师:同学们好,今天我们一起复习第一章和第二章。相信大家通过之前的学习,已基本掌握这两章知识。为巩固所学,我们先回顾这两章内容的知识结构。这两章都以化学反应为研究对象。
在第一章,我们学习了化学反应中的能量变化,了解了焓变、反应热,以及反应热包含的燃烧热、中和热等概念。还学会用热化学方程式表示化学反应中的能量变化,以及掌握反应热的计算方法。
第二章中,我们研究了化学反应的快慢,即化学反应速率的表示方法、影响因素,以及化学反应速率的两个基础理论模型:碰撞理论和过渡态理论。最后,研究了化学反应中可逆反应平衡状态的特征、影响因素,以及用平衡常数来表示化学平衡状态。还学习了化学反应方向的判断方法。接下来,我们就每个部分的重难点内容进行复习。
首先看化学反应中的能量变化,我们可从宏观角度分析。请大家看这张图,当反应物能量高于生成物能量时,多出的能量会释放到环境中,这就是放热反应。再看右边这张图,当生成物能量高于反应物能量时,多出的能量是从环境中吸收的,这就是吸热反应。焓变ΔH等于生成物总能量减去反应物总能量。除了从宏观角度,我们还能从微观角度分析。以氢气在氯气中燃烧为例,化学反应的过程就是断裂反应物化学键并形成生成物化学键的过程。当断裂化学键吸收的能量与形成化学键释放的能量不相等时,化学反应就会有能量变化。下面给出三种键能数据,大家能计算出这个反应的焓变吗?这个反应的焓变ΔH等于断裂反应物化学键所吸收的总能量减去形成生成物化学键所释放的总能量,即436 + 243 - 2×431 = -183千焦/摩尔。
化学反应中的能量变化,我们可借助热化学方程式表示。请大家看这个热化学方程式,25℃、101千帕时,该反应的焓变ΔH = -890.31千焦/摩尔。大家注意,书写热化学方程式时,需注明物质参加反应时的状态,以及反应时的温度和压强,25℃、101千帕时可不用注明。为什么要标明这些信息呢?因为物质的状态以及反应条件都会影响反应的焓变。对于这个热化学方程式,反应中的焓变在数值上也等于甲烷的燃烧热。
我们一起看燃烧热的定义:101千帕时,1摩尔纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量,叫做该物质的燃烧热。这里大家要注意,如果产物是一氧化碳,不能称之为完全燃烧产物;如果是气态水,不能说生成的是稳定的氧化物。有些化学反应的反应热可通过实验测定,有些则需通过其他化学反应计算获得,这时就要用到盖斯定律。什么是盖斯定律呢?它指的是化学反应一步进行或分步进行,其反应热相同,即化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关,与反应途径无关。我们来看这张图,蓝色线代表一步反应,红色线代表两步反应。
我们来看下这道例题,这是2019年全国卷3的节选,请大家仔细读题。在这里我们可以使用“同侧加异侧减”的规律。什么叫同侧加呢?就是在方程式同一侧,我们可以用加的方式引入该物质。如果两种物质在方程式的不同侧,我们可以通过减的方式引入。比如反应4的左侧有4摩尔氯化氢,反应3的左侧有2摩尔氯化氢,它们在同一侧,我们可以通过加上反应3的方式引入氯化氢,但由于反应3中氯化氢前面的系数是2,我们可以将反应3扩大两倍后再加入。反应4的左侧还有氧气,而反应2的左侧也有氧气,它们在同一侧,我们可以加入反应2。再来看系数,反应4中氧气前面的系数是1,而反应2中氧气前面的系数是1/2,我们可以将反应2扩大两倍后再加入。我们再看反应4当中产物里有2摩尔氯气,刚才通过加入两倍的反应2,我们已在反应4的右侧引入1摩尔氯气,还缺1摩尔氯气可通过反应1引入。反应1的右侧有1/2摩尔氯气,跟反应4在同一侧,我们可以扩大两倍后再加入,这样反应4的右侧就可引入2摩尔氯气。因此我们得出数学关系:反应4 = 2×反应3 + 2×反应2 + 2×反应1。方程式存在怎样的数学关系,焓变就会存在相应的数学关系。代入计算,最终我们算出反应4的焓变等于 -116千焦/摩尔。
研究完化学反应中的能量变化,接下来我们看化学反应速率v,它的表达式v = Δc / Δt,指的是单位时间内反应物浓度或生成物浓度的变化。大家注意,我们还可用物质的质量、体积、压强等替代浓度变化来计算反应速率。以碳酸钙跟盐酸反应为例,在这个反应中,我们既可以用盐酸和氯化钙的浓度随时间变化来计算反应速率,也可以利用碳酸钙固体的质量随时间的变化来计算反应速率,此时计算公式会变为v = Δm / Δt,相应的单位也会改变。我们还能利用二氧化碳的体积和压强来计算反应速率。
要注意的第二点是,Δt为某一时间段,计算得到的是平均反应速率,当Δt无限小时,得到的是瞬时反应速率。影响化学反应速率的因素有哪些呢?包括内因和外因。内因指物质的结构和性质,比如在相同条件下,钠与水的反应比镁与水的反应快得多,就是因为钠的金属性比镁强。内因我们无法改变,能改变的是外因,包括温度、浓度、压强、催化剂等。
那么这些外因为什么能影响化学反应速率呢?这需要借助化学反应速率的两个基础理论模型:碰撞理论和过渡态理论。先看碰撞理论,它有两个重要概念:一、有效碰撞,具有足够能量的分子(即活化分子)之间取向合适的碰撞才能引起化学反应,这样的碰撞称为有效碰撞。单位时间、单位体积内有效碰撞次数越多,化学反应速率就越快。二、活化能,活化分子的平均能量与反应物分子的平均能量之差称为活化能。活化能越高,化学反应速率越慢,因为不是所有反应物分子都是活化分子,它们要成为活化分子需吸收能量,这个能量越高,活化分子数就越少,有效碰撞次数越少,反应速率就越慢。
再看过渡态理论,它也有两个核心概念:一、过渡态,指反应物转化成生成物的过程中会经历一个高能量状态,此时反应物的化学键将断未断,生成物的化学键将形成未形成,这个状态称为过渡态,处于过渡态的分子能量高。二、活化能,处于过渡态的分子的平均能量与反应物分子的平均能量之差称为活化能。我们可借助这张图中的小山峰,它既代表活化分子,也代表过渡态。如果这个反应是可逆反应,大家能找到正反应的活化能和逆反应的活化能吗?对,这就是正反应的活化能,而这个是逆反应的活化能。正反应活化能与逆反应活化能的差值,大家看出来它等于什么吗?对,它等于这个反应的焓变ΔH。请大家思考这道题,这是2019年全国卷一的节选,请大家认真读题、仔细思考。
好,我们一起来看。第一个问,要判断这个反应的ΔH是大于、小于还是等于0?我们只需分析整个复杂过程中的始态和终态,发现始态的相对能量比终态的相对能量高,多出的能量释放到环境中,所以这是一个放热反应,ΔH小于0。再看第二个问,该历程中最大能垒(即活化能E正)等于多少电子伏特?我们找到两个关键词“过渡态1”“过渡态2”,再找到能量变化。在第一个过渡态中能量差值是1.91,第二个过渡态中能量差值是2.02,所以该历程中最大能垒E正等于2.02电子伏特。写出该步骤的化学方程式,我们找到过渡态2对应的化学反应,在框子中找到反应物和产物,照搬过来就是这个步骤的化学方程式。
