吳濤 劉燕偉
化學(xué)焓變的計(jì)算是高考的重要考查知識(shí)點(diǎn),在高考試題中對(duì)焓變計(jì)算的考查的形式也是多種多樣的.本文就計(jì)算反應(yīng)焓變的方法進(jìn)行歸納總結(jié).
一、反應(yīng)熱與焓變的關(guān)系
化學(xué)上規(guī)定,當(dāng)化學(xué)反應(yīng)在一定的溫度下進(jìn)行時(shí),反應(yīng)所釋放或吸收的熱量稱為該反應(yīng)在此溫度下的熱效應(yīng),簡(jiǎn)稱反應(yīng)熱通常用符號(hào)Q表示.化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)是由于反應(yīng)前后物質(zhì)所具有的能量不同而產(chǎn)生的,科學(xué)家定義了一個(gè)稱為“焓”的物理量,符號(hào)為H,用它的變化來(lái)描述化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱.對(duì)于在等壓的條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),如果反應(yīng)中物質(zhì)的能量變化全部轉(zhuǎn)化為熱能,則反應(yīng)前后物質(zhì)的焓的改變就等于該反應(yīng)的反應(yīng)熱,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Qp=ΔH(在恒溫恒壓條件下,化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中,吸收或釋放的熱量,符號(hào)用ΔH表示,常用單位為kJ·mol-1.)二、焓變的求法
反應(yīng)熱的熱效應(yīng)可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得,但許多化學(xué)反應(yīng)由于速率過(guò)慢,測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng),因熱量散失而難于測(cè)準(zhǔn)反應(yīng)熱,也有一些反應(yīng)由于條件難于控制,產(chǎn)物不純,也難于測(cè)準(zhǔn)反應(yīng)熱.一般通過(guò)以下幾種方式進(jìn)行計(jì)算.1.蓋斯定律
蓋斯定律表述為:不管化學(xué)反應(yīng)是一步完成還是分布完成,其熱效應(yīng)總是相同的,即反應(yīng)熱的大小與反應(yīng)途經(jīng)無(wú)關(guān),只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān).
例1 現(xiàn)根據(jù)下列3個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)方程式:
Fe2O3(s)+3CO(g)2Fe(s)+3CO2(g)
ΔH1=-24.8kJ·mol-1
①
3Fe2O3(s)+CO(g)2Fe3O4(s)+CO2(g)
ΔH2=-47.2kJ·mol-1②
Fe3O4(s)+CO(g)3FeO(s)+CO2(g)
ΔH3=+640.5kJ·mol-1③
則CO(g)+FeO(s)Fe(s)+CO2(g)
ΔH4=
解析 首先找目標(biāo)方程式中的唯一來(lái)源,①式中有Fe(s),所以①×12;③式中有FeO(s),所以-③×13;其次利用①和②消去目標(biāo)式中沒有的物質(zhì)Fe2O3(s),所以-②×13×12,或者利用②和③消去目標(biāo)式中沒有的物質(zhì)Fe3O4(s),所以-②×13×12.
綜上所述:ΔH4=12×ΔH1-13×ΔH3-13×12×ΔH2.
用蓋斯定律求算反應(yīng)熱,需要知道許多反應(yīng)的熱效應(yīng),要將反應(yīng)分解幾個(gè)已知反應(yīng),有時(shí)這是很復(fù)雜的過(guò)程.
2.根據(jù)燃燒熱的求解
化學(xué)熱力學(xué)規(guī)定,在100kPa的壓強(qiáng)下1mol物質(zhì)完全燃燒時(shí)的熱效應(yīng)叫做該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱,簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱,用符號(hào)ΔHcHm表示.反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱求算反應(yīng)熱的公式:
ΔrHm=iviΔcHm(反應(yīng)物)-iviΔcHm(生成物)
例2 丙烯是制備聚丙烯等材料的化工原料.工業(yè)上,以丁烯為原料制備丙烯的方法有烯烴歧化法:
①C4H8(g)+C2H4(g)2C3H6(g) ΔH1
回答下列問(wèn)題:
(1)已知三種烴的燃燒熱如表1所示.
表1
氣體C4H8(g)
C2H4(g)C3H6(g)
燃燒熱(ΔH)/(kJ·mol-1)
-2539-1411-2049
根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算,ΔH1=kJ·mol-1
解析 反應(yīng)①
C4H8(g)
+C2H4(g)2C3H6(g)
ΔH1=ΔcHm(C4H8)+ΔcHm(C2H4)
-2ΔcHm(C3H6)
=-2539 kJ·mol-1-1411 kJ·mol-1
-(-2049 kJ·mol-1)×2
=148 kJ·mol-1
3.根據(jù)生成熱求解
化學(xué)熱力學(xué)規(guī)定,某溫度下,由處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的各種元素的最穩(wěn)定的單質(zhì)生成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位物質(zhì)的量某純物質(zhì)的熱效應(yīng),叫做這種溫度下該純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成熱.或簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)生成熱,用符號(hào)ΔfHm
ΔfHm=iviΔfHm(生成物)-iviΔfHm(反應(yīng)物)
例3 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓是指由穩(wěn)態(tài)單質(zhì)生成
1 mol該化合物的焓變,25℃下幾種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓如表2所示.
表2
NO2COCO2NO標(biāo)準(zhǔn)生成焓/kJ·mol-133.1
-110.5-183.690.3
求:CO(g)+NO2(g)CO2(g)+NO(g)
ΔH1=
解析 ΔH1=ΔfHm(CO2)+ΔfHm(NO)
-ΔfHm(CO)-ΔfHm(NO2)
=-183.6 kJ·mol-1+90.3kJ·mol-1
-(-110.5 kJ·mol-1)- 33.1 kJ·mol-1
=-15.9 kJ·mol-1
4.根據(jù)化學(xué)鍵求解
從微觀的角度分析,化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì),是反應(yīng)物中化學(xué)鍵的斷裂和生成物中化學(xué)鍵的形成.斷開化學(xué)鍵要吸熱,形成化學(xué)鍵要放熱,通過(guò)分析反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)鍵的斷開和形成,應(yīng)用鍵能的數(shù)據(jù),可以估算化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱.則ΔH=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能.
例4 已知白磷(P4)和P4O6的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示,現(xiàn)提供以下化學(xué)鍵的鍵能:P-P
198 kJ·mol-1、P-O 360 kJ·mol-1、氧氣分子內(nèi)氧原子間的鍵能為498kJ·mol-1.則P4(s)+ 3O2(g) P4O6(s)的反應(yīng)熱ΔH為.
圖1
解析 P4(s)+ 3O2(g)P4O6(s)
ΔH=6E( P-P)+3E (O=O)-12E(P-O)
=6×198 kJ·mol-1+3×498 kJ·mol-1
-12×360 kJ·mol-1
=-1638 kJ·mol-1
5.根據(jù)總能量的求解
從宏觀的角度看,反應(yīng)熱是生成物的總能量與反應(yīng)物總能量的差值.則ΔH=生成物的總能量-反應(yīng)物的總能量.
例5 乙烷在一定條件可發(fā)生反應(yīng):C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)
ΔH1
已知:298K時(shí),相關(guān)物質(zhì)的相對(duì)能量如圖2所示.可根據(jù)相關(guān)物質(zhì)的相對(duì)能量計(jì)算反應(yīng)或變化的ΔH(ΔH隨溫度變化可忽略).
圖2
①ΔH1=kJ·mol-1.
解析 C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)
ΔH1=E(C2H4)+E(H2)-E(C2H6)
=52kJ·mol-1+0 kJ·mol-1-(-84kJ·mol-1)
=136 kJ·mol-1
6.根據(jù)活化能求解
活化能可以用于表示一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需要的最小能量,反應(yīng)的活化能通常用符號(hào)Ea表示,單位kJ·mol-1.ΔH=Ea(正)-Ea(負(fù))
例6 工業(yè)上用丙烯加成法制備1,2-二氯丙烷,主要副產(chǎn)物為3-氯丙烯反應(yīng)原理為:
①CH2=CHCH3(g)+Cl2(g)→CH2ClCHClCH3(g)
ΔH1=-134kJ/mol
②CH2=CHCH3(g)+Cl2(g)→
CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g)
ΔH2=-102kJ/mol
已知:CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g)=CH2ClCHClCH3(g)的活化能Ea(逆)為164kJ/mol,則該反應(yīng)的活化能Ea(正)為kJ/mol.
解析 CH2=CHCH2Cl(g)+HCl(g)=CH2ClCHClCH3(g)
ΔH=ΔH1-ΔH2
=-134kJ/mol
-(-102kJ/mol)
=-32kJ/mol
又有ΔH=Ea(正)-Ea(逆)=Ea(正)-
164kJ/mol=-32kJ/mol
該反應(yīng)的活化能Ea(正)為132 kJ/mol.
以上主要通過(guò)結(jié)合習(xí)題來(lái)總結(jié)歸納反應(yīng)焓變的求解方法.焓變的計(jì)算是高考的必考知識(shí)點(diǎn),在求解焓變時(shí),結(jié)合題目給出的條件,選擇合適的方法可以既快又準(zhǔn)確的求解出焓變.
(收稿日期:2021-09-09)