蓋斯定律的理解及應用

■河南省鄲城縣第一高級中學 王 杰

蓋斯定律是熱化學計算的基本規律，正確理解蓋斯定律的概念，建構思維模板，把握各步反應中的守恒關系，對突破和應用蓋斯定律十分重要。

【蓋斯定律的要點歸納】

1.定律內容。

一定條件下，一個反應不管是一步完成，還是分幾步完成，反應的總熱效應相同，即反應熱的大小與反應途徑無關，只與反應的始態和終態有關。

2.常用關系式(見表1)。

表1

題型一：利用蓋斯定律求焓變

【思維建?！刊B加法求焓變。

步驟1:“倒”。

為了將方程式相加得到目標方程式，可將方程式顛倒過來，反應熱的數值不變，但符號相反。這樣，就不用再做減法運算了，實踐證明，方程式相減時往往容易出錯。

步驟2:“乘”。

為了將方程式相加得到目標方程式，可將方程式乘以某個倍數，反應熱也要相乘。

步驟3:“加”。

上面的兩個步驟做好了，只要將方程式相加即可得目標方程式，反應熱也要相加。

例1(1)三氯氫硅(SiHCl3)是制備硅烷、多晶硅的重要原料。SiHCl3在催化劑作用下發生反應:

(2)NOx(主要指NO和NO2)是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環境保護的重要課題。用水吸收NOx的相關熱化學方程式如下:

(3)過氧化氫(H2O2)是重要的化工產品，廣泛應用于綠色化學合成、醫療消毒等領域。已知:

解析：(1)將已知熱化學方程式標記為:

①2SiHCl3(g)==SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)ΔH1=+48kJ·mol-1

②3SiH2Cl2(g)==SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30kJ·mol-1

①×3+②可得:4SiHCl3(g)==SiH4(g)+3SiCl4(g) ΔH=48kJ·mol-1×3+(-30kJ·mol-1)=+114kJ·mol-1。

(2)將已知熱化學方程式標記為:

①2NO2(g)+H2O(l)==HNO3(aq)+HNO2(aq) ΔH=-116.1kJ·mol-1

②3HNO2(aq)==HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l) ΔH=+75.9kJ·mol-1

(①×3+②)÷2可得:3NO2(g)+H2O(l)==2HNO3(aq)+NO(g) ΔH=[(-116.1kJ·mol-1)×3+75.9kJ·mol-1]÷2=-136.2kJ·mol-1。

(3)將已知熱化學方程式標記為:

②H2(g)+O2(g)==H2O2(l) ΔH1=-188kJ·mol-1

(①-②)×2可得:2H2O2(l)==2H2O(l)+O2(g) ΔH=(-286kJ·mol-1+188kJ·mol-1)×2=-196kJ·mol-1；該反應正反應為放熱反應，升高溫度，化學平衡向逆反應方向移動，平衡常數減小，即K313K＜K294K。

答案：(1)+114 (2)-136.2(3)-196 小于

題型二：構建虛擬路徑

【思維建?！炕瘜W反應過程包含物質變化和能量變化兩大變化，由此，化學反應中存在兩大守恒:質量守恒和能量守恒。若反應物A變為生成物D有兩條途徑，一是A直接變為D，反應熱為ΔH；二是A經過B變為C，再由C變為D，每步的反應熱依次為ΔH1、ΔH2、ΔH3，則ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。設計“虛擬路徑”時，要注意物質的聚集狀態及計量數轉化關系。

根據題設要求可從以下視角設立虛擬路徑。

例2室溫下，將1mol的CuSO4·5H2O(s)溶于水會使溶液溫度降低，熱效應為ΔH1；將1mol的CuSO4(s)溶于水會使溶液溫度升高，熱效應為ΔH2；CuSO4·5H2O受熱分解的化學方程式為CuSO4·5H2O(s)△==CuSO4(s)+5H2O(l)，熱效應為ΔH3。則下列判斷正確的是( )。

A.ΔH2＞ΔH3

B.ΔH1＜ΔH3

C.ΔH1+ΔH3=ΔH2

D.ΔH1+ΔH2=ΔH3

解析：根據題意，可以設計如下轉化關系:

CuSO4·5H2O(s)溶于水(溶液溫度降低，該過程為吸熱過程):CuSO4·5H2O(s)==Cu2+(aq)+SO2-4(aq)+5H2O(l) ΔH1＞0

CuSO4(s)溶于水(溶液溫度升高，該過程為放熱過程):CuSO4(s)==Cu2+(aq)+SO2-4(aq) ΔH2＜0

CuSO4·5H2O(s)受熱分解的熱化學方程式:CuSO4·5H2O(s)△==CuSO4(s)+5H2O(l) ΔH3

根據蓋斯定律可知:ΔH3=ΔH1-ΔH2＞0。根據上述分析，ΔH2＜0，ΔH3＞0，所以A項錯誤；ΔH3=ΔH1-ΔH2(ΔH2＜0)，所以ΔH3＞ΔH1，B 項正確；ΔH3=ΔH1-ΔH2，C 項錯誤；ΔH1+ΔH2＜ΔH3，D 項錯誤。

答案：B

題型三：利用鍵能計算反應熱

【思維建?！坷面I能計算反應熱，要熟記公式:ΔH=反應物總鍵能-生成物總鍵能，其關鍵是弄清物質中化學鍵的數目。在中學階段要掌握常見單質、化合物中所含共價鍵的數目。

例3CO2是一種廉價的碳資源，其綜合利用具有重要意義，CO2與CH4經催化重整，制得合成氣:

已知上述反應中相關的化學鍵鍵能數據如表2。

表2

則該反應的ΔH=____。

解析：化學反應的焓變等于反應物的鍵能減去生成物的鍵能，所以焓變為(4×413kJ·mol-1+2×745kJ·mol-1)-(2×1075kJ·mol-1+2×436kJ·mol-1)=+120kJ·mol-1。

答案：+120kJ·mol-1

題型四：熱化學方程式的書寫

【思維建?！繜峄瘜W方程式的書寫模板。

步驟1:寫方程。

寫出配平的化學方程式。

步驟2:標狀態。

用s、l、g、aq標明物質的聚集狀態。

步驟3:標條件。

標明反應物的溫度和壓強(101kPa、25℃時可不標注)。

步驟4:標ΔH。

在方程式后寫出ΔH，并根據信息注明ΔH的“+”或“-”。

步驟5:標數值。

根據化學計量數計算寫出ΔH的數值。

例4近年來，研究人員提出利用含硫物質熱化學循環實現太陽能的轉化與存儲。過程如下:

反應Ⅰ:2H2SO4(l)==2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g) ΔH1=+551kJ·mol-1

反應Ⅲ:S(s)+O2(g)==SO2(g)ΔH3=-297kJ·mol-1

反應Ⅱ的熱化學方程式:___。

解析：根據過程，反應Ⅱ為SO2催化歧化生成 H2SO4和S，反應為3SO2+2H2O==2H2SO4+S。應用蓋斯定律，反應Ⅰ+反應Ⅲ得，2H2SO4(l)+S(s)==3SO2(g)+2H2O(g) ΔH= ΔH1+ ΔH3=(+551kJ·mol-1)+(-297kJ·mol-1)=+254kJ·mol-1，反應Ⅱ的熱化學方程式為3SO2(g)+2H2O(g)==2H2SO4(l)+S(s)ΔH=-254kJ·mol-1。

答 案：3SO2(g)+2H2O(g)==2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254kJ·mol-1

題型五：熱化學方程式的正誤判斷

【思維模板】熱化學方程式書寫的正誤判斷模板。

步驟1:審“+”“-”。

放熱反應一定為“-”，吸熱反應一定為“+”。

步驟2:審單位。

單位一定為“kJ·mol-1”，易漏寫或錯寫成“kJ”。

步驟3:審狀態。

物質的狀態必須正確，特別是溶液中的反應易寫錯。

步驟4:審數值的對應性。

反應熱的數值必須與方程式的化學計量數相對應，即化學計量數與ΔH成正比。當反應逆向時，其反應熱與正反應的反應熱數值相等，符號相反。

步驟5:審是否符合概念。

注意燃燒熱和中和熱的概念以及與此相關的熱化學方程式。

例5通過以下反應可獲得新型能源二甲醚(CH3OCH3)。下列說法不正確的是( )。

①C(s)+H2O(g)==CO(g)+H2(g)ΔH1=akJ·mol-1

②CO(g)+H2O(g)==CO2(g)+H2(g)ΔH2=bkJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=ckJ·mol-1

④2CH3OH(g)==CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4=dkJ·mol-1

A.反應①②為反應③提供原料氣

B.反應③也是CO2資源化利用的方法之一

D.反 應 2CO(g)+4H2(g)==CH3OCH3(g)+H2O(g)的ΔH=(2b+2c+d)kJ·mol-1

解析：反應③中的反應物為CO2、H2，由反應可知，反應①②為反應③提供原料氣，A項正確；反應③中的反應物為CO2，轉化為甲醇，則反應③也是CO2資源化利用的方法之一，B項正確；由反應④可知，物質的量與熱量成正比，且氣態水的能量比液態水的能量高，則反應，C項錯誤；由蓋斯定律可知，②×2+③×2+④得到2CO(g)+4H2(g)==CH3OCH3(g)+H2O(g)，則ΔH=(2b+2c+d)kJ·mol-1，D項正確。

答案：C