熱重分析解題模型構建

翁華怡

[摘? ?要]熱重分析題常出現在高考化學試題中，其解題思路依托于學生的知識遷移和方法積累，綜合性高。學生在解答過程中常出現畏難情緒。通過對熱重曲線類型和物質受熱失重方式的探究，幫助學生構建m-T熱重曲線和ω-T熱重曲線解題模型，在問題情境中提升學生的方法技能、思維品質和科學素養。

[關鍵詞]熱重分析;模型構建;科學素養

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2020）29-0064-03

熱重分析法是在一定條件下測量物質的質量隨溫度（或時間）變化的一種熱分析方法，它是大學的知識，中學課本上沒有熱重分析法相關實驗及儀器的介紹，但是解決熱重分析題的方法卻源于中學課本。熱重分析題立足于學生的認知水平和知識技能，要求學生能夠讀取圖像數據，并基于數據利用守恒思想分析化學變化，再通過定量計算進行推理，揭示反應過程，深受出題者的青睞。在2008-2019年江蘇高考中出現過三次此類題型，分別是2010年、2014年的第18題和2019年的第20題。此類試題綜合能力要求高，學生往往會有畏懼心理。因此，筆者認為有必要通過高考真題的探究，初步構建熱重分析的一般解題模型，提升學生處理圖像信息的能力和思維品質，培養學生的科學素養。

一、熱重曲線類型

熱重分析題通常會提供以質量（或質量比、質量百分率）為縱坐標，以溫度為橫坐標的熱重曲線。根據圖像縱坐標的差異，可將其分成m-T熱重曲線和ω-T熱重曲線兩種類型。

二、失重方式模型構建

通過對高考真題和各地模擬題的研究可以發現：熱重分析題均以圖像為依托，要求學生推斷不同溫度下的組分，或以此來書寫不同溫度下的化學方程式。從圖像角度對比，各試題圖像有相似之處，質量（縱坐標）均隨溫度（橫坐標）升高而呈現階梯式下降，這表明在受熱過程中，物質分步發生分解，在每個溫度段區域都會形成較為穩定的物質。從物質角度對比，這一類物質往往是結晶水合物，在受熱過程中容易先發生脫水，隨后非金屬元素形成的陰離子發生分解，若金屬元素有變價，接下來常發生氧化還原反應，最終生成較為穩定的金屬氧化物[1]。在變化過程中，固體中金屬元素的部分是保持不變的，因此解題時應抓住金屬元素守恒建立關系[2]。

三、解題模型構建

1. m-T熱重曲線——三段式法

【例1】（2015年通州模擬，27）將25.0 g膽礬晶體放在坩堝中加熱測定晶體中結晶水的含量，固體質量隨溫度的升高而變化的曲線如圖1所示。

請認真分析圖1，填寫以下空白：

（1）30 ℃∽110 ℃間所得固體的化學式是_______________________;

（2）650 ℃∽1000 ℃間所得固體的化學式是____________________;

（3）溫度高于1000 ℃所得固體的化學式是____________________。

解析：膽礬是學生熟悉的物質，我們可以參照失重方式模型找到2個特殊點：完全脫水的CuSO4和金屬氧化物CuO。25.0 g CuSO4·5H2O的物質的量為0.1 mol，根據金屬元素守恒，可以通過列三段式順利計算出特殊點的質量。

對比題中數據，可知30 ℃、650 ℃、1000 ℃時固體分別為CuSO4·5H2O、CuSO4、CuO，因此在650 ℃∽1000 ℃加熱階段最終所得固體的化學式為CuO。由于110 ℃時固體質量介于16g與25 g之間，可以判定為部分脫水。根據Cu元素守恒，設110 ℃時固體的化學式為CuSO4·xH2O，根據銅元素守恒n（CuSO4·xH2O）=0.1 mol，m（CuSO4·xH2O）=21.4 g，M（CuSO4·xH2O）=160+18x=214 g/mol，解得x=3，所以110 ℃時固體的化學式為CuSO4·3H2O。

1000 ℃時固體已經是金屬氧化物，考慮銅有變價，升高溫度應該發生氧化還原反應，生成其他價態的金屬氧化物。設高于1000 ℃固體的化學式為CuOx，根據銅元素守恒n（CuOx）=0.1 mol，m（CuOx）=7.2 g，M（CuOx）=64+18x=72 g/mol，解得x=0.5。在化學式中，各元素之比應寫最簡整數比，所以溫度高于1000 ℃所得固體的化學式為Cu2O。

此類試題中的熱重曲線的縱坐標較為簡單，就是我們所要推斷的組分質量。在解題時，可先找到特殊點（完全脫水產物、分解產物、金屬氧化物）構建失重的過程，然后利用金屬元素守恒，列三段式（m-M-n），隨后對比特殊點數據和題目中所給具體數據，判斷變化過程，最后就能通過精確計算，確定該溫度區域下物質的化學式或書寫相應的化學方程式。

2. ω-T熱重曲線——巧設1 mol，轉化為m-T熱重曲線

在高考試題中，熱重曲線中的縱坐標往往不是簡單的質量，而是會發生變形，變成質量的比值。

【例2】（2019年江蘇，20）CaO可在較高溫度下捕集CO2，在更高溫度下將捕集的CO2釋放利用。CaC2O4·H2O熱分解可制備CaO，CaC2O4·H2O加熱升溫過程中固體的質量變化如圖2所示。寫出400 ℃∽600 ℃范圍內分解反應的化學方程式：_________________________。

解析：觀察圖像可以發現縱坐標為比值形式，而分母均為146，恰好與CaC2O4·H2O的摩爾質量數值相等，因此可以假設CaC2O4·H2O為1 mol，即原始固體質量為146 g。若縱坐標統一乘以146，就可以將比值轉化為剩余固體的質量，如表1所示。此時就將ω-T熱重曲線轉化為m-T熱重曲線。

縱坐標除了變形為質量的比值，還可為固體殘留率（百分數）。

解析：觀察圖像可以發現縱坐標為百分數，結合題意，固體殘留率即剩余固體的質量分數。此時縱坐標的含義與例2接近，只要知道原固體的質量就可以進行相同的轉化。為了方便計算，我們依舊設原固體為1 mol，轉化數據如表2所示。

解得x=1.5，y=1.33，即290 ℃、500 ℃時所得固體的化學式為Co2O3、Co3O4，因此1000 ℃時，剩余固體成分為CoO，在350 ℃∽400 ℃范圍內，剩余固體成分為Co2O3。

除此之外，縱坐標還可轉化為失重率。

已知：[失重%=加熱減少的質量原晶體樣品的總質量×100%]。

解析：此時縱坐標的含義為減少的固體的質量分數。剩余固體質量=原固體總質量×（1-失重%），同樣，可以設硫酸鋁晶體為1 mol進行數據轉化，如表3所示。

通過以上例題可以發現，無論縱坐標怎么改變，首先需要分析圖像，理解縱坐標表達的意義;其次，巧設“1 mol”進行還原，將百分數轉化為剩余固體質量，從而將ω-T熱重曲線轉化為m-T熱重曲線來解題。

教學實踐表明，在試題講解過程中，引導學生結合圖形[3]，抓住關鍵信息，利用已有知識進行分析推理，有利于提高學生思維的嚴密性和遷移知識的能力。同時在解題的過程中構建模型，更能消除學生的畏懼心理，引導學生體驗探究過程，激發學生的求知欲，提升學生的科學素養。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 韓江濤，楊云. 中學化學熱重曲線類試題文獻分析及建議[J].化學教學，2016（7）：82-86.

[2]? 房壽高. 熱重分析類化學計算題的解題方法[J].新高考（高三理化生），2014 （10）：38-41.

[3]? 高曉瑩，吳春峰. 基于作圖和識圖角度評析熱重分析圖形[J].中學化學教學參考，2014 （5）：50-51.

（責任編輯 羅? ?艷）