用定量法解析“熱重曲線”試題

河南 周紅欣

中學化學熱重曲線試題是近年來高考化學試題的常見題型，它是以熱重法(TG)實驗獲得的圖象數據為情境設計的試題。綜合考查了學生獲取信息的能力、處理數據的能力等，促使學生對中學化學知識內涵再次的理解和體會，同時也落實了新課標理念，讓學生真正感受化學學習的過程和研究化學的方法，從而培養學生分析、變形、轉換的能力。在實際教學中發現大多數學生對解決此類問題常感到束手無策，有畏難情緒，是解答錯誤的高發區。

1 熱重曲線試題的類型

資料表明，中學化學熱重曲線試題最早出現在2000年廣東高考試題中，研究近幾年高考試題發現，這類試題大多依據結晶水合鹽試樣熱重法實驗圖象而編制。一般認為加熱結晶水合鹽反應可分三步進行：第一步是脫去部分水，第二步是生成羥基鹽或含水鹽，第三步是生成金屬氧化物；如果熱重實驗的氣氛為空氣，則加熱過程中可能被氧化，反應將變得更復雜一些。基于這些，我們認為中學化學熱重曲線試題可分為兩類:第一類，試樣發生分解反應，以脫水、分解等方式失重，氣氛物質不參加反應；第二類，試樣發生氧化、還原等反應，以氧化、還原等方式失重，氣氛物質可參加反應，如氧氣氧化等。當然也有試題形式上是兩者的結合，但本質上可以分步處理，故仍屬于上述類型。

2 熱重曲線試題的解題模型

筆者根據多年的教學實踐，認為解析熱重曲線試題的關鍵是應以1 mol物質為研究對象，抓住失重時減少的質量，結合摩爾質量，即可快速求得結果。在實際教學中能讓普通認知水平的學生做到透徹地理解，并加以熟練應用，利于構建高效課堂教學和加深學生理解。

3 加熱的物質都有固定的化學式

3.1 固體試樣以脫水、分解等方式失重

例1隨著材料科學的發展，金屬釩及其化合物得到了越來越廣泛的應用，并被譽為“合金的維生素”。經過熱重分析測得：NH4VO3在焙燒過程中，固體質量的減少值(縱坐標)隨溫度變化的曲線如圖所示。則NH4VO3在分解過程中________。

A．先分解失去H2O，再分解失去NH3

B．先分解失去NH3，再分解失去H2O

C．同時分解失去H2O和NH3

D．同時分解失去H2、N2和H2O

答案：B

解析：NH4VO3的摩爾質量為117 g/mol，設NH4VO3物質的量為1 mol，則210℃時失重的質量為1 mol×117 g/mol×(1-85.47%)=17 g。

380℃時失重的質量為1 mol×117 g/mol×(1-77.78%)=26 g。

在第一次失重的基礎上，第二次又失去的質量為26 g-17 g=9 g。

3.2 固體試樣以氧化、還原等方式失重

例2正極材料為LiCoO2的鋰離子電池已被廣泛用作便攜式電源。但鈷的資源匱乏限制了其進一步發展。Co(OH)2在空氣中加熱時，固體殘留率隨溫度的變化曲線如圖所示。已知鈷的氫氧化物加熱至290℃時已完全脫水，則1 000℃時，剩余固體成分為________(填化學式，下同)；在350～400℃范圍內，剩余固體成分為________。

Co(OH)2的熱重曲線

答案：CoO Co3O4和Co2O3

所以在350～400℃范圍剩余固體是Co3O4和Co2O3的混合物。

3.3 固體試樣先后以兩種不同的方式失重

例3MnCO3可用作電訊器材元件材料，還可用作瓷釉、顏料及制造錳鹽的原料。它在空氣中加熱易轉化為不同價態錳的氧化物，其固體殘留率隨溫度的變化，如圖所示。則300℃時，剩余固體中n(Mn)∶n(O)為________；圖中D點對應固體的成分為________________(填化學式)。

MnCO3的熱重曲線

答案：1∶2 Mn3O4與MnO

所以D點時固體物質正從Mn3O4轉化為MnO，此時為Mn3O4與MnO的混合物。

4 加熱的物質沒有固定的化學式

例4(2014年江蘇18題節選)堿式碳酸鋁鎂[MgaAlb(OH)c(CO3)d·xH2O]常用作塑料阻燃劑。為確定堿式碳酸鋁鎂的組成，進行如下實驗：

①準確稱取3.390 g樣品與足量稀鹽酸充分反應，生成0.560 L CO2(已換算成標準狀況下)。

堿式碳酸鋁鎂的熱重曲線

答案：3∶5

解析：堿式碳酸鋁鎂的化學式不確定，題中只表示為MgaAlb(OH)c(CO3)d·xH2O，無法求得摩爾質量。試題中以3.390 g樣品為研究對象，不妨暫定3.390 g樣品為 1 mol。3.390 g樣品與足量的稀鹽酸充分反應，生成CO2體積為0.560 L(標準狀況)。

270℃時已完全失去結晶水，失去結晶水的質量為3.390 g×(1-73.45%)=0.9 g，600℃以上殘留固體為金屬氧化物的混合物，說明又失去了除結晶水外的氫元素。失去的氫元素只能再結合樣品中的氧元素生成水。600℃時失重的質量為3.390 g×(1-37.02%)=2.135 g，失去氫元素再生成水的質量為2.135 g-(0.025 mol×44 g/mol)-0.9 g=0.135 g。