用定量法解析“熱重曲線”試題

河南 周紅欣

中學(xué)化學(xué)熱重曲線試題是近年來(lái)高考化學(xué)試題的常見(jiàn)題型，它是以熱重法(TG)實(shí)驗(yàn)獲得的圖象數(shù)據(jù)為情境設(shè)計(jì)的試題。綜合考查了學(xué)生獲取信息的能力、處理數(shù)據(jù)的能力等，促使學(xué)生對(duì)中學(xué)化學(xué)知識(shí)內(nèi)涵再次的理解和體會(huì)，同時(shí)也落實(shí)了新課標(biāo)理念，讓學(xué)生真正感受化學(xué)學(xué)習(xí)的過(guò)程和研究化學(xué)的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生分析、變形、轉(zhuǎn)換的能力。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對(duì)解決此類問(wèn)題常感到束手無(wú)策，有畏難情緒，是解答錯(cuò)誤的高發(fā)區(qū)。

1 熱重曲線試題的類型

資料表明，中學(xué)化學(xué)熱重曲線試題最早出現(xiàn)在2000年廣東高考試題中，研究近幾年高考試題發(fā)現(xiàn)，這類試題大多依據(jù)結(jié)晶水合鹽試樣熱重法實(shí)驗(yàn)圖象而編制。一般認(rèn)為加熱結(jié)晶水合鹽反應(yīng)可分三步進(jìn)行：第一步是脫去部分水，第二步是生成羥基鹽或含水鹽，第三步是生成金屬氧化物；如果熱重實(shí)驗(yàn)的氣氛為空氣，則加熱過(guò)程中可能被氧化，反應(yīng)將變得更復(fù)雜一些。基于這些，我們認(rèn)為中學(xué)化學(xué)熱重曲線試題可分為兩類:第一類，試樣發(fā)生分解反應(yīng)，以脫水、分解等方式失重，氣氛物質(zhì)不參加反應(yīng)；第二類，試樣發(fā)生氧化、還原等反應(yīng)，以氧化、還原等方式失重，氣氛物質(zhì)可參加反應(yīng)，如氧氣氧化等。當(dāng)然也有試題形式上是兩者的結(jié)合，但本質(zhì)上可以分步處理，故仍屬于上述類型。

2 熱重曲線試題的解題模型

筆者根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐，認(rèn)為解析熱重曲線試題的關(guān)鍵是應(yīng)以1 mol物質(zhì)為研究對(duì)象，抓住失重時(shí)減少的質(zhì)量，結(jié)合摩爾質(zhì)量，即可快速求得結(jié)果。在實(shí)際教學(xué)中能讓普通認(rèn)知水平的學(xué)生做到透徹地理解，并加以熟練應(yīng)用，利于構(gòu)建高效課堂教學(xué)和加深學(xué)生理解。

3 加熱的物質(zhì)都有固定的化學(xué)式

3.1 固體試樣以脫水、分解等方式失重

例1隨著材料科學(xué)的發(fā)展，金屬釩及其化合物得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并被譽(yù)為“合金的維生素”。經(jīng)過(guò)熱重分析測(cè)得：NH4VO3在焙燒過(guò)程中，固體質(zhì)量的減少值(縱坐標(biāo))隨溫度變化的曲線如圖所示。則NH4VO3在分解過(guò)程中________。

A．先分解失去H2O，再分解失去NH3

B．先分解失去NH3，再分解失去H2O

C．同時(shí)分解失去H2O和NH3

D．同時(shí)分解失去H2、N2和H2O

答案：B

解析：NH4VO3的摩爾質(zhì)量為117 g/mol，設(shè)NH4VO3物質(zhì)的量為1 mol，則210℃時(shí)失重的質(zhì)量為1 mol×117 g/mol×(1-85.47%)=17 g。

380℃時(shí)失重的質(zhì)量為1 mol×117 g/mol×(1-77.78%)=26 g。

在第一次失重的基礎(chǔ)上，第二次又失去的質(zhì)量為26 g-17 g=9 g。

3.2 固體試樣以氧化、還原等方式失重

例2正極材料為L(zhǎng)iCoO2的鋰離子電池已被廣泛用作便攜式電源。但鈷的資源匱乏限制了其進(jìn)一步發(fā)展。Co(OH)2在空氣中加熱時(shí)，固體殘留率隨溫度的變化曲線如圖所示。已知鈷的氫氧化物加熱至290℃時(shí)已完全脫水，則1 000℃時(shí)，剩余固體成分為_(kāi)_______(填化學(xué)式，下同)；在350～400℃范圍內(nèi)，剩余固體成分為_(kāi)_______。

Co(OH)2的熱重曲線

答案：CoO Co3O4和Co2O3

所以在350～400℃范圍剩余固體是Co3O4和Co2O3的混合物。

3.3 固體試樣先后以兩種不同的方式失重

例3MnCO3可用作電訊器材元件材料，還可用作瓷釉、顏料及制造錳鹽的原料。它在空氣中加熱易轉(zhuǎn)化為不同價(jià)態(tài)錳的氧化物，其固體殘留率隨溫度的變化，如圖所示。則300℃時(shí)，剩余固體中n(Mn)∶n(O)為_(kāi)_______；圖中D點(diǎn)對(duì)應(yīng)固體的成分為_(kāi)_______________(填化學(xué)式)。

MnCO3的熱重曲線

答案：1∶2 Mn3O4與MnO

所以D點(diǎn)時(shí)固體物質(zhì)正從Mn3O4轉(zhuǎn)化為MnO，此時(shí)為Mn3O4與MnO的混合物。

4 加熱的物質(zhì)沒(méi)有固定的化學(xué)式

例4(2014年江蘇18題節(jié)選)堿式碳酸鋁鎂[MgaAlb(OH)c(CO3)d·xH2O]常用作塑料阻燃劑。為確定堿式碳酸鋁鎂的組成，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

①準(zhǔn)確稱取3.390 g樣品與足量稀鹽酸充分反應(yīng)，生成0.560 L CO2(已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。

堿式碳酸鋁鎂的熱重曲線

答案：3∶5

解析：堿式碳酸鋁鎂的化學(xué)式不確定，題中只表示為MgaAlb(OH)c(CO3)d·xH2O，無(wú)法求得摩爾質(zhì)量。試題中以3.390 g樣品為研究對(duì)象，不妨?xí)憾?.390 g樣品為 1 mol。3.390 g樣品與足量的稀鹽酸充分反應(yīng)，生成CO2體積為0.560 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

270℃時(shí)已完全失去結(jié)晶水，失去結(jié)晶水的質(zhì)量為3.390 g×(1-73.45%)=0.9 g，600℃以上殘留固體為金屬氧化物的混合物，說(shuō)明又失去了除結(jié)晶水外的氫元素。失去的氫元素只能再結(jié)合樣品中的氧元素生成水。600℃時(shí)失重的質(zhì)量為3.390 g×(1-37.02%)=2.135 g，失去氫元素再生成水的質(zhì)量為2.135 g-(0.025 mol×44 g/mol)-0.9 g=0.135 g。