热力学和动力学都是非常重要的AP化学考点,所以本文就结合考纲、例题给正在复习2021AP化学考试的同学解析下这2大考点。让优越的解题思路带你一通百通。
AP化学考试总时长为3小时15分钟,其中包括60道单选题和7道简答题(三长四短),两部分题目所占分数比例各为50%。
与国内化学比起来,AP化学考试涉及的知识面相对更广一 些。比如AP考试中的原子核外电子排布、热力学以及依数性等内容在国内国际学校不会讲解,同时对有机化学部分国内国际学校讲得也比较少。
受疫情影响,2021AP化学考试有机考和线下考试两种形式。
我们可以先看下AP考纲给出的关于thermodynamics的要求:
这部分还是关注于能量的计算,比如考试常见的用盖斯定律(Hess’s Law)计算反应热(enthalpy change of reactions)。另外用比热容(specific heat)计算反应热也是近些年来基本上每年都会出现的题型,只不过中国考生早期都学过,所以并不困难。但是从往届学员的情况来看,错误率依然很高,主要问题是出现在:单位的换算,计算等问题上。
我们先来看看下面这道例题(2016 MC 25)
这一题最后是指的是enthalpy change of per mole reaction,这里我们算出来的是0.01 mole reaction,所以最后的结果还要乘以100,答案选择A
我们看到还有一个考点的内容叫做热力学的应用(applications of thermodynamics),关于这部分的内容,我们看下College Board给出的内容详细。
其实在这里我们就可以看出来,热力学的内容不仅仅包括热量的计算,最重要的一点是,热力学的计算可以表明反应的倾向性(trend of reaction),也就是反应进行的方向(the direction of a reaction)。
首先最重要的是吉布斯自由能变(Gibbs free energy change),在AP考试中只考核标准情况下的吉布斯自由能变(in standard condition: 25℃, 1atm), 当, 这是一个自发反应(spontaneous reaction),或者称之为热力学上有利的反应(thermodynamically favorable reaction)。
这里很多同学就会有疑惑,什么叫做自发反应?我在上课的时候通常会提出这个问题,绝大部分同学的回答都是:就是不需要条件,反应物放在一起就能够转化为生成物的反应。我会接着追问,那氢气和氧气放在一起能变成水么?显然是不可以的,但是我们前面又说过氢气和氧气在常温下是自发反应啊,那不是自相矛盾了么?所以自发反应应该指的是:在给定的条件下,无需外界帮助,一经引发即能自动进行的过程或反应,称为自发反应。或者说氢气和氧气有生成水的趋势,但是需要一点引发条件,那就是点燃,一经点然后,反应就会一直反应下去直到结束。比如水的电解过程(electrolysis of water)就不是自发过程,一旦关闭电源,水的分解过程就会停止,需要源源不断的电能的输入才能助力反应的进行。
这里又有同学提出新的问题,他会问:导师,任何一个反应不都是既有正反应(forward reaction),也有逆反应(reverse/backward reaction)么,那任何反应在任何一个时刻不是两个方向都能进行么?为什么你只说正向进行呢?
所以这里我们要理解到的是。我们所谓的正向自发进行指的是反应的宏观进行方向,也就是反应物的浓度减小,生成物的浓度增大的方向。从微观的角度上来说,正向自发指的就是在给定条件下,正反应速率大于逆反应速率,直到平衡,二者相同,反应停止。
所以后面所学的平衡(equilibrium)其实也属于热力学的研究对象,并且有一个公式将二者联系在一起:
这个反应的k>1,所以正向进行,所以左边反应物中的碱的碱性强于右边生成物中的碱的碱性,所以选B
还有就是将电化学中的电池电动势和吉布斯自由能联系在一起:
下面我们来说一下动力学部分的内容,主要是一个知识点的辨析。
在动力学里,我们有一个速率公式(rate law equation):
这里有一个速率常数k(rate constant),这个常数只和温度T以及活化能Ea(activation energy)有关,温度越高,活化能越低,速率常数越大,反应速率也就越大。
我们在平衡里也学到了一个常数k,叫做平衡常数(equilibrium constant),它只和T有关,对于吸热以及放热反应温度T对于k有着不同的影响,这里不去细究,只需知道改变温度可以改变k即可,刚才已经提到它是一个和反应程度,反应方向有关的常数。
这里我们需要记住,动力学和热力学是完全两个不同的领域,而他们之间是没有相互影响的关系的,一个平衡常数很大的反应,它的反应速率可能是很慢的,反之亦然。
比如最常见的是这样一个情况:
对于上面的放热反应,升高温度,根据Le Chatelier’s principle,平衡左移。很多同学会认为是仅仅增加了逆反应速率的原因。然而事实上,速率的影响因素中我们在学习的时候讨论过,温度能够增加反应的速率,不论是正反应还是逆反应,所以正逆反应的速率都增加了,只不过逆反应的增加幅度大于正反应,导致逆反应速率大于正反应,宏观的进行方向是向左的方向。
如果用图像来表示的话可以是这样:
这个图像也是需要同学们掌握的,因为会出相关的图像问题
比如:对于反应
本题答案为B,你做对了吗?
希望以上内容可以帮到你的2021AP化学考试。根据CB新消息,大陆AP考场今年应该还是会采取笔试,至于打算参加网考的小伙伴可以抽空搜搜去年的网考经验啦。虽然最近CB小动作频频,但是中心思想只有1个——那就是考试一定会考!排除万难也要考。
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