蓋斯定律聯(lián)動(dòng)Born-Haber循環(huán)在高考化學(xué)反應(yīng)熱中的應(yīng)用

云南 劉 芬

蓋斯定律在高考中的考查相對(duì)比較簡單，主要的考查角度為熱化學(xué)方程式中焓變的判斷和計(jì)算，以簡單的蓋斯定律模型解決生產(chǎn)生活中的熱化學(xué)問題。蓋斯定律作為一種抽象的模型或認(rèn)知模型，可以幫助學(xué)生在對(duì)熱化學(xué)現(xiàn)象的解釋和研究過程中，對(duì)陌生反應(yīng)的反應(yīng)熱做出推理和預(yù)測。通過對(duì)工業(yè)上涉及的陌生反應(yīng)進(jìn)行改編，高考試題在考查學(xué)生運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)焓變能力的同時(shí)，以新能源的開發(fā)利用作為點(diǎn)綴，逐步提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任這一核心素養(yǎng)。在蓋斯定律的理論基礎(chǔ)上，1919年玻恩和哈伯設(shè)計(jì)出了Born-Haber循環(huán)，將一個(gè)反應(yīng)設(shè)計(jì)成多個(gè)分步反應(yīng)，最終用蓋斯定律計(jì)算未知的反應(yīng)熱數(shù)據(jù)。由于該循環(huán)與蓋斯定律緊密聯(lián)系，尤其是各部分反應(yīng)熱的含義與《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》選擇性必修課程模塊2物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)部分知識(shí)緊密聯(lián)系，高考化學(xué)的命題會(huì)選擇比較經(jīng)典的Born-Haber循環(huán)為題干信息或試題情境，設(shè)計(jì)成考題，考查學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解和對(duì)蓋斯定律的運(yùn)用。Born-Haber循環(huán)在全國卷中的考查較少，主要出現(xiàn)在浙江卷中，通過設(shè)計(jì)多個(gè)分步反應(yīng)，形成一個(gè)循環(huán)，可以計(jì)算、比較分步反應(yīng)或總反應(yīng)的反應(yīng)熱。Born-Haber循環(huán)體現(xiàn)出的證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)，聯(lián)合了化學(xué)反應(yīng)原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)部分的內(nèi)容，可以加深學(xué)生對(duì)基本概念的理解，體現(xiàn)學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力。

1.蓋斯定律在高考試題中的考查

1.1 蓋斯定律在近3年全國卷中考查的內(nèi)容

蓋斯定律在各地高考題中都有出現(xiàn)，考查頻次較多，筆者以近3年全國卷中蓋斯定律的考查為例統(tǒng)計(jì)分析蓋斯定律的考查方式。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)蓋斯定律在全國卷各卷區(qū)中都有考查，其中全國卷I的考查方式不固定。2019年全國卷Ⅰ28題(3)聯(lián)合能壘(活化能)圖判斷化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)，2017年全國卷Ⅰ28題(2)考查熱化學(xué)方程式的書寫。全國卷Ⅱ和卷Ⅲ仍以計(jì)算焓變?yōu)橹?，?018年全國卷Ⅱ28題(1)，考查蓋斯定律聯(lián)動(dòng)吉布斯自由能變判斷化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件。在高考復(fù)習(xí)中，仍然要注重蓋斯定律的應(yīng)用，尤其在計(jì)算反應(yīng)熱方面。

表1 蓋斯定律在近3年全國卷中的考查內(nèi)容

1.2 蓋斯定律考查的方式及應(yīng)對(duì)方法

蓋斯定律的主要內(nèi)容為：不管化學(xué)反應(yīng)是一步完成或分幾步完成，其反應(yīng)熱是相同的。換句話說，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無關(guān)?；诖耍呖荚囶}考查了學(xué)生運(yùn)用蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算的能力，考查學(xué)生計(jì)算中間反應(yīng)或總反應(yīng)的反應(yīng)熱、判斷總反應(yīng)的吸放熱情況。

蓋斯定律在計(jì)算反應(yīng)熱的過程中，常見的有兩種方法：觀察法和消除法。觀察法是通過對(duì)比目標(biāo)方程式與分步方程式中各物質(zhì)的系數(shù)，確定分步反應(yīng)中相同物質(zhì)的系數(shù)變化，從而確定分步反應(yīng)的反應(yīng)熱加減情況。消除法主要應(yīng)用于同一物質(zhì)出現(xiàn)在多個(gè)分步反應(yīng)中的情境，這時(shí)無法通過目標(biāo)方程式中物質(zhì)的系數(shù)確定分步反應(yīng)中相同物質(zhì)的系數(shù)變化，只能用消掉中間產(chǎn)物的方法逐步確定各分步反應(yīng)的反應(yīng)熱加減情況。

【例1】(2018年·全國卷Ⅱ·27題節(jié)選)

該催化重整反應(yīng)的ΔH=________kJ·mol-1。

【答案】247

【解析】目標(biāo)反應(yīng)中CH4(g)系數(shù)為1，是反應(yīng)物，在方程式左邊，只涉及反應(yīng)①，故①×(-1)。同理，CO2(g)系數(shù)為1，是反應(yīng)物，在方程式左邊，只涉及反應(yīng)②，故②×(-1)。CO(g)系數(shù)為2，是生成物，在方程式右邊，只涉及反應(yīng)③，故③×2。則目標(biāo)反應(yīng)的ΔH=-ΔH1-ΔH2+2ΔH3=+247 kJ/mol。

【例2】(2018年·全國卷Ⅰ·28題節(jié)選)

【答案】53.1

在高考題中為減少學(xué)生的思維負(fù)擔(dān)，更傾向于選擇第一種類型出題。對(duì)于應(yīng)用消除法的類型，考題也相對(duì)簡單，涉及2～3個(gè)方程式的系數(shù)變化。高考中，蓋斯定律也會(huì)關(guān)聯(lián)其他知識(shí)模型來考查學(xué)生預(yù)測、驗(yàn)證的能力，例如與吉布斯自由能結(jié)合起來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向、推導(dǎo)多重平衡中平衡常數(shù)的表達(dá)和計(jì)算等。

2.Born-Haber循環(huán)在高考試題中的考查

2.1 Born-Haber循環(huán)在全國卷中的考查

Born-Haber循環(huán)是在蓋斯定律基礎(chǔ)上的延伸和補(bǔ)充，打破蓋斯定律的限制，不再局限于實(shí)際存在的各種反應(yīng)間的反應(yīng)熱問題，而是將范圍擴(kuò)大化，可以將一個(gè)陌生的、比較復(fù)雜的、可能并不存在的反應(yīng)設(shè)計(jì)成多個(gè)分步的反應(yīng)途徑，對(duì)科學(xué)研究、實(shí)際生產(chǎn)有很重要的指導(dǎo)意義。在近5年的全國卷中，Born-Haber循環(huán)出現(xiàn)的順次并不多，只在2018年全國卷I選修部分35題的(4)中出現(xiàn)。

【例3】(2018年·全國卷Ⅰ·35節(jié)選)(4)Li2O是離子晶體，其晶格能可通過圖a的Born-Haber循環(huán)計(jì)算得到。

圖a 基于Li2O晶格能的Born-Haber循環(huán)

【答案】520 498 2 908

教學(xué)過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)其他晶體(如NaCl)為載體的Born-Haber循環(huán)(見圖b)，加深對(duì)各個(gè)化學(xué)概念的理解，體會(huì)科學(xué)探究的過程，提升學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。

圖b 基于NaCl晶體設(shè)計(jì)的Born-Haber循環(huán)

2.2 蓋斯定律聯(lián)動(dòng)Born-Haber循環(huán)在浙江卷中的考查

在近幾年的浙江省化學(xué)選考卷中，蓋斯定律或Born-Haber 循環(huán)多次出現(xiàn)在選擇題中，一般為第19題、21題或第23題，命題形式多樣，多數(shù)將兩者聯(lián)合命題，包括晶格能、氫化物水溶液的酸性等，考查焓變大小的比較、各分步反應(yīng)反應(yīng)熱之間的關(guān)系，檢測學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)概念知識(shí)的理解以及運(yùn)用模型分析、論證的思維方法，體現(xiàn)選拔人才的特性。

表2 蓋斯定律聯(lián)動(dòng)Born-Haber循環(huán)在2017—2019年浙江卷中的考查

【例4】(2019年4月浙江選考23題)MgCO3和CaCO3的能量關(guān)系如圖所示(M=Ca、Mg)：

已知：離子電荷相同時(shí)，半徑越小，離子鍵越強(qiáng)。下列說法不正確的是

( )

A.ΔH1(MgCO3)>ΔH1(CaCO3)>0

B.ΔH2(MgCO3)=ΔH2(CaCO3)>0

C.ΔH1(CaCO3)-ΔH1(MgCO3)=ΔH3(CaO)-ΔH3(MgO)

D.對(duì)于MgCO3和CaCO3，ΔH1+ΔH2>ΔH3

【答案】C

該題以MCO3的晶格能為載體，設(shè)計(jì)了Born-Haber循環(huán)，通過比較各分步反應(yīng)熱的大小、判斷各反應(yīng)熱之間的關(guān)系，旨在考查學(xué)生靈活應(yīng)用蓋斯定律模型解決問題的能力，也讓學(xué)生初步了解Born-Haber循環(huán)在無機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用。在高中化學(xué)選擇性必修課程部分模塊1或模塊2的教學(xué)過程中，可以適當(dāng)選擇相對(duì)簡單的Born-Haber循環(huán)類型，例如以物質(zhì)的燃燒、晶格能為載體，引導(dǎo)學(xué)生理解每一步反應(yīng)熱的含義，學(xué)會(huì)自主設(shè)計(jì)簡單的Born-Haber循環(huán)，逐步學(xué)會(huì)比較反應(yīng)熱的大小和判斷各分步反應(yīng)間的反應(yīng)熱關(guān)系。

3.結(jié)語