盖斯定律的理解及应用

■河南省郸城县第一高级中学 王 杰

盖斯定律是热化学计算的基本规律，正确理解盖斯定律的概念，建构思维模板，把握各步反应中的守恒关系，对突破和应用盖斯定律十分重要。

【盖斯定律的要点归纳】

1.定律内容。

一定条件下，一个反应不管是一步完成，还是分几步完成，反应的总热效应相同，即反应热的大小与反应途径无关，只与反应的始态和终态有关。

2.常用关系式(见表1)。

表1

题型一：利用盖斯定律求焓变

【思维建模】叠加法求焓变。

步骤1:“倒”。

为了将方程式相加得到目标方程式，可将方程式颠倒过来，反应热的数值不变，但符号相反。这样，就不用再做减法运算了，实践证明，方程式相减时往往容易出错。

步骤2:“乘”。

为了将方程式相加得到目标方程式，可将方程式乘以某个倍数，反应热也要相乘。

步骤3:“加”。

上面的两个步骤做好了，只要将方程式相加即可得目标方程式，反应热也要相加。

例1(1)三氯氢硅(SiHCl3)是制备硅烷、多晶硅的重要原料。SiHCl3在催化剂作用下发生反应:

(2)NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。用水吸收NOx的相关热化学方程式如下:

(3)过氧化氢(H2O2)是重要的化工产品，广泛应用于绿色化学合成、医疗消毒等领域。已知:

解析：(1)将已知热化学方程式标记为:

①2SiHCl3(g)==SiH2Cl2(g)+SiCl4(g)ΔH1=+48kJ·mol-1

②3SiH2Cl2(g)==SiH4(g)+2SiHCl3(g) ΔH2=-30kJ·mol-1

①×3+②可得:4SiHCl3(g)==SiH4(g)+3SiCl4(g) ΔH=48kJ·mol-1×3+(-30kJ·mol-1)=+114kJ·mol-1。

(2)将已知热化学方程式标记为:

①2NO2(g)+H2O(l)==HNO3(aq)+HNO2(aq) ΔH=-116.1kJ·mol-1

②3HNO2(aq)==HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l) ΔH=+75.9kJ·mol-1

(①×3+②)÷2可得:3NO2(g)+H2O(l)==2HNO3(aq)+NO(g) ΔH=[(-116.1kJ·mol-1)×3+75.9kJ·mol-1]÷2=-136.2kJ·mol-1。

(3)将已知热化学方程式标记为:

②H2(g)+O2(g)==H2O2(l) ΔH1=-188kJ·mol-1

(①-②)×2可得:2H2O2(l)==2H2O(l)+O2(g) ΔH=(-286kJ·mol-1+188kJ·mol-1)×2=-196kJ·mol-1；该反应正反应为放热反应，升高温度，化学平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，即K313K＜K294K。

答案：(1)+114 (2)-136.2(3)-196 小于

题型二：构建虚拟路径

【思维建模】化学反应过程包含物质变化和能量变化两大变化，由此，化学反应中存在两大守恒:质量守恒和能量守恒。若反应物A变为生成物D有两条途径，一是A直接变为D，反应热为ΔH；二是A经过B变为C，再由C变为D，每步的反应热依次为ΔH1、ΔH2、ΔH3，则ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。设计“虚拟路径”时，要注意物质的聚集状态及计量数转化关系。

根据题设要求可从以下视角设立虚拟路径。

例2室温下，将1mol的CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低，热效应为ΔH1；将1mol的CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高，热效应为ΔH2；CuSO4·5H2O受热分解的化学方程式为CuSO4·5H2O(s)△==CuSO4(s)+5H2O(l)，热效应为ΔH3。则下列判断正确的是( )。

A.ΔH2＞ΔH3

B.ΔH1＜ΔH3

C.ΔH1+ΔH3=ΔH2

D.ΔH1+ΔH2=ΔH3

解析：根据题意，可以设计如下转化关系:

CuSO4·5H2O(s)溶于水(溶液温度降低，该过程为吸热过程):CuSO4·5H2O(s)==Cu2+(aq)+SO2-4(aq)+5H2O(l) ΔH1＞0

CuSO4(s)溶于水(溶液温度升高，该过程为放热过程):CuSO4(s)==Cu2+(aq)+SO2-4(aq) ΔH2＜0

CuSO4·5H2O(s)受热分解的热化学方程式:CuSO4·5H2O(s)△==CuSO4(s)+5H2O(l) ΔH3

根据盖斯定律可知:ΔH3=ΔH1-ΔH2＞0。根据上述分析，ΔH2＜0，ΔH3＞0，所以A项错误；ΔH3=ΔH1-ΔH2(ΔH2＜0)，所以ΔH3＞ΔH1，B 项正确；ΔH3=ΔH1-ΔH2，C 项错误；ΔH1+ΔH2＜ΔH3，D 项错误。

答案：B

题型三：利用键能计算反应热

【思维建模】利用键能计算反应热，要熟记公式:ΔH=反应物总键能-生成物总键能，其关键是弄清物质中化学键的数目。在中学阶段要掌握常见单质、化合物中所含共价键的数目。

例3CO2是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义，CO2与CH4经催化重整，制得合成气:

已知上述反应中相关的化学键键能数据如表2。

表2

则该反应的ΔH=____。

解析：化学反应的焓变等于反应物的键能减去生成物的键能，所以焓变为(4×413kJ·mol-1+2×745kJ·mol-1)-(2×1075kJ·mol-1+2×436kJ·mol-1)=+120kJ·mol-1。

答案：+120kJ·mol-1

题型四：热化学方程式的书写

【思维建模】热化学方程式的书写模板。

步骤1:写方程。

写出配平的化学方程式。

步骤2:标状态。

用s、l、g、aq标明物质的聚集状态。

步骤3:标条件。

标明反应物的温度和压强(101kPa、25℃时可不标注)。

步骤4:标ΔH。

在方程式后写出ΔH，并根据信息注明ΔH的“+”或“-”。

步骤5:标数值。

根据化学计量数计算写出ΔH的数值。

例4近年来，研究人员提出利用含硫物质热化学循环实现太阳能的转化与存储。过程如下:

反应Ⅰ:2H2SO4(l)==2SO2(g)+2H2O(g)+O2(g) ΔH1=+551kJ·mol-1

反应Ⅲ:S(s)+O2(g)==SO2(g)ΔH3=-297kJ·mol-1

反应Ⅱ的热化学方程式:___。

解析：根据过程，反应Ⅱ为SO2催化歧化生成 H2SO4和S，反应为3SO2+2H2O==2H2SO4+S。应用盖斯定律，反应Ⅰ+反应Ⅲ得，2H2SO4(l)+S(s)==3SO2(g)+2H2O(g) ΔH= ΔH1+ ΔH3=(+551kJ·mol-1)+(-297kJ·mol-1)=+254kJ·mol-1，反应Ⅱ的热化学方程式为3SO2(g)+2H2O(g)==2H2SO4(l)+S(s)ΔH=-254kJ·mol-1。

答 案：3SO2(g)+2H2O(g)==2H2SO4(l)+S(s) ΔH2=-254kJ·mol-1

题型五：热化学方程式的正误判断

【思维模板】热化学方程式书写的正误判断模板。

步骤1:审“+”“-”。

放热反应一定为“-”，吸热反应一定为“+”。

步骤2:审单位。

单位一定为“kJ·mol-1”，易漏写或错写成“kJ”。

步骤3:审状态。

物质的状态必须正确，特别是溶液中的反应易写错。

步骤4:审数值的对应性。

反应热的数值必须与方程式的化学计量数相对应，即化学计量数与ΔH成正比。当反应逆向时，其反应热与正反应的反应热数值相等，符号相反。

步骤5:审是否符合概念。

注意燃烧热和中和热的概念以及与此相关的热化学方程式。

例5通过以下反应可获得新型能源二甲醚(CH3OCH3)。下列说法不正确的是( )。

①C(s)+H2O(g)==CO(g)+H2(g)ΔH1=akJ·mol-1

②CO(g)+H2O(g)==CO2(g)+H2(g)ΔH2=bkJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=ckJ·mol-1

④2CH3OH(g)==CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4=dkJ·mol-1

A.反应①②为反应③提供原料气

B.反应③也是CO2资源化利用的方法之一

D.反 应 2CO(g)+4H2(g)==CH3OCH3(g)+H2O(g)的ΔH=(2b+2c+d)kJ·mol-1

解析：反应③中的反应物为CO2、H2，由反应可知，反应①②为反应③提供原料气，A项正确；反应③中的反应物为CO2，转化为甲醇，则反应③也是CO2资源化利用的方法之一，B项正确；由反应④可知，物质的量与热量成正比，且气态水的能量比液态水的能量高，则反应，C项错误；由盖斯定律可知，②×2+③×2+④得到2CO(g)+4H2(g)==CH3OCH3(g)+H2O(g)，则ΔH=(2b+2c+d)kJ·mol-1，D项正确。

答案：C