例析反應(yīng)熱計(jì)算方法在高考中的考查

付前 董順

(安徽省碭山中學(xué))

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020 年修訂)》對(duì)化學(xué)反應(yīng)與能量部分的要求為:認(rèn)識(shí)化學(xué)能可以與熱能、電能等其他形式能量之間相互轉(zhuǎn)化,能量的轉(zhuǎn)化遵循能量守恒定律.認(rèn)識(shí)化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化,恒溫恒壓條件下化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱可以用焓變表示,了解蓋斯定律及其簡(jiǎn)單應(yīng)用.

反應(yīng)熱的計(jì)算是高考的熱點(diǎn),幾乎每套試卷都有出現(xiàn),下面對(duì)反應(yīng)熱的計(jì)算在高考中的考查視角予以梳理,以期對(duì)大家的復(fù)習(xí)備考有些許幫助.

1 利用鍵能求算反應(yīng)熱

解題思路與方法化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)為舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的形成,舊鍵斷裂吸收能量(ΔH為正),新鍵形成釋放能量(ΔH為負(fù)),則ΔH＝反應(yīng)物的鍵能之和－生成物的鍵能之和.

例1(2021年湖南卷,節(jié)選)氨氣中氫含量高,是一種優(yōu)良的小分子儲(chǔ)氫載體,且安全、易儲(chǔ)運(yùn),可通過(guò)氨熱分解法制氫氣,相關(guān)化學(xué)鍵的鍵能數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

在一定溫度下,利用催化劑將NH3分解為N2和H2.回答下列問(wèn)題:

(2)若反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行,則需ΔH－TΔS＜0,則

T即溫度應(yīng)高于(456.5－273)℃＝183.5 ℃,選項(xiàng)C、D符合題意.

答案(1)＋90.8.(2)C、D.

與往年相似高考試題的對(duì)比(2015 年全國(guó)Ⅱ卷,節(jié)選)甲醇既是重要的化工原料,又可作為燃料.利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇,發(fā)生的主要反應(yīng)如下:

反應(yīng)①中相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如表2所示.

表2

2 利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱

解題思路與方法利用蓋斯定律求算反應(yīng)熱時(shí),關(guān)鍵是把目標(biāo)方程式用已知方程式表示出來(lái),若方程式相加減,則焓變亦相加減;若方程式中各化學(xué)計(jì)量系數(shù)乘以某數(shù),則焓變亦乘以某數(shù).

例2(2021年廣東卷,節(jié)選)我國(guó)力爭(zhēng)于2030年前做到碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和.CH4與CO2重整是CO2利用的研究熱點(diǎn)之一.該重整反應(yīng)體系主要涉及以下反應(yīng):

(1)根據(jù)蓋斯定律,反應(yīng)a的ΔH1＝_________(寫出一個(gè)代數(shù)式即可).

(2)上述反應(yīng)體系在一定條件下建立平衡后,下列說(shuō)法正確的有________.

A.增大CO2與CH4的濃度,反應(yīng)a、b、c的正反應(yīng)速率都增加

B.移去部分C(s),反應(yīng)c、d、e 的平衡均向右移動(dòng)

C.加入反應(yīng)a的催化劑,可提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率

D.降低反應(yīng)溫度,反應(yīng)a～e的正、逆反應(yīng)速率都減小

解析

(1)根據(jù)題目所給出的反應(yīng)方程式關(guān)系可知,a＝b＋c－e＝c－d,根據(jù)蓋斯定律則有

(2)增大CO2和CH4的濃度,對(duì)于反應(yīng)a、b、c來(lái)說(shuō),均增大了反應(yīng)物的濃度,反應(yīng)的正反應(yīng)速率增大,選項(xiàng)A 正確.移去部分C(s),沒(méi)有改變反應(yīng)體系中的壓強(qiáng),反應(yīng)的正、逆反應(yīng)速率均不變,平衡不移動(dòng),選項(xiàng)B錯(cuò)誤.催化劑能同等程度改變正、逆反應(yīng)速率,加入催化劑只能改變反應(yīng)進(jìn)程,不能改變反應(yīng)的平衡狀態(tài),平衡轉(zhuǎn)化率不變,選項(xiàng)C 錯(cuò)誤.降低溫度,體系的總能量降低,正、逆反應(yīng)速率均減小,選項(xiàng)D 正確.

答案(1)ΔH2＋ΔH3－ΔH5或ΔH3－ΔH4.

(2)A、D.

例3(2021年全國(guó)甲卷,節(jié)選)二氧化碳加氫制甲醇的總反應(yīng)可表示為

該反應(yīng)一般認(rèn)為通過(guò)如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn):

總反應(yīng)的ΔH＝_________kJ·mol－1;若反應(yīng)①為慢反應(yīng),下列示意圖中能體現(xiàn)上述反應(yīng)能量變化的是_________(填標(biāo)號(hào)),判斷的理由是_________.

解析

根據(jù)蓋斯定律可知,①＋②可得二氧化碳加氫制甲醇的總反應(yīng)方程式,即

該總反應(yīng)為放熱反應(yīng),因此生成物總能量低于反應(yīng)物總能量,反應(yīng)①為慢反應(yīng),則反應(yīng)①的活化能高于反應(yīng)②,同時(shí)反應(yīng)①的反應(yīng)物總能量低于生成物總能量,反應(yīng)②的反應(yīng)物總能量高于生成物總能量,示意圖中能體現(xiàn)反應(yīng)能量變化的為A 項(xiàng).

答案－49;A;ΔH1為正值,ΔH2和ΔH為負(fù)值,反應(yīng)①的活化能大于反應(yīng)②的.

與往年相似高考試題的對(duì)比(2020年山東卷,節(jié)選)探究CH3OH 合成反應(yīng)化學(xué)平衡的影響因素,有利于提高CH3OH 的產(chǎn)率.以CO2、H2為原料合成CH3OH 涉及的主要反應(yīng)如下:

3 利用燃燒熱求算反應(yīng)熱

解題思路與方法燃燒熱(摩爾燃燒焓)是指在101kPa時(shí),1mol純物質(zhì)完全燃燒生成指定產(chǎn)物(如碳元素變?yōu)镃O2(g),氫元素變?yōu)镠2O(l),硫元素變?yōu)镾O2(g),氮元素變?yōu)镹2(g)等)時(shí)所放出的熱量.在利用燃燒熱計(jì)算反應(yīng)焓變時(shí),可以根據(jù)燃燒熱的定義先寫出表示各物質(zhì)燃燒熱的熱化學(xué)方程式,然后再根據(jù)蓋斯定律求算.也可以直接用反應(yīng)物的燃燒熱之和減去生成物的燃燒熱之和計(jì)算反應(yīng)的焓變,若方程式中出現(xiàn)了穩(wěn)定的化合物,如CO2(g)、H2O(l)等,它們的燃燒熱為0,即ΔH＝反應(yīng)物的燃燒熱之和－生成物的燃燒熱之和.

例4(2021年河北卷,節(jié)選)大氣中的二氧化碳主要來(lái)自煤、石油及其他含碳化合物的燃燒.已知25 ℃時(shí),相關(guān)物質(zhì)的燃燒熱數(shù)據(jù)如表3所示.

表3

則25 ℃時(shí)H2(g)和C(石墨,s)生成C6H6(l)的熱化學(xué)方程式為_(kāi)_______.

解析

方法1根據(jù)燃燒熱數(shù)據(jù),可寫出以下熱化學(xué)方程式:

與往年相似高考試題的對(duì)比(2020 年全國(guó)Ⅱ卷,節(jié)選)天然氣的主要成分為CH4,一般還含有C2H6等烴類,是重要的燃料和化工原料.

乙烷在一定條件可發(fā)生如下反應(yīng):C2H6(g)＝C2H4(g)＋H2(g) ΔH,相關(guān)物質(zhì)的燃燒熱數(shù)據(jù)如表4所示.

表4

4 利用相對(duì)能量大小求算反應(yīng)熱

解題思路與方法從宏觀視角看化學(xué)反應(yīng)中能量變化的實(shí)質(zhì)是反應(yīng)物和生成物能量的相對(duì)高低,若反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量則反應(yīng)放熱;若反應(yīng)物的總能量低于生成物的總能量則反應(yīng)吸熱.即ΔH＝生成物的相對(duì)總能量－反應(yīng)物的相對(duì)總能量.

例5(2020 年天津卷)理論研究表明,在101 kPa和298K 下,HCN(g)?HNC(g)異構(gòu)化反應(yīng)過(guò)程的能量變化如圖1所示.下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是().

圖1

A.HCN 比HNC穩(wěn)定

B.該異構(gòu)化反應(yīng)的ΔH＝＋59.3kJ·mol－1

C.正反應(yīng)的活化能大于逆反應(yīng)的活化能

D.使用催化劑,可以改變反應(yīng)的反應(yīng)熱

解析

根據(jù)圖中信息得到HCN 能量比HNC 能量低,能量越低越穩(wěn)定,故HCN 比HNC 穩(wěn)定,選項(xiàng)A 說(shuō)法正確.焓變等于生成物總能量減去反應(yīng)物總能量,該異構(gòu)化反應(yīng)的 ΔH＝59.3 kJ·mol－1－0.0＝＋59.3kJ·mol－1,選項(xiàng)B說(shuō)法正確.根據(jù)圖中信息知正反應(yīng)的活化能(186.5kJ·mol－1)大于逆反應(yīng)的活化能(127.2kJ·mol－1),選項(xiàng)C說(shuō)法正確.使用催化劑,不能改變反應(yīng)的反應(yīng)熱,只能改變反應(yīng)路徑,反應(yīng)熱只與反應(yīng)物和生成物的總能量有關(guān),選項(xiàng)D 說(shuō)法錯(cuò)誤.答案為D.

與往年相似高考試題的對(duì)比(2020 年全國(guó)Ⅰ卷,節(jié)選)釩催化劑參與反應(yīng)的能量變化如圖2所示,V2O5(s)與SO2(g)反應(yīng)生成VOSO4(s)和V2O4(s)的熱化學(xué)方程式為_(kāi)_______.

圖2

5 利用實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)求算反應(yīng)熱

解題思路與方法許多反應(yīng)熱可以通過(guò)量熱計(jì)直接測(cè)定,反應(yīng)熱Q＝－cm(t2－t1),式中c為反應(yīng)混合物的比熱容,m為反應(yīng)混合物的總質(zhì)量,t2為末溫度,t1為初始溫度.焓變,式中Δn為某反應(yīng)物或產(chǎn)物的物質(zhì)的量變化量.

例6(2020 年7 月浙江卷)100 mL 0.200 mol·L－1CuSO4溶液與1.95g鋅粉在量熱計(jì)中充分反應(yīng).測(cè)得反應(yīng)前溫度為20.1 ℃,反應(yīng)后最高溫度為30.1 ℃.

已知:反應(yīng)前后,溶液的比熱容均近似為4.18 J·g－1·℃－1、溶液的密度均近似為1.00g·cm－3,忽略溶液體積、質(zhì)量變化和金屬吸收的熱量.請(qǐng)計(jì)算:

(1)反應(yīng)放出的熱量Q＝________J.

(2)反應(yīng)Zn(s)＋CuSO4(aq)＝ZnSO4(aq)＋Cu(s)的ΔH＝________kJ·mol－1(列式計(jì)算).

反應(yīng)熱的求算方法除上述所列類型之外還有利用物質(zhì)的摩爾生成焓求算等方式,縱觀近年高考試題中的反應(yīng)熱計(jì)算類試題,重現(xiàn)率較高,但對(duì)技巧的考查逐漸淡化,主要涉及基本概念、基本原理的應(yīng)用,考生在解答此類試題時(shí)要對(duì)必備知識(shí)熟練掌握,另外需要不斷提升計(jì)算能力.

(完)