化學(xué)反應(yīng)與能量自主招生專題選講

■北京市十一學(xué)校 鄭 弢

化學(xué)反應(yīng)與能量自主招生專題選講

■北京市十一學(xué)校 鄭 弢

北大、清華等高校自主招生化學(xué)測(cè)試中,化學(xué)反應(yīng)與能量相關(guān)計(jì)算(燃燒熱、中和熱、反應(yīng)熱的計(jì)算,蓋斯定律及其應(yīng)用等)是反應(yīng)原理模塊的重要考點(diǎn)之一。這類試題的解題關(guān)鍵是準(zhǔn)確地運(yùn)用“方程式疊加”的方法,由已知反應(yīng)的反應(yīng)熱借助蓋斯定律求解未知反應(yīng)的反應(yīng)熱。

例1已知：①Na(s)-e-══Na+(aq)ΔrHm?=-240kJ·mol-1

NaCl的溶解熱為3.8kJ·mol-1。

分析由此能得到什么數(shù)據(jù),請(qǐng)用熱化學(xué)方程式表示：____。

解析：解答本題時(shí),首先應(yīng)將試題中的文字表述轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的熱化學(xué)方程式。NaCl的溶解熱對(duì)應(yīng)的熱化學(xué)方程式為③NaCl(s)══Na+(aq)+Cl-(aq) ΔrHm?=+3.8kJ·mol-1(注：ΔrHm?為標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變,可簡(jiǎn)寫為ΔH,下同)。①+②-③,可得到新的熱化學(xué)方程式。

答案：ΔrHm?=-410.8kJ·mol-1

例2已知C(石墨)、氫氣(g)、乙醇(l)的燃燒熱分別為394 kJ·mol-1、286kJ·mol-1、1367kJ·mol-1,由這些可以知道哪些數(shù)據(jù)?

解析：(標(biāo)準(zhǔn))燃燒熱,即100kPa時(shí),1mol物質(zhì)完全燃燒時(shí)放出的熱量。在熱力學(xué)上,規(guī)定以下為完全燃燒：C→CO2(g),H→H2O(l),N→N2(g),S→SO2(g),Cl→HCl(aq)。由于放出熱量焓變?yōu)樨?fù),若以燃燒焓代替燃燒熱,以熱化學(xué)方程式的形式來(lái)表示,則有：

(1)C(石墨)+O2(g)══CO2(g)ΔrHm?=-394kJ·mol-1

(3)C2H5OH(l)+3 O2(g)══2CO2(g)+3H2O(l) ΔrHm?=-1367kJ·mol-1

在熱力學(xué)上,指定單質(zhì)(C為石墨,P為白磷等)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓ΔfHm?=0。在本題中ΔfHm?(C,石墨)=ΔfHm?(O2,g)=ΔfHm?(H2,g)=0。任何一個(gè)反應(yīng)的焓變等于生成物生成焓之和減去反應(yīng)物生成焓之和。于是由反應(yīng)(1)可求得：ΔfHm?(CO2,g)=-394kJ·mol-1,由反應(yīng)(2)可求得：ΔfHm?(H2O,l)=-286kJ·mol-1,由反應(yīng)(1)、(2)和(3)可求得：

ΔfHm?(C2H5OH,l)=-279kJ·mol-1。此外,由反應(yīng)(1)和(2)可求得如下反應(yīng)的焓變：

C(石墨)+2H2O(l)══CO2(g)+2H2(g) ΔrHm?=+178kJ·mol-1

由反應(yīng)(1)和(3)以及反應(yīng)(2)和(3),還可以分別求得：

3C(石墨)+3H2O(l)══CO2(g)+C2H5OH(l) ΔrHm?=+185kJ·mol-1

6H2(g)+2CO2(g)══3H2O(l)+C2H5OH(l) ΔrHm?=-349kJ·mol-1

答案：CO2(g)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓ΔfHm?(CO2,g)=-394kJ·mol-1,H2O(l)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓 ΔfHm?(H2O,l)=-286kJ·mol-1,C2H5OH(l)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓ΔfHm?(C2H5OH,l)=-279kJ·mol-1,以及如下反應(yīng)的焓變：

C(石墨)+2H2O(l)══CO2(g)+2H2(g) ΔrHm?=+178kJ·mol-1

3C(石墨)+3H2O(l)══CO2(g)+C2H5OH(l) ΔrHm?=+185kJ·mol-1

6H2(g)+2CO2(g)══3H2O(l)+C2H5OH(l) ΔrHm?=-349kJ·mol-1

例3已知把燃著的鎂帶放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,鎂帶能繼續(xù)燃燒。查得CO2、MgO、P2O5的生成焓分別為-394kJ·mol-1、-602kJ · mol-1、-1506kJ·mol-1,汽油(分子式以C8H18表示)的燃燒焓為-1302kJ·mol-1。

①如果把燃著的白磷(置于銅質(zhì)燃燒勺上)放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,會(huì)有哪些現(xiàn)象?并簡(jiǎn)要說明。

②如果把燃著的汽油(置于銅質(zhì)燃燒勺上)放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,會(huì)有哪些現(xiàn)象?并簡(jiǎn)要說明。

解析：①根據(jù)已知數(shù)據(jù),可以求得Mg(s)在CO2(g)中燃燒反應(yīng)的反應(yīng)熱：

2Mg(s)+CO2(g)══2MgO(s)+C(石墨) ΔrHm?=-810kJ·mol-1

該反應(yīng)劇烈放熱,反應(yīng)放出的熱量可以維持鎂帶在CO2中繼續(xù)燃燒。

類似的,可以求算P(白磷)在CO2(g)中燃燒反應(yīng)的反應(yīng)熱：

4 P(白磷)+5CO2(g)══2P2O5(s)+5C(石墨) ΔrHm?=-1042kJ·mol-1

該反應(yīng)也是劇烈放熱的,類比可知反應(yīng)放出的熱量也可以維持白磷在CO2中繼續(xù)燃燒。

②汽油的燃燒反應(yīng)需要有O2參與,換言之,CO2不能支持汽油的燃燒,故把燃著的汽油放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,火焰會(huì)熄滅。

答案：①鎂帶能夠在CO2中繼續(xù)燃燒,是因?yàn)镸g(s)在CO2(g)中的燃燒反應(yīng)劇烈放熱(ΔrHm?=-810kJ·mol-1);P(白磷)在CO2(g)中燃燒的反應(yīng)熱為ΔrHm?=-1042kJ·mol-1,也劇烈放熱,故白磷能夠繼續(xù)燃燒,同時(shí)產(chǎn)生大量白煙。

②CO2不能支持汽油的燃燒,把燃著的汽油放入盛有干燥CO2氣體的瓶中,火焰會(huì)熄滅。

方法小結(jié)：解答自主招生測(cè)試中化學(xué)反應(yīng)與能量相關(guān)的計(jì)算問題,首先應(yīng)該準(zhǔn)確理解物質(zhì)的燃燒熱、中和熱、反應(yīng)熱等基本概念,能夠依據(jù)題意規(guī)范、準(zhǔn)確地寫出熱化學(xué)方程式(尤其要關(guān)注各物質(zhì)的狀態(tài)),最后再運(yùn)用“方程式疊加”的方法,借助蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算。

練習(xí)：

A.150.0kJ·mol-1

B.-150.0kJ·mol-1

C.299.9kJ·mol-1

D.-299.9kJ·mol-1

(2)氫化焓是指一種不飽和有機(jī)化合物變?yōu)橥耆柡蜁r(shí),反應(yīng)過程的焓變。已知：298K時(shí),乙烯、乙烷、環(huán)己烷和氫氣的燃燒焓分別為-1411kJ·mol-1、-1560kJ·mol-1、-3924kJ·mol-1和-285kJ·mol-1。

①計(jì)算298K時(shí),1mol乙烯的氫化焓。

②估算苯的燃燒焓,并解釋其與實(shí)測(cè)值(-3273kJ·mol-1)的差異。

答案：

(1)A(2)①-136kJ·mol-1。②苯的燃燒焓為-3477kJ·mol-1,測(cè)量值與估算值兩者之差為204kJ·mol-1。其主要原因在于估算時(shí)假設(shè)苯環(huán)含有三個(gè)雙鍵,但實(shí)際上由于苯環(huán)是一個(gè)共振結(jié)構(gòu),比較穩(wěn)定,因此其氫化焓比三個(gè)雙鍵的氫化焓少。

(責(zé)任編輯 謝啟剛)

鄭弢,北京市化學(xué)會(huì)中學(xué)生化學(xué)競(jìng)賽委員會(huì)委員,海淀區(qū)高三兼職教研員。輔導(dǎo)學(xué)生參加第30屆中國(guó)化學(xué)奧林匹克(決賽)暨冬令營(yíng),斬獲4金1銀,2人進(jìn)入國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)。