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素养2素养1目录ONTENTSC章末排查练（三）第三章金属及其化合物学科素养提升(二)用定量法解析“热重曲线”中学化学热重曲线试题是近年来高考化学试题的常见题型，它是以热重法(TG)实验获得的图像数据为情境设计的试题。这类试题大多依据结晶水合盐试样热重法实验图像而编制。一般认为加热结晶水合盐反应可分三步进行：第一步是脱去部分水，第二步是生成羟基盐或含水盐，第三步是生成金属氧化物；如果热重实验的气氛为空气，则加热过程中可能被氧化，反应将变得更复杂一些。热重曲线试题可分为两类：第一类，试样发生分解反应，以脱水、分解等方式失重，气氛物质不参加反应；第二类，试样发生氧化、还原等反应，以氧化、还原等方式失重，气氛物质可参加反应，如氧气氧化等。当然也有试题形式上是两者的结合，但本质上可以分步处理，故仍属于上述类型。(一)加热的物质都有固定的化学式1．固体试样以脱水、分解等方式失重[例1]随着材料科学的发展，金属钒及其化合物得到了越来越广泛的应用，并被誉为“合金的维生素”。经过热重分析测得：NH4VO3在焙烧过程中，固体质量的减少值(纵坐标)随温度变化的曲线如图所示。则NH4VO3在分解过程中________。A．先分解失去H2O，再分解失去NH3B．先分解失去NH3，再分解失去H2OC．同时分解失去H2O和NH3D．同时分解失去H2、N2和H2O[解析]NH4VO3的摩尔质量为117g/mol，设NH4VO3物质的量为1mol，则210℃时失重的质量为1mol×117g/mol×(1－85.47%)≈17g。NH3的摩尔质量为17g/mol，所以先分解失去NH3。根据质量守恒定律，化学方程式为NH4VO3=====210℃HVO3＋NH3↑。380℃时失重的质量为1mol×117g/mol×(1－77.78%)≈26g。在第一次失重的基础上，第二次又失去的质量为26g－17g＝9g。H2O的摩尔质量为18g/mol，所以再分解失去0.5molH2O。根据质量定律守恒，化学方程式为2HVO3=====380℃V2O5＋H2O↑。确定B选项正确。[答案]B2．固体试样以氧化、还原等方式失重[例2]正极材料为LiCoO2的锂离子电池已被广泛用作便携式电源。但钴的资源匮乏限制了其进一步发展。Co(OH)2在空气中加热时，固体残留率随温度的变化曲线如图所示。已知钴的氢氧化物加热至290℃时已完全脱水，则1000℃时，剩余固体成分为________(填化学式，下同)；在350～400℃范围内，剩余固体成分为________。[解析]Co(OH)2的摩尔质量为93g/mol，设Co(OH)2的物质的量为1mol，则C点1000℃时失重的质量为1mol×93g/mol×(1－80.65%)≈18g，即1molH2O，根据质量守恒定律，化学反应方程式为Co(OH)2=====△CoO＋H2O。1000℃时剩余固体的成分为CoO。B点500℃时失重的质量为1mol×93g/mol×(1－86.38%)≈12.7g。已知290℃时，Co(OH)2已完全脱水，1molCo(OH)2脱水成CoO时应失重的质量为18g，因为500℃时失重的质量不到18g，所以一定有氧气进入，使钴元素的化合价发生了变化。进入氧元素的物质的量为n(O)＝18g－12.7g16g/mol＝13mol，即可表述为CoO·O13，整理得化学式为Co3O4。同理，A点290℃时失重的质量为1mol×93g/mol×(1－89.25%)＝10g，进入氧元素的物质的量为n(O)＝18g－10g16g/mol＝0.5mol，即可表述为CoO·O0.5，整理得化学式为Co2O3。所以在350～400℃范围剩余固体是Co3O4和Co2O3的混合物。[答案]CoOCo3O4和Co2O33．固体试样先后以两种不同的方式失重[例3]MnCO3在空气中加热易转化为不同价态的锰的氧化物，其固体残留率随温度的变化如图所示。则(1)300℃时，剩余固体中n(Mn)∶n(O)为__________。(2)图中点D对应固体的成分为________(填化学式)。[解析]设MnCO3的物质的量为1mol，即质量为115g。(1)A点剩余固体质量为115g×75.65%≈87g。减少的质量为115g－87g＝28g，可知MnCO3失去的组成为“CO”，故剩余固体的成分为MnO2。(2)C点剩余固体质量为115g×61.74%≈71g，据锰元素守恒知m(Mn)＝55g，则m(O)＝71g－55g＝16g，则n(Mn)∶n(O)＝5555∶1616＝1∶1，故剩余固体的成分为MnO，同理，B点剩余固体质量为115g×66.38%＝76.337g，因m(Mn)＝55g，则m(O)＝76.337g－55g＝21.337g，则n(Mn)∶n(O)＝5555∶21.33716≈3∶4，故剩余固体的成分为Mn3O4，因D点介于B、C之间，故D点对应固体的成分为Mn3O4与MnO的混合物。[答案](1)1∶2(2)Mn3O4和MnO(二)加热的物质没有固定的化学式[例4]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0.560LCO2(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的n(OH－)∶n(CO2－3)＝__________。[解析]碱式碳酸铝镁的化学式不确定，题中只表示为MgaAlb(OH)c(CO3)d·xH2O，无法求得摩尔质量。试题中以3.390g样品为研究对象，不妨暂定3.390g样品为1mol。3.390g样品与足量的稀盐酸充分反应，生成CO2体积为0.560L(标准状况)。n(CO2)＝0.560L22.4L/mol＝0.025mol，根据C守恒，即可确定为d为0.025。270℃时已完全失去结晶水，失去结晶水的质量为3.390g×(1－73.45%)≈0.9g,600℃以上残留固体为金属氧化物的混合物，说明又失去了除结晶水外的氢元素。失去的氢元素只能再结合样品中的氧元素生成水。600℃时失重的质量为3.390g×(1－37.02%)≈2.135g，失去氢元素再生成水的质量为2.135g－(0.025mol×44g/mol)－0.9g＝0.135g。n(H)＝0.135g×218g/mol＝0.015mol，根据氢元素守恒，c＝0.015。故碱式碳酸铝镁样品中的n(OH－)∶n(CO2－3)＝0.015∶0.025＝3∶5。通过上述例题分析发现，解决热重曲线问题，应以1mol物质为研究对象，抓住失重时减少的质量，结合摩尔质量，即可快速求解，化繁为简。[答案]3∶5[巩固训练]1．PbO2受热会随温度升高逐步分解。称取23.9gPbO2，将其加热分解，受热分解过程中固体质量随温度的变化如下图所示。A点与C点对应物质的化学式分别为____________、____________。解析：n(PbO2)＝23.9g239g·mol－1＝0.1mol，其中n(O)＝0.2mol。A点，减少的固体质量为：23.9g－23.1g＝0.8g，即减少的n(O)＝0.816＝0.05(mol)，则剩余的n(O)＝0.2－0.05＝0.15(mol)，则剩余的n(Pb)∶n(O)＝0.1∶0.15＝2∶3。则A点的物质是Pb2O3，同理可得C点物质是PbO。答案：Pb2O3PbO[巩固训练]2．将Ce(SO4)2·4H2O(摩尔质量为404g·mol－1)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%)随温度的变化如下图所示。当固体残留率为70.3%时，所得固体可能为________(填字母)。A．Ce(SO4)2B．Ce2(SO4)3C．CeOSO4解析：404×70.3%≈284，A的相对分子质量为332，B的相对分子质量为568，C的相对分子质量为252，根据质量守恒808×70.3%≈568，应选B。答案：B3．在空气中加热10.98g草酸钴晶体(CoC2O4·2H2O)样品，受热过程中不同温度范围内分别得到一种固体物质，其质量如下表。温度范围/℃固体质量/g150～2108.82290～3204.82890～9204.50(1)加热到210℃时，固体物质的化学式为___________________________________。(2)经测定，加热到210～310℃过程中的生成物只有CO2和钴的氧化物，此过程发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)CoC2O4·2H2O失去全部结晶水后固体的质量为10.98×147183g＝8.82g，即加热到210℃时，固体物质是CoC2O4。(2)根据元素守恒，n(CO2)＝8.82147×2mol＝0.12mol，质量为0.12mol×44g·mol－1＝5.28g，固体量减少(8.82－4.82)g＝4.00g，说明有气体参加反应，即有氧气参加，氧气的质量为(5.28－4.00)g＝1.28g，其物质的量为1.2832mol＝0.04mol，n(CoC2O4)∶n(O2)∶n(CO2)＝8.82147∶0.04∶0.12＝0.06∶0.04∶0.12＝3∶2∶6，依据原子守恒，3CoC2O4＋2O2===Co3O4＋6CO2。答案：(1)CoC2O4(2)3CoC2O4＋2O2===Co3O4＋6CO24．将草酸锌晶体(ZnC2O4·2H2O)加热分解可得到一种纳米材料。加热过程中固体残留率随温度的变化如图所示，300～460℃范围内，发生反应的化学方程式为：________________________________________________________________________。答案：ZnC2O4=====△ZnO＋CO↑＋CO2↑5．CoC2O4是制备钴的氧化物的重要原料。下图为二水合草酸钴(CoC2O4·2H2O)在空气中受热的质量变化曲线，曲线中300℃及以上所得固体均为钴氧化物。通过计算确定C点剩余固体的化学成分为________(填化学式)。写出B点对应的物质与O2在225～300℃发生反应的化学方程式：______________________________________________________________________________________________________。解析：CoC2O4·2H2O―→CoC2O4―→CoxOy，C点应为钴的氧化物，18.3g晶体中钴的物质的量为0.1mol，质量为5.9g,8.03gCoxOy中氧的物质的量为8.03g－5.9g16g·mol－1≈0.133mol，所以xy＝0.1mol0.133mol≈34，其化学式为Co3O4。答案：Co3O4(写成CoO·Co2O3亦可)3CoC2O4＋2O2===========225～300℃Co3O4＋6CO26．为研究一水草酸钙的热分解性质，进行如下实验：准确称取36.50g样品加热，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%)随温度的变化如图所示。(1)300℃时残留固体的成分为________，900℃时残留固体的成分为________。(2)通过计算求出500℃时固体的成分及质量(写出计算过程)。答案：(1)CaC2O4CaO(2)500℃时残留固体