蓋斯定律的理解及應(yīng)用

■河南省鄲城縣第一高級(jí)中學(xué) 王 杰

蓋斯定律是熱化學(xué)計(jì)算的基本規(guī)律，正確理解蓋斯定律的概念，建構(gòu)思維模板，把握各步反應(yīng)中的守恒關(guān)系，對(duì)突破和應(yīng)用蓋斯定律十分重要。

【蓋斯定律的要點(diǎn)歸納】

1.定律內(nèi)容。

一定條件下，一個(gè)反應(yīng)不管是一步完成，還是分幾步完成，反應(yīng)的總熱效應(yīng)相同，即反應(yīng)熱的大小與反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)，只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)。

2.常用關(guān)系式(見(jiàn)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(biāo)方程式，可將方程式顛倒過(guò)來(lái)，反應(yīng)熱的數(shù)值不變，但符號(hào)相反。這樣，就不用再做減法運(yùn)算了，實(shí)踐證明，方程式相減時(shí)往往容易出錯(cuò)。

步驟2:“乘”。

為了將方程式相加得到目標(biāo)方程式，可將方程式乘以某個(gè)倍數(shù)，反應(yīng)熱也要相乘。

步驟3:“加”。

上面的兩個(gè)步驟做好了，只要將方程式相加即可得目標(biāo)方程式，反應(yīng)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(fā)生反應(yīng):

(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(huán)境保護(hù)的重要課題。用水吸收NOx的相關(guān)熱化學(xué)方程式如下:

(3)過(guò)氧化氫(H2O2)是重要的化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于綠色化學(xué)合成、醫(yī)療消毒等領(lǐng)域。已知:

解析：(1)將已知熱化學(xué)方程式標(biāo)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(xué)方程式標(biāo)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(xué)方程式標(biāo)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(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，即K313K＜K294K。

答案：(1)+114 (2)-136.2(3)-196 小于

題型二：構(gòu)建虛擬路徑

【思維建模】化學(xué)反應(yīng)過(guò)程包含物質(zhì)變化和能量變化兩大變化，由此，化學(xué)反應(yīng)中存在兩大守恒:質(zhì)量守恒和能量守恒。若反應(yīng)物A變?yōu)樯晌顳有兩條途徑，一是A直接變?yōu)镈，反應(yīng)熱為ΔH；二是A經(jīng)過(guò)B變?yōu)镃，再由C變?yōu)镈，每步的反應(yīng)熱依次為ΔH1、ΔH2、ΔH3，則ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。設(shè)計(jì)“虛擬路徑”時(shí)，要注意物質(zhì)的聚集狀態(tài)及計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系。

根據(jù)題設(shè)要求可從以下視角設(shè)立虛擬路徑。

例2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。則下列判斷正確的是( )。

A.ΔH2＞ΔH3

B.ΔH1＜ΔH3

C.ΔH1+ΔH3=ΔH2

D.ΔH1+ΔH2=ΔH3

解析：根據(jù)題意，可以設(shè)計(jì)如下轉(zhuǎn)化關(guān)系:

CuSO4·5H2O(s)溶于水(溶液溫度降低，該過(guò)程為吸熱過(guò)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(guò)程為放熱過(guò)程):CuSO4(s)==Cu2+(aq)+SO2-4(aq) ΔH2＜0

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

根據(jù)蓋斯定律可知:ΔH3=ΔH1-ΔH2＞0。根據(jù)上述分析，ΔH2＜0，ΔH3＞0，所以A項(xiàng)錯(cuò)誤；ΔH3=ΔH1-ΔH2(ΔH2＜0)，所以ΔH3＞ΔH1，B 項(xiàng)正確；ΔH3=ΔH1-ΔH2，C 項(xiàng)錯(cuò)誤；ΔH1+ΔH2＜ΔH3，D 項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案：B

題型三：利用鍵能計(jì)算反應(yīng)熱

【思維建?！坷面I能計(jì)算反應(yīng)熱，要熟記公式:ΔH=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能，其關(guān)鍵是弄清物質(zhì)中化學(xué)鍵的數(shù)目。在中學(xué)階段要掌握常見(jiàn)單質(zhì)、化合物中所含共價(jià)鍵的數(shù)目。

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

已知上述反應(yīng)中相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如表2。

表2

則該反應(yīng)的ΔH=____。

解析：化學(xué)反應(yīng)的焓變等于反應(yīng)物的鍵能減去生成物的鍵能，所以焓變?yōu)?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(xué)方程式的書(shū)寫

【思維建?！繜峄瘜W(xué)方程式的書(shū)寫模板。

步驟1:寫方程。

寫出配平的化學(xué)方程式。

步驟2:標(biāo)狀態(tài)。

用s、l、g、aq標(biāo)明物質(zhì)的聚集狀態(tài)。

步驟3:標(biāo)條件。

標(biāo)明反應(yīng)物的溫度和壓強(qiáng)(101kPa、25℃時(shí)可不標(biāo)注)。

步驟4:標(biāo)ΔH。

在方程式后寫出ΔH，并根據(jù)信息注明ΔH的“+”或“-”。

步驟5:標(biāo)數(shù)值。

根據(jù)化學(xué)計(jì)量數(shù)計(jì)算寫出ΔH的數(shù)值。

例4近年來(lái)，研究人員提出利用含硫物質(zhì)熱化學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)。過(guò)程如下:

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

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

反應(yīng)Ⅱ的熱化學(xué)方程式:___。

解析：根據(jù)過(guò)程，反應(yīng)Ⅱ?yàn)镾O2催化歧化生成 H2SO4和S，反應(yīng)為3SO2+2H2O==2H2SO4+S。應(yīng)用蓋斯定律，反應(yīng)Ⅰ+反應(yīng)Ⅲ得，2H2SO4(l)+S(s)==3SO2(g)+2H2O(g) ΔH= ΔH1+ ΔH3=(+551kJ·mol-1)+(-297kJ·mol-1)=+254kJ·mol-1，反應(yīng)Ⅱ的熱化學(xué)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(xué)方程式的正誤判斷

【思維模板】熱化學(xué)方程式書(shū)寫的正誤判斷模板。

步驟1:審“+”“-”。

放熱反應(yīng)一定為“-”，吸熱反應(yīng)一定為“+”。

步驟2:審單位。

單位一定為“kJ·mol-1”，易漏寫或錯(cuò)寫成“kJ”。

步驟3:審狀態(tài)。

物質(zhì)的狀態(tài)必須正確，特別是溶液中的反應(yīng)易寫錯(cuò)。

步驟4:審數(shù)值的對(duì)應(yīng)性。

反應(yīng)熱的數(shù)值必須與方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)相對(duì)應(yīng)，即化學(xué)計(jì)量數(shù)與ΔH成正比。當(dāng)反應(yīng)逆向時(shí)，其反應(yīng)熱與正反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值相等，符號(hào)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(guān)的熱化學(xué)方程式。

例5通過(guò)以下反應(yīng)可獲得新型能源二甲醚(CH3OCH3)。下列說(shuō)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(yīng)①②為反應(yīng)③提供原料氣

B.反應(yīng)③也是CO2資源化利用的方法之一

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

解析：反應(yīng)③中的反應(yīng)物為CO2、H2，由反應(yīng)可知，反應(yīng)①②為反應(yīng)③提供原料氣，A項(xiàng)正確；反應(yīng)③中的反應(yīng)物為CO2，轉(zhuǎn)化為甲醇，則反應(yīng)③也是CO2資源化利用的方法之一，B項(xiàng)正確；由反應(yīng)④可知，物質(zhì)的量與熱量成正比，且氣態(tài)水的能量比液態(tài)水的能量高，則反應(yīng)，C項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)正確。

答案：C