学法指导-热重分析判断金属及其化合物的组成

（1）分析方法

金属化合物的热重分析研究对象一般为各种金属含氧酸盐、金属氢氧化物、金属氧化物的热分解过程，一般为先失水、再分解、后氧化。

如CoC₂O₄·2H₂O在空气中加热时，受热分解过程分为三个阶段：

第一阶段，失去结晶水生成盐：CoC₂O₄·2H₂O→CoC₂O₄。

第二阶段，盐受热分解生成氧化物：CoC₂O₄→CoO。

第三阶段，低价态氧化物与空气中的氧气反应生成高价态氧化物：CoO→Co₂O₃(或Co₃O₄)。

注意：

①每个阶段有可能还分为不同步骤，如第一阶段中可能分步失去不同的结晶水，而不是一步失去所有的结晶水。

②如果是变价金属元素，则在空气中加热产物可能为多种价态的金属氧化物。

（2）基本方法和思路

①设晶体(金属化合物)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)，则固体残留率＝×100%。

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(氧元素)，由n(金属)∶n(氧元素)，即可求出失重后物质的化学式。

【例题】8.34 g FeSO₄·7H₂O(M＝278 g·mol^－1)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，下列说法正确的是(　　)（双选）

A．温度为78 ℃时，固体M的化学式为FeSO₄·5H₂O

B．温度为159 ℃时，固体N的化学式为FeSO₄·H₂O

C．在隔绝空气条件下，由N得到P的化学方程式为FeSO₄·H₂OFeSO₄＋H₂O

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Q，同时有两种无色气体生成，Q的化学式为Fe₃O₄

【答案】BC

【解析】8.34 g FeSO₄·7H₂O样品的物质的量为0.03 mol，其中m(H₂O)＝0.03 mol×7×18 g·mol^－1＝3.78 g，如晶体全部失去结晶水，固体的质量应为8.34 g－3.78 g＝4.56 g，可知在加热到373 ℃之前，晶体失去部分结晶水，加热至635 ℃时，固体的质量为2.40 g，应为铁的氧化物，其中n(Fe)＝n(FeSO₄·7H₂O)＝0.03 mol，m(Fe)＝0.03 mol×56 g·mol^－1＝1.68 g，则固体中m(O)＝2.40 g－1.68 g＝0.72 g，n(O)＝0.045 mol ，则n(Fe)∶n(O)＝0.03 mol∶0.045 mol ＝2∶3，则固体Q的化学式为Fe₂O₃。温度为78 ℃时，固体质量为6.72 g，其中m(FeSO₄)＝0.03 mol ×152 g·mol^－1＝4.56 g，m(H₂O)＝6.72 g－4.56 g＝2.16 g，n(H₂O)＝0.12 mol，则n(H₂O)∶n(FeSO₄)＝0.12 mol ∶0.03 mol ＝4∶1，则化学式为FeSO₄·4H₂O，故A错误；温度为159 ℃时，固体质量为5.10 g，其中m(H₂O)＝5.10 g－4.56 g＝0.54 g，n(H₂O)＝0.03 mol，则n(H₂O)∶n(FeSO₄)＝0.03 mol∶0.03 mol＝1∶1，则化学式为FeSO₄·H₂O，故B正确；N的化学式为FeSO₄·H₂O，P的化学式为FeSO₄，在隔绝空气条件下由N得到P的化学方程式为FeSO₄·H₂OFeSO₄＋H₂O，故C正确；P的化学式为FeSO₄，Q的化学式为Fe₂O₃，铁的化合价升高，必有硫的化合价降低，即有二氧化硫生成，根据原子守恒，必有SO₃生成，故D错误。

【例题】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】ZnC₂O₄ZnO＋CO↑＋CO₂↑

 【解析】

ZnC₂O₄·2H₂O晶体中的ZnC₂O₄的质量分数为×100%≈80.95%，故A点完全失去结晶水，化学式为ZnC₂O₄，假设B点为ZnO，则残留固体占有的质量分数为×100%≈42.86%，故B点残留固体为ZnO，结合原子守恒可知还生成等物质的量的CO与CO₂。300 ～460 ℃范围内，发生反应的化学方程式为ZnC₂O₄ZnO＋CO↑＋CO₂↑。