淺談熱重分析曲線解題模型建構(gòu)

孫 晶

(山東省日照市莒縣第四中學(xué))

近年來“熱重曲線”類試題均以試樣熱重實驗曲線為依據(jù)編制。試題以試樣質(zhì)量(剩余固體質(zhì)量占原試樣質(zhì)量的百分比)隨溫度變化的曲線為載體,以圖像和文字組合的形式呈現(xiàn),考查內(nèi)容以書寫方程式、判斷某溫度時物質(zhì)組成為重點,考查方式以填空、計算等形式較為常見,綜合考查學(xué)生獲取圖像信息的能力、處理數(shù)據(jù)的能力和元素守恒的化學(xué)思想等,落實宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、測定固體物質(zhì)組成的熱重法

只要物質(zhì)受熱時發(fā)生質(zhì)量變化,都可以用熱重法來研究物質(zhì)的組成。熱重法是在控制溫度的條件下測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的方法。通過分析熱重曲線,我們便可以知道樣品及其可能產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的組成、熱穩(wěn)定性、熱分解情況及生成產(chǎn)物等與質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的信息。

二、熱重曲線模型

圖1

三、高考命題與熱重曲線類型

類型1 反應(yīng)過程與失重比-T曲線

【例1】(2023年全國乙卷,28題節(jié)選)硫酸亞鐵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有許多用途,如可用作農(nóng)藥防治小麥黑穗病,制造磁性氧化鐵、鐵催化劑等。

(1)在N2氣氛中,FeSO4·7H2O的脫水熱分解過程如圖所示:

根據(jù)上述實驗結(jié)果,可知x=________,y=________。

【解題思路導(dǎo)引】

第一步根據(jù)題給圖像信息,確定FeSO4·7H2O發(fā)生的變化:FeSO4·7H2O→FeSO4·xH2O→Fe-SO4·yH2O第二步理解樣品失重比對應(yīng)19.4%和38.8%的含義,列出含x和y的代數(shù)式,求出x和y的值

【答案】4 1

【解題模型建構(gòu)】

解題步驟突破技法第一步讀題,找變化閱讀題給圖像信息,找出物質(zhì)之間發(fā)生的變化,一般結(jié)晶水合物先失結(jié)晶水,后發(fā)生分解,如碳酸鹽產(chǎn)生CO2,硫酸鹽產(chǎn)生SO2或SO3,氫氧化物產(chǎn)生H2O第二步列式,求未知根據(jù)固體質(zhì)量變化,列出定量關(guān)系式,求出未知數(shù),確定剩余固體的化學(xué)式

類型2 反應(yīng)過程與m-T(質(zhì)量-溫度)曲線

【例2】(2023年遼寧卷,18題節(jié)選)(1)我國古籍記載了硫酸的制備方法——“煉石膽(CuSO4·5H2O)取精華法”。借助現(xiàn)代儀器分析,該制備過程中CuSO4·5H2O分解的TG曲線(熱重)及DSC曲線(反映體系熱量變化情況,數(shù)值已省略)如圖所示。700℃左右有兩個吸熱峰,則此時分解生成的氧化物有SO2、________和________(填化學(xué)式)。

【解題思路導(dǎo)引】

第一步圖中,700℃時左右DSC曲線會出現(xiàn)兩個吸熱峰,說明此時CuSO4發(fā)生熱分解反應(yīng)第二步以煉石膽(CuSO4·5H2O)為基礎(chǔ),根據(jù)TG曲線(熱重)知800℃時殘留固體的質(zhì)量為起始時的一半(1.6 mg—0.8 mg),依據(jù)m(Cu)及n(Cu)不變,確定n(Cu)∶n(O)的值,繼而確定剩余固體和生成氣體的成分

【答案】CuO SO3

【解題模型建構(gòu)】

類型3 元素推斷與ω-T(百分含量-溫度)熱重曲線

【例3】(2022年全國乙卷,11題)化合物(YW4X5Z8·4W2Z)可用于電訊器材、高級玻璃的制造。W、X、Y、Z為短周期元素,原子序數(shù)依次增加,且加和為21。YZ2分子的總電子數(shù)為奇數(shù),常溫下為氣體。該化合物的熱重曲線如圖所示,在200℃以下熱分解時無刺激性氣體逸出。下列敘述正確的是

( )

A.W、X、Y、Z的單質(zhì)常溫下均為氣體

B.最高價氧化物的水化物酸性:Y

C.100～200℃階段熱分解失去4個W2Z

D.500℃熱分解后生成固體化合物X2Z3

【解題思路導(dǎo)引】

【答案】D

【解題模型建構(gòu)】首先分析圖像,理解橫、縱坐標(biāo)表達(dá)的意義;其次,根據(jù)不同溫度范圍時固體殘余的百分含量,通過物質(zhì)性質(zhì)假設(shè)失去的水的個數(shù),代入數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,發(fā)現(xiàn)100～200℃階段熱分解不是失去4個H2O,而后根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)合理猜想,銨鹽具有不穩(wěn)定性,500℃時若生成固體化合物X2Z3(B2O3),代入數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證即可。此類猜想驗證法,對選擇題的適用性更強(qiáng)。

類型4 氧化還原型與ω-T熱重曲線

【例4】正極材料為LiCoO2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,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℃時已完全脫水,則1 000℃時,剩余固體成分為________(填化學(xué)式,下同);在350～400℃范圍內(nèi),剩余固體成分為________。

【解題思路導(dǎo)引】

第一步圖中,A、B、C三點固體殘留率分別為89.25%、86.38%、80.65%第二步以1 mol化合物Co(OH)2為基礎(chǔ),根據(jù)固體殘留率分別求出A、B、C三點固體的質(zhì)量,依據(jù)m(Co)及n(Co)不變,確定n(Co)∶n(O)的值,繼而確定剩余固體的成分

【答案】CoO Co3O4和Co2O3

【解題模型建構(gòu)】該題屬于氧化還原型的熱重曲線分析,該類題是同學(xué)們解答的一個難點,也是熱重分析曲線的一個高頻失分點的題型。在遵循質(zhì)量守恒的前提下,如果發(fā)現(xiàn)在加熱到某一溫度節(jié)點時,固體質(zhì)量不守恒,且有增加的特殊情況時,一定要考慮氧氣的介入帶來的質(zhì)量增重。解答時注意遵循金屬元素質(zhì)量守恒,由質(zhì)量守恒得到m(O),由n(金屬)∶n(O),即可求出失重后物質(zhì)的化學(xué)式。

四、熱重曲線分析法的思考路徑

坐標(biāo)曲線題解題時可以拆分為識圖、析圖、用圖三個步驟。其中識圖是基礎(chǔ),析圖是關(guān)鍵,用圖是目的。

(一)識圖

識圖的關(guān)鍵是三看:一看軸即橫、縱坐標(biāo)所表示的化學(xué)含義(自變量x軸和函數(shù)y軸表示的意義),尋找x、y軸之間的關(guān)系,因為這是理解題意和進(jìn)行正確思維的前提;二看點即曲線中的特殊點(頂點、始點、終點、拐點、交叉點);三看線即曲線的走勢(變化趨勢是上升、下降、波動、正態(tài)、偏態(tài)等變化)。

(二)析圖

分析圖中為什么會出現(xiàn)這些特殊點,曲線為什么有這樣的變化趨勢和走向,分析曲線變化的因果關(guān)系;通過聯(lián)想,把課本內(nèi)的有關(guān)化學(xué)概念、原理、規(guī)律等與圖像曲線中的圖形與相關(guān)點建立聯(lián)系。

(三)用圖

將相關(guān)的化學(xué)知識與圖像曲線緊密結(jié)合,在頭腦中構(gòu)建新的曲線——知識體系,然后運(yùn)用新的曲線——知識體系揭示問題的實質(zhì),解決實際問題。