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      化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)能與熱能

      2018-03-05 05:50:26譚宇杰
      關(guān)鍵詞:化學(xué)能化學(xué)反應(yīng)熱能

      譚宇杰

      【內(nèi)容摘要】在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)過程中,化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換問題,因其不能像其他化學(xué)反應(yīng)一起用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示,從而成為學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。本文通過化學(xué)反應(yīng)中關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示分析,從宏觀和微觀分別闡述化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換原理,進(jìn)而論述能量轉(zhuǎn)換中的守恒定律。

      【關(guān)鍵詞】化學(xué)能 熱能 能量轉(zhuǎn)換 化學(xué)反應(yīng)

      化學(xué)能指的是反應(yīng)過程中所釋放的能量,例如石油的燃燒、火藥的爆炸、食物的消化等,都會(huì)釋放出一定的能量,而這些由化學(xué)反應(yīng)所放出的能量就是化學(xué)能。化學(xué)能不同于熱能、電能等可感知的能量,通常只有在化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換,從而被人們間接地感知到。在中學(xué)學(xué)習(xí)階段,理解化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)換的原理、轉(zhuǎn)換原因,并掌握化學(xué)能與熱能之間遵循的能量守恒定律,并將其運(yùn)用到具體化學(xué)問題的解答當(dāng)中,是必修功課之一。

      一、化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)換的本質(zhì)屬性

      在化學(xué)領(lǐng)域,化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì),是原子最外層電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。最外層電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變,不僅會(huì)產(chǎn)生新的物質(zhì),而且導(dǎo)致化學(xué)鍵的能級產(chǎn)生改變,從而發(fā)生化學(xué)能的變化。

      從宏觀的角度,或從理論的角度來看化學(xué)反應(yīng)的吸熱或放熱,如果反應(yīng)物能量比生成物高,那么相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)就是放熱反應(yīng);如果反應(yīng)物能量比生成物低,那么相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)就是吸熱反應(yīng)。在這里,化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)能變化,其實(shí)就是通過對熱能的變化測量進(jìn)行間接判斷的。

      從微觀的角度,或從實(shí)踐的角度來看化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換,化學(xué)反應(yīng)的吸熱或放熱,與化學(xué)反應(yīng)物和生成物的化學(xué)鍵之變化息息相關(guān)。反應(yīng)物化學(xué)鍵的斷裂,以及生成物化學(xué)鍵的生成,是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,以及熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的根本原因。例如,在HCl與NaOH的中和反應(yīng)過程中,H原子與Cl原子形成H-Cl鍵需要放出Q1千焦?fàn)柕哪芰?,H-Cl 鍵斷裂重新變成H原子與Cl原子需要吸收Q1千焦?fàn)柕哪芰?;同樣的,Na原子與O原子、H原子形成Na-OH鍵需要放出Q2千焦?fàn)柕哪芰浚琋a-OH鍵斷裂重新變成Na原子與O原子、H原子需要吸收Q2千焦?fàn)柕哪芰?;而Na-Cl鍵的能量為Q3千焦?fàn)?,H2O鍵的能量為Q4千焦?fàn)枴亩纬梢韵路匠淌剑篐Cl+NaOH→NaCl+H2O。

      而這其中,斷開H-Cl鍵和Na-OH鍵所需要吸收的能量為(Q1+Q2)千焦?fàn)?,形成Na-Cl鍵和H2O鍵所需要釋放的能量為(Q3+Q4)千焦?fàn)枴8鶕?jù)能量守恒定律,整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)應(yīng)當(dāng)為:吸收(Q1+Q2-Q3-Q4)千焦?fàn)?。根?jù)實(shí)驗(yàn)可以看出,HCl與NaOH的中和反應(yīng)出現(xiàn)了溫度的升高,因而其屬于放熱反應(yīng),化學(xué)能呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢。

      二、化學(xué)能與熱能的難點(diǎn)要點(diǎn)

      化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換,其第一要點(diǎn)便是能量轉(zhuǎn)換遵循的規(guī)律。能量轉(zhuǎn)換是一種普遍存在的客觀現(xiàn)象,比如說風(fēng)力發(fā)電是由勢能向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換,電梯運(yùn)行是先通過將電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化過渡后,再轉(zhuǎn)換為勢能。在這種轉(zhuǎn)換當(dāng)中,能量守恒定律是必須遵守的一種規(guī)律,其基本內(nèi)容是,一種能量的消失,必然會(huì)伴隨著另一種或者幾種能量的產(chǎn)生,并且消失的能量與產(chǎn)生的能量是等量的,總能量始終保持不變。在化學(xué)反應(yīng)中,化學(xué)能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換,也要遵循這一定律。從能量變化的角度來講,化學(xué)反應(yīng)實(shí)際上是能量的一種儲(chǔ)存或者釋放的過程。

      化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換,其難點(diǎn)在能量的變化。一是化學(xué)能除了轉(zhuǎn)化為熱能外,還可以轉(zhuǎn)換成電能、光能等其他能量形式,因此化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換與測算,通常都是在理想狀態(tài)下得出的結(jié)論,或者是對于其他能量數(shù)據(jù)忽略不計(jì),并不表明化學(xué)能全部都轉(zhuǎn)換成為了熱能。二是化學(xué)反應(yīng)的吸熱、放熱過程與反應(yīng)條件并不存在必然的聯(lián)系。需要采取加熱方式進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),未必就是吸熱反應(yīng),如煤與石油的燃燒,以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的鋁熱反應(yīng)等;而不需要加熱就可以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),也不一定就是放熱反應(yīng),如Ba(OH)2·8H2O 晶體和NH4Cl晶體的反應(yīng),雖然在常溫下就可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但其仍然是吸熱反應(yīng)。三是要厘清化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)的關(guān)系,雖然能量變化是化學(xué)反應(yīng)的基本特征之一,但該論述不能倒推。

      三、化學(xué)能與熱能轉(zhuǎn)換的意義

      作為人們?nèi)粘I钪薪?jīng)常遇到和用到的知識,化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換,是人類生活與工作、生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。

      一方面,化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換,被廣泛地運(yùn)用于能源發(fā)電、機(jī)械加工、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)等過程中。在人們?nèi)粘I钪?,最為常見的就是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能,形成熱量為人們服務(wù)的情況。

      另一方面化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換,并不僅僅是一種主動(dòng)操作的現(xiàn)象,在自然界中也存在著多種多樣的自發(fā)形成的能量轉(zhuǎn)換。例如人和動(dòng)物在獲取食物后,通過對食物進(jìn)行消化吸收,使其中的營養(yǎng)物質(zhì)成為人體和動(dòng)物身體的必需養(yǎng)分,并通過生物酶的作用使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,為身體提供維持生命的熱量。

      結(jié)束語

      化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換知識,是化學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的一部分,但同時(shí)也是十分難懂、難以有效掌握的知識點(diǎn)。借助化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)換,可以為人們的生存與發(fā)展提供必需的能量和動(dòng)力,輔助人們更好地進(jìn)行生產(chǎn)和生活,是當(dāng)今社會(huì)不可缺少的知識和技術(shù)。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1] 楊明生. 淺談“化學(xué)能與熱能”的有效學(xué)習(xí)[J]. 高中數(shù)理化,2017(13).

      [2] 李玉民. 化學(xué)能與熱能、蓋斯定律的綜合應(yīng)用[J]. 中學(xué)生數(shù)理化:高二版,2012(9):42-45.

      [3] 盧文秀、趙曉磊. 關(guān)于化學(xué)能與熱能的幾個(gè)易錯(cuò)問題[J]. 中學(xué)化學(xué),2013(7):41-42.

      (作者單位:湖南省長沙市寧鄉(xiāng)縣第一中學(xué))endprint

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