熱重分析解題模型構(gòu)建

翁華怡

[摘? ?要]熱重分析題常出現(xiàn)在高考化學(xué)試題中，其解題思路依托于學(xué)生的知識(shí)遷移和方法積累，綜合性高。學(xué)生在解答過(guò)程中常出現(xiàn)畏難情緒。通過(guò)對(duì)熱重曲線類(lèi)型和物質(zhì)受熱失重方式的探究，幫助學(xué)生構(gòu)建m-T熱重曲線和ω-T熱重曲線解題模型，在問(wèn)題情境中提升學(xué)生的方法技能、思維品質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]熱重分析;模型構(gòu)建;科學(xué)素養(yǎng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2020）29-0064-03

熱重分析法是在一定條件下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度（或時(shí)間）變化的一種熱分析方法，它是大學(xué)的知識(shí)，中學(xué)課本上沒(méi)有熱重分析法相關(guān)實(shí)驗(yàn)及儀器的介紹，但是解決熱重分析題的方法卻源于中學(xué)課本。熱重分析題立足于學(xué)生的認(rèn)知水平和知識(shí)技能，要求學(xué)生能夠讀取圖像數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)利用守恒思想分析化學(xué)變化，再通過(guò)定量計(jì)算進(jìn)行推理，揭示反應(yīng)過(guò)程，深受出題者的青睞。在2008-2019年江蘇高考中出現(xiàn)過(guò)三次此類(lèi)題型，分別是2010年、2014年的第18題和2019年的第20題。此類(lèi)試題綜合能力要求高，學(xué)生往往會(huì)有畏懼心理。因此，筆者認(rèn)為有必要通過(guò)高考真題的探究，初步構(gòu)建熱重分析的一般解題模型，提升學(xué)生處理圖像信息的能力和思維品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

一、熱重曲線類(lèi)型

熱重分析題通常會(huì)提供以質(zhì)量（或質(zhì)量比、質(zhì)量百分率）為縱坐標(biāo)，以溫度為橫坐標(biāo)的熱重曲線。根據(jù)圖像縱坐標(biāo)的差異，可將其分成m-T熱重曲線和ω-T熱重曲線兩種類(lèi)型。

二、失重方式模型構(gòu)建

通過(guò)對(duì)高考真題和各地模擬題的研究可以發(fā)現(xiàn)：熱重分析題均以圖像為依托，要求學(xué)生推斷不同溫度下的組分，或以此來(lái)書(shū)寫(xiě)不同溫度下的化學(xué)方程式。從圖像角度對(duì)比，各試題圖像有相似之處，質(zhì)量（縱坐標(biāo)）均隨溫度（橫坐標(biāo)）升高而呈現(xiàn)階梯式下降，這表明在受熱過(guò)程中，物質(zhì)分步發(fā)生分解，在每個(gè)溫度段區(qū)域都會(huì)形成較為穩(wěn)定的物質(zhì)。從物質(zhì)角度對(duì)比，這一類(lèi)物質(zhì)往往是結(jié)晶水合物，在受熱過(guò)程中容易先發(fā)生脫水，隨后非金屬元素形成的陰離子發(fā)生分解，若金屬元素有變價(jià)，接下來(lái)常發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終生成較為穩(wěn)定的金屬氧化物[1]。在變化過(guò)程中，固體中金屬元素的部分是保持不變的，因此解題時(shí)應(yīng)抓住金屬元素守恒建立關(guān)系[2]。

三、解題模型構(gòu)建

1. m-T熱重曲線——三段式法

【例1】（2015年通州模擬，27）將25.0 g膽礬晶體放在坩堝中加熱測(cè)定晶體中結(jié)晶水的含量，固體質(zhì)量隨溫度的升高而變化的曲線如圖1所示。

請(qǐng)認(rèn)真分析圖1，填寫(xiě)以下空白：

（1）30 ℃∽110 ℃間所得固體的化學(xué)式是_______________________;

（2）650 ℃∽1000 ℃間所得固體的化學(xué)式是____________________;

（3）溫度高于1000 ℃所得固體的化學(xué)式是____________________。

解析：膽礬是學(xué)生熟悉的物質(zhì)，我們可以參照失重方式模型找到2個(gè)特殊點(diǎn)：完全脫水的CuSO4和金屬氧化物CuO。25.0 g CuSO4·5H2O的物質(zhì)的量為0.1 mol，根據(jù)金屬元素守恒，可以通過(guò)列三段式順利計(jì)算出特殊點(diǎn)的質(zhì)量。

對(duì)比題中數(shù)據(jù)，可知30 ℃、650 ℃、1000 ℃時(shí)固體分別為CuSO4·5H2O、CuSO4、CuO，因此在650 ℃∽1000 ℃加熱階段最終所得固體的化學(xué)式為CuO。由于110 ℃時(shí)固體質(zhì)量介于16g與25 g之間，可以判定為部分脫水。根據(jù)Cu元素守恒，設(shè)110 ℃時(shí)固體的化學(xué)式為CuSO4·xH2O，根據(jù)銅元素守恒n（CuSO4·xH2O）=0.1 mol，m（CuSO4·xH2O）=21.4 g，M（CuSO4·xH2O）=160+18x=214 g/mol，解得x=3，所以110 ℃時(shí)固體的化學(xué)式為CuSO4·3H2O。

1000 ℃時(shí)固體已經(jīng)是金屬氧化物，考慮銅有變價(jià)，升高溫度應(yīng)該發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成其他價(jià)態(tài)的金屬氧化物。設(shè)高于1000 ℃固體的化學(xué)式為CuOx，根據(jù)銅元素守恒n（CuOx）=0.1 mol，m（CuOx）=7.2 g，M（CuOx）=64+18x=72 g/mol，解得x=0.5。在化學(xué)式中，各元素之比應(yīng)寫(xiě)最簡(jiǎn)整數(shù)比，所以溫度高于1000 ℃所得固體的化學(xué)式為Cu2O。

此類(lèi)試題中的熱重曲線的縱坐標(biāo)較為簡(jiǎn)單，就是我們所要推斷的組分質(zhì)量。在解題時(shí)，可先找到特殊點(diǎn)（完全脫水產(chǎn)物、分解產(chǎn)物、金屬氧化物）構(gòu)建失重的過(guò)程，然后利用金屬元素守恒，列三段式（m-M-n），隨后對(duì)比特殊點(diǎn)數(shù)據(jù)和題目中所給具體數(shù)據(jù)，判斷變化過(guò)程，最后就能通過(guò)精確計(jì)算，確定該溫度區(qū)域下物質(zhì)的化學(xué)式或書(shū)寫(xiě)相應(yīng)的化學(xué)方程式。

2. ω-T熱重曲線——巧設(shè)1 mol，轉(zhuǎn)化為m-T熱重曲線

在高考試題中，熱重曲線中的縱坐標(biāo)往往不是簡(jiǎn)單的質(zhì)量，而是會(huì)發(fā)生變形，變成質(zhì)量的比值。

【例2】（2019年江蘇，20）CaO可在較高溫度下捕集CO2，在更高溫度下將捕集的CO2釋放利用。CaC2O4·H2O熱分解可制備CaO，CaC2O4·H2O加熱升溫過(guò)程中固體的質(zhì)量變化如圖2所示。寫(xiě)出400 ℃∽600 ℃范圍內(nèi)分解反應(yīng)的化學(xué)方程式：_________________________。

解析：觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)縱坐標(biāo)為比值形式，而分母均為146，恰好與CaC2O4·H2O的摩爾質(zhì)量數(shù)值相等，因此可以假設(shè)CaC2O4·H2O為1 mol，即原始固體質(zhì)量為146 g。若縱坐標(biāo)統(tǒng)一乘以146，就可以將比值轉(zhuǎn)化為剩余固體的質(zhì)量，如表1所示。此時(shí)就將ω-T熱重曲線轉(zhuǎn)化為m-T熱重曲線。

縱坐標(biāo)除了變形為質(zhì)量的比值，還可為固體殘留率（百分?jǐn)?shù)）。

解析：觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)縱坐標(biāo)為百分?jǐn)?shù)，結(jié)合題意，固體殘留率即剩余固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此時(shí)縱坐標(biāo)的含義與例2接近，只要知道原固體的質(zhì)量就可以進(jìn)行相同的轉(zhuǎn)化。為了方便計(jì)算，我們依舊設(shè)原固體為1 mol，轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)如表2所示。

解得x=1.5，y=1.33，即290 ℃、500 ℃時(shí)所得固體的化學(xué)式為Co2O3、Co3O4，因此1000 ℃時(shí)，剩余固體成分為CoO，在350 ℃∽400 ℃范圍內(nèi)，剩余固體成分為Co2O3。

除此之外，縱坐標(biāo)還可轉(zhuǎn)化為失重率。

已知：[失重%=加熱減少的質(zhì)量原晶體樣品的總質(zhì)量×100%]。

解析：此時(shí)縱坐標(biāo)的含義為減少的固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。剩余固體質(zhì)量=原固體總質(zhì)量×（1-失重%），同樣，可以設(shè)硫酸鋁晶體為1 mol進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，如表3所示。

通過(guò)以上例題可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論縱坐標(biāo)怎么改變，首先需要分析圖像，理解縱坐標(biāo)表達(dá)的意義;其次，巧設(shè)“1 mol”進(jìn)行還原，將百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為剩余固體質(zhì)量，從而將ω-T熱重曲線轉(zhuǎn)化為m-T熱重曲線來(lái)解題。

教學(xué)實(shí)踐表明，在試題講解過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合圖形[3]，抓住關(guān)鍵信息，利用已有知識(shí)進(jìn)行分析推理，有利于提高學(xué)生思維的嚴(yán)密性和遷移知識(shí)的能力。同時(shí)在解題的過(guò)程中構(gòu)建模型，更能消除學(xué)生的畏懼心理，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 韓江濤，楊云. 中學(xué)化學(xué)熱重曲線類(lèi)試題文獻(xiàn)分析及建議[J].化學(xué)教學(xué)，2016（7）：82-86.

[2]? 房壽高. 熱重分析類(lèi)化學(xué)計(jì)算題的解題方法[J].新高考（高三理化生），2014 （10）：38-41.

[3]? 高曉瑩，吳春峰. 基于作圖和識(shí)圖角度評(píng)析熱重分析圖形[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014 （5）：50-51.

（責(zé)任編輯 羅? ?艷）