借力蓋斯定律 聯動復習反應焓變及平衡常數計算

云南 沈艷華

蓋斯定律、化學平衡常數是教育部制定的2003版《普通高中化學課程標準(實驗)》《普通高中課程標準實驗教科書化學選修四化學反應原理》新增教學內容，時隔十四年，應“提升學科核心素養”之需而產生的《普通高中化學課程標準(2017年版)》依然保留了這一板塊的內容，以初步介紹熱力學與動力學相關知識。

課程標準的制定指導了《普通高等學校招生全國統一考試大綱》的制定。正是因為課程標準十六年來關于蓋斯定律及平衡常數不變的要求，導致考試大綱十六年來也一直看重平衡常數的考查：“理解蓋斯定律，并能運用蓋斯定律進行有關反應焓變(2017以前的版本為“能進行有關反應熱的簡單計算”，現版本更加嚴謹和科學)的計算”“了解化學平衡常數(K)的含義，能利用化學平衡常數進行相關計算”“理解弱電解質在水中的電離平衡，能利用電離平衡常數進行相關計算”“理解溶度積(Ksp)的含義，能進行相關的計算”。

近五年高考試題對蓋斯定律、化學平衡常數的計算考查頻率統計如下：

項目20152016201720182019蓋斯定律K計算蓋斯定律K計算蓋斯定律K計算蓋斯定律K計算蓋斯定律K計算卷Ⅰ鍵能算ΔH√判斷吸放熱√√√√√判斷吸放熱√卷Ⅱ√√√√√√√√√√卷Ⅲ√√√√√√√√√√

統計結果顯示：反應焓變及平衡常數的計算在全國卷中幾乎每一年、每一套均有考查。作為教材主干內容和考綱必考內容，如能聯合復習，必能提高備考效率。那么，二者之間怎么聯系呢？

1840年，瑞士化學家蓋斯(G.H.Hess)通過大量實驗事實證明：化學反應不管是一步完成還是分幾步完成，其反應熱是相同的，即化學反應的反應熱只與反應體系的始態和終態有關，而與反應的途徑無關。蓋斯定律的應用使那些實驗難以測定的ΔH可以通過計算獲得，例如，如圖轉化中存在：ΔH=ΔH1+ΔH2。

由于焓(H)、熵(S)、和溫度(T)都是狀態函數，因此，由三者組合而成的函數——吉布斯自由能(G)也是一個狀態函數。恒溫恒壓下ΔG=ΔH-TΔS，故如圖轉化中也存在：

如果我們深入研究標準自由能和平衡常數的關系：

ΔG0=-RTlnK②

將②③④代入①式，則有

-RTlnK=-RTlnK1-RTlnK2

故如圖轉化中存在：K=K1·K2

這也就是“多重平衡規則”。由于高中化學沒有介入“化學反應等溫式”的學習，也就沒有提及“多重平衡規則”。但在高中化學教學中，我們可以借力蓋斯定律，通過方程式的疊加或刪減得到上述結論，從而簡化平衡常數的計算。例如：

對反應：

(1)式×p+(2)式×a刪去A物質得：

結論：若已知數個相關反應的焓變，求一個新反應的焓變，我們可以根據目標反應的配平系數進行已知反應的加、減、乘、除，借助蓋斯定律計算出目標反應的焓變；借此，我們也可以根據方程式的加減乘除得到目標反應的化學平衡常數：方程式相加K相乘；方程式相減K相除；方程式擴大n倍，K為原來的n次冪；方程式縮小n倍，K為原來的n次方根。因此，每一次蓋斯定律的考查，亦可同時作為化學平衡常數計算訓練。

一、氣體體系中的聯動復習

ΔH1=100.3 kJ·mol-1①

ΔH2=-11.0 kJ·mol-1②

ΔH3=________kJ·mol-1。

本題僅涉及簡單的方程式疊加，是一道基礎的蓋斯定律運算題。二輪復習中，我們可以增加平衡常數的計算，加強思維訓練，例如：

ΔH3=ΔH1+ΔH2=100.3 kJ·mol-1-11.0 kJ·mol-1=+89.3 kJ·mol-1

因為方程式相加K相乘，所以K3=K1·K2

【練習2】(2019·全國卷Ⅲ·28節選)需要方程式擴大一定的倍數后方可與其他反應進行疊加，因此，二輪復習中，聯動復習平衡常數的計算會增加指數的應用，思維的綜合力度明顯提升，因此，我們可以將之改編為

Deacon直接氧化法可按下列催化過程進行：

【解析】因為④式反應物中的4 mol HCl(g)來自③式且均為反應物，故③式×2正寫；④式反應物中的1 mol O2(g)來自②式且均為反應物，故②式×2正寫，此時引入1 mol Cl2(g)在產物，但還缺1 mol Cl2(g)在產物，因此①式×2正寫。故④式=③式×2+②式×2+①式×2：

ΔH4=2ΔH3+2ΔH2+2ΔH1

=2×(83 kJ·mol-1-20 kJ·mol-1-121 kJ·mol-1)

=-116 kJ·mol-1

因為方程式相加K相乘，方程式擴大n倍，K為原來的n次冪；

二、電離平衡中的聯動復習

本題直接進行平衡常數的運算較為困難，但先設置反應焓變的計算有利于為學生搭建思維臺階：

(1)Al(OH)3溶于NaOH溶液反應的ΔH3等于________(用含ΔH1、ΔH2的表達式表示)。

(2)Al(OH)3溶于NaOH溶液反應的平衡常數K3等于________。

③式的Al(OH)3來自②式且同為反應物，故②式正寫；③式反應物中的OH-來自①式且為產物，故①式反寫：③式=②式-①式，故：ΔH3=ΔH2-ΔH1

三、水解平衡中的聯合復習

與上題相似，電解質溶液中平衡常數的計算是比較抽象的一類難題，故增加反應焓變的計算加以強化。

【練習4】常溫下，已知：

ΔH5=-ΔH1-ΔH3+ΔH4

有了蓋斯定律的臺階，平衡常數的計算迎刃而解——方程式相加K相乘，方程式相減K相除：

四、沉淀溶解平衡中的聯動復習

本題解析方法較多，為了同時鞏固反應焓變的計算，同樣可以改編試題為：

由③式=①式-②式可知：ΔH3=ΔH1-ΔH2

五、更多平衡體系中的聯動復習

一般來說，如果一個反應的平衡常數大于105，通常認為反應進行得較完全；如果一個反應的平衡常數小于10-5，則認為該反應很難進行。

多次強化后，對于平衡常數難以直接計算的試題，學生已經能夠馬上想到借助于蓋斯定律。

由④式=①式-②式-③式，可知ΔH4=ΔH1-ΔH2-ΔH3

蓋斯定律、各種平衡常數的計算是近幾年高考的必考題型。綜上所述，二輪復習中整合蓋斯定律及平衡常數計算，練習中同時要求寫出二者的表達式，有利于學生充分理解狀態函數的特征，建立借助蓋斯定律簡化平衡常數計算的思維模式，從而簡化有關電離平衡、水解平衡、絡合平衡、氧化還原平衡、沉淀溶解平衡等多重平衡體系中求解平衡常數的問題，提高備考效率。