研究圖形 理解能量

張新中

(江蘇省邗江中學，江蘇 邗江 225009)

研究圖形理解能量

張新中

(江蘇省邗江中學，江蘇 邗江 225009)

將圖形與能量相結(jié)合，可以快速考查化學反應與能量變化和考生的識圖能力，通過對圖形的識別，可以掌握化學反應中的能量變化知識.文章通過對圖形在化學反應與能量變化中的應用，教給學生識圖和將基本知識與圖形相聯(lián)系的能力，以便學生能輕松應對高考.

圖形；能量；熱化學方程式；蓋斯定律

圖形題因其簡明直觀，倍受命題者青睞，近年來在各地模擬試題經(jīng)常出現(xiàn)，化學反應中與能量變化中也如此.

一、根據(jù)圖形判斷活化能與焓變的關(guān)系

圖1

例1 某反應的反應過程中能量變化如圖1所示(圖中E1表示正反應的活化能，E2表示逆反應的活化能).下列有關(guān)敘述正確的是( ).

A．該反應為放熱反應

B．催化劑能改變該反應的焓變

C．催化劑能降低該反應的活化能

D．該反應逆反應的活化能大于其正反應的活化能

解析從圖中看，反應物的總能量低于生成物的總能量，故該反應為吸熱反應，A項錯誤；焓變是指反應物與生成物之間的能量差值，與反應過程無關(guān)，B項錯誤；加入催化劑之后，E1、E2變小，說明活化能減小了，C項正確；由圖可知，逆反應的活化能小于正反應的活化能，D項錯誤.答案：C.

延伸拓展ΔH=E1-E2，催化劑能同等程度地降低正、逆反應的活化能，但不改變化學反應始態(tài)和終態(tài)的物質(zhì)的能量，故催化劑對化學反應的焓變無影響.

二、根據(jù)圖形理解吸、放熱反應

例2 下列物質(zhì)間的反應，其能量變化符合圖2的是( ).

圖2

A．鋅粒與稀硫酸的反應

B．灼熱的炭與二氧化碳反應

C．Ba(OH)2·8H2O晶體和NH4Cl晶體混合

D．碳酸鈣的分解

解析如圖2所示為放熱反應能量圖，A為放熱反應，B、C是吸熱反應；D是吸熱反應.答案：A

延伸拓展反應物的總能量高于生成物的總能量時，放熱反應；當反應物的總能量低于生成物的總能量時，吸熱反應.一般來說，常見的放熱反應有：大多數(shù)化合反應、金屬與酸的反應、物質(zhì)的燃燒反應、中和反應、鋁熱反應等；常見的吸熱反應有：大多數(shù)分解反應、氫氧化鋇晶體與氯化銨的反應、炭與水及CO2的反應等.

三、根據(jù)圖形確定反應過程中能量的變化

例3 化學反應A2+B2=2AB的能量變化如圖3所示，則下列說法正確的是( ).

圖3

A．該反應是吸熱反應

B．斷裂1molA-A鍵和1molB-B鍵能放出xkJ能量

C．斷裂2molA-B鍵需要吸收ykJ的能量

D．2molAB的總能量高于1molA2和1molB2的總能量

解析從能量變化圖上可以看出，反應物總能量高于生成物總能量，該反應是放熱反應，A、D錯誤；斷鍵時要吸收能量，B項錯誤，C項正確.答案：C

延伸拓展化學反應的本質(zhì)是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成，前者吸收能量，后者放出能量，它們之間的差值即為該反應的能量變化.

四、根據(jù)圖形書寫熱化學方程式或判斷正誤

例4SF6被國際上稱為“氣體絕緣開關(guān)設備”，80%用于高中壓電力設備.S與F2反應制備SF6的能量變化圖像如圖4所示.化學上，常用生成熱(ΔH)表示物質(zhì)的相對能量(kJ·mol-1)，單質(zhì)的相對能量為0.

圖4

已知SF6(g)的生成熱為-1209kJ·mol-1.

下列說法或表示正確的是( )

A．圖像中ΔH2=-344kJ·mol-1

B．斷裂SF6(g)分子中化學鍵要放出能量

C．S(g)+3F2(g)=SF6(g)ΔH=-1209kJ·mol-1

D．SF4(g)的化學性質(zhì)比SF6(g)化學性質(zhì)穩(wěn)定

解析根據(jù)物質(zhì)相對能量計算反應熱：ΔH2=(-1209kJ·mol-1)-(-775kJ·mol-1+0)=-434kJ·mol-1，A項錯誤；斷裂化學鍵要吸收能量，B項錯誤；根據(jù)蓋斯定律知：

S(g)+3F2(g)=SF6(g)

ΔH=ΔH1+ΔH2=-1209kJ·mol-1

C項正確；生成時放出的能量越多，物質(zhì)越穩(wěn)定，故SF6(g)的化學性質(zhì)比SF4(g)化學性質(zhì)穩(wěn)定，D項錯誤.答案：C

延伸拓展熱化學方程式的書寫和正誤判斷，一般要注意以下幾個方面：(1)各物質(zhì)的聚集狀態(tài)是否符合題目給出的信息；(2)ΔH的單位和符號(“+、-”)是否正確；(3)熱化學方程式的計量數(shù)與ΔH的數(shù)值是否對應；(4)反應是否可逆；(5)燃燒熱和中和熱的問題要緊扣燃燒熱和中和熱的基本概念.對于燃燒熱，可燃物必須為1mol，生成物要穩(wěn)定；對于中和熱，溶液要稀，生成物水必須為1mol.

五、根據(jù)圖形理解蓋斯定律

例5 已知化學反應的熱效應只與反應物的初始狀態(tài)和生成物的最終狀態(tài)有關(guān)，如圖5(Ⅰ)所示：ΔH1=ΔH2+ΔH3.根據(jù)上述原理和圖(Ⅱ)所示，判斷各對應的反應熱關(guān)系中不正確的是( ).

圖5

A．A→F：ΔH=-ΔH6

B．A→D：ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3

C．ΔH1+ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5+ΔH6=0

D．ΔH1+ΔH6=ΔH2+ΔH3+ΔH4+ΔH5

解析A→F與F→A始態(tài)與終態(tài)換位，數(shù)值不變但符號相反，A項正確；由圖5(Ⅱ)知，A→D經(jīng)歷了A→B、B→C、C→D三個階段，故可知ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3，B項正確；圖5(Ⅱ)是頭尾相連型，經(jīng)過一個循環(huán)，體系處于始態(tài)能量的變化為0，C項正確.答案：D

延伸拓展蓋斯定律的兩種圖示如下：

箭頭相遇型可理解為一步完成與幾步完成，其反應熱相同，表達式為ΔH1=ΔH2+ΔH3.頭尾相連型可理解為反應熱只與反應體系的始態(tài)與終態(tài)有關(guān)，與反應途徑無關(guān)，表達式為ΔH1+ΔH2+ΔH3=0.

六、根據(jù)比較物質(zhì)的穩(wěn)定性

例6 單斜硫和正交硫轉(zhuǎn)化為二氧化硫的能量變化如圖6所示，下列說法正確的是( ).

圖6

A．S(s，單斜)=S(s，正交)

ΔH=+0.33kJ·mol-1

B．相同物質(zhì)的量的正交硫比單斜硫所含有的能量高

C．正交硫比單斜硫穩(wěn)定

D．①式表示斷裂1molO2中的共價鍵所吸收的能量比形成1molSO2中的共價鍵所放出的能量少297.16kJ

解析單斜硫的能量比正交硫的能量高，S(s，單斜)=S(s，正交)ΔH=-0.33kJ·mol-1，為放熱反應，A項錯誤；由圖象可以看出，單斜硫的能量比正交硫的能量高，B項錯誤；物質(zhì)的能量越高越不穩(wěn)定，則正交硫比單斜硫穩(wěn)定，C項正確；①式反應需斷裂單斜硫中S-S鍵和O=O鍵，不僅僅是斷裂1molO2中的共價鍵所吸收的能量，D項錯誤.答案：C

延伸拓展物質(zhì)穩(wěn)定性的判斷方法：一是看能量，能量越低越穩(wěn)定；二是看鍵能，鍵能越大越穩(wěn)定.

鏈接高考

1．(2011·海南卷)圖7是金屬鎂和鹵素反應的能量變化圖(反應物和產(chǎn)物均為298K時的穩(wěn)定狀態(tài)).

圖7

下列選項中正確的是( ).

A．Mg與F2的反應是放熱反應

B．MgBr2與Cl2反應的ΔH<0

C．化合物的熱穩(wěn)定性順序為MgI2>MgBr2>MgCl2>MgF2

ΔH=+600kJ·mol-1

解析依據(jù)圖象分析判斷，Mg與F2的能量高于MgF2，依據(jù)能量守恒判斷，反應是放熱反應，A項正確；依據(jù)圖象分析，MgBr2能量高于MgCl2，依據(jù)活潑性判斷，Cl2能量高于Br2，所以反應是放熱反應，B項正確；物質(zhì)的能量越低越穩(wěn)定，易圖象數(shù)據(jù)分析，化合物的熱穩(wěn)定性順序為：MgI2

答案：C

2．(2012·大綱卷)反應A+B→C(ΔH<0)分兩步進行：①A+B→X(ΔH>0)，②X→C(ΔH<0).圖8示意圖中，能正確表示總反應過程中能量變化的是( ).

解析由反應A+B→C(ΔH <0)分兩步進行①A+B→X (ΔH>0) ② X→C(ΔH <0)可以看出，A+B→C(ΔH<0)是放熱反應，A和B的能量之和C，由①A+B→X(ΔH>0)可知這步反應是吸熱反應，X→C(ΔH<0)是放熱反應，故X的能量大于A+B；A+B的能量大于C，X的能量大于C.

答案：D

3．(2012·重慶卷)肼(H2NNH2)是一種高能燃料，有關(guān)化學反應的能量變化如圖9所示，已知斷裂1mol化學鍵所需的能量(kJ)：N=N為942、O=O為500、N-N為154，則斷裂1molN-H鍵所需的能量(kJ)是( ).

圖9

A．194B．391C．516D．658

解析由圖知

ΔH=-534KJ/mol

可設斷裂1molN-H鍵所需能量為xkJ，154kJ+4xkJ+500kJ-2752kJ=-534kJ，可求得x=391.答案：B

圖10

4．(2014·海南卷)某反應過程能量變化如圖10所示，下列說法正確的是( ).

A．反應過程a有催化劑參與

B．該反應為放熱反應，熱效應等于ΔH

C．改變催化劑，可改變該反應的活化能

D．有催化劑條件下，反應的活化能等于E1+E2

解析由圖示可知反應過程a需要的活化能較高，沒有催化劑參與，A項錯誤；由于反應物的能量高于生成物的能量，多余的能量就以熱能的形式釋放出來.所以該反應為放熱反應，熱效應等于反應物與生成物能量的差值ΔH，B項正確；改變催化劑，改變了反應途徑，降低了反應的活化能，但是反應熱不變，C項正確；無論是否存在催化劑，反應的活化能等于反應物與生成物的能量的差值，等于ΔH，D項錯誤.答案：BC

5．(2014·北京卷)已知：

圖11所示能量變化示意圖中，正確的是(選填字母)________.

圖11

解析降低溫度，NO2(g)轉(zhuǎn)變?yōu)镹2O4(l)，則ΔH2<0，反應物能量高于生成物能量，C項錯誤；N2O4(g)轉(zhuǎn)變?yōu)镹2O4(l)需要放出熱量，所以NO2(g)轉(zhuǎn)變?yōu)镹2O4(g)比NO2(g)轉(zhuǎn)變?yōu)镹2O4(l)放出的熱量少，B項錯誤.

答案：A

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.化學必修[M].北京：人民教育出版社，2004.

G632

A

1008-0333(2017)22-0089-04

2017-08-01

張新中(1970.9-)，男，江蘇揚州人，高級教師，本科，從事教學研究.

責任編輯：季春陽]