化學(xué)反應(yīng)中的能量變化圖像的分析方法

摘 要：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化圖像題是中學(xué)化學(xué)中的一個熱門題型，在各級各類考試中的出現(xiàn)率均比較高.為了幫助學(xué)生更好地掌握此類題型的解題方法，本文分析高頻高點(diǎn)，明確解題思路，以期提高學(xué)生求解此類題型的效率，培養(yǎng)其思維能力.

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)；能量變化圖像；命題特點(diǎn)；高頻考點(diǎn)；解題

中圖分類號：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）31-0136-03

收稿日期：2024-08-05

作者簡介：李智（1976.12—），男，安徽省太湖人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

通常，化學(xué)反應(yīng)能量變化圖像題以化學(xué)原理及工業(yè)生產(chǎn)實踐為背景，利用新穎、直觀且簡潔的圖像，將原本抽象的化學(xué)反應(yīng)原理及問題信息呈現(xiàn)出來，主要考查了學(xué)生圖像閱讀、信息提取能力，故此類題型目是考試題型中的熱點(diǎn)及重點(diǎn).

1 基本概念

在化學(xué)反應(yīng)過程中，能量變化一般以熱量的變化為體現(xiàn)，還涉及發(fā)光、放電等能量形式.通常，吸熱與放熱反應(yīng)均以化學(xué)反應(yīng)為分析對象，一個化學(xué)反應(yīng)到底是吸收熱量還是釋放熱量，和反應(yīng)條件之間并不存在必然的聯(lián)系^[1].在對吸熱、放熱反應(yīng)進(jìn)行判斷之時，通常以宏觀與微觀分析為入手點(diǎn).

高頻考點(diǎn)1 與化學(xué)反應(yīng)中的能量變化圖像相結(jié)合對吸熱和放熱反應(yīng)進(jìn)行判斷.

以微觀為視角來看，可以將化學(xué)反應(yīng)劃分為兩個重要過程，其一為舊化學(xué)鍵的斷裂，其二為新化學(xué)鍵的生成.在舊化學(xué)鍵斷裂的過程中，伴隨著能量的吸收，而在新化學(xué)鍵的產(chǎn)生過程中，又有能量的釋放相伴隨，在學(xué)生學(xué)習(xí)與解題過程中常見的吸熱與放熱即由兩種能量之間的差異而造成.從本質(zhì)上來看，化學(xué)反應(yīng)還能以參加反應(yīng)的物質(zhì)中含有的能量為視角展開思考，某一類物質(zhì)的能量越小，意味著其穩(wěn)定性越高，化學(xué)鍵鍵能越大，實際反應(yīng)過程中化學(xué)鍵的形成及其斷裂所需能量都比較多；與之相對應(yīng)，某一類物質(zhì)的能量越大，意味著其穩(wěn)定性越低，化學(xué)鍵鍵能越小，實際反應(yīng)過程中化學(xué)鍵的形成及其斷裂所需能量都比較少^[2].

例1 在化學(xué)反應(yīng)中，能量的變化可以通過圖1所示兩種情況來表示，請選出以下描述中正確的選項（" ）.

A.圖1中的甲圖能夠用來表示放熱反應(yīng)中能量發(fā)生的變化

B.在圖1的乙圖中，相較于反應(yīng)物而言，生成物的穩(wěn)定性更高

C.圖1中的甲圖能夠用來表示生石灰與水發(fā)生反應(yīng)時能量發(fā)生的變化

D.圖1中的甲圖所表示的反應(yīng)有需要加熱的可能，而圖1中的乙圖所表示的反應(yīng)能夠發(fā)生于常溫條件下

例題解析 對圖1中的甲圖進(jìn)行觀察可以知道，該圖表示的化學(xué)反應(yīng)能量呈現(xiàn)出降低之勢，意味著反應(yīng)物有比較高的能量，故可用來表示放熱反應(yīng)，A為正確選項；對圖1中的乙圖進(jìn)行觀察可以知道，該圖表示的化學(xué)反應(yīng)能量呈現(xiàn)出升高之勢，意味著生成物有比較高的能量，根據(jù)前文分析，某一物質(zhì)能量越低，其就會有越高的穩(wěn)定性表現(xiàn)，故而反應(yīng)物的穩(wěn)定性比較高，B為錯誤選項；石灰與水發(fā)生反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，因而其與圖1中的甲圖相符，C為正確選項；在化學(xué)反應(yīng)中，放熱和吸熱與人們?nèi)粘Ｉ钪械募訜崤c不加熱并沒有必然的聯(lián)系存在，就算處于加熱條件之下，依舊有可能發(fā)生放熱反應(yīng)，不僅如此，就算處于常溫或低溫條件之下，同樣有發(fā)生吸熱反應(yīng)的可能，故D為正確選項.綜合上述分析，本題答案為ACD.

2 涉及過渡態(tài)的圖像

過渡態(tài)并非真實存在的，但是中間體是真實存在的.在一個化學(xué)反應(yīng)中，只需要一步便能直接轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)物的反應(yīng)被稱為基元反應(yīng)，反應(yīng)中包括過渡態(tài)但是不含中間體；與基元反應(yīng)相對應(yīng)的即非基元反應(yīng)，不僅包括過渡態(tài)，也包括中間體，如圖2所示.

高頻考點(diǎn)2 與反應(yīng)歷程相結(jié)合對化學(xué)反應(yīng)能量的變化進(jìn)行分析.

任意化學(xué)反應(yīng)歷程中均會有能量的變化相伴隨，利用圖像，能夠了解每一步實際發(fā)生何種反應(yīng)，并對各步反應(yīng)需要的活化能進(jìn)行計算，在此基礎(chǔ)上，以活化能大小為依據(jù)完成對反應(yīng)速度快慢的判斷^[3].

例2 基于對實驗和計算機(jī)模擬結(jié)果的分析，學(xué)者對金催化劑表面水煤氣變換的反應(yīng)歷程進(jìn)行相對深入的探討，如圖3所示，其中用*對吸附于金催化劑表面的物種進(jìn)行標(biāo)注（注：圖中-0.72 eV表示的是1個CO2（g）+1個H2（g）+1個H2O（g）的能量），請選出以下描述中正確的選項（" ）.

A.在第一步反應(yīng)中，化學(xué)方程式表示為：

CO（g）+2H2O（g）CO*+OH*+H*+H2O（g）

B.此化學(xué)反應(yīng)歷程中，決速步驟反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

COOH*+H*+H2OCOOH*+2H*+OH*

C.整個化學(xué)反應(yīng)歷程中的最大能壘為：E正=2.02 eV

D.水煤氣變化的熱化學(xué)方程式為：

CO（g）+2H2O（g）CO2（g）+H2（g）+H2O（g）

ΔH=-0.72NAeV·mol^-1

例題解析 "一個過渡態(tài)與一步反應(yīng)相對應(yīng)，通過對圖3進(jìn)行觀察可知，過渡態(tài)1前后反應(yīng)物與生成物的第一步化學(xué)方程式為H2O*=OH*+H*，因此A為錯誤選項.對化學(xué)反應(yīng)速率產(chǎn)生決定性影響的是反應(yīng)速度最慢的一步，亦即活化能最大的一步，因此B為正確選項.在整個化學(xué)反應(yīng)歷程中，最大能壘為過渡態(tài)2中-0.16 eV到1.86 eV的過程，可得最大能壘E正=1.86-（-0.16）=2.02 eV，因此C為正確選項.另外，金催化劑表面水煤氣變換的整個化學(xué)反應(yīng)歷程為1個CO（g）+2個H2O（g）反應(yīng)生成1個CO2（g）+1個H2O（g）+1個H2（g），能量變化為-0.72eV，由于ΔH是與1 mol反應(yīng)所對應(yīng)的能量變化，反應(yīng)ΔH即-0.72NAeV·mol^-1，因此D為正確選項.綜合上述分析，本題答案為BCD.

3 蓋斯定律的應(yīng)用

在進(jìn)行蓋斯定律計算的過程中，需要結(jié)合已知條件將目標(biāo)方程式確定下來，并明確在目標(biāo)方程式中未出現(xiàn)卻出現(xiàn)于已知方程式中的物質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，對已知方程式的“加、減、乘、除”四則運(yùn)算加以運(yùn)用，將缺失的物質(zhì)消除.

高頻考點(diǎn)3 利用蓋斯定律對ΔH進(jìn)行計算

對ΔH進(jìn)行計算之時，可以對燃燒熱、中和熱、圖像、方程式、化學(xué)鍵以及蓋斯定律等加以運(yùn)用.在利用鍵能對反應(yīng)熱進(jìn)行計算的過程中，明確常見單質(zhì)、化合物中所含共價鍵的類型及其數(shù)目尤為重要（見表1）.

例3 根據(jù)圖4，H2（g）和ICl（g）的反應(yīng)主要分反應(yīng)①與反應(yīng)②兩個步驟進(jìn)行，請選出以下描述中正確的選項（" ）.

A.反應(yīng)①屬于放熱反應(yīng)

B.反應(yīng)②屬于放熱反應(yīng)

C.相較于反應(yīng)②而言，反應(yīng)①的速率要更慢一些，不會受到相應(yīng)正反應(yīng)活化能的影響

D.對于反應(yīng)①與反應(yīng)②，焓變和為ΔH=-218 kJ·mol^-1

例題解析 通過對圖5進(jìn)行觀察可知，在H2（g）和ICl（g）的兩個反應(yīng)步驟中，反應(yīng)物總能量相較于生成物總能量始終更大，意味著反應(yīng)①與反應(yīng)②都屬于放熱反應(yīng)，因此AB均為正確選項.另外，反應(yīng)①相較于反應(yīng)②的速度更慢一些，意味著前者正反應(yīng)的活化能相較于后者要更大，因此C為錯誤選項.進(jìn)一步應(yīng)用蓋斯定律，H2（g）和ICl（g）的反應(yīng)焓變僅會受到始態(tài)與終態(tài)的影響，反應(yīng)途徑并不會對其產(chǎn)生影響，故可以確定兩個步驟的焓變和為ΔH=-218 kJ·mol^-1，D為正確選項.綜合上述分析，本題答案為ABD.

4 結(jié)束語

化學(xué)反應(yīng)中能量變化圖像題型用于考查學(xué)生思維能力.面對形式多元化、抽象性與綜合性不斷增加的化學(xué)反應(yīng)能量變化圖像題型，教師應(yīng)對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，讓他們合理運(yùn)用圖像題認(rèn)知模型，從整體層面對圖像信息進(jìn)行綜合分析，做好信息整合工作.通過對化學(xué)圖像的觀察、識別、抽象、比較及概括，實現(xiàn)問題的準(zhǔn)確與快速解答.

參考文獻(xiàn)：

［1］江已舒，王葉梅.把握考向，歸類題型：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化考點(diǎn)分析[J].高中數(shù)理化，2021（23）：70-74.

[2] 洪敏婷.化學(xué)反應(yīng)原理圖象題的解答策略與命題特點(diǎn)分析[J].高中數(shù)理化，2021（12）：55-56.

[3] 孫紅霞.化學(xué)反應(yīng)歷程和能量變化圖像例析[J].高中數(shù)理化，2022（24）：63-64.

［責(zé)任編輯：季春陽］