吳孫富
“化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的生成”是指化學(xué)反應(yīng)中一定有舊鍵的斷裂和新鍵的生成,并不是說反應(yīng)物中的所有化學(xué)鍵都要斷裂、產(chǎn)物中的所有化學(xué)鍵都是新生成的。在一些簡單的化學(xué)反應(yīng)中,存在著反應(yīng)物中的所有化學(xué)鍵都斷裂、產(chǎn)物中的所有化學(xué)鍵全部新生成的現(xiàn)象,但這些反應(yīng)的實(shí)際反應(yīng)過程一般都不是反應(yīng)物中的化學(xué)鍵都斷裂之后才生成產(chǎn)物中的新化學(xué)鍵的。例如,在合成氨的反應(yīng)中,在現(xiàn)有的合成條件下,氫氣和氮?dú)舛疾豢赡茈x解為氫原子和氮原子,氫氣和氮?dú)馐窃阼F觸媒的表面協(xié)同作用、經(jīng)歷了較復(fù)雜的反應(yīng)歷程后才生成氨分子的。所有的化學(xué)反應(yīng)都有舊鍵的斷裂和新鍵的生成,但大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都存在著原子團(tuán)內(nèi)的化學(xué)鍵在反應(yīng)前后不變的情況。在乙醇與金屬鈉的反應(yīng)中,斷裂了乙醇中的O-H鍵、破壞了金屬鈉中的金屬鍵,生成了CH3CH2O-和Na+(結(jié)晶時(shí)彼此形成離子鍵)、形成了H-H鍵,陰離子CH3CH2O-中的其它共價(jià)鍵在反應(yīng)前后不變。
通過上述分析可見,“化學(xué)反應(yīng)是原子的重新組合”與“化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的生成”是兩個(gè)表述不同、內(nèi)涵相同的說法。在現(xiàn)有的物質(zhì)中,除稀有氣體外的所有物質(zhì)都是由兩個(gè)以上的原子組成的單質(zhì)、共價(jià)化合物、離子化合物,這些物質(zhì)內(nèi)的各原子間都是通過化學(xué)鍵結(jié)合的。要想使物質(zhì)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì),就要斷裂反應(yīng)物內(nèi)的舊化學(xué)鍵、生成產(chǎn)物中的新化學(xué)鍵?;蛘哒f,在舊鍵斷裂和新鍵生成的過程中,原子發(fā)生了重新組合,反應(yīng)物生成了生成物。
3 化學(xué)平衡與斷鍵和成鍵的關(guān)系
化學(xué)反應(yīng)中一定有舊鍵的斷裂和新鍵的生成。從實(shí)驗(yàn)的角度來說,目前的科學(xué)實(shí)驗(yàn)還不能直接測定單位時(shí)間內(nèi)化學(xué)反應(yīng)中的斷鍵數(shù)和成鍵數(shù),能夠直接測定的是單位時(shí)間內(nèi)各物質(zhì)的濃度改變量(或各物質(zhì)的物質(zhì)的量的改變量)。由于各物質(zhì)的濃度改變量與相應(yīng)化學(xué)鍵的斷裂數(shù)和生成數(shù)成正比,所以可以推論出如下結(jié)論。
在一定的條件下,當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí),各物質(zhì)的斷鍵速率和成鍵速率相等。
在教學(xué)中用該結(jié)論分析說明化學(xué)平衡時(shí),所選取的化學(xué)鍵一定要處在斷裂和生成的動(dòng)態(tài)過程中,不能選用反應(yīng)物或生成物中那些根本就沒有變化的化學(xué)鍵。
在合成氨的可逆反應(yīng)中,不論該反應(yīng)的歷程是怎樣的,從反應(yīng)的結(jié)果看,反應(yīng)物中的H-H鍵和N≡N鍵都斷裂了,生成物中的N-H鍵都是新生成的,所以可以用H-H鍵、N≡N鍵的斷裂速率和N-H鍵的生成速率來判斷合成氨的反應(yīng)是否達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)。
4 氨基甲酸銨分解反應(yīng)中的斷、成鍵與其平衡的關(guān)系
筆者沒有查到氨分子中的N-H鍵在沒有催化劑時(shí)的斷鍵溫度,也沒有查到二氧化碳分子中C=O鍵的斷鍵溫度。筆者從《有機(jī)化學(xué)》[3]中查得CH4的分解溫度為1200℃,筆者從《無機(jī)化學(xué)》[4]中查得H2S的分解溫度為1973K,由CH4和H2S的組成和結(jié)構(gòu)來看,CH4和H2S的分解溫度應(yīng)該與C-H鍵和H-S鍵的斷鍵溫度接近。筆者還查得幾個(gè)共價(jià)鍵的鍵能[5]如下。
C-H:414kJ/mol,H-S:368kJ/mol,
H-N:393kJ/mol,C=O(CO2):799kJ/mol。
比較這幾個(gè)鍵能可知,H-N鍵的斷鍵溫度可能比甲烷的分解溫度低,CO2中的C=O鍵的斷鍵溫度肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C-H鍵和H-S鍵的斷鍵溫度,C=O鍵的斷鍵溫度可能會(huì)超過2000K。在2000K的高溫下,H2NCOONH4一定徹底分解了,根本就不存在H2NCOONH4的分解平衡。筆者從互聯(lián)網(wǎng)上搜索到的氨基甲酸銨分解為氨及二氧化碳的溫度為59℃,在此溫度下,NH3中的N-H鍵和CO2中的C=O鍵是不可能直接斷裂的。
5 對原創(chuàng)命題的反思
一道好題可以將中學(xué)化學(xué)教學(xué)引導(dǎo)到細(xì)致入微的科學(xué)探究之中,一道壞題可能會(huì)在中學(xué)師生的腦海中建構(gòu)成一個(gè)難以改變的偽科學(xué)觀點(diǎn)。中學(xué)師生對上述改編題中選項(xiàng)B的認(rèn)可,說明許多中學(xué)師生已經(jīng)在類似問題的教學(xué)中形成了這樣一種偽科學(xué)觀點(diǎn):在化學(xué)反應(yīng)(包括可逆反應(yīng))中,反應(yīng)物中的所有化學(xué)鍵會(huì)全部斷裂形成單個(gè)的原子,產(chǎn)物中的所有化學(xué)鍵全部是由單個(gè)原子新生成的。
由此可見,原創(chuàng)命題(包括改編題目)是一件十分重要的工作,該工作對于引導(dǎo)課程改革的健康發(fā)展、對于確保化學(xué)教學(xué)的科學(xué)性都具有十分重要的作用。只要原創(chuàng)命題老師、特別是比較權(quán)威的原創(chuàng)命題老師在進(jìn)行原創(chuàng)命題時(shí)進(jìn)行全方位的科學(xué)論證,就能從源頭上減少或消滅各類題目中的偽科學(xué)問題。
參考文獻(xiàn):
[1] 2011年浙江高考理科綜合試卷.
[2]人民教育出版社等單位編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)·必修2 [M].北京:人民教育出版社,2007,(3).
[3]北京師范大學(xué)等校編.有機(jī)化學(xué)(上)[M].北京:高等教育出版社,2010,(3).
[4]北京師范大學(xué)等校編.無機(jī)化學(xué)(上)[M].北京:人民教育出版社,1981,(12).
[5]北京師范大學(xué)等校編.無機(jī)化學(xué)(上)[M].北京:高等教育出版社,2002,(8).