蓋斯定律聯動Born-Haber循環在高考化學反應熱中的應用

云南 劉 芬

蓋斯定律在高考中的考查相對比較簡單，主要的考查角度為熱化學方程式中焓變的判斷和計算，以簡單的蓋斯定律模型解決生產生活中的熱化學問題。蓋斯定律作為一種抽象的模型或認知模型，可以幫助學生在對熱化學現象的解釋和研究過程中，對陌生反應的反應熱做出推理和預測。通過對工業上涉及的陌生反應進行改編，高考試題在考查學生運用蓋斯定律計算反應焓變能力的同時，以新能源的開發利用作為點綴，逐步提升學生的科學態度和社會責任這一核心素養。在蓋斯定律的理論基礎上，1919年玻恩和哈伯設計出了Born-Haber循環，將一個反應設計成多個分步反應，最終用蓋斯定律計算未知的反應熱數據。由于該循環與蓋斯定律緊密聯系，尤其是各部分反應熱的含義與《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》選擇性必修課程模塊2物質結構與性質部分知識緊密聯系，高考化學的命題會選擇比較經典的Born-Haber循環為題干信息或試題情境，設計成考題，考查學生對相關概念的理解和對蓋斯定律的運用。Born-Haber循環在全國卷中的考查較少，主要出現在浙江卷中，通過設計多個分步反應，形成一個循環，可以計算、比較分步反應或總反應的反應熱。Born-Haber循環體現出的證據推理與模型認知核心素養，聯合了化學反應原理和物質結構與性質部分的內容，可以加深學生對基本概念的理解，體現學生接受、吸收、整合化學信息的能力。

1.蓋斯定律在高考試題中的考查

1.1 蓋斯定律在近3年全國卷中考查的內容

蓋斯定律在各地高考題中都有出現，考查頻次較多，筆者以近3年全國卷中蓋斯定律的考查為例統計分析蓋斯定律的考查方式。通過對比，可以發現蓋斯定律在全國卷各卷區中都有考查，其中全國卷I的考查方式不固定。2019年全國卷Ⅰ28題(3)聯合能壘(活化能)圖判斷化學反應為吸熱反應還是放熱反應，2017年全國卷Ⅰ28題(2)考查熱化學方程式的書寫。全國卷Ⅱ和卷Ⅲ仍以計算焓變為主，在2018年全國卷Ⅱ28題(1)，考查蓋斯定律聯動吉布斯自由能變判斷化學反應自發進行的條件。在高考復習中，仍然要注重蓋斯定律的應用，尤其在計算反應熱方面。

表1 蓋斯定律在近3年全國卷中的考查內容

1.2 蓋斯定律考查的方式及應對方法

蓋斯定律的主要內容為：不管化學反應是一步完成或分幾步完成，其反應熱是相同的。換句話說，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。基于此，高考試題考查了學生運用蓋斯定律進行計算的能力，考查學生計算中間反應或總反應的反應熱、判斷總反應的吸放熱情況。

蓋斯定律在計算反應熱的過程中，常見的有兩種方法：觀察法和消除法。觀察法是通過對比目標方程式與分步方程式中各物質的系數，確定分步反應中相同物質的系數變化，從而確定分步反應的反應熱加減情況。消除法主要應用于同一物質出現在多個分步反應中的情境，這時無法通過目標方程式中物質的系數確定分步反應中相同物質的系數變化，只能用消掉中間產物的方法逐步確定各分步反應的反應熱加減情況。

【例1】(2018年·全國卷Ⅱ·27題節選)

該催化重整反應的ΔH=________kJ·mol-1。

【答案】247

【解析】目標反應中CH4(g)系數為1，是反應物，在方程式左邊，只涉及反應①，故①×(-1)。同理，CO2(g)系數為1，是反應物，在方程式左邊，只涉及反應②，故②×(-1)。CO(g)系數為2，是生成物，在方程式右邊，只涉及反應③，故③×2。則目標反應的ΔH=-ΔH1-ΔH2+2ΔH3=+247 kJ/mol。

【例2】(2018年·全國卷Ⅰ·28題節選)

【答案】53.1

在高考題中為減少學生的思維負擔，更傾向于選擇第一種類型出題。對于應用消除法的類型，考題也相對簡單，涉及2～3個方程式的系數變化。高考中，蓋斯定律也會關聯其他知識模型來考查學生預測、驗證的能力，例如與吉布斯自由能結合起來判斷反應進行的方向、推導多重平衡中平衡常數的表達和計算等。

2.Born-Haber循環在高考試題中的考查

2.1 Born-Haber循環在全國卷中的考查

Born-Haber循環是在蓋斯定律基礎上的延伸和補充，打破蓋斯定律的限制，不再局限于實際存在的各種反應間的反應熱問題，而是將范圍擴大化，可以將一個陌生的、比較復雜的、可能并不存在的反應設計成多個分步的反應途徑，對科學研究、實際生產有很重要的指導意義。在近5年的全國卷中，Born-Haber循環出現的順次并不多，只在2018年全國卷I選修部分35題的(4)中出現。

【例3】(2018年·全國卷Ⅰ·35節選)(4)Li2O是離子晶體，其晶格能可通過圖a的Born-Haber循環計算得到。

圖a 基于Li2O晶格能的Born-Haber循環

【答案】520 498 2 908

教學過程中，教師可以引導學生自主設計其他晶體(如NaCl)為載體的Born-Haber循環(見圖b)，加深對各個化學概念的理解，體會科學探究的過程，提升學習化學的熱情。

圖b 基于NaCl晶體設計的Born-Haber循環

2.2 蓋斯定律聯動Born-Haber循環在浙江卷中的考查

在近幾年的浙江省化學選考卷中，蓋斯定律或Born-Haber 循環多次出現在選擇題中，一般為第19題、21題或第23題，命題形式多樣，多數將兩者聯合命題，包括晶格能、氫化物水溶液的酸性等，考查焓變大小的比較、各分步反應反應熱之間的關系，檢測學生對基礎概念知識的理解以及運用模型分析、論證的思維方法，體現選拔人才的特性。

表2 蓋斯定律聯動Born-Haber循環在2017—2019年浙江卷中的考查

【例4】(2019年4月浙江選考23題)MgCO3和CaCO3的能量關系如圖所示(M=Ca、Mg)：

已知：離子電荷相同時，半徑越小，離子鍵越強。下列說法不正確的是

( )

A.ΔH1(MgCO3)>ΔH1(CaCO3)>0

B.ΔH2(MgCO3)=ΔH2(CaCO3)>0

C.ΔH1(CaCO3)-ΔH1(MgCO3)=ΔH3(CaO)-ΔH3(MgO)

D.對于MgCO3和CaCO3，ΔH1+ΔH2>ΔH3

【答案】C

該題以MCO3的晶格能為載體，設計了Born-Haber循環，通過比較各分步反應熱的大小、判斷各反應熱之間的關系，旨在考查學生靈活應用蓋斯定律模型解決問題的能力，也讓學生初步了解Born-Haber循環在無機化學中的應用。在高中化學選擇性必修課程部分模塊1或模塊2的教學過程中，可以適當選擇相對簡單的Born-Haber循環類型，例如以物質的燃燒、晶格能為載體，引導學生理解每一步反應熱的含義，學會自主設計簡單的Born-Haber循環，逐步學會比較反應熱的大小和判斷各分步反應間的反應熱關系。

3.結語