化學反應與能量自主招生專題選講

■北京市十一學校 鄭 弢

化學反應與能量自主招生專題選講

■北京市十一學校 鄭 弢

北大、清華等高校自主招生化學測試中,化學反應與能量相關計算(燃燒熱、中和熱、反應熱的計算,蓋斯定律及其應用等)是反應原理模塊的重要考點之一。這類試題的解題關鍵是準確地運用“方程式疊加”的方法,由已知反應的反應熱借助蓋斯定律求解未知反應的反應熱。

例1已知：①Na(s)-e-══Na+(aq)ΔrHm?=-240kJ·mol-1

NaCl的溶解熱為3.8kJ·mol-1。

分析由此能得到什么數據,請用熱化學方程式表示：____。

解析：解答本題時,首先應將試題中的文字表述轉化為對應的熱化學方程式。NaCl的溶解熱對應的熱化學方程式為③NaCl(s)══Na+(aq)+Cl-(aq) ΔrHm?=+3.8kJ·mol-1(注：ΔrHm?為標準摩爾反應焓變,可簡寫為ΔH,下同)。①+②-③,可得到新的熱化學方程式。

答案：ΔrHm?=-410.8kJ·mol-1

例2已知C(石墨)、氫氣(g)、乙醇(l)的燃燒熱分別為394 kJ·mol-1、286kJ·mol-1、1367kJ·mol-1,由這些可以知道哪些數據?

解析：(標準)燃燒熱,即100kPa時,1mol物質完全燃燒時放出的熱量。在熱力學上,規定以下為完全燃燒：C→CO2(g),H→H2O(l),N→N2(g),S→SO2(g),Cl→HCl(aq)。由于放出熱量焓變為負,若以燃燒焓代替燃燒熱,以熱化學方程式的形式來表示,則有：

(1)C(石墨)+O2(g)══CO2(g)ΔrHm?=-394kJ·mol-1

(3)C2H5OH(l)+3 O2(g)══2CO2(g)+3H2O(l) ΔrHm?=-1367kJ·mol-1

在熱力學上,指定單質(C為石墨,P為白磷等)的標準摩爾生成焓ΔfHm?=0。在本題中ΔfHm?(C,石墨)=ΔfHm?(O2,g)=ΔfHm?(H2,g)=0。任何一個反應的焓變等于生成物生成焓之和減去反應物生成焓之和。于是由反應(1)可求得：ΔfHm?(CO2,g)=-394kJ·mol-1,由反應(2)可求得：ΔfHm?(H2O,l)=-286kJ·mol-1,由反應(1)、(2)和(3)可求得：

ΔfHm?(C2H5OH,l)=-279kJ·mol-1。此外,由反應(1)和(2)可求得如下反應的焓變：

C(石墨)+2H2O(l)══CO2(g)+2H2(g) ΔrHm?=+178kJ·mol-1

由反應(1)和(3)以及反應(2)和(3),還可以分別求得：

3C(石墨)+3H2O(l)══CO2(g)+C2H5OH(l) ΔrHm?=+185kJ·mol-1

6H2(g)+2CO2(g)══3H2O(l)+C2H5OH(l) ΔrHm?=-349kJ·mol-1

答案：CO2(g)的標準摩爾生成焓ΔfHm?(CO2,g)=-394kJ·mol-1,H2O(l)的標準摩爾生成焓 ΔfHm?(H2O,l)=-286kJ·mol-1,C2H5OH(l)的標準摩爾生成焓ΔfHm?(C2H5OH,l)=-279kJ·mol-1,以及如下反應的焓變：

C(石墨)+2H2O(l)══CO2(g)+2H2(g) ΔrHm?=+178kJ·mol-1

3C(石墨)+3H2O(l)══CO2(g)+C2H5OH(l) ΔrHm?=+185kJ·mol-1

6H2(g)+2CO2(g)══3H2O(l)+C2H5OH(l) ΔrHm?=-349kJ·mol-1

例3已知把燃著的鎂帶放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,鎂帶能繼續燃燒。查得CO2、MgO、P2O5的生成焓分別為-394kJ·mol-1、-602kJ · mol-1、-1506kJ·mol-1,汽油(分子式以C8H18表示)的燃燒焓為-1302kJ·mol-1。

①如果把燃著的白磷(置于銅質燃燒勺上)放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,會有哪些現象?并簡要說明。

②如果把燃著的汽油(置于銅質燃燒勺上)放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,會有哪些現象?并簡要說明。

解析：①根據已知數據,可以求得Mg(s)在CO2(g)中燃燒反應的反應熱：

2Mg(s)+CO2(g)══2MgO(s)+C(石墨) ΔrHm?=-810kJ·mol-1

該反應劇烈放熱,反應放出的熱量可以維持鎂帶在CO2中繼續燃燒。

類似的,可以求算P(白磷)在CO2(g)中燃燒反應的反應熱：

4 P(白磷)+5CO2(g)══2P2O5(s)+5C(石墨) ΔrHm?=-1042kJ·mol-1

該反應也是劇烈放熱的,類比可知反應放出的熱量也可以維持白磷在CO2中繼續燃燒。

②汽油的燃燒反應需要有O2參與,換言之,CO2不能支持汽油的燃燒,故把燃著的汽油放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,火焰會熄滅。

答案：①鎂帶能夠在CO2中繼續燃燒,是因為Mg(s)在CO2(g)中的燃燒反應劇烈放熱(ΔrHm?=-810kJ·mol-1);P(白磷)在CO2(g)中燃燒的反應熱為ΔrHm?=-1042kJ·mol-1,也劇烈放熱,故白磷能夠繼續燃燒,同時產生大量白煙。

②CO2不能支持汽油的燃燒,把燃著的汽油放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,火焰會熄滅。

方法小結：解答自主招生測試中化學反應與能量相關的計算問題,首先應該準確理解物質的燃燒熱、中和熱、反應熱等基本概念,能夠依據題意規范、準確地寫出熱化學方程式(尤其要關注各物質的狀態),最后再運用“方程式疊加”的方法,借助蓋斯定律進行計算。

練習：

A.150.0kJ·mol-1

B.-150.0kJ·mol-1

C.299.9kJ·mol-1

D.-299.9kJ·mol-1

(2)氫化焓是指一種不飽和有機化合物變為完全飽和時,反應過程的焓變。已知：298K時,乙烯、乙烷、環己烷和氫氣的燃燒焓分別為-1411kJ·mol-1、-1560kJ·mol-1、-3924kJ·mol-1和-285kJ·mol-1。

①計算298K時,1mol乙烯的氫化焓。

②估算苯的燃燒焓,并解釋其與實測值(-3273kJ·mol-1)的差異。

答案：

(1)A(2)①-136kJ·mol-1。②苯的燃燒焓為-3477kJ·mol-1,測量值與估算值兩者之差為204kJ·mol-1。其主要原因在于估算時假設苯環含有三個雙鍵,但實際上由于苯環是一個共振結構,比較穩定,因此其氫化焓比三個雙鍵的氫化焓少。

(責任編輯 謝啟剛)

鄭弢,北京市化學會中學生化學競賽委員會委員,海淀區高三兼職教研員。輔導學生參加第30屆中國化學奧林匹克(決賽)暨冬令營,斬獲4金1銀,2人進入國家集訓隊。