思維建模視角下的熱化學方程式書寫

福建

洪茲田 陳珍勝

思維建模是借助于一些特定的工具(如思維導圖)和方法將知識內在的思維過程建立模型，進行可視化表征的認知方法。本文對熱化學方程式書寫(含ΔH的計算)常見的考查視角進行歸納，并基于模型建構的視角對各種考查類型建立思維模型。

一、直接描述型熱化學方程式書寫

1.解題關鍵

根據題給信息換算成與熱化學方程式相應物質的物質的量一致的ΔH。

2.思維建模

3.例題剖析

0.1 mol Cl2與焦炭、TiO2完全反應，生成一種還原性氣體和一種易水解成TiO2·xH2O的液態(tài)化合物，放熱4.28 kJ，該反應的熱化學方程式為________________________________________。

二、利用燃燒熱書寫熱化學方程式

1.解題關鍵

準確理解“燃燒熱”的概念：

2.思維建模

3.例題剖析

已知CH4的燃燒熱數值為890 kJ·mol-1。下列熱化學方程式正確的是

( )

解析:選項A中ΔH應為負號，故選項A錯誤；選項B中H2O的狀態(tài)錯誤，應為H2O(l)，故選項B錯誤；選項C中由于CH4為2 mol，故ΔH=-890 kJ·mol-1×2=-1 780 kJ·mol-1，故選項C正確；選項D中，生成物CO(g)錯誤，應為CO2(g)。

答案:C

三、根據反應熱測定實驗計算中和熱ΔH

1.解題關鍵

中和熱是指在稀溶液中，強酸跟強堿發(fā)生中和反應生成1 mol液態(tài)H2O時的反應熱。故先計算反應熱Q，然后由Q=ΔH(中和熱)×n(H2O)計算ΔH(中和熱)。

2.思維建模

3.例題剖析

分別取100 mL 0.50 mol·L-1鹽酸與100 mL 0.55 mol·L-1NaOH溶液進行中和反應。通過測定反應過程中所放出的熱量可計算中和熱。假設鹽酸和氫氧化鈉溶液的密度都是1 g·cm-3，中和后生成溶液的比熱容c=4.18 J·(g·℃)-1。實驗時，測得反應前鹽酸與NaOH溶液的平均溫度為21.5℃，反應后混合溶液的溫度為 24.9℃，則實驗測得的中和熱ΔH=___________(保留1位小數)。

答案:-56.8 kJ·mol-1

四、利用活化能計算ΔH

1.解題關鍵

理清活化能(Ea)與焓變(ΔH)的關系。活化能是指活化分子的平均能量與反應物分子平均能量的差值。從反應物至最高點的能量數值表示正反應的活化能Ea(正)；從最高點至生成物的能量數值表示逆反應的活化能Ea(逆)。ΔH=Ea(正)-Ea(逆)。加入催化劑能降低反應的活化能，但不影響ΔH的大小。

2.思維建模

3.例題剖析

某化學反應的能量變化如圖所示。下列有關敘述正確的是

( )

A.該反應的反應熱ΔH=E2-E1

B.a曲線的條件是加入催化劑

C.催化劑能降低反應的活化能

D.通過催化劑能改變反應的ΔH

解析:該反應的ΔH=E1-E2，故A錯誤；加入催化劑后使反應的活化能降低，b曲線的條件是加入催化劑，故B錯誤；催化劑能降低反應的活化能，故C正確；催化劑未改變反應物和生成物的能量，也未改變反應的焓變，故D錯誤。

答案:C

五、利用鍵能計算ΔH(或書寫熱化學方程式)

1.解題關鍵

準確分析反應物和生成物化學鍵的類型和數目，應用公式ΔH=E鍵能(反應物)-E鍵能(生成物)。中學階段常見物質中所含共價鍵的數目(以1 mol物質為例):

物質金剛石硅SiO2P4CH4C2H6NH3H2OCO2共價鍵C—CSi—SiSi—OP—PC—HC—HC—CN—HH—OC=O數目2NA2 NA4 NA6NA4 NA6NANA3NA2NA2NA

2.思維建模

3.例題剖析

解析:設1 mol HI(g)分子中化學鍵斷裂時需吸收的能量為x，根據ΔH=E(反應物)-E(生成物)=2 mol·x-436 kJ-151 kJ=+11 kJ，解得x=299 kJ·mol-1。

答案:299

六、利用物質的能量計算ΔH

1.解題關鍵ΔH=E(生成物)-E(反應物)

2.思維建模

3.例題剖析

物質H2(g)CO2(g)CH2=CH2(g)H2O(g)能量/kJ·mol—10-39452-242

則ΔH=________。

解析:ΔH=E(生成物)-E(反應物)=[(-242)×4+52-(-394)×2-0×6)]kJ·mol-1=-128 kJ·mol-1

答案:-128 kJ·mol-1

七、利用蓋斯定律書寫熱化學方程式

(一)分步加和法

1.解題關鍵

對已知熱化學方程式進行疊加，得到目標(或待求)的熱化學方程式。

2.思維建模

先確定

待求的

反應方

程式 ?找出待求方

程式中各物

質在已知方

程式中的位置?根據待求方程式中

各物質的計量數和

位置對已知方程式

進行處理，得到變

形后的新方程式 ?將新得到的方程式

進行加減(反應熱

也需要相應加減)?寫出待求

的熱化學

方程式

3.例題剖析

下圖是通過熱化學循環(huán)在較低溫度下由水或硫化氫分解制備氫氣的反應系統原理。

通過計算，可知系統(Ⅰ)和系統(Ⅱ)制氫的熱化學方程式分別為________、________，制得等量H2所需能量較少的是_________________。

根據系統Ⅰ、系統Ⅱ的熱化學方程式可知，每反應產生1 mol氫氣，后者吸收的熱量比前者少，所以制取等量的H2所需能量較少的是系統Ⅱ。

(二)途徑分析法

1.解題關鍵

途徑設計分析，建立物質、能量的“轉化模型”，使反應物經過一些中間步驟最后回到產物。

2.思維建模

設某反應為“反應物→生成物”，有如下幾種轉化途徑：

途徑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的焓變ΔH(Ⅰ)、ΔH(Ⅱ)、ΔH(Ⅲ)依次為ΔH1+ΔH2、ΔH、ΔH3+ΔH4+ΔH5，且ΔH=ΔH1+ΔH2=ΔH3+ΔH4+ΔH5。

3.例題剖析

( )

A.ΔH2>ΔH3B.ΔH1<ΔH3

C.ΔH1+ΔH3=ΔH2D.ΔH1+ΔH2>ΔH3

解析:可設計如下“轉化模型”：

據題意ΔH2<0、ΔH3>0,可知ΔH3>ΔH2，選故項A錯；根據上述轉化過程，根據蓋斯定律可知ΔH2=ΔH1-ΔH3，即ΔH2+ΔH3=ΔH1，故選項CD錯誤；又ΔH2=ΔH1-ΔH3<0(ΔH2<0)，所以ΔH1<ΔH3，故選項B正確。