高中化学专题讲座(三) 热重分析中的物质成分的判断(精讲)-2022年一轮复习讲练测(解析版)

第三章金属及其化合物专题讲座（三）热重分析中的物质成分的判断（精讲）【考情分析】近年来“热重曲线”类试题均以试样热重实验曲线为依据编制。

试题以试样质量(剩余固体质量占原试样质量的百分比)随温度变化的曲线为载体，以图像和文字组合的形式呈现，考查内容以书写方程式、判断某温度时物质组成为重点，考查方式以填空、计算等形式较为常见，综合考查学生获取信息的能力、处理据的能力和元素守恒的化学思想等，促使学生对中学化学知识内涵的再次理解和体会，题型旨在考查学生“接受、吸收、整合化学信息的能力”从而培养学生分析、变形、转换的能力。

【核心素养分析】宏观辨识与微观探析：能从宏观和微观相结合的视角分析“热重曲线”并解决实际问题。

证据推理与模型认知：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。

能运用模型解释热重曲线的变化，揭示变化的本质和规律。

变化观念与平衡思想：能从质量守恒的角度分析热重曲线，能多角度、动态地分析化学反应的重量变化，运用质量守恒的化学思想解决实际问题。

【知识梳理】1. 结晶水合盐受热分解步骤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。

2.热重曲线试题分类（1）从失重的方式来分，热重曲线类试题可分为两类：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。

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。

（2）根据热重实验所选试样是否已知，热重曲线类试题可分为两类：第一类以已知试样确定产物组成的目标思维法试题；第二类以未知试样需要确定组成的逆向思维法试题。

3.热重曲线图的分析方法坐标曲线题解题时可以拆分为识图、析图、用图三个步骤。

其中识图是基础，析图是关键，用图是目的。

(1)识图。

识图的关键是三看：一看轴即横、纵坐标所表示的化学含义(自变量X轴和函数Y轴表示的意义)，寻找X、Y轴之间的关系，因为这是理解题意和进行正确思维的前提；二看点即曲线中的特殊点(顶点、始点、终点、拐点、交叉点)；三看线即曲线的走势(变化趋势是上升、下降、波动、正态、偏态等变化)。

(2)析图。

分析图中为什么会出现这些特殊点，曲线为什么有这样的变化趋势和走向，分析曲线变化的因果关系；通过联想，把课本内的有关化学概念、原理、规律等与图中的曲线和相关点建立联系。

(3)用图。

将相关的化学知识与图中曲线紧密结合，在头脑中构建新的曲线——知识体系，然后运用新的曲线——知识体系揭示问题的实质，解决实际问题。

4.解题的方法思路(1)设晶体为1 mol ，其质量为m 。

(2)失重一般是先失水，再失非金属氧化物。

(3)计算每步固体剩余的质量(m 余)m 余m×100%=固体残留率。

(4)晶体中金属质量不再减少，仍在m 余中。

(5)失重最后一般为金属氧化物，由质量守恒得m 氧，由n 金属∶n 氧，即可求出失重后物质的化学式。

(6)根据失重后物质的化学式，写出相应的化学方程式。

【典例剖析】高频考点1 考查热重曲线中物质组成的判断例 1.正极材料为LiCoO 2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1 000 ℃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________。

Co(OH)2的热重曲线【解析】Co(OH)2的摩尔质量为93 g/mol ，设Co(OH)2的物质的量为1 mol ，则C 点1 000 ℃时失重的质量为1 mol ×93 g/mol ×(1－80.65%)＝18 g ，即1 mol H 2O ，根据质量守恒定律，化学反应方程式为Co(OH)2CoO ＋H 2O 。

1 000 ℃时剩余固体的成分为CoO 。

B 点500 ℃时失重的质量为1 mol ×93 g/mol ×(1－86.38%)＝12.7 g 。

已知290 ℃时Co(OH)2已完全脱水，1 mol Co(OH)2脱水成CoO 时应失重的质量为18 g ，因为500 ℃时失重的质量不到18 g ，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)＝18 g －12.7 g 16 g/mol ＝13 mol ，即可表述为CoO ·O 13，整理得化学式为Co 3O 4。

同理，A 点290 ℃时失重的质量为1 mol ×93 g/mol ×(1－89.25%)＝10 g ，进入氧元素的物质的量为n (O)＝18 g －10 g16 g/mol ＝0.5 mol ，即可表述为CoO ·O 0.5，整理得化学式为Co 2O 3。

所以在350～400 ℃范围剩余固体是Co 3O 4和Co 2O 3的混合物。

【答案】CoO Co 3O 4和Co 2O 3【名师点睛】本题是固体试样以氧化、还原等方式失重的热重曲线试题考查某温度时物质组成的判断，分析时要注意空气中的氧气参与反应，不完全是分解反应的结果。

例2.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：NH 4VO 3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NH 4VO 3在分解过程中________。

A ．先分解失去H 2O ，再分解失去NH 3B ．先分解失去NH 3，再分解失去H 2OC ．同时分解失去H 2O 和NH 3D ．同时分解失去H 2、N 2和H 2O【解析】[NH 4VO 3的摩尔质量为117 g/mol ，设NH 4VO 3物质的物质的量为1 mol ，则210℃时失重的质量为1 mol ×117 g/mol ×(1－85.47%)＝17 g 。

NH 3的摩尔质量为17 g/mol ，所以先分解失去NH 3。

根据质量守恒定律，化学方程式为NH 4VO 3=====210℃HVO 3＋NH 3↑。

即可确定选B 。

380 ℃时失重的质量为1 mol ×117 g/mol ×(1－77.78%)＝26 g 。

在第一次失重的基础上，第二次又失去的质量为26 g －17 g ＝9 g 。

H 2O 的摩尔质量为18 g/mol ，所以再分解失去0.5 mol H 2O 。

根据质量定律守恒，化学方程式为2HVO 3=====380 ℃V 2O 5＋H 2O ↑。

确定B 选项正确。

【答案】B 【名师点睛】本题是固体试样以脱水、分解等方式失重的热重曲线试题考查某温度时分解产物组成的判断，分析时要注意空气中的氧气并未参与反应，完全是分解反应的结果。

例3.MnCO 3可用作电讯器材元件材料，还可用作瓷釉、颜料及制造锰盐的原料。

它在空气中加热易转化为不同价态锰的氧化物，其固体残留率随温度的变化，如图所示。

则300 ℃时，剩余固体中n (Mn)∶n (O)为________；图中C 点对应固体的成分为________(填化学式)。

MnCO 3的热重曲线【解析】MnCO 3的摩尔质量为115 g/mol ，设MnCO 3的物质的量为1 mol ，则A 点300 ℃时失重的质量为1 mol ×115 g/mol ×(1－75.65%)＝28 g 。

已知CO 的摩尔质量是28 g/mol ，根据质量守恒定律，分解化学方程式为MnCO 3MnO 2＋CO ↑。

所以A 点300 ℃时固体成分的化学式为MnO 2。

则n (Mn)∶n (O)为1∶2。

B 点770 ℃时失重的质量为1 mol ×115 g/mol ×(1－66.38%)＝38.7 g 。

由于300 ℃时固体的成分为MnO 2，再加热造成失重的原因只能是氧元素以O 2的形式逸散失去，随着氧元素的失去，锰的化合价也发生了变化。

因此失去氧元素的物质的量为n (O)＝38.7 g －28 g 16 g/mol ＝23 mol ，可表示为MnO(2－23)，整理得化学式为Mn 3O 4。

D 点900 ℃时失重的质量为1 mol ×115 g/mol ×(1－61.74%)＝44 g 。

失去的n (O)＝44 g －28 g 16 g/mol ＝1 mol ，可表示为MnO (2－1)，整理得化学式为MnO 。

所以C 点时固体物质正从Mn 3O 4转化为MnO ，此时为Mn 3O 4与MnO 的混合物。

【答案】1∶2 Mn 3O 4与MnO【名师点睛】本题是固体试样先以脱水、分解等方式失重后，又以氧化、还原等方式失重的热重曲线试题考查某温度时分解产物组成的判断，分析时要注意分析以分解方式失重与氧化、还原等方式失重的区别，采用不同方法进行分析解决问题。

【变式训练】为研究一水草酸钙(CaC 2O 4·H 2O)的热分解性质，进行如下实验：准确称取36.50 g 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)。

【解析】(1)n(CaC 2O 4·H 2O)=36.50 g 146 g·mol-1=0.25mol ，含有m(H 2O)=0.25 mol ×18 g ·mol -1=4.50 g ，在300 ℃时，m(剩余)m(起始)×100%=87.67%，m(剩余)=36.50 g ×87.67%≈32 g ，减少的质量为36.50 g-32 g=4.50 g ，故此时失去全部的结晶水，残留固体为CaC 2O 4；在900 ℃时，m(剩余)m(起始)×100%=38.36%，m(剩余) =36.50 g ×38.36%≈14 g ，其中Ca 的质量没有损失，含m(Ca)=0.25 mol ×40 g ·mol -1=10 g ，另外还含有m(O)=14 g-10 g=4 g ，n(O)=4 g 16 g·mol -1=0.25 mol ，则n(Ca)∶n(O)=1∶1，化学式为CaO 。