长题综合训练Long Free-Response Practice

约 50 分钟

学习目标

  • 用 22 分钟左右完成一道 10 分的长题,按小问分配时间
  • 读懂长题的结构:一个情境、几个单元,前后小问之间的联系
  • 对照评分要点给自己打分,找出丢分点

前置知识

  • 时间分配策略(4.1.3)
  • 怎么读评分标准(4.3.1)
  • 计算题的书写规范(4.3.2)

长题长什么样

第二部分的前三道是长题,每道 10 分。一道长题通常围绕一个情境(一个反应、一个实验),分成七八个小问,跨好几个单元:方程式和计量、气体、热化学、平衡、结构……题目开头常给一张数据表,后面的小问要从里面取数据。前面小问的结果常常要在后面用到。

做长题的五步

  1. 通读(1–2 分钟)。 看完所有小问,圈出数据和单位,弄清每一问要什么。
  2. 按小问作答,标好 (a)、(b)…… 写在对应的位置。
  3. 卡住就跳过,或者用假设的数值接着做。 写明“设 (c) 的结果为 ……”。
  4. 每个计算都用四行写法(4.3.2):公式、带单位代入、结果、回答问题。
  5. 留 1–2 分钟检查: 单位、正负号、有效数字,以及每一问是否真的回答了。

按分值分配,一道长题大约 22 分钟,一道短题大约 9 分钟(4.1.3)。用下面的计时器限时练习:

FRQ 计时器:按分值给每道题限时
22:00

例题:一道完整的长题

丙烷 C₃H₈ 是常用的燃料。25 °C 时的标准生成焓(OpenStax 附录 G):

物质ΔfH° / (kJ/mol)
C₃H₈(g)−103.8
O₂(g)0
CO₂(g)−393.51
H₂O(l)−285.83

(a) 写出丙烷完全燃烧(生成液态水)的配平方程式。

(b) 用上表计算这个反应的 ΔH°。

(c) 一名学生在罐中燃烧 0.250 g 丙烷,加热罐里的 400.0 g 水,水温升高 6.10 °C(水的比热容 4.18 J/(g·°C))。计算水吸收的热量。

(d) 由 (c) 计算每摩尔丙烷燃烧放出的热量,写出 ΔH(实验值)。

(e) 实验值和 (b) 相比怎样?给出一个原因。

(f) 计算燃烧 0.250 g 丙烷需要的 O₂ 在 25 °C、1.00 atm 下的体积。

(g) 画出 CO₂ 的 Lewis 结构,说明分子的形状和极性。

先用计时器限时 22 分钟自己做,再逐步看解答:

分步解析
  1. (a)(1 分)配平方程式。 先配 C 和 H,最后配 O:

    CX3HX8(g)+5 OX2(g)→3 COX2(g)+4 HX2O(l)\begin{aligned} &\ce{C3H8(g) + 5O2(g)} \\ &\quad \ce{-> 3CO2(g) + 4H2O(l)} \end{aligned}
  2. (b)(2 分:代入正确 1 分,结果和符号 1 分)由生成焓求 ΔH°。

    ΔH∘=[3(−393.51)+4(−285.83)]−[(−103.8)+5(0)]=−2323.85+103.8=−2220.1 kJ/mol\begin{aligned} \Delta H^\circ &= [3(-393.51) + 4(-285.83)] \\ &\quad - [(-103.8) + 5(0)] \\ &= -2323.85 + 103.8 \\ &= \boxed{-2220.1\ \text{kJ/mol}} \end{aligned}
  3. (c)(1 分)水吸收的热量。

    q=mcΔT=(400.0)(4.18)(6.10)=1.02×104 J=10.2 kJ\begin{aligned} q &= mc\Delta T = (400.0)(4.18)(6.10) \\ &= 1.02 \times 10^{4}\ \text{J} = 10.2\ \text{kJ} \end{aligned}
  4. (d)(2 分:物质的量 1 分,ΔH 及负号 1 分)每摩尔的 ΔH。

    n(CX3HX8)=0.25044.10=5.67×10−3 molΔH=−10.2 kJ5.67×10−3 mol=−1.80×103 kJ/mol\begin{aligned} n(\ce{C3H8}) &= \frac{0.250}{44.10} = 5.67 \times 10^{-3}\ \text{mol} \\ \Delta H &= -\frac{10.2\ \text{kJ}}{5.67 \times 10^{-3}\ \text{mol}} \\ &= \boxed{-1.80 \times 10^{3}\ \text{kJ/mol}} \end{aligned}

    燃烧放热,水吸收的热量来自反应,所以 ΔH 取负号。

  5. (e)(1 分)比较并给出原因。 实验值的大小只有理论值的 1800 ÷ 2220 ≈ 81%。原因例如:一部分热量散失到空气中或用来加热罐子,没有被水吸收;或者燃烧不完全(生成了 CO 或碳黑),放出的热量更少。

  6. (f)(2 分:O₂ 的物质的量 1 分,体积 1 分)O₂ 的体积。 由方程式,n(O₂) = 5 n(C₃H₈):

    n(OX2)=5×5.669×10−3=0.02834 molV=nRTP=(0.02834)(0.08206)(298.15)1.00=0.693 L\begin{aligned} n(\ce{O2}) &= 5 \times 5.669 \times 10^{-3} = 0.02834\ \text{mol} \\ V &= \frac{nRT}{P} = \frac{(0.02834)(0.08206)(298.15)}{1.00} \\ &= \boxed{0.693\ \text{L}} \end{aligned}
  7. (g)(1 分)CO₂ 的结构。 O=C=O,C 和每个 O 之间是双键,每个 O 上有两对孤电子对;C 周围有两个电子域,分子是直线形(键角 180°)。两个 C=O 键的偶极大小相等、方向相反,互相抵消,CO₂ 是非极性分子。

练一练:做长题时遇到下面的情况,最好怎么做?
  1. (c) 要用 (b) 的结果,(b) 你已经算出来了
  2. (d) 要用 (c) 的结果,而 (c) 已经卡了 5 分钟
  3. (e) 是一道解释题,你知道答案
  4. (b) 要算 ΔH,你一时找不到某个生成焓的数值
  5. 这道长题已经用了 25 分钟,还剩最后两问
  6. (a) 只要求写一个配平的方程式
  7. (f) 需要一个你完全没有思路的方法
  8. 算出的摩尔质量是 0.08 g/mol,明显不合理

常见误区

误区 1:“长题必须从 (a) 一直做到最后。” 小问之间虽然有联系,但很多可以单独做。卡住的小问先跳过,或者用假设的数值接着往下做,不要让一问拖住整道题。

误区 2:“每一问都是独立的,不用通读。” 后面的小问常用到前面的结果和开头的数据。先通读,才知道 (b) 的结果在 (d) 还要用,算的时候就会多保留一位。

误区 3:“做完就交,不用检查。” 留 1–2 分钟检查单位、符号和有效数字,往往能找回一两分;例如把放热反应的 ΔH 写成正的,就会丢掉一个得分点。

即时小测

第二部分的一道长题满分多少分?

按分值分配时间,一道长题大约给多少分钟?

通读一道长题时,最该做的是什么?

例题中实验测得的 |ΔH| 比理论值小。最可能的原因是?

(d) 要用 (c) 的结果,你写明了“设 (c) 的结果为 10.0 kJ”并接着做。(d) 通常怎样给分?

长题做完后的检查,下面哪一项不在清单上?

AP 式练习

AP 风格自由作答题

接触法生产硫酸的关键一步是 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g),工业上在约 700 K、用 V₂O₅ 作催化剂进行。25 °C 时的数据如下,ΔfH° 的单位是 kJ/mol,S° 的单位是 J/(mol·K)(OpenStax 附录 G):

物质ΔfH°S°
SO₂(g)−296.83248.2
O₂(g)0205.2
SO₃(g)−395.72256.76

(a) 计算反应的 ΔH°。

(b) 预测 ΔS° 的符号并说明理由,再计算 ΔS°。

(c) 计算 25 °C 时的 ΔG° 和平衡常数 K。

(d) 假设 ΔH° 和 ΔS° 不随温度变化,估算在多高温度以上,这个反应在标准状态下变为不利。

(e) 25 °C 时 K 非常大,为什么工业上还要在约 700 K 下进行,并且使用催化剂?

(f) 温度不变时把反应容器压缩到原体积的一半,用 Q 和 K 的关系判断平衡移动的方向。

参考答案与评分要点

(a) ΔH° = 2(−395.72) − [2(−296.83) + 0] = −791.44 + 593.66 = −197.8 kJ/mol(反应)。(1 分)

(b) 负值:反应物 3 mol 气体变成 2 mol 气体,气体分子减少,混乱度减小。ΔS° = 2(256.76) − [2(248.2) + 205.2] = 513.52 − 701.6 = −188.1 J/(mol·K)。(2 分:符号和理由 1 分,计算 1 分)

(c) ΔG° = ΔH° − TΔS° = −197.8 − 298.15 × (−0.1881) = −141.7 kJ/mol;ln K = −ΔG°/(RT) = 141 700 ÷ (8.314 × 298.15) = 57.2,K ≈ 7 × 10²⁴。(2 分)

(d) ΔG° = 0 时 T = ΔH°/ΔS° = (−197 800 J) ÷ (−188.1 J/K) ≈ 1.05 × 10³ K。高于约 1050 K 时 ΔG° > 0,反应在标准状态下不利。(1 分)

(e) 25 °C 时反应在热力学上非常有利,但活化能高,速率极慢(受动力学控制)。升温到约 700 K 可以加快反应,而 700 K 仍低于 1050 K,K 仍大于 1。V₂O₅ 催化剂降低活化能,使反应在这个温度下足够快;催化剂同等程度地加快正、逆反应,不改变 K。(2 分)

(f) 体积减半,每种气体的分压都变为 2 倍:Q = p²(SO₃) ÷ [p²(SO₂)·p(O₂)] 变为原来的 2² ÷ (2² × 2) = 1/2,Q < K,反应向正方向进行,生成更多 SO₃(向气体分子数少的方向移动)。(2 分)

评分要点(共 10 分): (a) 1;(b) 2;(c) 2;(d) 1;(e) 2;(f) 2。

小结

  • 长题:一个情境、七八个小问、跨几个单元,前后小问常有联系;每道约 22 分钟。
  • 五步:通读圈数据 → 按小问作答并标号 → 卡住就跳过或假设数值 → 计算用四行写法 → 留 1–2 分钟检查。
  • 做完对照评分要点逐点打分,记下丢分原因。

AP 提示: 考前每周至少限时做一道完整的长题(历年真题或本站的模拟考),做完马上对照评分标准打分。坚持几周,你会明显感到 22 分钟够用了。

数据来源:ΔfH° 和 S° 取自 OpenStax《Chemistry 2e》附录 G。

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