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第一章 化学反应与能量 教材分析 选修4 化学反应原理 Contents 选修模块分为两大类别 化学与生活 化学与技术 物质结构与性质 化学反应原理 有机化学基础 实验化学 学科类 社会类 化学反应与能量化学反应速率和化学平衡水溶液中的离子平衡电化学基础 本模块的地位和作用 整体定位 学习对象 本模块的地位和作用 整体定位 模块总体要求 认识化学变化所遵循的基本原理 初步形成关于物质变化的正确观念 了解化学反应中能量转化所遵循的规律 知道化学反应原理在生产 生活和科学研究中的应用 赞赏运用化学反应原理合成新物质对科学技术和人类社会文明所起的重要作用 能对生产 生活和自然界中的有关化学变化现象进行合理的解释 增强探索化学反应原理的兴趣 树立学习和研究化学的志向 1 本模块是高中学生学习的高级阶段 无论从学习内容上 能力要求上势必会和原来有变化 提高要求 必然包含和大学相接轨的内容 2 教学内容增加并不一定难度较强 如果提供了一些核心内容 就像有了有力的工具 反而会使学生理解起来会有据可依 1 本模块的地位和作用 整体定位 化学反应原理 强调从能量转化规律 化学反应的速率 方向和限度和化学平衡在水溶液体系中的应用三方面认识化学反应原理 主要包括3个主题 主题1化学反应与能量主题2化学反应速率和化学平衡主题3溶液中的离子平衡 2 本章内容的地位和作用 化学反应与能量转化化学反应的方向 限度与速率物质在水溶液中的行为 化学反应的热效应电能转化为化学能 电解化学能转化为电能 电池 化学反应的方向化学反应的限度化学反应的速率化学反应条件的优化 工业合成氨 水溶液弱电解质的电离盐类的水解沉淀溶解平衡离子反应 2 本章内容的地位和作用 初中 选修 必修 1 本章内容是初中和必修2知识拓展延伸和提高 2 教学中应在原有知识基础上进行建构和提高 2 本章内容的地位和作用 2 本章教材的内容和地位 第一节化学反应与能量的变化第二节燃烧热能源第三节化学反应热的计算 第四章电化学原理 课标分解 总体教学目标 课标要求为 课标分解 总体教学目标 课标分解 总体教学目标 化学反应与能量 课标与教学大纲的对比分析 教学要求有所提高 17 教材内容有所增加 焓变 选择性时代性基础性 三本教材课标内容比较 初中 选修 必修 三本教材课标内容比较 可以看到教学重点应该在定性计算上 2008年各地考纲比较 比较结论 新课标板都增加了盖斯定律考查 同时强调了化学在解决能源危机中的重要作用 海南江苏考纲和全国考纲基本一致 而全国考纲因该具有一定的稳定性 因此我们可以基本参照全国2008考纲确定面向高考教学的方向课标与考纲基本一致 三个版本教材的比较 三个版本教材的比较 知识点基本统一 教学目标 知识与技能目标 1 了解化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因 知道一个化学反应是吸收能量还是放出能量 决定于反应物化学键断裂吸收的总能量和生成物形成放出的总能量的相对高低 2 了解反应热和焓变的涵义 知道一个化学反应是吸热反应还是放热反应取决于生成物释放的总能量与反应物吸收总能量的相对大小 知道焓变简化后的意义 恒压下反应的反应热 H 3 能说出常见的能量转化形式 4 认识热化学方程式的意义 能正确书写热化学方程式并利用热化学反应方程式进行有关反应热的简单计算 5 理解燃烧热的概念 认识燃烧热是一种应用较广的反应热 认识燃烧热的限定条件 6 了解盖斯定律的涵义 能用盖斯定律进行有关反应热的简单计算 教学目标 过程与方法目标 1 通过对学习资料的查找与交流 培养学生获取信息 理解信息并得出结论的能力以及语言表达能力 2 通过对化学反应实质的回顾 逐步探究引起反应热效应的内在原因 引起学生在学习过程中主动探索化学原理的兴趣 通过对热化学方程式与化学方程式的讨论 分析 对比 培养学生的分析能力和主动探究能力 3 通过热化学方程式的计算和盖斯定律的有关计算 培养学生的计算能力 4 通过对定量实验 中和热测定的基本训练 培养学生动手 动脑能力 培养严谨科学的学习态度 教学目标 情感态度与价值观目标 1 通过从微观角度对化学反应中能量的变化进行分析 培养学生从微观的角度理解化学反应的方法 培养学生尊重科学 严谨求学 勤于思考的态度 树立透过现象看本质的唯物主义观点 2 通过对能源的学习 认识能源是人类生存和发展的重要基础 了解化学在解决能源危机中的重要作用 知道节约能源 提高能量利用效率的实际意义 3 通过对能源问题联系实际的学习讨论 不仅可强化学生课外阅读的意识和自学能力 也可培养学生对国家能源政策制订的参与意识 经济效益观念以及综合分析问题的能力 人教版要求 教学课时分配 第一节化学反应与能量变化2课时第二节燃烧热能源1课时第三节化学反应热的计算2课时单元复习1课时总计6课时 1 加强学生学情调查 引导学生在已有知识基础上建构新知识 教学建议 30 2 结合实际情况 选择合适的教学思路 教学建议 1 加强学生学情调查 引导学生在已有知识基础上建构新知识 化学反应的热效应 热化学方程式 定量测定 定量计算 根据盖斯定律 反应热 反应的焓变 根据生成焓计算反应的焓变 范例 鲁教版第1节化学反应的热效应 1 3 范例 人教版第1章化学反应与能量 范例 苏教版第1节化学反应的热效应 反应热焓变 热化学方程式 表示方法 测量 盖斯定律 数据获取途径 能源充分利用 应用 35 我校教学的整体思路 1 3 2 键能估算 会查已测数据 燃烧热 中和热 某城区建议教学课时分配 第一节化学反应与能量变化2课时第二节燃烧热能源1课时第三节化学反应热的计算2课时单元复习1课时测试与讲评2课时实验 中和热的测定1课时总计9课时 2 结合实际情况 选择合适的教学思路 教学建议 1 加强学生学情调查 引导学生在已有知识基础上建构新知识 3 充分调动学生的积极性 设置活动让学生交流与思考 促进学生的主动建构 人教版教材共有两个思考与交流栏目 两个实践活动 中和热测定 论文交流 可结合其他版本相应的实践栏目 鲁教版栏目 基本要求栏目 提高要求栏目 联想 质疑 方法导引 活动 探究 观察 思考 交流 研讨 迁移 应用 本章自我评价 历史回眸 资料在线 化学前沿 化学与技术 身体内的化学 追根寻源 拓展视野 学海无涯 内容 一般资料 较深入 更深入 人教版教材共有两个思考与交流栏目 两个实践活动 中和热测定 论文交流 可结合其他版本相应的实践栏目 在教学中采用问题驱动促进学生的思维 例 反应热的测量 问题 要获取反应热数据 需要知道什么条件 讨论 需要知道一定量的物质在反应中的热量变化 问题 如何知道反应过程中的热量变化 思考 热量变化表现为温度变化 可以测定温度变化 设计 学生在设计基础上提出实验方案 41 人教版教材共有两个思考与交流栏目 两个实践活动 中和热测定 论文交流 可结合其他版本相应的实践栏目 在教学中采用问题驱动促进学生的思维 适当采用归纳 演绎 对比法促进学生建构 例 盖斯定律 43 H2 g 1 2O2 g H2O g H1 241 8kJ molH2O g H2O l H2 44kJ molH2 g 1 2O2 g H2O l H3 285 8kJ mol 2 结合实际情况 选择合适的教学思路 教学建议 1 加强学生学情调查 引导学生在已有知识基础上建构新知识 3 充分调动学生的积极性 设置活动让学生交流与思考 促进学生的主动建构 4 充分利用课本资源 选修4图片作为附件 为大家使用图片提供便利 5 教学中值得注意的几个问题 1 关于 焓 焓变 概念的教学 第一节化学反应与能量的变化教材呈现 焓变 反应热 热化学方程式 1 关于 焓 焓变 概念的教学 H U 体系内能 PV H是一个状态函数 焓的值只与体系所处状态有关 而与其过去的历史无关 状态不变 值不变 状态改变 值改变 改变多少 只与始态和终态有关 而与变化时所经历的途径无关 焓的绝对值是不能确定的 只能测定其变化值 H 焓具有能量的量纲 但没有确切的物理意义 定义焓 只是为了处理热力学问题时更方便 在体系只作体积功的等压过程中 从状态1到状态2时 体系的焓变等于该过程中的热效应 QP H 而体系只作体积功的等容过程中 其热效应等于内能的变化 QV U 为什么恒压热效应等于焓变 根据热力学第一定律 体系的热力学能 内能 变化 U Q W在恒压条件下 U Qp W Qp p V2 V1 即恒压热效应Qp U p V2 V1 热力学规定焓H U pV在恒压条件下 焓变 H U2 pV2 U1 pV1 U2 U1 p V2 V1 U p V2 V1 Qp 47 焓变 在化工生产和科学实验中 化学反应通常在敞口容器中进行 反应体系的压强与外界相等 即反应是在恒压条件下进行的 在恒温 恒压条件下 严格说来 只做体积功 不做其他功 化学反应过程中吸收或释放的热量称为反应的焓变 H 48 反应焓变的计算是本章教学的重点 因此 不在 焓 焓变 的概念上纠缠 不要求学生进行概念辨析 但不回避概念 不要求学生判断焓变与反应热的关系 1 关于 焓 焓变 概念的教学 第一节化学反应与能量的变化 一 化学反应的反应热 1 概念 当化学反应在一定的温度下进行时 反应所释放或吸收的热量称为该反应在此温度下的热效应 简称为反应热 思考 通过理论方法能求算出反应热吗 练习 已知H H Cl Cl H Cl键的键能分别是 436kJ mol 243kJ mol 431kJ mol 请问你能表示出氢气在氯气中燃烧生成氯化氢气体的反应热吗 学生可能在描述时不太会有定量的意识 注意引导 由此引出焓 焓变 案例 二 化学反应的焓变 2 符号单位 1 定义 反应产物的总焓与反应物的总焓之差 称为反应焓变 H kJ mol 物质所具有的能量是物质固有的性质 可以用一个物理量来描述 科学家们定义了一个称为 焓 的物理量 符号为H 用它的变化来描述与反应热有关的能量变化 对于在等压条件下进行的化学反应 如果反应中物质的能量变化全部转化为热能 除了因体积改变而做的功外 没有转化为电能 光能等其他形式的能 则反应前后物质的焓的改变就等于该反应的反应热 思考 如何定量描述氢氯燃烧反应的反应热呢 2 关于热化学方程式的教学 教师提出课题 学生自学教材 用对比的方法找出与化学方程式的异同点 归纳整理 交流汇报 教师还可提出一些问题以强化正确规范的书写 书写热化学方程式是否需要注明反应的温度和压强 对于相同的物质的反应 当物质的聚集状态不同时 其 H是否相同 热化学方程式各物质前的化学计量数是否表示分子个数 当化学计量数不同时 其 H是否相同 放热反应 吸热反应与 H的 与 的表示是如何对应的 如何在化学方程式中正确反映其热量变化 3 关于中和热测定的教学 从实验规范与流程上 突出定量实验的特点和要求 如仪器的选择 方案的设计 数据的记录等 对测定原理的分析与讨论 与初中物理知识的衔接 所进行的近似处理 对测定步骤及注意事项的讨论 抓住定量实验的主要特点 围绕着误差产生的原因及减小误差的措施展开讨论 关注变量控制方法在定量实验中的应用 测定中和热实验中的两个关键问题 1 隔热关要求小烧杯与大烧杯之间的碎泡沫塑料或碎纸条要填满 小烧杯杯口与大烧杯杯口要相平 大烧杯杯口的泡沫塑料或硬纸盖板要盖得严 盖板上的两孔正好使温度计和环形玻璃棒通过 要求倒入NaOH溶液要迅速 尽可能减少实验过程中热量的散失 2 准确关配制的盐酸溶液和氢氧化钠溶液的浓度要准确 NaOH溶液最好是新制 因久置的NaOH溶液可能变质导致测定中和热有误差 量取溶液的体积要准确 反应前的温度和反应后的最高温度的读数要准确 3 关于中和热测定的教学 测定中和热实验要把握引起测定误差的因素根据计算关系式 中和反应时放出的热量为 m 酸液 m 碱液 c t 后 t 前 式中的比热容c是常数 m由溶液体积确定 t由实验测量出来 这样计算出的中和热是否接近57 3kJ mol 取决于溶液的浓度和体积及其温度的变化 因此 引起中和热误差的因素有 溶液的浓度不准确 量取溶液的体积不准确 量热计的隔热效果差 温度未到达最高点就停止观察温度计 不做重复实验等 3 关于中和热测定的教学 化学反应中总的能量变化是否就是化学反应中反应物化学键断裂和生成物化学键形成的能量差值 原理上是对的 但由于对键能的表达多种多样 有键能 平均键能 键解能等 数据来源不同 计算误差很大 即使同一种碳碳键 也会因取代基不同 键能也不同 在研究中只有估算作用 在中学不宜提倡 一是理论上不容易讲清楚 键能 指什么 二是在中学不容易找到精确的数据 无法验证 4 键能估算反应热 1 有关燃烧热概念的教学突出定义 25 101kPa时 1mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量 燃烧热的单位用kJ mol表示 反应条件 25 和101kPa 书中给出的燃烧热数值均为此条件下测得 可燃物用量 1mol纯物质例如 C8H18燃烧的热化学方程式为 2C8H18 l 25O2 g 16CO2 g 18H2O l H 11036kJ molC8H18的燃烧热为5518kJ mol 而不是11036kJ mol 5 有关燃烧热的教学 生成稳定的化合物 C CO2 H H2O l S SO2 例如 C燃烧的热化学方程式为C s O2 g CO g H 110 5kJ molC s O2 g CO2 g H 393 5kJ mol则C的燃烧热为393 5kJ mol 而不是110 5kJ mol 文字叙述燃烧热时 用 正值 或 H 表示例如 CH4的燃烧热为890 3kJ mol或 H 890 3kJ mol 5 有关燃烧热的教学 数据通常利用仪器由实验测定 采用自主学习 讨论交流 分析评价的教学方法 6 关于能源的利用教学 思考与交流 应根据什么标准来选择燃料 物质的燃烧热 燃料的储量 燃料的开采 运输 燃料储存的条件 价格 燃料对生态环境的影响 例 丙烷 燃烧热值高 石油中储量丰富 开采容易 燃烧时污染小 储存 运输不方便 能源 化石燃料 煤 石油 天然气 阳光 风力 流水 潮汐 柴草 能提供能量的资源 蕴藏量有限不能再生污染严重 开源节流 开发新能源 节约现有能源 提高能源利用率 太阳能氢能风能地热能海洋能生物质能 资源丰富可以再生污染少 燃料的充分燃烧 资源意识 地大物博人口众多 我国生产一次性筷子年消耗林木资源500万立方米 约占年林木消耗总量的18 日本的森林覆盖率为65 是我国的5倍 却明令禁止用本国的林木生产一次性筷子 其用量的97 依靠进口 每年从中国进口200多亿双 占其进口总量的99 我国仅为向日本出口一次性筷子每年需砍掉250万棵大树 2006年两会代表提出要限制生产 使用和出口一次性筷子 提出问题 创设情景 引出定律 问题研究 归纳总结 案例 7 关于盖斯定律的利用教学 H2 g 1 2O2 g H2O g H1 241 8kJ mol那么 H2的燃烧热 H究竟是多少 如何计算 已知 H2O g H2O l H2 44kJ molH2 g 1 2O2 g H2O l H H1 H2 285 8kJ mol 下列数据 H1表示燃烧热吗 why 判断 小组讨论汇报 任务 如何测出这个反应的反应热 1 C s 1 2O2 g CO g H1 C s 1 2O2 g CO g H1 CO g 1 2O2 g CO2 g H2 283 0kJ mol C s O2 g CO2 g H3 393 5kJ mol 则 H1 H2 H3所以 H1 H3 H2 393 5kJ mol 283 0kJ mol 110 5kJ mol 应用了什么规律 盖斯定律 盖斯 不管化学反应是分一步完成或分几步完成 其反应热是相同的 化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关 而与反应的途径无关 G H GermainHenriHess 1802 1850 瑞士化学家 俄文名为 1802年8月7日生于瑞士日内瓦 1850年12月12日卒于俄国圣彼得堡 现为列宁格勒 3岁随父侨居俄国 并在俄国受教育 1825年于多尔帕特大学获医学专业证书 同时受到了化学和地质学的基础教育 1826 1827年 在斯德哥尔摩J J 贝采利乌斯的实验室工作并从其学习化学 回俄国后在乌拉尔作地质勘探工作 后在伊尔库茨克做医生并研究矿物 1830年当选为圣彼得堡科学院院士 专门研究化学 任圣彼得堡工艺学院理论化学教授并在中央师范学院和矿业学院讲授化学 1838年成为俄国科学院院士 盖斯早期研究了巴库附近的矿物和天然气 发现了蔗糖氧化生成糖二酸 他研究了炼铁中的热现象 作了大量的量热工作 1836年发现 在任何一个化学反应过程中 不论该反应过程是一步完成还是分成几步完成 反应所放出的总热量相同 并于1840年以热的加和性守恒定律公诸于世 后被称为盖斯定律 此定律为能量守恒定律的先驱 当一个反应不能直接发生时 应用此定律可间接求得反应热 因此 盖斯也是热化学的先驱者 著有 纯粹化学基础 1834 曾用作俄国教科书达40年 盖斯定律是在热力学第一定律之前发现的 实际上是热力学第一定律在化学反应的具体体现 是状态函数的性质 盖斯定律奠定了热化学计算的基础 使化学方程式像普通代数方程那样进行运算 从而可以根据已经准确测定的热力学数据计算难以测定的反应热 盖斯简介 如何理解盖斯定律 H H1 H2之间有何关系 H H1 H2 B H 能举出生活中或化学反应中的实例吗 看下面的图理解盖斯定律 某人从山下A到达山顶B 无论是翻山越岭攀登而上 还是坐缆车直奔山顶 其所处的海拔都高了300m即山的高度与A B点的海拔有关 而与由A点到达B点的途径无关这里的A相当于反应体系的始态 B相当于反应体系的终态 山的高度相当于化学反应的反应热 用能量守恒定律论证盖斯定律 先从始态S变化到到终态L 体系放出热量 H10 经过一个循环 体系仍处于S态 因为物质没有发生变化 所以就不能引发能量变化 即 H1 H2 0 例1 写出石墨变成金刚石的热化学方程式 25 101kPa时 说明 1 可以在书中查找需要的数据 2 并告诉大家你设计的理由 用一用盖斯定律 石墨能直接变成金刚石吗 先思考 之后小组讨论汇报 查燃烧热表知 C 石墨 s O2 g CO2 g H1 393 5kJ mol C 金刚石 s O2 g CO2 g H2 395 0kJ mol 所以 得 C 石墨 s C 金刚石 s H 1 5kJ mol 观察该热化学方程式 回答 金刚石能自动变成石墨吗 需要什么条件 你知道神六的火箭燃料是什么吗 例2 某次发射火箭 用N2H4 肼 在NO2中燃烧 生成N2 液态H2O 已知 N2 g 2O2 g 2NO2 g H1 67 2kJ molN2H4 g O2 g N2 g 2H2O l H2 534kJ mol假如都在相同状态下 请写出发射火箭反应的热化学方程式 2N2H4 g 2NO2 g 3N2 g 4H2O l H 1135 2kJ mol 思考 如何选择火箭燃料 对照书中燃烧热的表格 1 怎么比较各种燃料 2 若只考虑能量 用什么最好 3 只考虑能量行吗 为什么 比冲性能 自燃特性 无毒 可贮存 盖斯定律 1 请用自己的话描述一下盖斯定律 2 盖斯定律有哪些用途 总结归纳 盖斯定律在科学研究中的重要意义 有些反应进行得很慢有些反应不容易直接发生有些反应的产品不纯 有副反应发生 这些都给测量反应热造成了困难利用盖斯定律可以间接地把它们的反应热计算出来 高考相关考点 a直接求算 解 钠与氯气起反应的化学方程式如下 Na s 1 2Cl2 g NaCl s 23g mol H 1 0g 17 87kJ H 23g mol 17 87kJ 1 0g 411kJ mol 答 例1 25 101kPa时 使1 0g钠与足量的氯气反应 生成氯钠晶体并放出17 87kJ的热量 求生成1mol氯化钠的反应热 注意热化学方程式正确书写 特别注意有关单位的正确书写 2008北京 12 工业上制备纯硅反应的热化学方程式如下 SiCl4 g 2H2 g Si s 4HCl g H QkJ mol Q 0 某温度 压强下 将一定量反应物通入密闭容器进行以上反应 此条件下为可逆反应 下列叙述正确的是A 反应过程中 若增大压强能提高SiCl4的转化率B 若反应开始时SiCl4为1mol 则达平衡时 吸收热量为QkJC 反应至4min时 若HCl浓度为0 12mol L 则H2的反应速率为0 03mol Lmin D 当反应吸收热量为0 025QkJ时 生成的HCl通入100mL1mol L的NaOH溶液恰好反应 2003 江苏 已知在25 101kPa下 1gC8H18 辛烷 燃烧生成二氧化碳和液态水时放出48 40kJ热量 表示上述反应的热化学方程式正确的是 A C8H18 l 25 2O2 g 8CO2 g 9H2O g H 48 40kJ mol 1B C8H18 l 25 2O2 g 8CO2 g 9H2O l H 5518kJ mol 1C C8H18 l 25 2O2 g 8CO2 g 9H2O l H 5518kJ mol 1D C8H18 l 25 2O2 g 8CO2 g 9H2O l H 48 40kJ mol 1 2008海南8 白磷与氧可发生如下反应 P4 5O2 P4O10 已知断裂下列化学键需要吸收的能量分别为 P PakJ mol 1 P ObkJ mol 1 P OckJ mol 1 O OdkJ mol 1 根据图示的分子结构和有关数据估算该反应的 H 其中正确的是A 6a 5d 4c 12b kJ mol 1B 4c 12b 6a 5d kJ mol 1C 4c 12b 4a 5d kJ mol 1D 4a 5d 4c 12b kJ mol 1 高考相关考点 b键能估算 2008重庆13 化学反应N2 3H2 2NH3的能量变化如题13图所示 该反应的热化学方程式是A N2 g 3H2 g 2NH3 l H 2 a b c kJ molB N2 g 3H2 g 2NH3 g H 2 b a kJ molC N2 g H2 g NH3 l H b c a kJ molD N2 g H2 g NH3 g H a b kJ mol 高考相关考点 c盖斯定律 应用盖斯定律的计算 例3 已知下列反应的反应热为 CH3COOH l 2O2 g 2CO2 g 2H2O l H1 870 3kJ mol C s O2 g CO2 g H2 393 5kJ mol H2 g O2 g H2O l H3 285 8kJ mol试计算下述反应的反应热 2C s 2H2 g O2 g CH3COOH l 2008宁夏13 已知H2 g C2H4 g 和C2H5OH 1 的燃烧热分别是 285 8kJ mol 1 1411 0kJ mol 1和 1366 8kJmol 1 则由C2H4 g 和H2O l 反应生成C2H5OH l 的 H为A 44 2kJ mol 1B 44 2kJ mol 1C 330kJ mol 1D 330