热化学方程式与燃烧热

概览

本笔记讲解如何用热化学方程式把反应热定量记录下来，并重点掌握两类特殊反应热：燃烧热与中和热。热化学方程式的书写规范（状态、系数、$\Delta H$ 单位）是高考高频考点，燃烧热/中和热的定义辨析则是选择题常客。

核心概念

1. 热化学方程式

定义：能表示化学反应中物质变化和能量变化（$\Delta H$）的化学方程式，称为热化学方程式。

书写规范（五条硬性要求）：

1. 注明物质状态：用 $(g)$、$(l)$、$(s)$、$(aq)$ 分别表示气、液、固、溶液；状态不同，$\Delta H$ 数值不同。
2. 注明 $\Delta H$：包括符号、数值和单位 $\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$。
3. 系数表示物质的量：系数可为整数或分数，只表示物质的量，不表示分子个数。
4. 系数与 $\Delta H$ 成正比：系数加倍，$\Delta H$ 数值加倍；系数减半，$\Delta H$ 数值减半。
5. 逆反应的 $\Delta H$符号相反、数值相等；特殊温度压强需注明（默认$25\ ^\circ\mathrm{C}$、$101\ \mathrm{kPa}$）。

示例：

$$ \ce{2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)} \qquad \Delta H = -571.6\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}} $$

$$ \ce{H2(g) + 1/2 O2(g) -> H2O(l)} \qquad \Delta H = -285.8\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}} $$

两个方程式代表的是同一反应在不同计量数下的热效应，$\Delta H$ 按比例变化。

2. 燃烧热

定义：$101\ \mathrm{kPa}$、$25\ ^\circ\mathrm{C}$ 时，1 mol 纯物质完全燃烧生成指定稳定产物时所放出的热量。

• 指定产物：碳 → $\ce{CO2(g)}$，氢 → $\ce{H2O(l)}$，硫 → $\ce{SO2(g)}$，氮 → $\ce{N2(g)}$。
• 完全燃烧：元素被氧化到最高价稳定氧化物，产物不能再燃烧。
• 燃烧热 $\Delta H$恒为负值，单位$\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$。
• 热化学方程式中可燃物的计量数必须为 1。

示例（甲烷燃烧热）：

$$ \ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)} \qquad \Delta H = -890.3\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}} $$

燃烧热 vs 燃烧反应热

燃烧反应热不限定 1 mol 燃料，系数可任意；燃烧热严格要求燃料系数为 1 且产物为指定稳定氧化物。例如 $\ce{2CH4(g) + 4O2(g) -> 2CO2(g) + 4H2O(l)}$的$\Delta H = -1780.6\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$ 是燃烧反应热而非燃烧热。

3. 中和热

定义：在稀溶液中，酸与碱发生中和反应生成 1 mol 液态水时所放出的热量。

• 强酸与强碱稀溶液反应：$\Delta H = -57.3\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$。
• 弱酸或弱碱参与：由于电离吸热，中和热的数值偏小（绝对值小于 $57.3$）。
• 浓硫酸稀释会放热，使测得中和热数值偏大。

离子方程式（强酸强碱）：

$$ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)} \qquad \Delta H = -57.3\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}} $$

重点知识

1. 热化学方程式书写常见陷阱

• 状态必写：$\ce{H2O(g)}$与$\ce{H2O(l)}$的$\Delta H$ 不同（气态水的能量更高，生成气态水放热少）。
• 系数与 $\Delta H$同步：写$\ce{1/2}$系数时$\Delta H$也减半，很多同学只改系数不改$\Delta H$。
• 单位不要写成 $\mathrm{kJ}$：$\Delta H$的单位是$\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$，表示"按方程式书写的反应进行 1 个单位"的热量。
• 可逆反应符号用 $\rightleftharpoons$：但 $\Delta H$ 表示"按正向计量数完全反应"的理论值。

2. 燃烧热的比较与计算

比较同质量（或同物质的量）燃料燃烧热：燃烧热是 1 mol 燃料完全燃烧放出的热量，比较时看 $\Delta H$ 的绝对值（放热量）。

由燃烧热反推生成焓（盖斯定律应用）：见 03-盖斯定律与反应热计算。

3. 中和热的测定（热化学方程式书写训练）

用 $0.50\ \mathrm{mol \cdot L^{-1}}$盐酸$50\ \mathrm{mL}$与$0.55\ \mathrm{mol \cdot L^{-1}}$NaOH 溶液$50\ \mathrm{mL}$反应（碱稍过量，保证酸完全反应），测得温度升高$\Delta t = 3.4\ ^\circ\mathrm{C}$，则：

$$ Q = 4.18 \times 10^{-3}\ \mathrm{kJ/(g \cdot ^\circ C)} \times (50+50)\ \mathrm{g} \times 3.4\ ^\circ\mathrm{C} = 1.42\ \mathrm{kJ} $$

生成水的物质的量 $n = 0.50 \times 0.050 = 0.025\ \mathrm{mol}$，故：

$$ \Delta H = -\dfrac{Q}{n} = -\dfrac{1.42}{0.025} = -56.9\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}} $$

（略小于 $57.3$，因热量散失。）

记忆

中和热书写用离子方程式 $\ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}$，计量数恒为 1 个 $\ce{H2O}$；燃烧热书写则把燃料系数定为 1。

典型例题

例题 1（热化学方程式书写）

题目：写出 $0.5\ \mathrm{mol}$液态乙醇完全燃烧生成$\ce{CO2(g)}$和$\ce{H2O(l)}$放热$683.4\ \mathrm{kJ}$ 对应的热化学方程式（乙醇的燃烧热）。

分析：$0.5\ \mathrm{mol}$乙醇燃烧放热$683.4\ \mathrm{kJ}$，则 $1\ \mathrm{mol}$乙醇燃烧放热$1366.8\ \mathrm{kJ}$，即燃烧热 $\Delta H = -1366.8\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$。

解答：

$$ \ce{C2H5OH(l) + 3O2(g) -> 2CO2(g) + 3H2O(l)} \qquad \Delta H = -1366.8\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}} $$

点评：先换算成 1 mol 燃料，再确定指定产物（碳→$\ce{CO2(g)}$，氢→$\ce{H2O(l)}$），状态与 $\Delta H$ 必须同时写全。

例题 2（燃烧热与反应热辨析）

题目：已知：① $\ce{C(s) + 1/2 O2(g) -> CO(g)}\quad \Delta H = -110.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$；② $\ce{CO(g) + 1/2 O2(g) -> CO2(g)}\quad \Delta H = -283.0\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$。下列说法正确的是？ A. $\ce{C}$的燃烧热为$110.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$ B. $\ce{C}$的燃烧热为$393.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$ C. $\ce{C}$的燃烧热为$-393.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$ D. 由①可知，$\ce{C}$不完全燃烧生成$\ce{CO}$的燃烧热为$110.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$

分析：燃烧热要求完全燃烧生成指定稳定产物。①中生成 $\ce{CO}$不是完全燃烧，其$\Delta H$ 不是燃烧热。$\ce{C}$完全燃烧应生成$\ce{CO2(g)}$，由①+②得 $\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)}\quad \Delta H = -393.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$。

解答：C。燃烧热是 1 mol $\ce{C}$完全燃烧生成$\ce{CO2(g)}$ 放出的热量，$\Delta H = -393.5\ \mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$，故 C 正确。

点评：辨析题两大陷阱：一是"不完全燃烧产物（$\ce{CO}$）不是燃烧热"，二是"燃烧热 $\Delta H$带负号"。D 选项错在把$\ce{CO}$当作$\ce{C}$ 的指定稳定产物。

易错提醒

WARNING

1. 状态漏写：$\ce{H2O(l)}$与$\ce{H2O(g)}$的$\Delta H$ 不同，气态水能量高，放热少。
2. 系数与 $\Delta H$ 不同步：系数变为 2 倍，$\Delta H$ 必须变为 2 倍。
3. 燃烧热定义三要素：1 mol、完全燃烧、指定产物，缺一不可；$\ce{C}$的产物必须是$\ce{CO2(g)}$，$\ce{H}$的产物必须是$\ce{H2O(l)}$。
4. 中和热的"稀溶液 + 强酸强碱"前提：弱酸弱碱电离吸热使数值偏小，浓溶液稀释放热使数值偏大。
5. 单位写法：$\Delta H$单位是$\mathrm{kJ \cdot mol^{-1}}$，不是 $\mathrm{kJ}$，且必须带符号。

与其他知识关联

• 热化学方程式书写是 01-反应热与焓变 中 $\Delta H$ 概念的书面化。
• 燃烧热与生成焓的换算、叠加反应式求 $\Delta H$ 是 03-盖斯定律与反应热计算 的核心应用。
• 标准生成焓表与通用算法可参考根目录燃烧热的计算。
• 中和热的测定实验与数据处理的误差分析，可与后面选必一"水溶液中的离子平衡"中电离、水解的热效应联系起来。

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