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热重法离不开反应原理

来源:未知作者:胡嘉谋 点击:所属专题: 热重法
热重法是在程序控温下测量易分解物质的质量随温度(或时间)的变化关系。热重曲线常以试样质量或残留率为纵坐标,横坐标为温度或时间绘成的定量曲线图。利用物质热重法分析的推断题,既需要定性分析又需要定量计算。由于解题过程常需要严谨的计算与分析,学生认为性价比不高,

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热重法是在程序控温下测量易分解物质的质量随温度(或时间)的变化关系。热重曲线常以试样质量或残留率为纵坐标,横坐标为温度或时间绘成的定量曲线图。利用物质热重法分析的推断题,既需要定性分析又需要定量计算。由于解题过程常需要严谨的计算与分析,学生认为性价比不高,在考场上基本都是跳过,或是检查时匆匆蒙上一个答案,得分率很低。俗话说,一把钥匙开一把锁。此类问题要采取定性推测与定量验证来准确推断。定性推测:对热重图像中的易分解物质发生的分解反应原理进行分析判断,是失水过程,还是分解过程,甚至是在空气中灼烧生成不同价态氧化物的过程(有O2参与反应)等情况,初步确定产物的可能化学式。定量验证:对热重图像中的有关数据根据化学式进行计算,定量计算的方法一般有元素守恒、质量守恒、差量法等。请看示例。

一、各种金属含氧酸盐的分解

因金属氧化物的能量明显低于硫化物、氮化物、磷化物、碳化物等,故各种金属含氧酸盐的热分解反应的产物一般为金属氧化物与相应热重法离不开反应原理酸酐等。如果金属含氧酸盐有结晶水,则结晶水合物受热一般先失去结晶水;如果是变价金属元素,则产物可能是多种价态的金属氧化物。

例1.CoC2O4·2H2O热分解质量变化过程如下图所示(其中600℃以前是隔绝空气加热,600℃以后是在空气中加热);A、B、C均为纯净物;A、B、C点所示产物的化学式分别是________。

热重法离不开反应原理

解析:CoC2O4·2H2O属于变价金属元素的结晶水合物,600℃前后分解反应原理不同。600℃前隔绝空气加热的分解产物A、B中Co的化合价均为+2价。600℃后在空气中加热固体质量增加,只能是与空气中的氧气反应,Co应升价。

定性推测:CoC2O4·2H2O受热分解生成A、B,要经过失水与分解两个过程,可能产物为无水物CoC2O4与氧化物CoO。

定量验证:设A、B的摩尔质量分别为MA、MB,根据Co元素守恒:

18.30g/183g·mol-1=14.70g/MA=7.50g/MB,解得MA=147g·mol-1

MB=75.0g·mol-1,恰为CoC2O4、CoO的摩尔质量,故A、B分别为CoC2O4、CoO。

定性推测:600℃后在空气中加热CoO被空气中的氧气氧化,固体质量增加,类比Fe,Co有+2、+3价,可能生成Co2O3,也可能生成Co3O4

定量验证:设C的化学式为CoXOY

X∶Y=7.5/75∶[7.5/75+(8.03﹣7.50)/16)]=0.1∶0.133=3∶4,

故C为Co3O4或CoO·Co2O3

二、各种金属氢氧化物的热分解

金属氢氧化物的受热分解反应的一般规律为生成金属氧化物与水。若是变价金属,则在空气中加热产物可能为多种价态的金属氧化物。

例2.Co在化合物中呈现的价态类似于铁。Co(OH)2在空气中加热时,固体残留率随温度的变化如图所示。已知290℃时Co(OH)2已完全脱水,则1000℃时,剩余固体的成分为________(填化学式);在290~500℃范围内,发生的反应的化学方程式为_______。在350~400℃范围内,剩余固体的成分为(填化学式)。

热重法离不开反应原理

定性推测:联想Fe元素,知Co有+2、+3价,Co(OH)2在空气中加热可能生成多种价态的金属氧化物,如CoO、Co2O3、Co3O4等。

定量验证:Co(OH)2的相对分子质量为93。

若剩余固体若为CoO(M=75),则固体残留率75/93=0.8065(C点);

若剩余固体若为Co2O3(M=166),则固体残留率为166/(2×93)=0.8925(a点);若剩余固体若为Co3O4(M=241),则固体残留率为241/(3×93)=0.8638(B点)。显然,1000℃时,剩余固体C的成分为CoO。在290~500℃范围内,AB段发生反应是Co2O3生成Co3O4

CoO     6Co2O3热重法离不开反应原理4CO3O4+O2↑      Co2O3、Co3O4

例3.(2014江苏高考18节选)碱式碳酸铝镁[MgaAlb(OH)c(CO3)d·xH2O]常用作塑料阻燃剂。为确定碱式碳酸铝镁的组成,进行如下实验:①准确称取3.390g 样品与足量稀盐酸充分反应,生成CO2  0·560L(已换算成标准状况下)。②另取一定量样品在空气中加热,样品的固体残留率(固体样品的剩余质量/固体样品的起始质量×100%)随温度的变化如右图所示(样品在270℃时已完全失去结晶水,600℃以上残留固体为金属氧化物的混合物)。

根据以上实验数据计算碱式碳酸铝镁样品中n(OH) :n(CO32)(写出计算过程)。

热重法离不开反应原理

定性推测:碱式碳酸铝镁实际上是金属氢氧化物与金属碳酸盐的组合,在空气中加热先失水生成无水物,再分解得到的残留固体为氧化镁和氧化铝。

定量验证:依题意知样品分解放出的CO2与样品和足量稀盐酸反应生成CO2是等价的。

n(CO2)=0.560L/22.4mol·L-1=2.50×102mol    m(CO2)=1.10g,

无水物分解生成的CO2与H2O的质量m(CO2)+m(H2O)=3.390g×(0.7345﹣0.3702)=1.235g    m(H2O)=1.235g﹣1.10g=0.135g    n(H2O)=0.135g/18g·mol-1=7.50×10-3mol,n(OH)=1.50×10-2mol,n(OH) :n(CO32)=1.50×10-2mol∶2.50×10-2mol=3∶5。

三、各种金属氧化物的热分解

高价金属氧化物受热分解反应的一般规律为生成低价金属氧化物与氧气。

例4.(2014全国Ⅱ卷27节选)PbO2在加热过程发生分解的失重曲线如下图所示,已知失重曲线上的a点为样品失重4.0%(热重法离不开反应原理)的残留固体,若a点固体表示为PbOx或mPbO2·nPbO,列式计算x值和m∶n值。

热重法离不开反应原理

定性推测:样品失重的原因是分解生成了氧气,得到的a点固体为低价Pb的氧化物PbOx或mPbO2·nPbO。

定量验证:设PbO2为1mol,质量为239g,其中氧元素为2mol,失重为氧元素的质量,其物质的量为239g×4.0%/16g·mol-1≈0.6mol,

x=2﹣0.6=1.4。根据mPbO2·nPbO中的O、Pb元素守恒知:

(2m+n)/(m+n)=1.4∶1,解得m∶n=2∶3。

例5.CrO3主要用于电镀工业,做自行车、仪表等日用五金电镀铬的原料。CrO3具有强氧化性,热稳定性较差,加热时逐步分解,其固体残留率随温度的变化如下图所示。

热重法离不开反应原理

请回答下列问题:

(1)B点时剩余固体的化学式是______。

(2)加热至A点时反应的化学方程式为_____________________________。

定性推测:CrO3加热后失重为氧元素质量,A点、B点氧化物均为CrXOY

定量验证:设CrO3的质量为100g,则B点剩余固体的质量为76g,知氧元素的质量差为24g。CrO3中的铬与氧元素的质量比为52∶48,则B点CrXOY中的铬与氧元素的质量比变为:52∶24,X∶Y=52/52∶24/16=2∶3,B点时剩余固体的化学式为Cr2O3A点剩余固体的质量为94.67g,知氧元素的质量差为5.33g,则A点CrXOY中的铬与氧元素的质量比为:

52∶(94.67﹣52)=52∶42.67,X∶Y=52/52∶42.67/16=3∶8,A点时剩余固体的化学式为Cr3O8

(1)Cr2O3 (2)6CrO3热重法离不开反应原理2Cr3O8+O2

四、其它物质的热分解

例6.右图是CoCl2·6H2O晶体受热分解时,剩余固体质量随温度变化的曲线,A、B物质的化学式分别是______。

热重法离不开反应原理

定性推测:CoCl2·6H2O晶体受热经A、B两步脱水,最后变为无水CoCl2

定量验证:由于起始质量不知道,根据产物CoCl2的质量计算。设A、B的化学式分别为CoCl2·nH2O、CoCl2·mH2O,由钴元素守恒得:

65/130=83/(130+18n)=74/(130+18m),解得n=2,m=1,故A、B的化学式分别为:CoCl2·2H2O、CoCl2·H2O。

现场训练:

1.下图是100mgCaC2O4·H2O受热分解时所得固体产物的质量随温度变化的曲线。试用图中信息结合所学知识,回答下列问题:

热重法离不开反应原理

(1)推断CaC2O4·H2O持续受热所得固体产物A、B、C的化学式。

(2)写出由A受热反应得到B的化学方程式。

2.下图是200 mg MnC2O4·2H2O晶体放在坩埚里加热分解时,所得固体产物的质量(m)随温度(T)变化的曲线(已知热重法离不开反应原理草酸锰不稳定,但其中锰元素的化合价在300℃以下不变)。

热重法离不开反应原理

试回答下列问题:

(1)写出B点固体产物的化学式:_______。

(2)从B点到C点过程中固体物质质量不变的原因是________________。

(3)通过计算确定D点产物的相对分子质量,并推断其合理的化学式:__

(4)从D点到E点过程中固体物质质量增加的原因是___

3.8.34gFeSO4·7H2O样品在隔绝空气条件下受热脱水过程的热重曲线(样品质量随温度变化的曲线)如图所示。下列说法中正确的是()

热重法离不开反应原理

A.温度为78℃时固体物质M的化学式为FeSO4·5H2O

B.温度为L59℃时固体物质N的化学式为FeSO4·3H2O

C.在隔绝空气条件下由N得到P的化学方程式为FeSO4热重法离不开反应原理FeO+SO3

D.取适量380℃时所得的样品P,隔绝空气加热至650℃,得到一种固体物质Q,同时有两种无色气体生成,Q的化学式为Fe2O3


4.0.80g CuSO4·5H2O样品受热脱水过程的热重曲线(样品质量随温度变化的曲线)如图所示。

热重法离不开反应原理


请回答下列问题:

(1)试确定200℃时固体物质的化学式_____(要求写出推断过程)。

(2)取270℃所得样品,于570℃灼烧得到的主要产物是黑色粉末和一种氧化性气体,该反应的化学方程式为______。把该黑色粉末溶解于稀硫酸中,经浓缩、冷却,有晶体析出,该晶体的化学式为___,其存在的最高温度是______。


参考答案:

1.(1)固体产物A、B、C的化学式分别是CaC2O4、CaCO3、CaO。

(2)由A受热反应得到B的化学方程式为CaC2O4热重法离不开反应原理CaCO3+CO↑

2.(1)MnC2O4

(2)MnC2O4在100~205℃时较稳定

(3)产物为MnO,其相对分子质量为71

(4)MnO与空气中的O2发生化合反应,生成新的锰的氧化物

3.D

4.(1) CuSO4·H2O

推断过程:设200℃时固体物质的化学式为CuSO4·(5﹣n)H2O,根据铜元素守恒知0.80/250=0.57/(160+90﹣18n),解得n=4,故200℃时固体物质的化学式为CuSO4·H2O。

(2)温度为570℃灼烧得到的黑色粉末应是CuO,CuSO4热重法离不开反应原理CuO+SO3

晶体为CuSO4·5H2O;其存在的最高温度是102℃。

(责任编辑:化学自习室)
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