化学反应与能量自主招生专题选讲

■北京市十一学校 郑 弢

化学反应与能量自主招生专题选讲

■北京市十一学校 郑 弢

北大、清华等高校自主招生化学测试中,化学反应与能量相关计算(燃烧热、中和热、反应热的计算,盖斯定律及其应用等)是反应原理模块的重要考点之一。这类试题的解题关键是准确地运用“方程式叠加”的方法,由已知反应的反应热借助盖斯定律求解未知反应的反应热。

例1已知：①Na(s)-e-══Na+(aq)ΔrHm⊖=-240kJ·mol-1

NaCl的溶解热为3.8kJ·mol-1。

分析由此能得到什么数据,请用热化学方程式表示：____。

解析：解答本题时,首先应将试题中的文字表述转化为对应的热化学方程式。NaCl的溶解热对应的热化学方程式为③NaCl(s)══Na+(aq)+Cl-(aq) ΔrHm⊖=+3.8kJ·mol-1(注：ΔrHm⊖为标准摩尔反应焓变,可简写为ΔH,下同)。①+②-③,可得到新的热化学方程式。

答案：ΔrHm⊖=-410.8kJ·mol-1

例2已知C(石墨)、氢气(g)、乙醇(l)的燃烧热分别为394 kJ·mol-1、286kJ·mol-1、1367kJ·mol-1,由这些可以知道哪些数据?

解析：(标准)燃烧热,即100kPa时,1mol物质完全燃烧时放出的热量。在热力学上,规定以下为完全燃烧：C→CO2(g),H→H2O(l),N→N2(g),S→SO2(g),Cl→HCl(aq)。由于放出热量焓变为负,若以燃烧焓代替燃烧热,以热化学方程式的形式来表示,则有：

(1)C(石墨)+O2(g)══CO2(g)ΔrHm⊖=-394kJ·mol-1

(3)C2H5OH(l)+3 O2(g)══2CO2(g)+3H2O(l) ΔrHm⊖=-1367kJ·mol-1

在热力学上,指定单质(C为石墨,P为白磷等)的标准摩尔生成焓ΔfHm⊖=0。在本题中ΔfHm⊖(C,石墨)=ΔfHm⊖(O2,g)=ΔfHm⊖(H2,g)=0。任何一个反应的焓变等于生成物生成焓之和减去反应物生成焓之和。于是由反应(1)可求得：ΔfHm⊖(CO2,g)=-394kJ·mol-1,由反应(2)可求得：ΔfHm⊖(H2O,l)=-286kJ·mol-1,由反应(1)、(2)和(3)可求得：

ΔfHm⊖(C2H5OH,l)=-279kJ·mol-1。此外,由反应(1)和(2)可求得如下反应的焓变：

C(石墨)+2H2O(l)══CO2(g)+2H2(g) ΔrHm⊖=+178kJ·mol-1

由反应(1)和(3)以及反应(2)和(3),还可以分别求得：

3C(石墨)+3H2O(l)══CO2(g)+C2H5OH(l) ΔrHm⊖=+185kJ·mol-1

6H2(g)+2CO2(g)══3H2O(l)+C2H5OH(l) ΔrHm⊖=-349kJ·mol-1

答案：CO2(g)的标准摩尔生成焓ΔfHm⊖(CO2,g)=-394kJ·mol-1,H2O(l)的标准摩尔生成焓 ΔfHm⊖(H2O,l)=-286kJ·mol-1,C2H5OH(l)的标准摩尔生成焓ΔfHm⊖(C2H5OH,l)=-279kJ·mol-1,以及如下反应的焓变：

C(石墨)+2H2O(l)══CO2(g)+2H2(g) ΔrHm⊖=+178kJ·mol-1

3C(石墨)+3H2O(l)══CO2(g)+C2H5OH(l) ΔrHm⊖=+185kJ·mol-1

6H2(g)+2CO2(g)══3H2O(l)+C2H5OH(l) ΔrHm⊖=-349kJ·mol-1

例3已知把燃着的镁带放入盛有干燥CO2气体的瓶中,镁带能继续燃烧。查得CO2、MgO、P2O5的生成焓分别为-394kJ·mol-1、-602kJ · mol-1、-1506kJ·mol-1,汽油(分子式以C8H18表示)的燃烧焓为-1302kJ·mol-1。

①如果把燃着的白磷(置于铜质燃烧勺上)放入盛有干燥CO2气体的瓶中,会有哪些现象?并简要说明。

②如果把燃着的汽油(置于铜质燃烧勺上)放入盛有干燥CO2气体的瓶中,会有哪些现象?并简要说明。

解析：①根据已知数据,可以求得Mg(s)在CO2(g)中燃烧反应的反应热：

2Mg(s)+CO2(g)══2MgO(s)+C(石墨) ΔrHm⊖=-810kJ·mol-1

该反应剧烈放热,反应放出的热量可以维持镁带在CO2中继续燃烧。

类似的,可以求算P(白磷)在CO2(g)中燃烧反应的反应热：

4 P(白磷)+5CO2(g)══2P2O5(s)+5C(石墨) ΔrHm⊖=-1042kJ·mol-1

该反应也是剧烈放热的,类比可知反应放出的热量也可以维持白磷在CO2中继续燃烧。

②汽油的燃烧反应需要有O2参与,换言之,CO2不能支持汽油的燃烧,故把燃着的汽油放入盛有干燥CO2气体的瓶中,火焰会熄灭。

答案：①镁带能够在CO2中继续燃烧,是因为Mg(s)在CO2(g)中的燃烧反应剧烈放热(ΔrHm⊖=-810kJ·mol-1);P(白磷)在CO2(g)中燃烧的反应热为ΔrHm⊖=-1042kJ·mol-1,也剧烈放热,故白磷能够继续燃烧,同时产生大量白烟。

②CO2不能支持汽油的燃烧,把燃着的汽油放入盛有干燥CO2气体的瓶中,火焰会熄灭。

方法小结：解答自主招生测试中化学反应与能量相关的计算问题,首先应该准确理解物质的燃烧热、中和热、反应热等基本概念,能够依据题意规范、准确地写出热化学方程式(尤其要关注各物质的状态),最后再运用“方程式叠加”的方法,借助盖斯定律进行计算。

练习：

A.150.0kJ·mol-1

B.-150.0kJ·mol-1

C.299.9kJ·mol-1

D.-299.9kJ·mol-1

(2)氢化焓是指一种不饱和有机化合物变为完全饱和时,反应过程的焓变。已知：298K时,乙烯、乙烷、环己烷和氢气的燃烧焓分别为-1411kJ·mol-1、-1560kJ·mol-1、-3924kJ·mol-1和-285kJ·mol-1。

①计算298K时,1mol乙烯的氢化焓。

②估算苯的燃烧焓,并解释其与实测值(-3273kJ·mol-1)的差异。

答案：

(1)A(2)①-136kJ·mol-1。②苯的燃烧焓为-3477kJ·mol-1,测量值与估算值两者之差为204kJ·mol-1。其主要原因在于估算时假设苯环含有三个双键,但实际上由于苯环是一个共振结构,比较稳定,因此其氢化焓比三个双键的氢化焓少。

(责任编辑 谢启刚)

郑弢,北京市化学会中学生化学竞赛委员会委员,海淀区高三兼职教研员。辅导学生参加第30届中国化学奥林匹克(决赛)暨冬令营,斩获4金1银,2人进入国家集训队。