用。
（1）催化剂可由加热分解制备，反应同时生成无污染气体。
①完成化学方程式：______________。
②催化丙烷脱氢过程中，部分反应历程如图，
过程的焓变为_______(列式表示)。
[22河北卷16题节选]16. 氢能是极具发展潜力的清洁能源，以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。
（1）时，燃烧生成)放热，蒸发吸热，表示燃烧热的热化学方程式为_______。
7. [22全国乙卷10节选] 油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加以利用。回答下列问题：
（1）已知下列反应热化学方程式：
①
②
③
计算热分解反应④的________。
（2）较普遍采用的处理方法是克劳斯工艺。即利用反应①和②生成单质硫。另一种方法是：利用反应④高温热分解。相比克劳斯工艺，高温热分解方法的优点是________，缺点是________。
8. [22全国甲卷10节选] 金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途，目前生产钛的方法之一是将金红石转化为，再进一步还原得到钛。回答下列问题：
（1）转化为有直接氯化法和碳氯化法。在时反应的热化学方程式及其平衡常数如下：
(ⅰ)直接氯化：
(ⅱ)碳氯化：
①反应的为_______，_______Pa。
②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化，其原因是_______。
③对于碳氯化反应：增大压强，平衡_______移动(填“向左”“向右”或“不”)；温度升高，平衡转化率_______(填“变大”“变小”或“不变”)
导学案答案
[任务一] 化学反应能量的转化形式与本质
[复习回顾]
问题1. 化学能、热能、机械能、电能、光能等
问题2. 旧键断吸收的能量和新键成释放的能量存在差异
例题1．2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(g) △H=－484 kJ·mol-1
思考：旧键断吸收的总能量E1=436×2＋496=1368kJ·mol-1，新键成释放的总能量E2=463×4=1852kJ·mol-1
因E1＜E2，故该反应是放热反应。
[任务二] 热化学方程式的书写及焓变的计算
[复习回顾]
问题1．物质的聚集状态、△H 的正负、△H 的单位、△H 的数值与计量数对应等
问题2．焓、反应热、键能、相对能量等
例题2．
（1）C2H8N2(l)＋4O2(g)＝2CO2(g)＋N2(g)＋4H2O(l) △H=－2550.0 kJ·mol-1
（2）C2H8N2(l)＋2N2O4(l)＝2CO2(g)＋3N2(g)＋4H2O(l) △H=－2650.0 kJ·mol-1
例题3．
（1）－41.8
（2）N2H4(g)= N2(g)+2H2(g)　ΔH3=＋50.7 kJ·mol-1
[任务三] 合理选择和利用化学反应的能量。
问题1．选择反应①。因ΔH1＜0，反应放热，产生的气体能量更高，推力更大。
问题2．光能（太阳能）、电能、化学能
例题4．
（1）－164.9
（2）过程④利用了电解制氧子系统的副产物H2，且反应a为放热反应，减少了能量的损耗；而过程①是吸热反应且容易形成积碳，过程②中的Na2O2需要地面输送，过程③反应能耗太高，成本太大。
（3）D
课后习题答案
1.【答案】A
【详解】A．由题意可知，二氧化硅与氢氟酸溶液反应生成强酸和水，反应的离子方程式为，故A正确；
B．硫化锗与氢气共热反应时，氢气与硫化锗反应生成锗和硫化氢，硫化氢高温下分解生成硫和氢气，则反应的总方程式为，故B错误；
C．铅蓄电池放电时，二氧化铅为正极，酸性条件下在硫酸根离子作用下二氧化铅得到电子发生还原反应生成硫酸铅和水，电极反应式为正极反应，故C错误；
D．由题意可知，1mol甲烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水放出热量为890.3kJ，反应的热化学方程式为，故D错误；故选A。
2. 【答案】（1）-200(X+Y)
【详解】
依题意，结合已知信息，可推定在同温同压下，以同物质的量的BL或BD为初始原料，达到平衡时的状态相同，两个平衡完全等效。则以5.0×10-3mol的BL为原料，达到平衡时放出XkJ热量与同物质的量的BD为原料达到平衡时吸收YkJ热量的能量二者能量差值为(X+Y)kJ，则1mol时二者能量和为200(X+Y)kJ，反应I为放热反应，因此焓变=-200(X+Y)kJ·mol-1。
反应平衡时，H2O(g)的转化率为50%，则水的变化量为0.5mol，水的平衡量也是0.5mol，由于CO的物质的量为0.1mol，则根据O原子守恒可知CO2的物质的量为0.2mol，生成0.2mol CO2时消耗了0.2mol CO，故在反应Ⅰ实际生成了0.3molCO。根据相关反应的热化学方程式可知，生成0.3mol CO要吸收热量39.42kJ ，生成0.2mol CO2要放出热量8.22kJ此时，因此整个体系吸收热量39.42kJ-8.22kJ=31.2kJ；由H原子守恒可知，平衡时H2的物质的量为0.5mol，CO的物质的量为0.1mol，CO2的物质的量为0.2mol，水的物质的量为0.5mol，则平衡时气体的总物质的量为0.5mol+0.1mol+0.2mol+0.5mol=1.3mol，在同温同体积条件下，气体的总压之比等于气体的总物质的量之比，则平衡体系的总压为0.2MPa1.3=0.26MPa，反应I（C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)）的平衡常数Kp= 。
【解析】
根据盖斯定律可得，①+②+2③可得反应CaO(s)+2Al(s)+7H2O(l)=Ca2+(aq)+2[Al(OH)4]-(aq)+3H2(g)，则ΔH4=ΔH1+ΔH2+2ΔH3=(-65.17kJ mol-1)+(-16.73kJ mol-1)+2(-415.0kJ mol-1)=-911.9kJ mol-1。
5.【解析】
①分解过程中，生成Cr2O3和无污染气体，根据元素守恒可知，其余生成物为N2、H2O，根据原子守恒可知反应方程式为，故答案为：N2↑；4H2O。
②设反应过程中第一步的产物为M，第二步的产物为N，则X→M ΔH1=(E1-E2)，M→N ΔH2=ΔH，N→Y ΔH3=(E3-E4)1，根据盖斯定律可知，X(g)→Y(g)的焓变为ΔH1+ΔH2+ΔH3=(E1-E2)+ΔH+(E3-E4)，故答案为：(E1-E2)+ΔH+(E3-E4)。
6.【解析】
298K时，1gH2燃烧生成H2O(g)放热121 kJ，则1molH2燃烧生成H2O(g)放热=242kJ，用热化学方程式表示为：H2(g)+O2(g)=H2O(g) H1= -242 kJ mol-1①，又因为1 mol H2O(1)蒸发吸热44kJ，则H2O(g)= H2O(l) H2= -44 kJ mol-1②，根据盖斯定律可知，表示H2燃烧热的反应热为 H=H1+H2= -286 kJ mol-1，故答案为：H2(g)+O2 (g)=H2O(1) H= -286 kJ mol-1；
小问1详解】已知：
①2H2S(g)+3O2(g)＝2SO2(g)+2H2O(g) ΔH1＝－1036kJ/mol
②4H2S(g)+2SO2(g)＝3S2(g)+4H2O(g) ΔH2＝94kJ/mol
③2H2(g)+O2(g)＝2H2O(g) ΔH3＝－484kJ/mol
根据盖斯定律(①+②)×－③即得到2H2S(g)＝S2(g)+2H2(g)的ΔH4＝（－1036+94）kJ/mol×+484kJ/mol＝170 kJ/mol；
【小问2详解】
根据盖斯定律(①+②)×可得2H2S(g)+O2(g)＝S2(g)+2H2O(g) ΔH＝(－1036+94)kJ/mol×=－314kJ/mol，因此，克劳斯工艺的总反应是放热反应；根据硫化氢分解的化学方程式可知，高温热分解方法在生成单质硫的同时还有氢气生成。因此，高温热分解方法的优点是：可以获得氢气作燃料；但由于高温分解H2S会消耗大量能量，所以其缺点是耗能高；
【小问1详解】
①根据盖斯定律，将“反应ⅱ-反应ⅰ”得到反应2C(s)+O2(g)=2CO(g)，则 H=-51kJ/mol-172kJ/mol=-223kJ/mol；则Kp===1.2×1014Pa；
②碳氯化反应趋势远大于直接氯化，因为碳氯化反应气体分子数增加， H小于0，是熵增、放热过程，熵判据与焓判据均是自发过程，而直接氯化的体系气体分子数不变、且是吸热过程；
③对应碳氯化反应，气体分子数增大，依据勒夏特列原理，增大压强，平衡往气体分子数减少的方向移动，即平衡向左移动；该反应是放热反应，温度升高，平衡往吸热方向移动，即向左移动，则平衡转化率变小。
【小问2详解】
①从图中可知，1400℃，体系中气体平衡组成比例CO2是0.05，TiCl4是0.35，CO是0.6，反应C(s)+CO2(g)=2CO(g)的平衡常数Kp(1400℃)==Pa=7.2×105Pa；
②实际生产中需要综合考虑反应的速率、产率等，以达到最佳效益，实际反应温度远高于200℃，就是为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4产品。

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