化學(xué)反應(yīng)與能量變化熱點(diǎn)題型分析

湖北 羅功舉

化學(xué)反應(yīng)與能量變化熱點(diǎn)題型分析

湖北 羅功舉

化學(xué)反應(yīng)過程中既包括“質(zhì)”的變化，又包括“能”的變化，而“能”的變化主要以反應(yīng)熱的形式表現(xiàn)出來，是化學(xué)反應(yīng)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，也是歷年高考考查的熱點(diǎn)知識(shí)。下面將其?？碱}型分析如下，供參考。

題型一：反應(yīng)熱的計(jì)算

【方法精要】（1）利用熱化學(xué)方程式進(jìn)行相關(guān)量的求解，可先寫出熱化學(xué)方程式，再根據(jù)熱化學(xué)方程式所體現(xiàn)的物質(zhì)與物質(zhì)間、物質(zhì)與反應(yīng)熱間的關(guān)系直接或間接求算物質(zhì)的質(zhì)量或反應(yīng)熱。需要注意的事項(xiàng)有：①反應(yīng)熱數(shù)值與各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)成正比，因此熱化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)改變時(shí)，其反應(yīng)熱數(shù)值需同時(shí)做相同倍數(shù)的改變。②熱化學(xué)方程式中的反應(yīng)熱是指反應(yīng)按所給形式完全進(jìn)行時(shí)的反應(yīng)熱。③正、逆反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值相等，符號(hào)相反。

（2）根據(jù)燃燒熱計(jì)算：可燃物完全燃燒產(chǎn)生的熱量＝可燃物的物質(zhì)的量×燃燒熱。

（3）根據(jù)鍵能計(jì)算：反應(yīng)熱（焓變）等于反應(yīng)物中的鍵能總和減去生成物中的鍵能總和，ΔH＝∑E反－∑E生（E表示鍵能）。

例1 （2005天津）磷在氧氣中燃燒，可能生成兩種固態(tài)氧化物P2O3和P2O5，現(xiàn)將3．1g的單質(zhì)磷（P）在3．2g氧氣中燃燒至反應(yīng)物耗盡，并放出XkJ的熱量。

（1）反應(yīng)后生成物的組成（用化學(xué)式表示）是________，其相應(yīng)的質(zhì)量為________。

（2）已知單質(zhì)磷的燃燒熱為YkJ／mol，則1mol P與O2反應(yīng)生成固態(tài)P2O3的反應(yīng)熱ΔH＝________。

（3）若3．1g磷在3．6g氧氣中燃燒，至反應(yīng)物耗盡，并放出ZkJ的熱量，則X________（填“＜”“＞”或“＝”）Z。

（4）磷的兩種氧化物中，較穩(wěn)定的是________。

分析：（1）3．1g P和3．2g O2的物質(zhì)的量均為0．1mol，由可知：所以燃燒后P、O2均耗盡，生成0．025mol P2O3和0．025mol P2O5，共放出熱量XkJ。則m（P2O3）＝0．025mol×110g·mol－1＝2．75g，m（P2O5）＝0．025mol×142g·mol―1＝3．55g。

（2）由燃燒熱的概念可知，1mol P完全燃燒生成P2O5時(shí)放出的熱量為Y kJ，則0．05mol P完全燃燒生成0．025mol P2O5放出的熱量為0．05YkJ，那么，0．05mol P燃燒生成0．025mol P2O3放出的熱量為（X－0．05Y）kJ，則1mol P燃燒生成P2O3放出的熱量為（X－0．05Y）／0．05＝（20 X－Y）kJ，故ΔH＝－（20 X－Y）kJ·mol―1。

（3）將3．6g分為3．2g和0．4g，則可將題設(shè)情況理解為P2O3繼續(xù)在0．4g氧氣中燃燒放熱，故X＜Z。

（4）因?yàn)镻2O3還可以繼續(xù)被氧化為P2O5，故磷的兩種氧化物中，P2O5較穩(wěn)定。

點(diǎn)撥處理混合物（如H2和CH4的混合氣體燃燒）計(jì)算、平行反應(yīng)（如P在Cl2中燃燒）計(jì)算等問題時(shí)，可以用列方程組的方法解題，如本題第（1）問。也可用元素守恒法寫“總反應(yīng)式”，再結(jié)合部分反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行加減推算，如本題第（2）問。

題型二：熱化學(xué)方程式的書寫與正誤判斷

【方法精要】（1）書寫要領(lǐng)：①必須在化學(xué)方程式的右邊標(biāo)明反應(yīng)熱ΔH的符號(hào)、數(shù)值和單位（ΔH與最后一種生成物之間留一空格）；②ΔH與測(cè)定條件（溫度、壓強(qiáng)等）有關(guān)、因此應(yīng)注明ΔH的測(cè)定條件。絕大多數(shù)ΔH是在25℃、101kPa下測(cè)定的，此時(shí)可不注明溫度和壓強(qiáng)；③反應(yīng)熱與物質(zhì)的聚集狀態(tài)有關(guān)，因此必須注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)（s、l、g），溶液中的溶質(zhì)標(biāo)明“aq”?；瘜W(xué)式相同的同素異形體除標(biāo)明狀態(tài)外還需標(biāo)明其名稱［如C（s，金剛石）］。熱化學(xué)方程式中不標(biāo)示“↑”和“↓”，一般不需在等號(hào)或箭頭上寫“點(diǎn)燃、△、高溫、催化劑”等條件；④熱化學(xué)方程式中的化學(xué)計(jì)量數(shù)只表示物質(zhì)的量而不表示分子數(shù)或原子數(shù)。因此化學(xué)計(jì)量數(shù)可以是整數(shù)，也可以是分?jǐn)?shù)；⑤書寫燃燒熱、中和熱的熱化學(xué)方程式時(shí)，要注意其限定要求，即可燃物或水（l）的計(jì)量數(shù)為1，ΔH的數(shù)值與其匹配。

（2）正誤判斷視角：①熱化學(xué)方程式是否已配平，是否符合客觀事實(shí)；②各物質(zhì)的聚集狀態(tài)是否標(biāo)明、是否正確；③反應(yīng)熱ΔH的數(shù)值與該熱化學(xué)方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)是否對(duì)應(yīng)；④反應(yīng)熱ΔH的符號(hào)是否正確，放熱反應(yīng)的ΔH為“－”，吸熱反應(yīng)的ΔH為“＋”，是否漏寫或?qū)戝e(cuò)單位。

例2 化合物AX3和單質(zhì)X2在一定條件下反應(yīng)可生成化合物AX5。回答下列問題：

（1）已知AX3的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為－93．6℃和76℃，AX5的熔點(diǎn)為167℃。室溫時(shí)AX3與氣體X2反應(yīng)生成1mol AX5，放出熱量123．8kJ。該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_____________。（其他各問從略）

分析：本題并未直接給出各物質(zhì)的聚集狀態(tài)，而是給出各物質(zhì)的性質(zhì)（熔沸點(diǎn)），要求由此先判斷出各物質(zhì)的聚集狀態(tài)，顯然AX3為液態(tài)、AX5為固態(tài)；再寫出反應(yīng)方程式，為AX3＋X2===AX5，進(jìn)而確定反應(yīng)熱ΔH＝－123．8kJ／mol；然后加上各物質(zhì)的狀態(tài)，即得完整的熱化學(xué)方程式，為AX3（l）＋X2（g）===AX5（s） ΔH＝－123．8kJ／mol。

點(diǎn)撥遇到需要計(jì)算才能確定ΔH的熱化學(xué)方程式書寫問題時(shí)，應(yīng)先以反應(yīng)方程式為依據(jù)找到關(guān)系式、關(guān)系量，然后列式計(jì)算，求出│ΔH│，最后再按基本書寫方法完成反應(yīng)式。特別注意：不能漏寫或錯(cuò)寫物質(zhì)的聚集狀態(tài)、ΔH的“＋”“－”號(hào)及單位。

題型三：圖象分析

【方法精要】一要看清楚圖象的橫、縱坐標(biāo)的含義；

二要看清反應(yīng)物、生成物的能量高低及微粒呈現(xiàn)形式（如分子或原子、聚集狀態(tài)），特別要注意各能量狀態(tài)下的原子個(gè)數(shù)是守恒的；

三要注意圖中的數(shù)據(jù)，有的是給出ΔH，它包含“＋”“－”號(hào)、數(shù)值或字母及單位（kJ／mol），有的是給出Q，它只含數(shù)值或字母及單位（kJ）；

四要注意各微粒的計(jì)量數(shù)（數(shù)值或字母），它與ΔH或Q的大小是呈比例的，計(jì)算或書寫熱化學(xué)方程式時(shí)，特別要注意這一點(diǎn)。

例3 當(dāng)今世界，能源的發(fā)展日益成為全世界、全人類共同關(guān)注的問題。乙烷、二甲醚燃燒熱較大，可用作燃料，如圖是乙烷、二甲醚燃燒過程的能量變化圖。請(qǐng)回答下列問題：

（1）乙烷的燃燒熱ΔH＝________kJ／mol。

（2）等物質(zhì)的量的液態(tài)乙烷比氣態(tài)乙烷完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物放出的熱量________（填“多”或“少”）。

（3）根據(jù)該圖寫出二甲醚燃燒的熱化學(xué)方程式：___________________。

（4）二氧化碳是重要的溫室氣體，從環(huán)保角度分析，放出相同的熱量時(shí)選擇________（填“乙烷”或“二甲醚”）作為燃料產(chǎn)生的CO2較少。

分析：注意觀察圖示，圖中各物質(zhì)的計(jì)量數(shù)中，只有H2O前的計(jì)量數(shù)為1，其他各物質(zhì)的計(jì)量數(shù)均為字母，因此以產(chǎn)物1mol H2O（l）作基準(zhǔn)，確定a＝1／3，b＝7／6，c＝1，d＝2／3，得：

所以乙烷的燃燒熱ΔH＝－520kJ／mol×3＝－1 560kJ／mol。

由于液態(tài)乙烷所具有的能量低于氣態(tài)乙烷具有的能量，故生成穩(wěn)定氧化物時(shí)放出的熱量少。放出相同熱量時(shí)，由方程式知乙烷產(chǎn)生CO2較少。

答案：（1）－1 560 （2）少 （3）CH3OCH3（g）＋3O2（g）===2CO2（g）＋3H2O（l） ΔH＝－1 455kJ／mol或CH3OCH3（g）＋O2（g）===CO2（g）＋H2O（l） ΔH＝－485kJ／mol （4）乙烷

點(diǎn)撥本題易出現(xiàn)的典型錯(cuò)誤是看圖不仔細(xì)，未判斷出a＝1／3，導(dǎo)致第（1）問結(jié)果錯(cuò)答為－520／a、第（3）問熱化學(xué)方程式中前三種物質(zhì)的計(jì)量數(shù)還為字母，因此，看清圖象中各要素是正確解題的前提。

題型四：物質(zhì)的穩(wěn)定性比較或判斷

【方法精要】（1）對(duì)于圖象類問題，則根據(jù)“物質(zhì)具有的能量越低，其穩(wěn)定性越好”這一規(guī)律判斷；

（2）判斷同素異形體的穩(wěn)定性，可以根據(jù)其相互轉(zhuǎn)化的熱化學(xué)方程式或蓋斯定律分析，若由A→B的轉(zhuǎn)化是吸熱反應(yīng)，則A的穩(wěn)定性好，反之，B的穩(wěn)定性好。

（3）判斷同分異構(gòu)體的熱穩(wěn)定性，可以根據(jù)其燃燒熱數(shù)據(jù)判斷，燃燒熱數(shù)值大的，其熱穩(wěn)定性差；也可以用作圖（能量變化示意圖）法分析，它們完全燃燒的產(chǎn)物相同，產(chǎn)物具有的總能量相同，但反應(yīng)物能量不同，進(jìn)而可確定物質(zhì)的穩(wěn)定性。

例4 一些烷烴的燃燒熱如下表：

化合物燃燒熱／kJ·mol―1化合物燃燒熱／kJ·mol―1__甲烷__ ______891．0正丁烷2 878．0_____乙烷1 560．8異丁烷3 531．3 2 869．6_____丙烷__ ______2 221．5 2－甲基丁烷

下列表達(dá)正確的是（ ）

A．正戊烷的燃燒熱大于3 531．3kJ·mol―1

B．穩(wěn)定性：正丁烷＞異丁烷

C．乙烷燃燒的熱化學(xué)方程式為：2C2H6（g）＋7O2（g）===4CO2（g）＋6H2O（g） ΔH＝－1 560．8kJ·mol―1

D．相同質(zhì)量的烷烴，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，燃燒放出的熱量越多

分析：正戊烷和2－甲基丁烷互為同分異構(gòu)體，由表格中正丁烷、異丁烷的燃燒熱比較可知，互為同分異構(gòu)體的化合物中，支鏈多的燃燒熱小，故正丁烷的燃燒熱大于2－甲基丁烷的，即正戊烷的燃燒熱大于3 531．3kJ／mol，A項(xiàng)正確。由表格中的數(shù)據(jù)可知，異丁烷的燃燒熱比正丁烷的燃燒熱小，則異丁烷具有的能量低（用作圖法分析更易判斷），即熱穩(wěn)定性為正丁烷＜異丁烷，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)乙烷燃燒熱的含義：完全燃燒1mol乙烷生成二氧化碳和液態(tài)水時(shí)會(huì)放出1 560．8kJ的熱量，所以熱化學(xué)方程式為2C2H6（g）＋7O2（g）===4CO2（g）＋6H2O（l） ΔH＝―3 121．6kJ／mol，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；相同質(zhì)量的烴（視為CHx），含氫量越高，燃燒放出的熱量越多，或直接比較1g的各烴燃燒放出的熱量，甲烷為55．7kJ，乙烷為52．0kJ，丙烷為50．5kJ，D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案為A。

點(diǎn)撥判斷物質(zhì)穩(wěn)定性時(shí)，要分清問題類型，找準(zhǔn)判斷依據(jù)；對(duì)于表格數(shù)據(jù)類問題，則要善于總結(jié)歸納，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并遷移應(yīng)用到新的問題分析中，再解決之。

題型五：ΔH的大小比較

【方法精要】（1）ΔH帶“＋”“－”號(hào)，比較其大小時(shí)也應(yīng)考慮“＋”“－”號(hào)。

（2）根據(jù)反應(yīng)物的本性比較。等物質(zhì)的量的不同物質(zhì)與同一種物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，性質(zhì)不同，其反應(yīng)熱不同。如等物質(zhì)的量的不同金屬或非金屬與同一種物質(zhì)反應(yīng)，金屬或非金屬越活潑，反應(yīng)就越容易發(fā)生，放出的熱量就越多，ΔH越小。

（3）依據(jù)蓋斯定律，或把熱化學(xué)方程式看作數(shù)學(xué)中的代數(shù)方程進(jìn)行加、減、乘、除等數(shù)學(xué)運(yùn)算，借助所得新反應(yīng)的ΔH即可比較運(yùn)算前各反應(yīng)的ΔH的大小。

（4）根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行程度比較。對(duì)于多步進(jìn)行的放熱反應(yīng)（如磷在氧氣中燃燒可生成P2O3和P2O5），反應(yīng)越完全，則放熱越多，ΔH越小。對(duì)于可逆反應(yīng)，若正反應(yīng)是放（吸）熱反應(yīng)，反應(yīng)程度越大，反應(yīng)放出（吸收）的熱量越多，ΔH越?。ù螅?。

（5）根據(jù)反應(yīng)規(guī)律及影響ΔH大小的因素比較。如同一反應(yīng)中，當(dāng)物質(zhì)狀態(tài)不同時(shí)，要考慮物質(zhì)在三態(tài)變化中自身的能量大??；等量的某物質(zhì)完全反應(yīng)，生成穩(wěn)定（價(jià)態(tài)、狀態(tài)）的產(chǎn)物比生成不穩(wěn)定的產(chǎn)物放出的熱量多（如碳燃燒生成CO2和CO）；中和反應(yīng)中，生成等量的水，當(dāng)有弱電解質(zhì)參與反應(yīng)時(shí)，放出的熱量要少，ΔH則大；等等。

（6）根據(jù)物質(zhì)的穩(wěn)定性比較。同素異形體和同分異構(gòu)體完全燃燒時(shí)，其產(chǎn)物是相同的，物質(zhì)能量越高，反應(yīng)放出的熱量越多，ΔH越小。

例5 （2014新課標(biāo)Ⅱ）室溫下，將1mol的CuSO4· 5H2O（s）溶于水會(huì)使溶液溫度降低，熱效應(yīng)為ΔH1，將1mol的CuSO4（s）溶于水會(huì)使溶液溫度升高，熱效應(yīng)為ΔH2；CuSO4·5H2O受熱分解的化學(xué)方程式為CuSO4· 5H2O（s）===CuSO4（s）＋5H2O（l），熱效應(yīng)為ΔH3。則下列判斷中正確的是（ ）

A．ΔH2＞ΔH3

B．ΔH1＜ΔH3

C．ΔH1＋ΔH3＝ΔH2

D．ΔH1＋ΔH2＞ΔH3

分析：根據(jù)題意知，CuSO4·5H2O（s）溶于水的熱化學(xué)方程式為CuSO4·5H2O（s）===Cu2＋（aq）＋SO2－4（aq）＋5H2O（l），降溫吸熱，ΔH1＞0；CuSO4（s）溶于水的熱化學(xué)方程式為CuSO4（s）===Cu2＋（aq）＋SO2－4（aq），升溫放熱，ΔH2＜0；根據(jù)蓋斯定律知，CuSO4·5H2O受熱分解的熱化學(xué)方程式為：CuSO4·5H2O（s）===CuSO4（s）＋5H2O（l），ΔH3＝ΔH1－ΔH2＞0。A項(xiàng)，根據(jù)上述分析知，ΔH2＜ΔH3，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，根據(jù)上述分析知，ΔH1＜ΔH3，正確；C項(xiàng)，根據(jù)上述分析知，ΔH3＝ΔH1－ΔH2，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，根據(jù)上述分析知，ΔH1＋ΔH2＜ΔH3，錯(cuò)誤。故答案為B。

點(diǎn)撥第一，本題反應(yīng)關(guān)系可以設(shè)計(jì)為蓋斯定律循環(huán)圖，用此方法分析更直觀、簡(jiǎn)單。第二，比較ΔH大小和比較ΔH數(shù)值大小是不同的，前者要考慮“＋”“－”號(hào)，后者只需看數(shù)值大小。因此，解題時(shí)要注意審題。

題型六：蓋斯定律的應(yīng)用

【方法精要】（1）推算某些難以通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定的化學(xué)反應(yīng)的焓變時(shí)，可以通過設(shè)計(jì)循環(huán)路線法來解決。設(shè)計(jì)時(shí)，只要抓住起始反應(yīng)物和最終的生成物，設(shè)計(jì)一個(gè)封閉的循環(huán)路線就行。分析時(shí)要注意兩點(diǎn)：一是該方法的原理與高中物理知識(shí)中的位移和路程關(guān)系類似；二是起始反應(yīng)物和最終的生成物的狀態(tài)要分別相同。

（2）根據(jù)蓋斯定律，可以將兩個(gè)或兩個(gè)以上的熱化學(xué)方程式包括其ΔH相加或相減，得到新的熱化學(xué)方程式，可進(jìn)行反應(yīng)熱的有關(guān)計(jì)算。其注意的事項(xiàng)有：①熱化學(xué)方程式同乘某一個(gè)數(shù)時(shí)，反應(yīng)熱數(shù)值也必須乘上該數(shù)。②熱化學(xué)方程式相加減時(shí)，同種物質(zhì)之間可相加減，反應(yīng)熱也隨之相加減。③將一個(gè)熱化學(xué)方程式左右兩邊的物質(zhì)進(jìn)行顛倒時(shí)，ΔH的“＋”“－”號(hào)必須隨之改變。

例6 （2015重慶）黑火藥是中國(guó)古代的四大發(fā)明之一，其爆炸的熱化學(xué)方程式為：S（s）＋2KNO3（s）＋3C（s）===K2S（s）＋N2（g）＋3CO2（g） ΔH＝xkJ·mol－1。已知碳的燃燒熱ΔH1＝akJ·mol－1，S（s）＋2K（s）===K2S（s）ΔH2＝b kJ·mol－1，2K（s）＋N2（g）＋3O2（g）===2KNO3（s）ΔH3＝c kJ·mol－1，則x為（ ）

A．3a＋b－c B．c＋3a－b C．a(chǎn)＋b－c D．c＋a－b

分析：根據(jù)題意，先寫出硫的燃燒熱的熱化學(xué)方程式，為：C（s）＋O2（g）CO2（g） ΔH1＝akJ·mol－1；然后將ΔH數(shù)據(jù)已知的三個(gè)熱化學(xué)方程式依次記為①、②、③；由這三個(gè)反應(yīng)式求對(duì)象反應(yīng)的ΔH的方法是：①×3＋②－③，解得：S（s）＋2KNO3（s）＋3C（s）===K2S（s）＋N2（g）＋3CO2（g） ΔH＝（3a＋b－c）kJ·mol－1。故答案為A。

點(diǎn)撥用熱化學(xué)方程式加減法計(jì)算反應(yīng)熱時(shí)，一定要根據(jù)對(duì)象反應(yīng)式中各物質(zhì)的計(jì)量數(shù)確定四則混合運(yùn)算式，盲目加減是會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的。另外，答題時(shí)還要注意題設(shè)要求，如書寫所推熱化學(xué)方程式時(shí)，則不能漏寫物質(zhì)狀態(tài)；如計(jì)算ΔH時(shí)，不能漏寫單位等。

除上述類型的問題外，還有概念辨析（如燃燒熱、中和熱等）、吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)實(shí)例的判斷、學(xué)科內(nèi)綜合問題（如與化學(xué)平衡、氧化還原反應(yīng)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)等相聯(lián)系）分析等，不一一列舉?？傊?，通過學(xué)習(xí)，要初步掌握各類?？碱}型及涉及知識(shí)內(nèi)容、解題方法等，唯有如此，我們的能力才會(huì)不斷提高。

（作者單位：湖北省枝江一中）