能量變化圖示法在熱化學解題中的應用

黑龍江 張顯峰

高考題中數(shù)圖形式呈現(xiàn)信息已成為增大試題難度的常考形式，平時教學過程中，要引導學生利用對圖象類習題的研究，加深對化學反應原理的理解。現(xiàn)針對“能量與反應過程”的系列圖象的分析基礎上，利用“能量變化圖”體現(xiàn)物質(zhì)之間的能量關系，借以挖掘物質(zhì)能量的大小關系、守恒關系、物質(zhì)的穩(wěn)定性等信息，突破此類難題，形成策略性知識。

在高考試卷中，考查蓋斯定律的試題出現(xiàn)頻率較高，屬于熱點問題，命題的背景材料、信息的呈現(xiàn)形式變化多樣，考查學生對問題的分析思考能力，區(qū)分度較高。請看下面兩道高考題。

【例1】(2014·北京卷·26節(jié)選)NH3經(jīng)一系列反應可以得到HNO3，如圖所示。

(3)Ⅲ中，降低溫度，將NO2(g)轉(zhuǎn)化為N2O4(l)，再制備濃硝酸。

下列能量變化示意圖中，正確的是________(選填字母)。

A

B

C

【答案】A

【解析】題目提到“降低溫度，將NO2(g)轉(zhuǎn)化為N2O4(l)，再制備濃硝酸”說明降溫有利于NO2轉(zhuǎn)化為N2O4，則該反應是放熱反應，ΔH1<0，ΔH2<0，而等量的N2O4(g)的能量大于N2O4(l)的能量，所以A項正確。

( )

A.ΔH2>ΔH3B.ΔH1<ΔH3

C.ΔH1+ΔH3=ΔH2D.ΔH1+ΔH2>ΔH3

【答案】B

【解析】這類題的常規(guī)處理方法是把過程的描述轉(zhuǎn)化為熱化學方程式：

由以上熱化學方程式可知，ΔH2<ΔH3，所以A項錯誤；由蓋斯定律可以得出反應(Ⅱ)+反應(Ⅲ)=反應(Ⅰ)，即ΔH2+ΔH3=ΔH1，所以C項錯誤，由ΔH2+ΔH3=ΔH1，以及ΔH1>0、ΔH2<0、ΔH3>0推出ΔH1<ΔH3，所以B項正確；再由ΔH1<ΔH3和ΔH2<0可得出ΔH1+ΔH2<ΔH3，所以D項錯誤。

從上面兩道高考題的難易程度分析，前者簡單的原因，是題中出示的圖象蘊含了豐富信息，按號入座即可；但后者需要學生掌握蓋斯定律和利用數(shù)學知識來解決問題，不僅過程復雜，還要兼顧反應熱的正負，稍有疏漏就會得出錯誤的結(jié)論。

提高這類試題的解題效率，最有效手段便是改變解題方法。我們先研究一下教材對能量問題的設計。在人教版必修二教材第33頁出示了“水能、化學能變化示意圖”(圖1)，與生活中的事實進行對比聯(lián)系，直觀形象，清晰明了。人教版選修四第3頁采用二維圖象形式說明反應過程中物質(zhì)能量的變化(圖2)，抽象成對應的數(shù)學形式，有前面的具體鋪墊和后面的數(shù)學處理，學生在頭腦中建立起放熱反應、吸熱反應的立體模型。

水由高處向低處流要釋放能量(勢能轉(zhuǎn)化為低能)

將水由低處抽向高處需供能量(電能轉(zhuǎn)化為機械能，再轉(zhuǎn)化為勢能)

反應物的總能量>生成物的總能量化學反應放出能量

反應物的總能量<生成物的總能量化學反應吸收能量

圖3

圖4

圖5

另外，同一物質(zhì)的聚集狀態(tài)不同，所具有的能量也不同，又會增加問題的復雜性，因此，圖2只能粗略地表現(xiàn)反應過程，利用它解題，信息量不足就體現(xiàn)的非常明顯了。下面結(jié)合例3、例4體會一下利用圖象解題帶來的便捷。

【例3】如圖所示，下列說法不正確的是

( )

圖6

圖7

C.Q1與Q2的關系：Q1>Q2

D.ΔH2>ΔH1

【答案】C

【例4】分析如圖8所示的能量變化示意圖，下列熱化學方程式正確的是

( )

圖8

【答案】B

【解析】根據(jù)圖示，2A(g)+B(g)的總能量大于2C(g)的總能量，故a<0，A選項中a>0，故A選項錯誤；C、D選項中未注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)，故C、D選項錯誤；所以B選項正確。

通過以上的分析和研究，利用圖象解題，形象直觀。所以，對于沒有圖象的熱化學習題，我們要自己建立一個能量變化圖，來提高解題的時效性。

【例5】同溫同壓下，下列熱化學方程式中Q值最大的是(均為放熱反應)

( )

【答案】C

【解析】利用例4的方法畫出能量變化圖，如圖9，圖中(細線)箭頭向下表示是放熱過程，向上代表是吸熱過程，箭頭方向代表由反應物指向生成物，水平的粗線代表一定量的物質(zhì)的能量，綜上所述C項正確。

圖9

【適應訓練1】

下列關系式中正確的是

( )

A.ΔH1<ΔH3<0 B.ΔH2>ΔH4>0

C.2ΔH1=ΔH2<0 D.2ΔH3=ΔH4>0

【答案】C

【解析】由圖10、圖11可知A、B項錯誤，D項，2ΔH3=ΔH4，但小于0，錯誤；C項，2ΔH1=ΔH2，且小于0，正確。

圖10

【適應訓練2】下列圖象(圖12)分別表示有關反應的反應過程與能量變化的關系

據(jù)此判斷下列說法中正確的是

( )

A.石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸俏鼰岱磻?/p>

B.白磷比紅磷穩(wěn)定

【答案】A

【解析】反應過程與能量變化的關系圖清晰地顯示物質(zhì)的能量大小，可以判定物質(zhì)的穩(wěn)定性，以及反應物的總能量與生成物總能量的相對大小，比較反應熱的大小，A項正確。

【變式訓練1】一些烷烴的燃燒熱(kJ/mol)如表：

化合物燃燒熱化合物燃燒熱甲烷891.0正丁烷2 878.0乙烷1 560.8異丁烷2 869.6丙烷2 221.52甲基丁烷3 531.3

下列表達正確的是

( )

A.熱穩(wěn)定性：正丁烷>異丁烷

C.正戊烷的燃燒熱大約在3 540 kJ/mol左右

D.相同質(zhì)量的烷烴，碳的質(zhì)量分數(shù)越大，燃燒放出的熱量越多

【答案】C

【解析】據(jù)圖13可以快速判斷A選項錯誤；B選項乙烷的計量數(shù)應為1，且水的狀態(tài)應該為液態(tài)；根據(jù)正丁烷、異丁烷的燃燒熱的大小關系，可以推得正戊烷的燃燒熱大于2-甲基丁烷的燃燒熱，C選項正確；D項根據(jù)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律可推得是錯誤的。

圖13

【變式訓練2】已知25℃、101 kPa下，石墨、金剛石燃燒的熱化學方程式分別為

據(jù)此判斷，下列說法正確的是

( )

A.由石墨制備金剛石是吸熱反應；等質(zhì)量時，石墨的能量比金剛石的低

B.由石墨制備金剛石是吸熱反應；等質(zhì)量時，石墨的能量比金剛石的高

C.由石墨制備金剛石是放熱反應；等質(zhì)量時，石墨的能量比金剛石的低

D.由石墨制備金剛石是放熱反應；等質(zhì)量時，石墨的能量比金剛石的高

【答案】B

【解析】根據(jù)熱化學方程式畫出圖14，根據(jù)圖象可知，A項正確。

圖14

經(jīng)過以上的分析和總結(jié)，我們再來研讀例2，畫出能量變化圖(圖15)，由圖可知，ΔH3>0，ΔH1>0，ΔH2<0，ΔH3>ΔH2，ΔH3>ΔH1，則A項錯誤、B項正確；ΔH1-ΔH2=ΔH3，ΔH1+ΔH2<ΔH3，則C、D項錯誤。與常規(guī)方法比，這種方法省略了煩瑣的過程分析，簡單易學。

圖15

綜上所述，采用能量變化圖可以有效回避解題過程中對反應過程的分析以及物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中能量變化。只要抓住用量、聚集狀態(tài)及反應物的總能量與生成物總能量的相對大小畫出“能量變化圖”，不同的反應、不同的過程中無論是ΔH、Q的大小比較，還是守恒關系，就會變得清晰明了。有利于學生加深對能量守恒思想、影響熱效應的因素及蓋斯定律的理解，有利于把抽象的原理形象化，化繁為簡，極大地提高了解題速度和準確性。更重要的是培養(yǎng)了學生利用分析、比較、概括、歸納等方法對所獲取的信息進行初步加工和應用的能力，充分挖掘教材中的隱性課程，促進知識的正向遷移。