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有关化学反应与能量几个重要观念

来源:未知作者:王笃年 点击:所属专题: 能量观
物质变化和能昂变化是学习和研究化学、认识物质的2个重要维度。关于物质的变化我们比较熟悉, 能量变化则往往由于看不见、摸不着。比较抽象和费解。如下关于能量的几个观念对于化学学习是非常重要的。 1、任何化学反应过程都一定伴随看能量的变化 常见化学反应有的释放能量

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物质变化和能昂变化是学习和研究化学、认识物质的2个重要维度。关于物质的变化我们比较熟悉, 能量变化则往往由于看不见、摸不着。比较抽象和费解。如下关于能量的几个观念对于化学学习是非常重要的。

1、任何化学反应过程都一定伴随看能量的变化

常见化学反应有的释放能量,有的则需要吸收能量,能量的表现形式多种多样。常见的有热力学能、光 能、电能、动能等,初学者往往有“难道就没有一个恰好既不吸收能量也不放出能量的反应? ”这样的天真想法,让我们从微观的角度加以分析。

化学反应包括“旧键的破坏”和“新键的形成”2个微观过程,破坏旧的化学键的过程需要吸收能量,根据能量守恒思想可知,形成新键的过程中则必然释放能量。1个反应宏观表现为吸收能量还是放出能量,取决于上述2个过程的相对强弱。化学反应过程中破坏的旧键与形成的新键不可能恰好一样(若破坏的旧键跟形成的新键完全一样的话,那物质就不会发生変化 了)。从哲学的角度看,这2个过程所吸收与释放的能量是绝对不可能恰好相等的,故任何化学反应过程一 定会伴随着能量的变化一吸收能量或者放出能量。 只是不同的反应吸收或释放的能量多少有差异。对于可逆反应来说,若正反应放热,则逆反应必然吸热。这个看似十分简单的道理。历史上却闹出过巨大的笑话,20世纪70、80年代,有一个骗子声称自己发明了新型催化剂可以使水像汽油一样燃烧释放能量。骗人出资建厂生产该“新型催化剂”,竟然骗遍大江南北, 骗取了巨额资金。

根据科学原理可知,H2在O2中燃烧生成水是放热过程,则水分解这一逆过程必然要吸收能量。催化剂只能改变化学反应的速率,不可能改变反应过程中的能量变化。

2、破坏任何作用力的过程都需要吸收能量,而形成作用力的过程则伴随着能量的释放。

前边我们分析了化学反应的微观过程,在化学反应中,一定存在破坏旧的化学键(吸收能量)和形成新的化学键(释放能量)的2个过程。

一些物理过程中也存在微观作用力破坏或形成的情况,如液态物质的汽化过程需要吸收能量。我们知道,液体状态下,分子与分子间的平均距离较小,这 时分子之间的作用力较强;液体变为气体后。分子间的距离骤然增大,分子间作用力随之大为减弱,相当于这个过程中破坏了分子间作用力,需要吸收一定的 能量。这个能量叫做物质的“汽化热”。而与此相反,蒸气凝结为液态的过程,从微观角度看,大大缩短了分子与分子之间的距离,分子间作用力大为加强,相当于形成分子间作用力,则会释放出能量。冰箱、空调的制冷原理正是利用上述2个过程:制冷剂都是常温下呈气态且沸点相对较高的一类物质,由于沸点较高,压缩时比较容易液化,液化过程中释放出热量。夏天当我们走到空调的室外机附近时,可以感受到这些热量,把压缩后液化的制冷剂通过金属管道输送到室内,让其汽化吸热,则可导致室内温度下降。

溶解过程的热量变化也可由此理解:把一块 NaCl晶体放到水里,晶体会慢慢变小直至消失,这个过程从微观角度分析,其实分为2步:NaCl的扩散与水合,首先是在水分子的作用下,Na、Cl分别 离开晶体表面的扩散过程,这个过程需要破坏原来晶体中的离子键,属于吸收能量的过程;然后,由于 Na、Cl均带有电荷,会跟具有极性的水分子相互结 合,形成水合钠离子和水合氯离子。显然,这个过程形成新的作用力,会释放能量。NaCl溶解过程中,宏观上热效应不是很明显,说明上述2个过程吸收与释放 的能量比较接近。而像硝酸钾、硝酸铵等晶体溶解过程中明显地吸热,说明离子扩放过程所需要吸收的能量量远多于离子水合时所释放的能量。

同样道理可以推知,气体物质溶解于水的过程则一般都是放热的过程,因为气体分子间距离大,分子间作用力弱;当它们溶解于水时,气体分子跟水分子间发生近距离的相互作用,形成较强的作用力。故气体溶解过程主要表现为释放能量,由此出发。我们就可以根据化学平衡原理,很好地理解气体物质溶解度跟温度的关系:“升高温度,气体物质的溶解度减小", 即升高温度,则化学平衡向着吸热的方向(体离开溶液,破坏气体分子跟溶剂分子间较强的分子间作用力)移动。

3、物质能量越高则越不稳定,稳定的物质则能量较低 

正如日常生活中我们说比较活跃的人“能量大” 一样,化学物质的活泼性也跟其本身具有的能量高低有关,同素异形体的性质最能说明这一点。

如O2和O3,同样是由氧元素形成的单质,臭氧比氧气要活泼得多,这说明同样质量的臭氧要比氧气的能量高。实验证明,每3 mol O2转化为2 mol O3, 需要吸收286 kJ的能量。再如白磷和红磷,白磷着火点为40 ℃而红磷为240 ℃,白磷远比红磷活泼,这是因为由红磷生成1 mol 白磷P4需要吸收约70 kJ的 能量,说明同样质量的白磷要比红磷含有的能量高一 些。金刚石与石墨也是一样的道理,由金刚石转化为石墨的过程是释放一定能量的(只有1.9 kJ·mol -1很小),故石墨要比金刚石的性质稳定一点。

上述3个关于能量的基本观念,既是深入进行化 学学习所需要的,其本身也是很重要的科学结论,可 以用于指导科学研究.利用化学反应的方法释放或储存能量,是重要的研究课题.很多物质的变化过程,其 意义往往在于能量的利用。如光合作用的意义不仅仅是合成葡萄糖、释放氧气,更在于储存能量——绿色植物在叶绿素的催化作用下,借助CO2、H2O向 C6H12O6、O2的转化,把太阳能储存于葡萄糖、O2这些高能化学物质之中,动物摄取植物光合作用形成的果实、种子作为食物,并通过氧化葡萄糖等高能化学物质为自己的生理活动提供能量,同时又把 C6H12O6、O2转化成CO2、H2O还给大气。

(责任编辑:化学自习室)
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