03 探析能量计算的命题角度与突破策略-《中学生数理化》高考理化2025年4月刊

􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛􀥛 所以原溶液中n[Cu(NO3)2]=0.05 mol,又 因 硝 酸 根 总 的 物 质 的 量 为 n(NO-3)= 0.3 mol·L-1×0.5 L=0.15 mol,所 以 n(NaNO3)=0.05 mol,则 原 混 合 溶 液 中 c(Na+)=0.1 mol·L-1,A 项错误,根据两 极均收集等量的气体,并结合以上分析可得 电解总方程式Cu2++2H2O 电解 􀪅􀪅Cu+H2↑+ O2↑ +2H+,这 样 则 生 成 0.05 mol Cu、 0.05 mol O2、0.05 mol H2 和0.1 mol H+, 所以 电 解 后 溶 液 中c(H+)= 0.1 mol 0.5 L = 0.2 mol·L-1,B项正确,D项错误。上述电 解过程中共转移0.2 mol电子,C项错误。 答案:B (责任编辑 谢启刚) 探析能量计算的命题角度与突破策略 ■山东省北镇中学 刘树领(正高级教师) 鉴培培 化学反应不仅有物质的变化,而且还一 定伴有能量的变化,而能量变化又是判断反 应方向与进度大小的主要依据,同时能源问 题又是社会可持续发展的主要动力,因而对 能量问题的考查成为高考的必考点,以突出 证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析、 创新意识与社会责任等核心素养。 一、能量计算的常见角度 任何化学反应不但有物质的变化,而且 还一定伴随着能量变化。能量变化取决于反 应物与生成物本身的能量高低,与反应过程 无关。 1.键能与反应热关系。 除稀有气体外,其他物质都存在化学键, 但不同的物质存在的化学键种类不同,因而 化学反应的本质从能量角度来看就是旧键断 裂、新建生成的过程,只不过是断键时吸收能 量、成键时放出能量不相等而已,故化学反应 中的能量变化主要取决于化学键断裂与生成 时的能量大小。 例 1 氨是一种重要的化工原料,工业 合成氨对农业、化工和国防意义重大。合成 氨反应为 1 2N2 (g) + 3 2H2 (g)􀜩􀜨􀜑 NH3(g)。 化学键键能数据如表1所示。 表1 化学键 H—H N N􀜁 N—H E/kJ·mol-1 436 946 391 上述反应的ΔH= kJ·mol-1。 解析:首先明确物质的结构式,进而判断 出化学键的类型与数目,然后代入相关键能 数值计算。反应中涉及的物质结构式:氮气 为 N ≡ N,氢 气 为 H—H,氨 气 为 N H H H ,故根据提供的键能可得ΔH= (1 2×946+ 3 2×436-3×391 ) kJ·mol-1= -46 kJ·mol-1。 答案:-46 2.反应历程与能量变化。 从微观角度分析知,化学反应大多属于 复杂反应,是经过多步基元反应才能完成的 反应,这个反应顺序称为反应历程(或机理)。 基元反应属于一个完整反应,具有明确的反 应物与生成物,其间出现的过渡态不能独立 存在,因而可以根据相对能量数值找出对应 的具体物质来判断基元反应的数目,但无论 哪种基元反应,其活化能都不小于0。 例 2 在钯基催化剂表面上,甲醇制氢 的反应历程如图1所示,其中吸附在钯催化 剂表面上的物种用*标注。 图1 21 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年4月 CH3OH(g)􀜩􀜨􀜑 CO(g)+2H2(g)的 ΔH= kJ·mol-1;该历程中最大能垒 (活化能)E正= kJ·mol-1,写出该步骤 的化学方程式: 。 解析:根据图像可知,甲醇的相对能量为 0,生成物相对能量为97.9 kJ·mol-1。根据 盖斯 定 律 知,CH3OH(g)􀜩􀜨􀜑 CO(g)+ 2H2(g)的ΔH 只与起始物与生成物有关,故 其ΔH=+97.9 kJ·mol-1。比较能垒差值可 知,基元反应CO*+4H*􀪅􀪅CO*+2H2(g)的 能垒(即活化能)E正 最大,即113.9 kJ·mol-1- (-65.7 kJ·mol-1)=179.6 kJ·mol-1。 答案:+97.9 179.6 CO*+4H*􀪅􀪅 CO*+2H2(g) 3.流程转化中的能量变化。 例 3 钌及其化合物在合成工业上有 广泛用途,图2是用钌(Ru)基催化剂催化合 成甲酸的过程。每生成92 g液态 HCOOH 放出62.4 kJ的热量。 图2 根据 图 示 写 出 该 反 应 的 热 化 学 方 程 式: 。 解析:根据箭头方向可知,每一个箭头的 尾部表示反应物,箭头指向的物质为生成物, 故根据整个流程图可知,反应物为 CO2 和 H2,产物为 HCOOH,所以要写的热化学方 程式为 H2(g)+CO2(g)􀪅􀪅HCOOH(l) ΔH,又因生成92 g液态 HCOOH的物质的 量为 92 g 46 g·mol-1 =2 mol,放出62.4 kJ能 量,所以热化学方程式为 H2(g)+CO2(g) 􀪅􀪅HCOOH(l) ΔH=-31.2 kJ·mol-1。 答案:H2(g)+CO2(g)􀪅􀪅HCOOH(l) ΔH=-31.2 kJ·mol-1 4.燃烧热(或中和热)与反应热关系。 燃烧热(或中和热)属于反应热的一种特 殊形式。燃烧热是指在常温常压下,1 mol 可燃物与空气中的氧气完全反应生成稳定物 质时放出的热量,碳、氢、硫、氮等元素均以生 成CO2(g)、H2O(l)、SO2(g)、N2(g)等形式 存在。中 和 热 是 指 酸 碱 反 应 生 成 1 mol H2O(l)时放出的热量,不同的酸碱反应其中 和热并不完全相同。 例 4 工业上在200 ℃和10 MPa的条 件下可用甲烷和氧气通过铜制管道反应制得 甲醇,已知一定条件下,CH4 和CH3OH的燃 烧热分别为784 kJ·mol-1 和628 kJ·mol-1, 则2CH4(g)+O2(g)􀪅􀪅2CH3OH(g) ΔH= kJ·mol-1。 解析:考查燃烧热概念及盖斯定律应用 问题。由CH4 和CH3OH 的燃烧热分别为 784 kJ·mol-1 和628 kJ·mol-1,可依次写 出对应的热化学方程式: ①CH4(g)+2O2(g)􀪅􀪅CO2(g)+ 2H2O(g) ΔH1=-784 kJ·mol-1 ②CH3OH(g)+ 3 2O2 (g)􀪅􀪅CO2(g)+ 2H2O(g) ΔH2=-628 kJ·mol-1 因2CH4(g)+O2(g)􀪅􀪅2CH3OH(g)中 没有 H2O(g),故利用盖斯定律使①×2- ②×2,即可消去 H2O(g)得出2CH4(g)+ O2(g)􀪅􀪅2CH3OH(g),所以ΔH=(-784×2+ 628×2) kJ·mol-1=-312 kJ·mol-1。 答案:-312 5.能量变化与转化率、电子转移等关系。 物质在发生化学反应时,不但有能量伴 随,而且涉及微观粒子移动、宏观反应程度等 内容,因而在能量计算中常会与电子转移、原 料利用率、能量利用率等问题相融合。 例 5 用CH4 催化还原NOx 可以消除 氮氧化物的污染。例如: CH4(g)+4NO2 (g)􀪅􀪅4NO(g)+ CO2(g)+2H2O(g) �H=-574 kJ·mol-1 CH4(g)+4NO(g)􀪅􀪅2N2(g)+CO2(g) +2H2O(g) �H=-1 160 kJ·mol-1 若用标准状况下4.48 L CH4 还原NO2 至N2,整个过程中转移的电子总数为 (阿伏加德罗常数的值用 NA 表示),放出的 31 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年4月 热量为 kJ。 解析:根据“ CH4 还原NO2 至N2”信息, 反应中无4NO存在,故利用盖斯定律使已知 的两个热化学方程式相加即得2CH4(g)+ 4NO2(g)􀪅􀪅2N2(g)+2CO2(g)+4H2O(g) �H=-1 734 kJ·mol-1。由热化学方程 式的含义可知,每当有2 mol CH4(g)完全反 应时,则有16 mol电子发生转移,并放出 1 734 kJ热 量,故 标 准 状 况 下4.48 L(即 0.2 mol)CH4 完全反应时,则有1.6NA 电子 发生转移,放出173.4 kJ热量。 答案:1.6NA 173.4 6.根据信息情境进行相关能量计算。 例 6 工业上常用 Mg或 H2 作还原 剂,在 Ar气氛下采用热还原法制海绵钛。 根据图3,计算1 173 K时,反应2H2+TiCl4 图3 􀪅􀪅 Ti+4HCl 的 ΔG = kJ·mol-1。(G 为自由能,图中 ΔG 是指在一定 温度下,由单质 生成对应物质的 量化合物时的自 由能变化。设此 温度下,单质的 生成自由能变化 为0) 解析:考查读图、运用信息解答问题的能 力。由信息“单质的生成自由能变化为0”, 并根据图像可知,TiCl4 的生成自由能为2× (-300) kJ·mol-1= -600 kJ·mol-1, 4 mol HCl 的 生 成 自 由 能 为 2 × (-230 )kJ·mol-1=-460 kJ·mol-1,所以 在1 173 K 时,反应2H2+TiCl4 􀪅􀪅Ti+ 4HCl 的 ΔG = - 460 kJ · mol-1 - (-600 kJ·mol-1)=+140 kJ·mol-1。 答案:+140 二、应对策略 1.熟练掌握热化学方程式的书写步骤及 含义。在写出正确化学方程式基础上,一定 要标注出各物质的聚集状态(固、液、气、溶液 依次用s、l、g、aq表示),最后写上�H 的符 号、数值及单位。注意�H 的数值与热化学 方程式中系数成正比关系。无论热化学方程 式如何书写,其都表示的是完全反应,无可逆 含义,并且只能从物质的量角度去读化学式 前面的系数。 2.正确理解中和热、燃烧热、键能、活化 能等基本概念,厘清与焓变、反应类型(放热、 吸热反应)的关系。 (1)键能与焓变、反应类型的关系如下。 吸收能量 E1 E=键能与键物质的量乘积的总和 反 应 物 旧化学键断裂 新化学键形成 生 成 物 ΔH=E1-E2 吸热反应 E1>E2，ΔH>0 放出能量 E2 放热反应 E1<E2，ΔH<0 (2)活化能与焓变的关系如图4所示。 图4 3.熟练掌握盖斯定律的运用技巧,具体 过程如下。 整体来看,能量计算问题比较简单,只要 理解基本概念之间的关系,就能快速解答相 关能量问题。 (责任编辑 谢启刚) 41 知识篇 科学备考与策略 高考理化 2025年4月