高三熱重分析專題學(xué)習(xí)案及解題指南熱重分析作為一種重要的熱分析技術(shù)，在化學(xué)學(xué)科，尤其是物質(zhì)組成、變化過(guò)程及反應(yīng)機(jī)理的研究中占據(jù)著舉足輕重的地位。對(duì)于高三學(xué)生而言，掌握熱重分析的基本原理、曲線解讀方法以及相關(guān)計(jì)算，不僅是應(yīng)對(duì)高考綜合題型的需要，更是培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的有效途徑。本專題學(xué)習(xí)案旨在系統(tǒng)梳理熱重分析的核心知識(shí)，并結(jié)合典型例題，提供清晰的解題思路與技巧，助力同學(xué)們攻克這一難點(diǎn)。一、熱重分析基礎(chǔ)認(rèn)知1.1熱重分析的定義與內(nèi)涵熱重分析（ThermogravimetricAnalysis,TGA），顧名思義，是在程序控制溫度的條件下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度（或時(shí)間）變化的一種技術(shù)。這里的“程序控制溫度”通常指線性升溫、降溫或恒溫過(guò)程，而質(zhì)量變化則是我們關(guān)注的核心信號(hào)，它直接反映了物質(zhì)在受熱過(guò)程中發(fā)生的物理或化學(xué)變化，如脫水、分解、氧化、還原、吸附或解吸等。1.2熱重曲線（TG曲線）的解讀熱重分析的結(jié)果通常以熱重曲線（TG曲線）的形式呈現(xiàn)。*橫坐標(biāo)（X軸）：通常為溫度（T，單位為℃或K）或時(shí)間（t）。*縱坐標(biāo)（Y軸）：通常為樣品的質(zhì)量（m）或剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)（%）。剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是指某一溫度下樣品的剩余質(zhì)量與初始質(zhì)量的比值，這在比較不同樣品或進(jìn)行失重計(jì)算時(shí)尤為方便。一條典型的TG曲線會(huì)呈現(xiàn)出若干平臺(tái)和臺(tái)階。*平臺(tái)：當(dāng)曲線呈現(xiàn)水平時(shí)，表明在該溫度區(qū)間內(nèi)樣品質(zhì)量基本不變，說(shuō)明樣品在此階段是穩(wěn)定的，未發(fā)生質(zhì)量變化的物理或化學(xué)過(guò)程。*臺(tái)階：當(dāng)曲線出現(xiàn)明顯的下降（或上升，較少見(jiàn)）時(shí)，形成一個(gè)“臺(tái)階”，表明樣品在該溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生了質(zhì)量損失（或增加）。每一個(gè)臺(tái)階通常對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的物理或化學(xué)變化過(guò)程。臺(tái)階的起始溫度、終止溫度、臺(tái)階的高度（即質(zhì)量變化量）以及斜率，都是解讀熱重曲線的關(guān)鍵信息。1.3熱重分析的基本原理熱重分析主要依賴于高精度的熱天平。樣品被置于坩堝中，在特定的氣氛（如空氣、氮?dú)狻⒍栊詺怏w等）下，以設(shè)定的速率升溫。天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品的質(zhì)量變化，并將其與對(duì)應(yīng)的溫度（或時(shí)間）記錄下來(lái)，從而繪制出TG曲線。氣氛的選擇對(duì)熱重分析結(jié)果至關(guān)重要，例如，在空氣中加熱可能發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致質(zhì)量增加或加速分解，而在惰性氣氛中則可避免樣品被氧化。二、高考熱重分析常見(jiàn)題型與解題策略熱重分析在高考中常以化學(xué)實(shí)驗(yàn)題或計(jì)算題的形式出現(xiàn)，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)曲線信息的提取能力、化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)能力以及基于質(zhì)量守恒的計(jì)算能力。2.1由熱重曲線推斷物質(zhì)的分解過(guò)程與產(chǎn)物這是最常見(jiàn)的題型。通常給出一種已知組成的物質(zhì)（如結(jié)晶水合物、碳酸鹽、氫氧化物等）的TG曲線，要求分析其在不同溫度段的分解反應(yīng)，確定分解產(chǎn)物，并寫(xiě)出相應(yīng)的化學(xué)方程式。解題步驟與要點(diǎn)：1.明確起始物質(zhì)的組成與相對(duì)分子質(zhì)量（或摩爾質(zhì)量）：這是后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)。2.確定失重階段：觀察TG曲線，識(shí)別出明顯的失重臺(tái)階。每個(gè)臺(tái)階對(duì)應(yīng)一個(gè)（或一組連續(xù)）分解反應(yīng)。3.計(jì)算各階段的失重率（或失重質(zhì)量）：*失重率=[(起始質(zhì)量-某溫度下剩余質(zhì)量)/起始質(zhì)量]×100%*在題目中，常給出樣品的起始質(zhì)量（如1mol樣品或一定質(zhì)量的樣品），或直接利用剩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算失重的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。4.結(jié)合化學(xué)知識(shí)推斷分解產(chǎn)物：*根據(jù)失重率計(jì)算出每摩爾起始物質(zhì)失去的各組分（如H?O、CO?、O?等）的物質(zhì)的量。*例如，結(jié)晶水合物的脫水過(guò)程，可通過(guò)計(jì)算失重的質(zhì)量與水的摩爾質(zhì)量之比，得到失去結(jié)晶水的數(shù)目。*對(duì)于碳酸鹽的分解，通常失去CO?；氫氧化物分解可能失去H?O；某些含結(jié)晶水的鹽類分解可能同時(shí)失去H?O和酸性氧化物（如SO?）。*注意：分解過(guò)程可能是分步進(jìn)行的，例如，某些多元弱酸鹽或復(fù)雜的結(jié)晶水合物會(huì)在不同溫度下分步分解，形成不同的中間產(chǎn)物，最終得到穩(wěn)定的氧化物或其他穩(wěn)定產(chǎn)物。5.驗(yàn)證推斷的合理性：將推斷出的產(chǎn)物和反應(yīng)過(guò)程與TG曲線的臺(tái)階數(shù)、失重比例進(jìn)行核對(duì)，確保一致。示例思路（假設(shè)情境）：已知某草酸鹽晶體M?C?O?·nH?O（M為某金屬元素）的TG曲線。*第一階段失重：通常較低溫度下失去結(jié)晶水，計(jì)算失水量，確定n值。*第二階段失重：草酸鹽分解，可能生成碳酸鹽和CO，或直接分解為氧化物、CO?和CO（視金屬活潑性及溫度而定）。根據(jù)失重比例，結(jié)合草酸鹽、可能的碳酸鹽或氧化物的摩爾質(zhì)量，推斷分解產(chǎn)物。2.2由熱重?cái)?shù)據(jù)確定物質(zhì)的化學(xué)式或結(jié)晶水?dāng)?shù)目此類題目通常給出樣品在不同溫度下的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)（或TG曲線的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)），要求確定原物質(zhì)的化學(xué)式，特別是結(jié)晶水合物中結(jié)晶水的數(shù)目，或復(fù)雜氧化物的組成。解題步驟與要點(diǎn)：1.設(shè)未知數(shù)：設(shè)原物質(zhì)的化學(xué)式（如結(jié)晶水合物為A·xH?O），或關(guān)鍵組分的數(shù)目（如氧化物中某元素的價(jià)態(tài)或原子個(gè)數(shù)比）。2.選取合適的數(shù)據(jù)點(diǎn)：通常選擇完全分解后的殘留固體（一般為穩(wěn)定的氧化物）作為計(jì)算的基準(zhǔn)，因?yàn)榇藭r(shí)的物質(zhì)組成相對(duì)簡(jiǎn)單明確。3.根據(jù)質(zhì)量守恒列方程：*原樣品的物質(zhì)的量與分解后殘留固體的物質(zhì)的量之間存在一定的化學(xué)計(jì)量關(guān)系。*利用已知的起始質(zhì)量和殘留固體質(zhì)量（或其占起始質(zhì)量的百分比），結(jié)合摩爾質(zhì)量，列出關(guān)于未知數(shù)的方程。4.求解未知數(shù)：解方程得到未知數(shù)的值，注意結(jié)果應(yīng)為合理的整數(shù)（或根據(jù)題目要求保留小數(shù)）。5.檢驗(yàn)：將求得的化學(xué)式代入各失重階段進(jìn)行驗(yàn)證，看是否與題目給出的熱重?cái)?shù)據(jù)吻合。示例思路（假設(shè)情境）：將一定質(zhì)量的某硫酸銅晶體加熱，失去全部結(jié)晶水后質(zhì)量變?yōu)樵|(zhì)量的一定百分比。*設(shè)硫酸銅晶體為CuSO?·xH?O。*則有(CuSO?的摩爾質(zhì)量)/(CuSO?·xH?O的摩爾質(zhì)量)=剩余質(zhì)量百分比。*代入摩爾質(zhì)量數(shù)值，即可解出x。2.3結(jié)合熱重曲線與其他信息進(jìn)行綜合推斷有時(shí)題目會(huì)將熱重分析與物質(zhì)的性質(zhì)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、差熱分析（DTA）或差示掃描量熱（DSC）曲線等信息結(jié)合，要求進(jìn)行更全面的分析和推斷。解題策略：1.整合所有信息：仔細(xì)閱讀題目給出的每一條信息，包括文字描述、數(shù)據(jù)、曲線特征等，將其視為一個(gè)整體。2.尋找突破口：通常熱重曲線的失重?cái)?shù)據(jù)是計(jì)算的關(guān)鍵，而物質(zhì)的顏色變化、氣體產(chǎn)物的檢驗(yàn)等信息則有助于確定產(chǎn)物種類。3.分步分析，層層遞進(jìn)：對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，不要急于求成，應(yīng)按照溫度升高的順序，逐步分析每個(gè)階段發(fā)生的變化。2.4熱重曲線與反應(yīng)機(jī)理探討此類題目要求較高，不僅要推斷產(chǎn)物，還要根據(jù)失重的速率（即TG曲線的斜率）等信息，初步判斷反應(yīng)的難易程度或反應(yīng)機(jī)理的差異。但在高考中出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，更多是作為拓展性考查。解題策略：*曲線斜率越大，表明在該溫度段內(nèi)質(zhì)量變化越快，反應(yīng)速率越大（可能對(duì)應(yīng)著更易發(fā)生的反應(yīng)或更劇烈的分解）。*比較不同樣品的TG曲線，可以判斷其熱穩(wěn)定性的差異。例如，起始分解溫度越高，表明物質(zhì)越穩(wěn)定。三、熱重分析計(jì)算中的關(guān)鍵技巧3.1失重率的計(jì)算與應(yīng)用失重率是熱重分析中最核心的數(shù)據(jù)之一。*計(jì)算公式：失重率（%）=[Δm/m?]×100%=[(m?-m_t)/m?]×100%其中，m?為起始質(zhì)量，m_t為某一溫度下的剩余質(zhì)量，Δm為該階段的失重量。*應(yīng)用：根據(jù)失重率可以計(jì)算出每摩爾樣品失去的某組分的質(zhì)量，進(jìn)而推算失去的物質(zhì)的量，從而確定分解反應(yīng)式或產(chǎn)物組成。3.2利用“物質(zhì)的量”守恒進(jìn)行計(jì)算在分解反應(yīng)中，某一核心元素（如金屬元素）的物質(zhì)的量在反應(yīng)前后保持不變。這是一個(gè)非常重要的守恒關(guān)系。*例如：設(shè)樣品A（含金屬M(fèi)）的物質(zhì)的量為1mol，經(jīng)過(guò)熱分解后得到含M的產(chǎn)物B，則產(chǎn)物B中M的物質(zhì)的量也為1mol。通過(guò)A的摩爾質(zhì)量和B的摩爾質(zhì)量以及失重率，可以建立聯(lián)系。*表達(dá)式：m?×(1-失重率)=M_B×n_B，其中n_B為產(chǎn)物B的物質(zhì)的量（與A的物質(zhì)的量相關(guān)）。3.3差量法在熱重計(jì)算中的應(yīng)用差量法是化學(xué)計(jì)算中的經(jīng)典方法，在熱重分析中尤為適用。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，利用反應(yīng)前后固體質(zhì)量的差值（即失重Δm）與反應(yīng)物、生成物的化學(xué)計(jì)量數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。示例（假設(shè)情境）：加熱分解ag碳酸鈣，一段時(shí)間后剩余固體質(zhì)量為bg，求分解率。反應(yīng)方程式：CaCO?(s)→CaO(s)+CO?(g)Δm（固體質(zhì)量減少）100g56g44g44g則有：(100g/44g)=(分解的CaCO?質(zhì)量)/(a-b)g，從而求出分解的CaCO?質(zhì)量，再計(jì)算分解率。四、學(xué)習(xí)建議與注意事項(xiàng)1.夯實(shí)基礎(chǔ)，理解本質(zhì)：首先要深刻理解熱重分析的基本原理，明白TG曲線每個(gè)特征的含義，不要僅僅停留在“看圖說(shuō)話”的層面。2.勤加練習(xí)，歸納總結(jié)：熱重分析的題目形式多樣，但萬(wàn)變不離其宗。通過(guò)大量練習(xí)高考真題和模擬題，熟悉常見(jiàn)的考查方式和解題套路，歸納不同類型物質(zhì)（如碳酸鹽、氫氧化物、結(jié)晶水合物、草酸鹽、硝酸鹽等）的分解規(guī)律和TG曲線特征。3.注重計(jì)算，細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)：熱重分析涉及較多的計(jì)算，包括摩爾質(zhì)量的計(jì)算、物質(zhì)的量的換算、失重率的計(jì)算等。在計(jì)算過(guò)程中務(wù)必細(xì)心，注意單位的統(tǒng)一和有效數(shù)字的保留（根據(jù)題目要求）。4.聯(lián)系實(shí)際，綜合應(yīng)用：將熱重分析與化學(xué)熱力學(xué)（如分解反應(yīng)的ΔH、ΔS）、化學(xué)平衡、元素化合物知識(shí)