化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中能量變化的本質(zhì)

物質(zhì)和能量，是研究化學(xué)反應(yīng)的2個(gè)不同視角。有時(shí)候我們利用化學(xué)反應(yīng)制造或消除某些物質(zhì)，如從礦石中提煉金屬、合成有機(jī)高分子材料，除去工業(yè)尾氣中的有害成分、除去廢水中的重金屬離子等。而有時(shí)候則主要是利用化學(xué)反應(yīng)吸收或釋放能量，如研究如何提高光合作用效率、提高煤和汽油的燃燒效率等。 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的能量變化對(duì)于人類的生存與發(fā)展具有極其重要的意義，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的研究，不可簡(jiǎn)單停留在...更多

化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中既有物質(zhì)變化，又有能量變化。釋放或吸收熱量是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的主要形式之一。人們廣泛利用化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的熱量為生產(chǎn)生活服務(wù)，如生命體中糖類與氧氣的反應(yīng)、生產(chǎn)生活中燃料的燃燒等都是化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的重要應(yīng)用。

在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)物和生成物具有相同溫度時(shí)，所吸收或放出的熱量稱為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱。在化工生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)反應(yīng)通常是在敞口容器中進(jìn)行的，反應(yīng)體系的壓強(qiáng)與外界壓強(qiáng)相等，即反應(yīng)是在恒壓下進(jìn)行的。在恒溫、恒壓的條件下，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中吸收或釋放的熱量稱為反應(yīng)的焓變，用△H表示，單位常采用kJ·mol-1。

一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是吸收能量還是放出能量，取決于反應(yīng)物的總能量和生成物的總能量的相對(duì)大小。若反應(yīng)物的總能量小于生成物的總能量，則反應(yīng)過(guò)程中吸收能量;若反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量，則反應(yīng)過(guò)程中放出能量。

在化學(xué)反應(yīng)中能量的變化通常以熱量等形式表現(xiàn)出來(lái)。吸收熱量的反應(yīng)稱為吸熱反應(yīng)，吸熱反應(yīng)的△H 放出熱量的反應(yīng)稱為放熱反應(yīng)，放熱反應(yīng)的△H 0。能夠表示反應(yīng)熱的化學(xué)方程式叫做熱化學(xué)方程式。

由于反應(yīng)熱與溫度、壓強(qiáng)、反應(yīng)物及生成物的狀態(tài)等因素有關(guān)，在書寫熱化學(xué)方程式時(shí)應(yīng)標(biāo)明反應(yīng)物及生成物的狀態(tài)、反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)。若不標(biāo)明溫度和壓強(qiáng)，則表示是在25℃(即298K)、101kPa條件下的反應(yīng)熱。

在熱化學(xué)方程式中，反應(yīng)物和生成物的聚集狀態(tài)是用英文小寫字母在其化學(xué)式的后面標(biāo)注的，一般用“g”表示氣體(gas)，“l(fā)”表示液體(liquid)，“s”表示固體(solid)，“aq”表示水溶液(aqueous)。在熱化學(xué)方程式中，物質(zhì)化學(xué)式前面的化學(xué)計(jì)量數(shù)表示物質(zhì)的量，可以用整數(shù)或簡(jiǎn)單分?jǐn)?shù)表示。同一化學(xué)反應(yīng)，熱化學(xué)方程式中物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)不同，反應(yīng)的△H也不同。

化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中為什么會(huì)伴隨能量變化呢?以氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)生成一氧化氮的反應(yīng)為例討論這一問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得，1molN2(g)與1molO2(g)反應(yīng)生成2molNO(g)時(shí)吸收182.6kJ的熱量。化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，是由化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物中化學(xué)鍵斷裂時(shí)吸收的能量與生成物中化學(xué)鍵形成時(shí)放出的能量不同所導(dǎo)致的。如下圖所示，當(dāng)1molN2(g)與1molO2(g)在一定條件下反應(yīng)生成2molNO(g)時(shí)，1molN2分子中的化學(xué)鍵斷裂時(shí)需要吸收946kJ的能量，1molO2分子中的化學(xué)鍵斷裂時(shí)需吸收498kJ的能量，而2molNO分子中的化學(xué)鍵形成時(shí)可釋放632kJ·mol-1×2mol=1264kJ的能量。

反應(yīng)N2(g)+O2(g)=2NO(g)的反應(yīng)熱應(yīng)等于斷裂反應(yīng)物分子中的化學(xué)鍵吸收的總能量(946kJ·mol-1+498kJ·mol-1=1444kJ·mol-1)與形成生成物分子中的化學(xué)鍵放出的總能量(1264kJ·mol-1)之差，即吸熱180kJ·mol-1。分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果很接近，這說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂和形成是反應(yīng)過(guò)程中有能量變化的本質(zhì)原因。

不同的化學(xué)反應(yīng)具有不同的反應(yīng)熱，人們可以通過(guò)多種方法獲得反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)，其中最直接的方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。

在科學(xué)研究中，科學(xué)家常用量熱計(jì)(見下圖)來(lái)測(cè)量反應(yīng)熱。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，盡可能保證反應(yīng)物能充分反應(yīng)，同時(shí)減少與外界的熱交換，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。目前，科學(xué)家已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)方法精確測(cè)定了許多反應(yīng)的反應(yīng)熱。

但是，并不是所有反應(yīng)的反應(yīng)熱均可通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。如反應(yīng)C(石墨)+?O2(g)=CO(g)的反應(yīng)熱就不能由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得，因?yàn)樵诜磻?yīng)中總會(huì)有CO2(g)生成?？梢?，獲取那些不易直接測(cè)定的反應(yīng)的反應(yīng)熱，是一項(xiàng)很有意義的研究工作。

1840年，俄國(guó)化學(xué)家蓋斯在分析了許多化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一條規(guī)律：“一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成，還是分幾步完成，其總的熱效應(yīng)是完全相同的?！边@個(gè)規(guī)律被稱為蓋斯定律。

蓋斯定律表明，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的焓變(△H)僅與反應(yīng)的起始狀態(tài)和反應(yīng)的最終狀態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān)。這就好比登泰山，可經(jīng)歷不同的途徑和采用不同的方式，無(wú)論你是拾級(jí)而上，還是乘坐索道纜車，當(dāng)你站在泰山之巔時(shí)，與你站在山腳下相比，兩種方式所發(fā)生的勢(shì)能變化是相同的。

在眾多的化學(xué)反應(yīng)中，有些反應(yīng)的反應(yīng)速率很慢，有些反應(yīng)同時(shí)有副反應(yīng)發(fā)生，還有些反應(yīng)在通常條件下不易直接進(jìn)行，因而測(cè)定這些反應(yīng)的熱效應(yīng)就很困難，運(yùn)用蓋斯定律可方便地計(jì)算出它們的反應(yīng)熱。

根據(jù)蓋斯定律，我們可以利用已知反應(yīng)的焓變?nèi)デ笪粗磻?yīng)的焓變：

若一個(gè)反應(yīng)的焓變△H=akJ·mol-1，則其逆反應(yīng)的焓變△H =-akJ·mol-1;

若一個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式可由另外幾個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式相加減而得到，則該反應(yīng)的焓變亦可以由這幾個(gè)反應(yīng)的焓變相加減而得到。

能源是可以提供能量的自然資源，包括化石燃料、陽(yáng)光、風(fēng)力、流水、潮汐等。能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)目前使用的主要能源是化石燃料，但化石燃料的蘊(yùn)藏量有限，而且不可再生，最終將會(huì)枯竭。通常我們使用的能量的主要形式是電能和熱能，熱能主要通過(guò)燃燒煤、石油、天然氣、植物秸稈等物質(zhì)而獲得。因此，提高這些物質(zhì)的燃燒效率對(duì)于節(jié)約能源十分重要。

燃料燃燒過(guò)程中放出的熱能是人類生活和生產(chǎn)所需能量的重要來(lái)源。質(zhì)量相同、組成不同的燃料，完全燃燒后放出的熱量也不相等。人們通常用標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱或熱值來(lái)衡量燃料燃燒放出熱量的大小。在101kPa下，1mol物質(zhì)完全燃燒的反應(yīng)熱叫做該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，1g物質(zhì)完全燃燒所放出的熱量叫做該物質(zhì)的熱值。物質(zhì)完全燃燒是指物質(zhì)中含有的氮元素轉(zhuǎn)化為N2(g)，氫元素轉(zhuǎn)化為H2O(l)，碳元素轉(zhuǎn)化為CO2(g)。

隨著人類的文明和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)能源的需求不斷增大，開發(fā)新能源成為當(dāng)前國(guó)際能源研究的重要課題。新能源應(yīng)具有資源豐富、可再生、無(wú)污染或少污染等特點(diǎn)。目前，科學(xué)家們正在研究和開發(fā)太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能和生物質(zhì)能等新能源，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。