韩 阳
(北京市房山区周口店中学)
《普通高中化学课程标准(2017 年版2020 年修订)》对化学反应与能量的学业要求是:“能辨识化学反应中的能量转化形式,能解释化学反应中能量变化的本质;能进行反应焓变的简单计算,能用热化学方程式表示反应中的能量变化,能运用反应焓变合理选择和利用化学反应.”化学反应焓变的计算是高考中常考题型,本文分析了关于焓变的几种计算方法.
鲁科版《普通高中教科书化学选择性必修1化学反应原理》指出:焓的大小“取决于物质的种类、数量、聚集状态并受体系的温度、压强等因素的影响”“在等压反应中,如果反应中物质的能量变化没有与电能、光能等其他形式的能量发生转化,则该反应的反应热等于反应前后体系的焓的变化”,即等压条件下,可以利用反应物与生成物焓的差值或总能量的差值计算反应热.计算式为ΔH＝H(生成物)-H(反应物),此处学生需明确此方法是对比思想的体现,是反应后与反应前的差异,所以是终态减始态;或ΔH＝生成物的总能量-反应物的总能量,此处学生需明确能量转化过程中始终遵循能量守恒定律.
中学阶段键能计算运用的是平均键能法.对于气态反应来说,可以通过反应物键能之和与生成物键能之和的差值来计算化学反应的反应热,即ΔH ＝∑(反应物键能)-∑(生成物键能);但对于液态、固态物质参与的反应,在不明确其结构的情况下,不可简单地利用键能差计算焓变.
在有关盖斯定律的题目中,通常会给定已知反应的热化学方程式,求目标方程式的ΔH.这里介绍一种相对有序的方法:首先,将目标方程式中的物质逐一在已知反应中找出,若该物质仅出现在一个已知反应中,则需要将含有该物质的已知反应的系数变到与目标方程式一致,再看二者在反应中的位置是否相同,若都为反应物或都为生成物,则需要把变换后的ΔH做加法处理,若方向不同,即一个是反应物一个是生成物,则需要将变换后的ΔH做减法处理.而当目标方程式中的物质同时出现在多个已知反应中时,则将该物质跳过,继续找寻下一物质.另外,每个已知反应的ΔH最多只用一次.按照以上步骤完成ΔH的计算后,再按ΔH的系数将已知方程式合并处理,然后与目标方程式对比,若不相同,再按盖斯定律处理.
例1已知Fe3O4(s)与CO(g)主要发生如下反应:
由此计算FeO(s)＋CO(g)⇌Fe(s)＋CO2(g)的焓变ΔH.
解析目标方程式为FeO(s)＋CO(g)⇌Fe(s)＋CO2(g),第一个物质FeO(s)仅出现在反应①中,在目标方程式中化学计量数为1,在①中其化学计量数为3,所以,需将,FeO(s)在已知方程式中是生成物,而在目标方程式中是反应物,方向不同,需变换方向,做减法处理,即;目标方程式中第二个物质CO(g)在两个已知反应中都出现,则跳过;目标方程式中第三个物质Fe(s)仅出现在反应②中,在目标方程式中其化学计量数为1,在已知方程式中化学计量数为3,所以,需将,Fe(s)在目标方程式和已知方程式中均是生成物,方向相同,无须变换方向,做加法处理,即.至此,给定ΔH1和ΔH2已使用完毕,即目标方程式焓变的计算式ΔH＝.再将已知方程式按计算式做相应变换,检查发现与目标方程式相同,无须再做处理.
例2已知:
此时,依据盖斯定律很容易想到将二者相加即可消除中间物质,得出ΔH,即C(s)＋O2(g)＝CO2(g)的ΔH＝ΔH1＋ΔH3＋ΔH2.
当已知物质的生成焓或燃烧焓时,也可以计算反应的焓变.在指定温度和标准压强(100kPa)下,由最稳定单质生成1 mol化合物的反应焓变即为该物质在此温度下的标准摩尔生成焓(ΔfH).
例3已知在298K,100kPa时,下列物质的标准摩尔生成焓如表1所示.
表1
计算C6H12O6(s)＋6O2(g)＝6CO2(g)＋6H2O(l)的ΔH.
解析根据标准摩尔生成焓的定义,得到以下3个热化学方程式:
由盖斯定律得ΔH＝6ΔH3＋6ΔH2-ΔH1.即利用生成焓计算反应的焓变时,将最稳定单质的焓值看作零,则ΔH＝产物的生成焓之和-反应物的生成焓之和.
而某物质的摩尔燃烧焓是指在一定反应温度和压强条件下,1mol纯物质完全氧化为同温下指定产物时的焓变,指定产物所含有的氮元素氧化为N2(g)、氢元素氧化为H2O(l)、碳元素氧化为CO2(g).
例4已知在298K,101kPa时,下列物质的摩尔燃烧焓如表2所示.
表2
解析根据摩尔燃烧焓的定义,得到以下热化学方程式:
则ΔH＝ΔH1-ΔH2,即利用燃烧焓计算反应的焓变时,ΔH＝反应物的燃烧焓之和-产物的燃烧焓之和.
以上两种方法,需明确概念,注意其中对物质的限定:生成焓是生成1 mol化合物,而燃烧焓指的是lmol纯物质完全氧化,二者指向的是生成物和反应物两个不同的方向,计算式中相减的方式也并不相同.
计算化学反应焓变(ΔH)时,需要从宏观角度和微观角度明确计算式的含义;从盖斯定律角度可将计算过程有序化;需要从定义出发,向标准看齐,这样遇到此类问题才会见招拆招,游刃有余.
(完)
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