深度理解焓變概念，準(zhǔn)確解答能量問(wèn)題

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對(duì)焓變要求為“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.能進(jìn)行反應(yīng)焓變的簡(jiǎn)單計(jì)算，能用熱化學(xué)方程式表示反應(yīng)中的能量變化，能運(yùn)用反應(yīng)焓變合理選擇和利用化學(xué)反應(yīng)”，這使得焓變考查成為必考點(diǎn).焓變計(jì)算盡管理論上較為簡(jiǎn)單，但由于涉及鍵能、摩爾燃燒焓、能壘、活化能等相關(guān)知識(shí)，導(dǎo)致計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，且常因符號(hào)問(wèn)題出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤.因此，只有深度理解焓變概念，才能準(zhǔn)確解答此類問(wèn)題.

1焓變的概念、特征

焓 （H） 是表示物質(zhì)能量高低的一個(gè)物理量，其表達(dá)式為 H=U+pV（U，V，? 依次為物質(zhì)的內(nèi)能、體積、承受的外部壓強(qiáng)）.焓變則界定為 ΔH=H_☉- H_☉，? ，單位為 kJ?mol^-1 或 J?mol^-1 等.由焓的表達(dá)式可知其受溫度、壓強(qiáng)等影響，進(jìn)而可知 ΔH 也受溫度、壓強(qiáng)等影響，只是在 298K，101kPa 時(shí)可不標(biāo)記.由焓變概念可知，焓變僅與始態(tài)、終態(tài)對(duì)應(yīng)的所有物質(zhì)的能量之和有關(guān)，與變化過(guò)程、條件等無(wú)關(guān)，故 ΔH 是一個(gè)矢量，其運(yùn)算符合數(shù)學(xué)上的向量運(yùn)算法則，這也是蓋斯定律內(nèi)容的本質(zhì)體現(xiàn)，

2考查角度分析

2.1考查焓變概念

例1 工業(yè)上利用甲酸的能量轉(zhuǎn)換如圖1所示.

反應(yīng) CO₂（g）+H₂（g）HCOOH（g） 的焓變

分析由焓變概念可知，只要物質(zhì)的始態(tài)、終態(tài)固定，無(wú)論中間過(guò)程如何變化，其焓變是不變的.為了快速解答，選取 CO₂（g） 與 H₂（g） 反應(yīng)得到HCOOH（g）的變化為研究對(duì)象，反應(yīng)有兩種途徑，如圖2所示.

圖2

由數(shù)學(xué)上的向量運(yùn)算法則可得ΔH=-ΔH₁-ΔH₂+ΔH₃= -（+72.6kJ?mol^-1）-（-283.0kJ?mol^-1）+ （2號(hào)

【方法拓展】本題也可以運(yùn)用常規(guī)解法，即先根據(jù)圖1寫出各步變化對(duì)應(yīng)的熱化學(xué)方程式，然后利用蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)題圖可得如下熱化學(xué)方程式：

ΔH₃=-241.8kJ?mol^-1 反應(yīng) CO₂（g）+H₂（g）HCOOH（g） 可由 ③- ①-② 得到，故ΔH=ΔH₃-ΔH₁-ΔH₂=-31.4kJ^?mol^-1.

2. 2 ： 考查焓變的影響因素

例2（2021年1月浙江卷）在298.15K、100kPa 條件下， N₂（g）+3H₂（g）2NH₃ （g） ΔH= -92.4kJ?mol^-1，N₂（g），H₂ H₂（g） 和 NH₃（g） 的比熱容分別為 29.1J?K^-1?mol^-1.28. 9J?K^-1?mol^-1 和35.6J?K^-1?mol^-1 .一定壓強(qiáng)下， 1mol 反應(yīng)中，反應(yīng)物 [N₂（g）+3H₂（g）] 、生成物 [2NH₃（g）] 的能量隨溫度 T 的變化示意圖合理的是（ ）.

分析由題中比熱容的單位可知，比熱容指1mol 物質(zhì)升溫1K時(shí)所吸收的熱量.根據(jù)所給方程式可知， 1molN₂ （g）與 3mol （204號(hào) H₂ （g）的比熱容之和（115.8J?K^-1?mol^-1 大于 2molNH₃（g） 的比熱容之和 （71.2J?K^-1?mol^-1）， ，所以升高相同溫度時(shí)反應(yīng)物吸收的能量更多，即反應(yīng)物的總焓高于生成物的總焓.答案為B.

認(rèn)真審題，正確理解題中信息是解題的關(guān)鍵.例如，解答本題需理解“比熱容”這一術(shù)語(yǔ)，同時(shí)根據(jù)焓的概念可知，在同溫同壓下，吸收的能量越多，內(nèi)能越大，焓值越高.

2.3 利用蓋斯定律計(jì)算

例3（2023年全國(guó)乙卷，節(jié)選）已知下列熱化學(xué)方程式：

FeSO₄?7H₂O（s）=FeSO₄（s）+7H₂O（g）

FeSO₄?xH₂O（s）=FeSO₄（s）+xH₂O（g） ΔH₂=bkJ?mol^-1，②

FeSO₄?_yH₂O（s）=FeSO₄（s）+yH₂O（g）

則 FeSO₄?7H₂O（s）+FeSO₄?yH₂O（s）=2（FeSO₄. xH₂ （s）的 （20

分析根據(jù)蓋斯定律可知，目標(biāo)方程式可由 ①+ ②-2×③ ，故 ΔH=（a+c-2b）kJ?mol^-1.

首先根據(jù)目標(biāo)方程式找出反應(yīng)物、生成物的唯一已知的反應(yīng)方程式，然后調(diào)整已知方程

式中的計(jì)量數(shù)及物質(zhì)的位置，最后進(jìn)行焓變加和即得出目標(biāo)方程式的焓變.注意每個(gè)已知方程式的使用只能有一次.

2.4利用焓高低的間接物理量計(jì)算

焓的絕對(duì)值不能測(cè)定，但其高低可通過(guò)相對(duì)能量、鍵能、摩爾燃燒焓、摩爾生成焓、活化能（或能壘）等物理量來(lái)間接體現(xiàn).

一例4中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的一項(xiàng)最新成果實(shí)現(xiàn)了甲烷高效生產(chǎn)乙烯，甲烷在催化作用下脫氫，在氣相中經(jīng)自由基偶聯(lián)反應(yīng)生成乙烯，如圖3所示.已知相關(guān)物質(zhì)的燃燒熱如表1所示，寫出甲烷制備乙烯的熱化學(xué)方程式：

圖3

表1

分析甲烷制備乙烯的方程式為

2CH₄（g）=C₂H₄（g）+2H₂（g），

根據(jù)摩爾燃燒焓的概念可得圖4，故ΔH=-890.3kJ?mol^-1×2-（-1 411.0kJ?mol^-1）- （-285.8kJ^?mol^-1×2）=+202.0kJ^?mol^-1

答案 2CH₄（g）=C₂H₄（g）+2H₂（g） ΔH= [或 H₂

【知識(shí)深化】由圖4可得出反應(yīng)焓變與摩爾燃燒焓之間的關(guān)系，即 ΔH= 反應(yīng)物的摩爾燃燒焓之和一生成物的摩爾燃燒焓之和.常見(jiàn)H、C、S、N元素燃燒生成的穩(wěn)定物質(zhì)依次為液態(tài)水、 CO₂ 氣體、 SO₂ 氣體、 N₂

例5（2023年1月浙江卷）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣態(tài)反應(yīng)物和生成物的相對(duì)能量與反應(yīng)歷程示意圖如圖5所示[已知 O₂（g） 和 Cl₂（g） 的相對(duì)能量為0]，下列說(shuō)法不正確的是（ ）.

圖5

A. E_?6-E_?3=E_?5-E_?2 B.可計(jì)算Cl—Cl鍵能為 2（E₂-E₃）kJ?mol^-1 C.相同條件下， O₃ 的平衡轉(zhuǎn)化率：歷程 Igt; 歷程ID.歷程I、歷程 I 中速率最快的一步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為 ClO（g）+O（g）O₂（g）+Cl（g） ΔH= （E₅-E₄）kJ?mol^-1

分析根據(jù)焓變及活化能概念進(jìn)行分析（如圖6），反應(yīng) O₃（g）+O（g）=2O₂（g） 的 ΔH=（E₆-E₃） （204號(hào)kJ?mol^-1=（E₅-E₂）kJ?mol^-1 ，選項(xiàng)A說(shuō)法正確.對(duì)比 O₃（g）+O（g） 和 O₃（g）+O（g）+Cl（g） 狀態(tài)可知， Cl（g） 的相對(duì)能量為 （E₂-E₃）kJ?mol^-1 ，結(jié)合4 的相對(duì)能量為0\"可得Cl—C1鍵能為 2（E₂- E₃）kJ?mol^-1 ，選項(xiàng)B說(shuō)法正確.催化劑不影響反應(yīng)的平衡狀態(tài)，故相同條件下 O₃ 的平衡轉(zhuǎn)化率相同，選項(xiàng)C說(shuō)法錯(cuò)誤.比較兩個(gè)歷程中的正活化能可知，Ⅱ中第二步反應(yīng)的活化能最低，所以速率最快的一步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為

ClO（g）+O（g）=O₂（g）+Cl（g）

ΔH=（E₅-E₄）kJ^?mol^-1，

選項(xiàng)D說(shuō)法正確.答案為C.

【知識(shí)延伸】反應(yīng)歷程I中正反應(yīng)的活化能（或能壘）為 （E₁-E₃）kJ?mol^-1 ，逆反應(yīng)的活化能為 （E₁- E₆）kJ?mol^-1 ，根據(jù)“活化能越大，反應(yīng)物的相對(duì)能量越低”可知，該反應(yīng)的焓變?yōu)檎磻?yīng)活化能減去逆反應(yīng)活化能.

2.5考查焓變的物理意義

焓變是指研究對(duì)象為 1mol 變化時(shí)的能量變化，不涉及反應(yīng)可逆、快慢、平衡等內(nèi)容.

例6（2022年湖南卷，節(jié)選）在一定溫度下，向容積固定的密閉容器中加入足量的C（s）和 1mol H₂O（g） ，起始?jí)簭?qiáng)為 0.2MPa 時(shí)，發(fā)生下列反應(yīng)生成水煤氣：

I.C（s）+H₂O（g）CO（g）+H₂（g） ΔH₁=+131.4kJ?mol^-1

Π.CO（g）+H₂O（g）CO₂（g）+H₂（g） ΔH₂=-41.1kJ?mol^-1

反應(yīng)平衡時(shí)， H₂O（g） 的轉(zhuǎn)化率為 50% ，CO的物質(zhì)的量為 0.1mol .此時(shí)，整個(gè)體系 （填“吸收\(chéng)"或“放出”熱量 ：

分析根據(jù)焓變的含義，列式如下：

C（s）+H₂O（g）CO（g）+H₂（g） ΔH₁ 轉(zhuǎn)化量/mol （20 x x x （20 131.4x （20 CO（_g）+H₂O（_g）CO₂（g）+H₂（g） ΔH₂ （204 轉(zhuǎn)化量/mol

y1=-y1，y1=-y1-y1

由“反應(yīng)平衡時(shí)， H₂O（g） 的轉(zhuǎn)化率為 50% ，CO的物質(zhì)的量為 0.1mol ”可得， x+y=0.5mol，x- y=0.1mol ，解得 x=0. 3，y=0. 2 ，故整個(gè)體系中吸收的熱量為 131.4kJ?mol^-1×0.3mol- 41.1kJ^?mol^-1×0. 2mol=31. 2kJ

焓變計(jì)算與應(yīng)用的關(guān)鍵在于對(duì)焓變概念的深度理解，雖然焓的絕對(duì)值不能測(cè)定，但可以通過(guò)待定的方法或物理量來(lái)體現(xiàn)焓的相對(duì)大小，因而在學(xué)習(xí)中要加強(qiáng)對(duì)核心概念的深度思考，才能提高知識(shí)的舉一反三、靈活遷移與應(yīng)用能力.

本文系山東省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃一般課題“數(shù)字化賦能大概念統(tǒng)領(lǐng)的中學(xué)課程融合研究\"（批準(zhǔn)號(hào)：2023YB195）和中國(guó)教育學(xué)會(huì)2024年度教育科研一般規(guī)劃課題“數(shù)字化賦能基礎(chǔ)教育大概念統(tǒng)領(lǐng)跨學(xué)科教學(xué)模式研究”（課題編號(hào)：202416311910B）階段性研究成果.

（完）