化學反應中的能量變化圖像的分析方法

摘 要：化學反應中的能量變化圖像題是中學化學中的一個熱門題型，在各級各類考試中的出現率均比較高.為了幫助學生更好地掌握此類題型的解題方法，本文分析高頻高點，明確解題思路，以期提高學生求解此類題型的效率，培養其思維能力.

關鍵詞：化學反應；能量變化圖像；命題特點；高頻考點；解題

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）31-0136-03

收稿日期：2024-08-05

作者簡介：李智（1976.12—），男，安徽省太湖人，本科，中學一級教師，從事高中化學教學研究.

通常，化學反應能量變化圖像題以化學原理及工業生產實踐為背景，利用新穎、直觀且簡潔的圖像，將原本抽象的化學反應原理及問題信息呈現出來，主要考查了學生圖像閱讀、信息提取能力，故此類題型目是考試題型中的熱點及重點.

1 基本概念

在化學反應過程中，能量變化一般以熱量的變化為體現，還涉及發光、放電等能量形式.通常，吸熱與放熱反應均以化學反應為分析對象，一個化學反應到底是吸收熱量還是釋放熱量，和反應條件之間并不存在必然的聯系^[1].在對吸熱、放熱反應進行判斷之時，通常以宏觀與微觀分析為入手點.

高頻考點1 與化學反應中的能量變化圖像相結合對吸熱和放熱反應進行判斷.

以微觀為視角來看，可以將化學反應劃分為兩個重要過程，其一為舊化學鍵的斷裂，其二為新化學鍵的生成.在舊化學鍵斷裂的過程中，伴隨著能量的吸收，而在新化學鍵的產生過程中，又有能量的釋放相伴隨，在學生學習與解題過程中常見的吸熱與放熱即由兩種能量之間的差異而造成.從本質上來看，化學反應還能以參加反應的物質中含有的能量為視角展開思考，某一類物質的能量越小，意味著其穩定性越高，化學鍵鍵能越大，實際反應過程中化學鍵的形成及其斷裂所需能量都比較多；與之相對應，某一類物質的能量越大，意味著其穩定性越低，化學鍵鍵能越小，實際反應過程中化學鍵的形成及其斷裂所需能量都比較少^[2].

例1 在化學反應中，能量的變化可以通過圖1所示兩種情況來表示，請選出以下描述中正確的選項（" ）.

A.圖1中的甲圖能夠用來表示放熱反應中能量發生的變化

B.在圖1的乙圖中，相較于反應物而言，生成物的穩定性更高

C.圖1中的甲圖能夠用來表示生石灰與水發生反應時能量發生的變化

D.圖1中的甲圖所表示的反應有需要加熱的可能，而圖1中的乙圖所表示的反應能夠發生于常溫條件下

例題解析 對圖1中的甲圖進行觀察可以知道，該圖表示的化學反應能量呈現出降低之勢，意味著反應物有比較高的能量，故可用來表示放熱反應，A為正確選項；對圖1中的乙圖進行觀察可以知道，該圖表示的化學反應能量呈現出升高之勢，意味著生成物有比較高的能量，根據前文分析，某一物質能量越低，其就會有越高的穩定性表現，故而反應物的穩定性比較高，B為錯誤選項；石灰與水發生反應屬于放熱反應，因而其與圖1中的甲圖相符，C為正確選項；在化學反應中，放熱和吸熱與人們日常生活中的加熱與不加熱并沒有必然的聯系存在，就算處于加熱條件之下，依舊有可能發生放熱反應，不僅如此，就算處于常溫或低溫條件之下，同樣有發生吸熱反應的可能，故D為正確選項.綜合上述分析，本題答案為ACD.

2 涉及過渡態的圖像

過渡態并非真實存在的，但是中間體是真實存在的.在一個化學反應中，只需要一步便能直接轉化為所需產物的反應被稱為基元反應，反應中包括過渡態但是不含中間體；與基元反應相對應的即非基元反應，不僅包括過渡態，也包括中間體，如圖2所示.

高頻考點2 與反應歷程相結合對化學反應能量的變化進行分析.

任意化學反應歷程中均會有能量的變化相伴隨，利用圖像，能夠了解每一步實際發生何種反應，并對各步反應需要的活化能進行計算，在此基礎上，以活化能大小為依據完成對反應速度快慢的判斷^[3].

例2 基于對實驗和計算機模擬結果的分析，學者對金催化劑表面水煤氣變換的反應歷程進行相對深入的探討，如圖3所示，其中用*對吸附于金催化劑表面的物種進行標注（注：圖中-0.72 eV表示的是1個CO2（g）+1個H2（g）+1個H2O（g）的能量），請選出以下描述中正確的選項（" ）.

A.在第一步反應中，化學方程式表示為：

CO（g）+2H2O（g）CO*+OH*+H*+H2O（g）

B.此化學反應歷程中，決速步驟反應的化學方程式為：

COOH*+H*+H2OCOOH*+2H*+OH*

C.整個化學反應歷程中的最大能壘為：E正=2.02 eV

D.水煤氣變化的熱化學方程式為：

CO（g）+2H2O（g）CO2（g）+H2（g）+H2O（g）

ΔH=-0.72NAeV·mol^-1

例題解析 "一個過渡態與一步反應相對應，通過對圖3進行觀察可知，過渡態1前后反應物與生成物的第一步化學方程式為H2O*=OH*+H*，因此A為錯誤選項.對化學反應速率產生決定性影響的是反應速度最慢的一步，亦即活化能最大的一步，因此B為正確選項.在整個化學反應歷程中，最大能壘為過渡態2中-0.16 eV到1.86 eV的過程，可得最大能壘E正=1.86-（-0.16）=2.02 eV，因此C為正確選項.另外，金催化劑表面水煤氣變換的整個化學反應歷程為1個CO（g）+2個H2O（g）反應生成1個CO2（g）+1個H2O（g）+1個H2（g），能量變化為-0.72eV，由于ΔH是與1 mol反應所對應的能量變化，反應ΔH即-0.72NAeV·mol^-1，因此D為正確選項.綜合上述分析，本題答案為BCD.

3 蓋斯定律的應用

在進行蓋斯定律計算的過程中，需要結合已知條件將目標方程式確定下來，并明確在目標方程式中未出現卻出現于已知方程式中的物質，在此基礎上，對已知方程式的“加、減、乘、除”四則運算加以運用，將缺失的物質消除.

高頻考點3 利用蓋斯定律對ΔH進行計算

對ΔH進行計算之時，可以對燃燒熱、中和熱、圖像、方程式、化學鍵以及蓋斯定律等加以運用.在利用鍵能對反應熱進行計算的過程中，明確常見單質、化合物中所含共價鍵的類型及其數目尤為重要（見表1）.

例3 根據圖4，H2（g）和ICl（g）的反應主要分反應①與反應②兩個步驟進行，請選出以下描述中正確的選項（" ）.

A.反應①屬于放熱反應

B.反應②屬于放熱反應

C.相較于反應②而言，反應①的速率要更慢一些，不會受到相應正反應活化能的影響

D.對于反應①與反應②，焓變和為ΔH=-218 kJ·mol^-1

例題解析 通過對圖5進行觀察可知，在H2（g）和ICl（g）的兩個反應步驟中，反應物總能量相較于生成物總能量始終更大，意味著反應①與反應②都屬于放熱反應，因此AB均為正確選項.另外，反應①相較于反應②的速度更慢一些，意味著前者正反應的活化能相較于后者要更大，因此C為錯誤選項.進一步應用蓋斯定律，H2（g）和ICl（g）的反應焓變僅會受到始態與終態的影響，反應途徑并不會對其產生影響，故可以確定兩個步驟的焓變和為ΔH=-218 kJ·mol^-1，D為正確選項.綜合上述分析，本題答案為ABD.

4 結束語

化學反應中能量變化圖像題型用于考查學生思維能力.面對形式多元化、抽象性與綜合性不斷增加的化學反應能量變化圖像題型，教師應對學生進行引導，讓他們合理運用圖像題認知模型，從整體層面對圖像信息進行綜合分析，做好信息整合工作.通過對化學圖像的觀察、識別、抽象、比較及概括，實現問題的準確與快速解答.

參考文獻：

［1］江已舒，王葉梅.把握考向，歸類題型：化學反應中的能量變化考點分析[J].高中數理化，2021（23）：70-74.

[2] 洪敏婷.化學反應原理圖象題的解答策略與命題特點分析[J].高中數理化，2021（12）：55-56.

[3] 孫紅霞.化學反應歷程和能量變化圖像例析[J].高中數理化，2022（24）：63-64.

［責任編輯：季春陽］