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化学键与化学反应热 ​

概览

化学反应的本质是旧化学键断裂、新化学键形成的过程。化学键的断裂要吸收能量，化学键的形成会放出能量，二者之差决定了反应是放热还是吸热。本笔记围绕"键能—能量变化"这条主线，讲解放热/吸热反应的判断、常见放热/吸热反应类型，以及利用键能计算反应热的方法。

核心概念 ​

1. 化学键与能量 ​

  • 化学键是原子间强烈的相互作用，其强弱可用键能（断开 1 mol 化学键所吸收的能量）衡量，单位常用 $\ce{kJ·mol^{-1}}$。
  • 化学反应过程中：
    • 断裂反应物中的化学键 → 吸收能量（克服原子间的吸引力）；
    • 形成生成物中的化学键 → 放出能量（原子间结合释放）。
  • 反应热（能量变化）$\Delta H$ = 反应物总键能 − 生成物总键能 = 断键吸收的总能量 − 成键放出的总能量。

2. 放热反应与吸热反应 ​

类型能量关系反应热体系温度能量图像
放热反应反应物总能量 > 生成物总能量$\Delta H < 0$环境温度升高反应物能量高，生成物能量低
吸热反应反应物总能量 < 生成物总能量$\Delta H > 0$环境温度降低反应物能量低，生成物能量高

从微观键能角度理解

若断键吸收能量 小于 成键放出能量 → 放热（如 $\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}$）； 若断键吸收能量 大于 成键放出能量 → 吸热（如 $\ce{H2 + I2 -> 2HI}$ 在较低温度下吸热）。

3. 反应热计算的两种途径 ​

  1. 键能法：$\Delta H$ = 反应物的键能总和 − 生成物的键能总和。
  2. 能量法：$\Delta H$ = 生成物的总能量 − 反应物的总能量（常用于图像题）。

重点知识 ​

1. 常见的放热反应 ​

  • 燃烧反应：一切燃料的燃烧，如 $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$。
  • 中和反应：酸与碱反应，如 $\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}$，均放热。
  • 金属与酸反应：如 $\ce{Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}$。
  • 大多数化合反应：如 $\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}$。
  • 铝热反应：$\ce{2Al + Fe2O3 ->[高温] Al2O3 + 2Fe}$。

2. 常见的吸热反应 ​

  • 大多数分解反应：如 $\ce{CaCO3 ->[高温] CaO + CO2 ^}$、$\ce{2H2O ->[通电] 2H2 ^ + O2 ^}$。
  • $\ce{C + CO2 ->[高温] 2CO}$。
  • $\ce{Ba(OH)2·8H2O + 2NH4Cl -> BaCl2 + 2NH3 ^ + 10H2O}$（固体混合，温度明显下降）。
  • 碳与水蒸气（水煤气）反应：$\ce{C + H2O(g) ->[高温] CO + H2}$。

判断技巧

吸热反应常见的"扛把子"是 $\ce{C}$参与的还原反应、大多数分解反应和$\ce{Ba(OH)2·8H2O + NH4Cl}$ 实验。判断时先看是否属于这些"模板"，再看能量图像（反应物总能量低则吸热）。

3. 利用键能计算反应热 ​

步骤：

  1. 写出化学方程式并配平。
  2. 数出反应物与生成物中各化学键的数目（注意结构式）。
  3. 代入公式：$\Delta H$ = 反应物键能总和 − 生成物键能总和。

示例：$\ce{H2(g) + Cl2(g) -> 2HCl(g)}$，已知 $\ce{H-H}$键能$436\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$，$\ce{Cl-Cl}$键能$243\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$，$\ce{H-Cl}$键能$431\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$。

$$\Delta H = (436 + 243) - 2 \times 431 = 679 - 862 = -183\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$$

反应放热 $183\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$。

4. 放热与吸热的图像判断 ​

在"反应过程—能量"图像中：

  • 若反应物的总能量线高于生成物 → 放热反应，$\Delta H < 0$。
  • 若反应物的总能量线低于生成物 → 吸热反应，$\Delta H > 0$。
  • 图中最高点表示活化能（过渡态能量），与反应热是两回事。

活化能与反应热

反应热只取决于反应物与生成物的总能量之差，与是否需要活化能无关。放热反应也可能需要先加热引发（如铝热反应需要高温点燃）。

典型例题 ​

例题 1：键能计算反应热 ​

题目：已知断裂 1 mol 下列化学键所需能量：$\ce{H-H}$为$436\ \mathrm{kJ}$，$\ce{N-H}$为$391\ \mathrm{kJ}$，$\ce{N\#N}$为$946\ \mathrm{kJ}$。试计算反应 $\ce{N2(g) + 3H2(g) -> 2NH3(g)}$ 的反应热。

分析：先数化学键。反应物含 1 个 $\ce{N\#N}$三键和 3 个$\ce{H-H}$键；生成物 2 mol$\ce{NH3}$含 6 个$\ce{N-H}$ 键。反应热 = 反应物键能总和 − 生成物键能总和。

解答： $$\Delta H = (946 + 3 \times 436) - 6 \times 391 = (946 + 1308) - 2346 = 2254 - 2346 = -92\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$$

答：该反应为放热反应，$\Delta H = -92\ \mathrm{kJ·mol^{-1}}$。

点评：本题是键能计算的典型题，关键在于准确数出分子中化学键的数目（如 1 mol $\ce{NH3}$有 3 个$\ce{N-H}$键），并注意键能单位是$\ce{kJ·mol^{-1}}$，切勿漏乘物质的量。

例题 2：放热/吸热反应的判断 ​

题目：下列反应属于吸热反应的是（　） A. $\ce{CH4 + 2O2 ->[点燃] CO2 + 2H2O}$　B. $\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}$ C. $\ce{Ba(OH)2·8H2O + 2NH4Cl -> BaCl2 + 2NH3 ^ + 10H2O}$　D. $\ce{Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2 ^}$

分析：A 是燃烧（放热）；B 是化合反应中的金属氧化物与水化合（放热）；D 是金属与酸反应（放热）；C 是经典的吸热反应，固体混合后温度显著降低。

解答：选 C。

点评：判断吸热/放热不能死记硬背"化合都放热、分解都吸热"，因为个别特例存在；但本题的 C 选项是教材经典实验，属于必记模板。考试中先认模板，再结合能量图像复核。

图像题与比较技巧 ​

能量—反应过程图像 ​

  • 横轴表示反应过程，纵轴表示能量。
  • 反应物总能量线高于生成物 → 放热；低于 → 吸热。
  • 图像中的"峰"对应活化能（过渡态），峰的"高度"与反应热无关。

常见比较方法 ​

问题判断依据
哪个反应放热更多比较反应物总能量与生成物总能量之差
键能大说明什么键能越大，键越牢固，该化学键越难断裂
放热反应一定自发吗一般自发，但需要活化能引发（如燃烧需点燃）

反应热大小比较易错点 ​

  • 比较 $\Delta H$ 大小时注意正负号：放热越多，$\Delta H$ 数值越小（负得越多）。
  • 如 $\ce{H2(g) + O2(g)}$完全燃烧生成液态水放热多于生成气态水，故$\Delta H$ 更小。

记忆口诀 ​

"断键吸、成键放；反应热 = 断键吸收 − 成键放出；放热为负、吸热为正。"

易错提醒 ​

常见错误

  • "断键放出能量，成键吸收能量"❌ —— 断键吸收能量，成键放出能量。
  • "放热反应不需要加热"❌ —— 放热反应也可能需要点燃/加热引发（如 $\ce{CH4}$ 燃烧需点燃）。
  • "吸热反应必须加热才能进行"❌ —— $\ce{Ba(OH)2·8H2O}$与$\ce{NH4Cl}$ 常温即可进行且明显降温。
  • 键能计算时忘记乘以化学计量数对应的键数目❌ —— 如 1 mol $\ce{NH3}$含 3 个$\ce{N-H}$键，2 mol$\ce{NH3}$ 是 6 个。
  • 把"反应热"与"活化能"混淆❌ —— 活化能对应能量图像中的"峰高"，反应热对应"反应物—生成物能量差"。

与其他知识关联 ​

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