歐蹉括动 查阅有关资料说明能源是人类生存和发展的重要基础,化学在解决能源危机中起着重 要的作用。以小论文的形式在班上交流 提示:可从以下几方面去查阅资料: 1.国民生产总值与能源消耗量的关系; 2.人民的衣、食、住、行,文化娱乐对能源的需求; 3.国防对能源的需求; 4.在节约现有能源和开发新能源中,化学所起的作用。 习 题 1.燃烧热数据对生产、生活有什么实际意义? 2.石油资源总有一天会枯竭,现在就应该寻求应对措施。目前已使用甲醇、乙醇作为汽油的 代用品,这样做的好处是什么? 3.用氢气作燃料有什么优点?在当今的技术条件下有什么问题?它的发展前景如何? 1.科学家发现海底存在大量水合甲烷,请你谈谈甲烷燃料开发的前景 5.下表列出了生产1t工业原材料的平均能耗: 原材料 能耗/(kJ·t-1) 原材料 能耗/(kJ·t-1) 2.5×103 铁和钢 4.7×103 铝锌铅 5.0×107 4.32×103 5.0×10 水泥 7.25×10 请画出一张柱状图来形象地表述这些数据,并提出合理利用资源、能源的设想。 6.私人汽车与公交车相比,前者的耗油量和排出的污染物均大约是后者的,而后者载运的 乘客量平均为50人,前者平均为2人。请根据以上数据对这两种交通工具做出评价 10第 化学反应与能
3化学反应热的计算 在化学科学研究中,常常需要通过实验测定物质在发生化学反应时的反应热。但是某 些反应的反应热,由于种种原因不能直接测得,只能通过化学计算的方式间接地获得。在 生产中对于燃料的燃烧、反应条件的控制以及“废热”的利用,也需要进行反应热的计 算。为了方便反应热的计算,我们先来学习盖斯定律。 盖斯定律 1840年,瑞士化学家盖斯(G.H.Hes,1802-1850) 通过大量实验证明,不管化学反应是一步完成或分几步完盖斯定律 Hess's law 成,其反应热是相同的。换句话说,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。这就是盖斯定律。 为了帮助理解盖斯定律,可以登山为例。如图19 海拔400m 所示,某人要从山下A点到达山顶B点,他从A点 出发,无论是翻山越岭攀登而上,还是坐缆车直奔 山顶,当他最终到达B点时,他所处位置的海拔高 度相对于起点A来说,都高了300m,即山的高度与 起点A和终点B的海拔有关,而与由A点到达B点 的途径无关。在这里,A点相当于反应体系的始态,A B点相当于反应体系的终态,山的高度相当于化学反 海拔100m 应的反应热。 图1-9山的高度与上山的途径无关 我们还可以应用能量守恒定律对盖斯定律进行论证。 假设反应体系的始态为S,终态为L,它们之间的变化用两段弧线(可以包含着任意 数目的中间步骤)连接如下: △H1<0 △H,>0 我们先从S变化到L,这时体系放出热量(△H1<0),然后从L变回到S,这时体系 吸收热量(△H2>0)。经过一个循环,体系仍然处于S态,所有的反应物都和反应前完全 第三节化学反应热的计算11
样。如果△H1和△H2之和不等于0,那么在物质丝毫未损的情况下体系能量便发生了 改变。这是违背能量守恒定律的一种情况,所以△H1+△H2=0。在这里我们应当重新复 习前面讲过的一句话:“能量的释放或吸收是以发生变化的物质为基础的,二者密不可分, 但以物质为主。”如果物质没有变化,就不能引发能量的变化,前者为因,后者为果。至 于各式各样的反应热,如燃烧热、中和热、溶解热等等,只不过是基于反应类型对反应热 的一种分类,是不难理解的。 盖斯定律在科学研究中具有重要意义。因为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),这给测定反应热造成了困难。此时如果应 用盖斯定律,就可以间接地把它们的反应热计算出来。例如: C(s)+O(g)CO(g) 上述反应在O2供应充分时,可燃烧生成CO2;O2供应不充分时,虽可生成CO,但同时 还部分生成CO2。因此该反应的△H无法直接测得。但是下述两个反应的△H却可以直接 测得: (1)C(s)+O2(g)=CO2(g)△H1=-393.5kJ/mol (2)COg)+O2(g)=CO2(g)△H2=-283.0k/mol 根据盖斯定律,就可以计算出欲求反应的△H。 分析上述两个反应的关系,即知 COC )+1O2(g) g 2 AH, H2 C(s)+O2( SH、CO4(g) △H1=△H2+△H △H3=△H1-△H2 393.5kJ/mol-(-283.0kJ/mol) I 10.5 kJ/mol 这样就求得 C(s)+aO(g)CO(g) AH,=-110 5 kJ/mol 、反应热的计算 根据热化学方程式、盖斯定律和燃烧热的数据,可以计算一些反应的反应热。 【例1】25℃、101kPa时,使1.0g钠与足量的氯气反应,生成氯化钠晶体并放出 12第一章化学反应与能量
17.87kJ的热量,求生成1 mol NaCl的反应热。 【解】钠与氯气起反应的化学方程式如下: Na(s)+Cl,(g)NaCI(s) 1 mol Na反应后生成1 mol NaC Na的摩尔质量是23g/mol 设生成1 mol NaCl的反应热为x 1.0g:23g/mol=-17.87kJ:x -411 kJ/mol 答:由钠与氯气反应生成氯化钠的反应热为-411k/mol 【例2】乙醇的燃烧热△H=-1366.8kJ/mol,在25℃、101kPa时,1kg乙醇充 分燃烧后放出多少热量? 【解】C2H3OH的摩尔质量是46g/mol lkgC2HlOH的物质的量=10008=21.74mol 46g·mol 1kgC2HOH燃烧后放出热量=1366.8kJ/mol×21.74mol =29714.23kJ 2.971×104kJ 答:1kgC2HOH燃烧后放出2.971×104kJ热量。 【例3】已知下列反应的反应热 (1) CH COOH(D)+2O2(g)=2CO2(g)+2H2O(1)△H1=-870.3kJ/mo (2)C(s)+O2(g)=CO2(g) △H2=-393.5kJ/mol (3)H2(g)+O2(g)=H2O(D) △H3=-285.8kJ/mol 试计算下述反应的反应热: 2C(s)+2H2(g)+O(g)CH COOH(D) 【解】分析各热化学方程式的关系,知道将(1)式反写(相当于逆反应,△H变号) (2)式、(3)式各乘以2,并将三者相加,即可求出上述反应的反应热。 2C(s)+2O2(g)=2CO2(g) △H2=-787.0kJ/mol 2H2(g)+O2(g)=2H2O(1) △H3=-571.6kJ/mol +)2CO2(g)+2H2O(1)=CH3COOH(1)+2O2(g) △H1=870.3kJ/mol 2C(s)+2H2(g)+O(g)CH, COOH(D) △H=-488.3kJ/mol 答:反应2C(s)+2H2(g)+O2(g)= ch coor(D)的反应热为488.3kJ/mol 第三节化学反应热的计算13
习N题 1.2.5molC在O2中完全燃烧生成CO2,放出多少热量? 2.完全燃烧多少摩H2使生成液态水,才能得到1000kJ热量? 3.4.0g硫粉在O2中完全燃烧生成SO2,放出37kJ热量,计算S的燃烧热。 4,1.00gCH4完全燃烧生成液态水和CO2,放出55.6kJ热量,计算CH4的燃烧热。 5.2.00gC2H2完全燃烧生成液态水和CO2,放出99.6kJ热量,3.00molC2H2完全燃烧能 放出多少热量?燃烧相同物质的量的CH4和C2H2,哪种气体燃烧放出的热量多? 6.工业制氢气的一个重要反应是: CO(g)+H2 O(g)-CO(g)+H,(g) 已知在25℃时: (1)C(石墨)+O2(g)-(Og)△H1=-111hmol (2)H2(g)+O2(g)—H2O(g)△H2=-242 k/mol (3)C(石墨)+O2(g)CO2(g) △H3=-394 kJ/mol 试计算25℃时一氧化碳与水作用转化为氢气和二氧化碳反应的反应热。 7.1kg人体脂肪可储存约32200kJ能量。一般人每行走1km大约要消耗170kJ能量,如 果某人每天步行5km,1年中因此而消耗的脂肪大约是多少? 8.一个体重为70kg的人的脂肪储存的能量约为4.2×103kJ,如果快速奔跑1km要消耗 420kJ能量,此人的脂肪可以维持奔跑的距离是多少? 9.某锅炉用1.0t煤可烧开水50t(进锅炉水温20℃),请计算该锅炉的热效率。(1t煤燃烧 放热2.9×10kJ)。 提示:锅炉的热效率一实际用的禁×100% 10.下表列出了生产1m3塑料的能耗和可从同量塑料回收的能量。 塑料能耗/kJ可回收能量/kJ 塑料 能耗/kJ可回收能量/kJ 耐纶 7.8×104 4.2×10 丙烯酸类塑料|4.3×1061.8×10 聚氯乙烯3.8×10° 1.6×104 聚丙烯 2.0×10° 1.5×10 现废品收购站已回收如下数量的废塑料:耐纶5m3、聚氯乙烯50m3、丙烯酸类塑料5m3、 聚丙烯40m3,如将它们加工成燃料,可回收多少能量? 11.制造一辆汽车和为延长汽车使用寿命而采用各种方法防止金属腐蚀,大约要花费9.0 10k能量,而汽车在使用期限内所消耗的汽油能量约为1.0×10°kJ。有人分析了这两个数据, 认为与其千方百计去防止金属腐蚀以延长汽车寿命来降低能耗,不如在降低油耗上下功夫更具有 实际意义。谈谈你的看法。 14《第一章化学反应与能量