化学反应与能量变化知识点

化学反应过程中能量变化的本质

物质和能量，是研究化学反应的2个不同视角。有时候我们利用化学反应制造或消除某些物质，如从矿石中提炼金属、合成有机高分子材料，除去工业尾气中的有害成分、除去废水中的重金属离子等。而有时候则主要是利用化学反应吸收或释放能量，如研究如何提高光合作用效率、提高煤和汽油的燃烧效率等。 化学反应过程中的能量变化对于人类的生存与发展具有极其重要的意义，对于化学反应的研究，不可简单停留在...更多

化学反应过程中既有物质变化，又有能量变化。释放或吸收热量是化学反应中能量变化的主要形式之一。人们广泛利用化学反应中释放或吸收的热量为生产生活服务，如生命体中糖类与氧气的反应、生产生活中燃料的燃烧等都是化学反应热效应的重要应用。

在化学反应过程中，当反应物和生成物具有相同温度时，所吸收或放出的热量称为化学反应的反应热。在化工生产和科学实验中，化学反应通常是在敞口容器中进行的，反应体系的压强与外界压强相等，即反应是在恒压下进行的。在恒温、恒压的条件下，化学反应过程中吸收或释放的热量称为反应的焓变，用△H表示，单位常采用kJ·mol-1。

一个化学反应是吸收能量还是放出能量，取决于反应物的总能量和生成物的总能量的相对大小。若反应物的总能量小于生成物的总能量，则反应过程中吸收能量;若反应物的总能量大于生成物的总能量，则反应过程中放出能量。

在化学反应中能量的变化通常以热量等形式表现出来。吸收热量的反应称为吸热反应，吸热反应的△H 放出热量的反应称为放热反应，放热反应的△H 0。能够表示反应热的化学方程式叫做热化学方程式。

由于反应热与温度、压强、反应物及生成物的状态等因素有关，在书写热化学方程式时应标明反应物及生成物的状态、反应温度和压强。若不标明温度和压强，则表示是在25℃(即298K)、101kPa条件下的反应热。

在热化学方程式中，反应物和生成物的聚集状态是用英文小写字母在其化学式的后面标注的，一般用“g”表示气体(gas)，“l”表示液体(liquid)，“s”表示固体(solid)，“aq”表示水溶液(aqueous)。在热化学方程式中，物质化学式前面的化学计量数表示物质的量，可以用整数或简单分数表示。同一化学反应，热化学方程式中物质的化学计量数不同，反应的△H也不同。

化学反应过程中为什么会伴随能量变化呢?以氮气与氧气反应生成一氧化氮的反应为例讨论这一问题。

实验测得，1molN2(g)与1molO2(g)反应生成2molNO(g)时吸收182.6kJ的热量。化学反应中的能量变化，是由化学反应中反应物中化学键断裂时吸收的能量与生成物中化学键形成时放出的能量不同所导致的。如下图所示，当1molN2(g)与1molO2(g)在一定条件下反应生成2molNO(g)时，1molN2分子中的化学键断裂时需要吸收946kJ的能量，1molO2分子中的化学键断裂时需吸收498kJ的能量，而2molNO分子中的化学键形成时可释放632kJ·mol-1×2mol=1264kJ的能量。

反应N2(g)+O2(g)=2NO(g)的反应热应等于断裂反应物分子中的化学键吸收的总能量(946kJ·mol-1+498kJ·mol-1=1444kJ·mol-1)与形成生成物分子中的化学键放出的总能量(1264kJ·mol-1)之差，即吸热180kJ·mol-1。分析结果与实验测定结果很接近，这说明化学反应中化学键的断裂和形成是反应过程中有能量变化的本质原因。

不同的化学反应具有不同的反应热，人们可以通过多种方法获得反应热的数据，其中最直接的方法是通过实验进行测定。

在科学研究中，科学家常用量热计(见下图)来测量反应热。在实验过程中，尽可能保证反应物能充分反应，同时减少与外界的热交换，以减小实验误差。目前，科学家已经用实验方法精确测定了许多反应的反应热。

但是，并不是所有反应的反应热均可通过实验直接测定。如反应C(石墨)+½O2(g)=CO(g)的反应热就不能由实验直接测得，因为在反应中总会有CO2(g)生成。可见，获取那些不易直接测定的反应的反应热，是一项很有意义的研究工作。

1840年，俄国化学家盖斯在分析了许多化学反应的热效应的基础上，总结出一条规律：“一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，其总的热效应是完全相同的。”这个规律被称为盖斯定律。

盖斯定律表明，一个化学反应的焓变(△H)仅与反应的起始状态和反应的最终状态有关，而与反应的途径无关。这就好比登泰山，可经历不同的途径和采用不同的方式，无论你是拾级而上，还是乘坐索道缆车，当你站在泰山之巅时，与你站在山脚下相比，两种方式所发生的势能变化是相同的。

在众多的化学反应中，有些反应的反应速率很慢，有些反应同时有副反应发生，还有些反应在通常条件下不易直接进行，因而测定这些反应的热效应就很困难，运用盖斯定律可方便地计算出它们的反应热。

根据盖斯定律，我们可以利用已知反应的焓变去求未知反应的焓变：

若一个反应的焓变△H=akJ·mol-1，则其逆反应的焓变△H =-akJ·mol-1;

若一个反应的化学方程式可由另外几个反应的化学方程式相加减而得到，则该反应的焓变亦可以由这几个反应的焓变相加减而得到。

能源是可以提供能量的自然资源，包括化石燃料、阳光、风力、流水、潮汐等。能源是国民经济和社会发展的重要物质基础。我国目前使用的主要能源是化石燃料，但化石燃料的蕴藏量有限，而且不可再生，最终将会枯竭。通常我们使用的能量的主要形式是电能和热能，热能主要通过燃烧煤、石油、天然气、植物秸秆等物质而获得。因此，提高这些物质的燃烧效率对于节约能源十分重要。

燃料燃烧过程中放出的热能是人类生活和生产所需能量的重要来源。质量相同、组成不同的燃料，完全燃烧后放出的热量也不相等。人们通常用标准燃烧热或热值来衡量燃料燃烧放出热量的大小。在101kPa下，1mol物质完全燃烧的反应热叫做该物质的标准燃烧热，1g物质完全燃烧所放出的热量叫做该物质的热值。物质完全燃烧是指物质中含有的氮元素转化为N2(g)，氢元素转化为H2O(l)，碳元素转化为CO2(g)。

随着人类的文明和科学技术的发展，对能源的需求不断增大，开发新能源成为当前国际能源研究的重要课题。新能源应具有资源丰富、可再生、无污染或少污染等特点。目前，科学家们正在研究和开发太阳能、氢能、风能、地热能、潮汐能和生物质能等新能源，并已经取得了一定的进展。