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有关热化学方程式的探讨

来源:作者:汪谦 点击:所属专题: 热化学方程式
在化学反应中,发生物质变化的同时,还伴随着能量的变化,常以热能的形式表现出来,这种表明反应放出或吸收热能的化学方程式, 叫作热化学方程式。 高中化学第三册(试验修订本选修)教材中采用了1977年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)物理化学分会推荐的单位表示方

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在化学反应中,发生物质变化的同时,还伴随着能量的变化,常以热能的形式表现出来,这种表明反应放出或吸收热能的化学方程式,叫作热化学方程式。
       高中化学第三册(试验修订本•选修)教材中采用了1977年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)物理化学分会推荐的单位表示方法来书写热化学方程式,与1995年以前版本的高中化学教材相比,新教材热化学方程式书写形式、吸放热的“+” “-”符号规定、以及△H的量纲(kJ.mol-1)表示法等都发生了变化。
      为了使广大教师和教研人员更好地了解和使用新教材,本文就新教材中热化学方程式书写的问题作一些探讨。

一、热化学方程式的表示方法

热化学方程式与普通化学方程式的区别:

1.热化学方程式必须标出能量变化。

2.热化学方程式中必须标明反应物和生成物的聚集状态,因为反应热除跟物质的量有关外,还与反应物和生成物的聚集状态有关。

3.热化学方程式中加各物质的化学计量数只表示物质的量,因此可以用分数,但要注意反应热也发生相应变化。

1.根据国标,在热力学中将内能U改称为热力学能。其定义为:对于热力学封闭系统,△U=Q+W,式中Q是传给系统的能量,W是对系统所作的功。Q、W都是以“系统”的能量增加为“+”来定义的。而旧教材中,Q是以“环境”的能量增加(或以“系统”的能量减少)为“+”来定义的,这样,旧教材中热化学方程式中的“+”、“-”所表示的意义正好与国标的规定相反。因此,引入△H以后,当反应为放热反应时,△H为“-”或△H<0;当反应为吸热反应时,△h为“+”或△h>0,△H这个物理量以后,使得热化学方程式的表示方法发生了变化。

2.在旧教材中,热化学方程式中物质的聚集状态用中文表示,如固、液、气等,根据国标,应当用英文字母表示。如s代表固体、l代表液体、g代表气体或蒸气、aq表示水溶液等。

3.热化学方程式中反应热的单位不同。旧教材中反应热的单位是J或kJ,而△H的单位为J/mol或kJ/mol。

根据引入△H以后的这些变化,类似以下热化学方程式的表示方法已经废除:
         C(固) + O2(气) = CO2(气) + 393.5 kJ
         C(固) + H2O(气) = CO(气) + H2(气) -131.5 kJ

正确的表示方法为:先写出反应的化学方程式,并注明各物质的聚集状态。然后写出该反应的摩尔焓[变] △rHm(下标“r”表示反应,“m”表示摩尔)。实际上,一般给出的都是反应物和产物均处于标准状态(指温度为298.15 K,压强为101 kPa时的状态)时的摩尔焓[变],即反应的标准摩尔焓[变]△rHmΘ(上标“Θ”表示标准),两者之间用逗号或分号隔开。例如,

 C(s) + O2(g) = CO2(g);△rHmΘ(298.15 K) =-393.5 kJ/mol

C(s) + H2O(g) = CO(g) + H2(g);△rHmΘ(298.15 K) = +131.5 kJ/mol

二、 新教材引入△H (反应热)的必要性和依据

化学反应都伴随着能量的变化,通常表现为热量的变化。人们用热化学方程式来表示化学反应中放出或吸收的热量。在旧教材中热化学方程式是这样表示的:
                C(固) + O2(气) = CO2(气) + 393.5 kJ

上式表示在101 kPa和25 ℃的条件下,1 mol 固态碳和1 mol 氧气反应生成1 mol CO2气体时放出393.5 kJ的热量。这种表示方法的优点是写法直观,容易为学生所理解。但是因为书写化学反应方程式必须遵守质量守恒定律,这种表示方法把反应中原子结合的变化和热量的变化用加号连在一起是欠妥的。        

因此,在GB 3102.4~93中规定,热量(Q)“应当用适当的热力学函数的变化来表示,例如T•△S,△S是熵的变化,或△H,焓的变化”。

在中等化学中,一般研究的是在一定压强下,在敞开容器中发生的反应所放出或吸收的热量。因此,根据热力学第一定律

△U = Q+W

QP =△U-W = (U2-U1) + (p2V2-p1V1)= (U2+p2V2)-(U1+p1V1)=H2-H1=△H

即 QP =△H

式中QP叫恒压热,是指封闭系统不做除体积功以外的其他功时,在恒压过程中吸收或放出的热量。上式表明,恒压热等于系统焓的变化。

所以,在中等化学所研究的反应范围之内,Q=QP=△H,这就是新教材中引入△H的依据。

三、有关反应进度

考虑到中等化学的实际情况,新教材中没有引入“反应进度(符号为ξ)”这个物理量。但是应该明确,△rHm的单位“kJ/mol”中的“mol”是指定反应的反应进度的有关热化学方程式的探讨国际单位制(简称SI)单位,而不是物质的量的单位。如老教材中表示为:  2H2(气)+ O2(气)= 2H2O(气) + 483.6KJ

在新教材中表示为:   2H2(g) + O2(g) = 2H2O(g);△H=-483.6KJ.mol-1

新教材执行了“量和单位”系列国家标准,老教材中的表示方法要废止。在新教材的教学中,有些教师对△H的量纲(kJ.mol-1)表示法不好理解,如反应:

N2(g)+3H2(g)=2NH3(g);△H=-92.22kJ.mol-1 ,它表明1mol N2气和3molH2气生成2molNH3释放出92.22KJ的热量,这里N2、H2和NH3分子式前面的系数不一致。如何来理解反应热△H的单位kJ.mol-1呢?

在讨论反应热△H时,需要引入一个重要的物理量——反应进度(extent of reaction),用符号ξ表示。ξ是希腊字母,读作[gzai,ksai,zai]。经IUPAC推荐已在反应热的计算、化学平衡和反应速率的表示式中普遍使用。

以VB表示物质B的化学计量数,并规定对于反应物化学计量数VB为负;对于产物VB为正,VB为量纲一的单位。对于任一反应aA+bB→dD+eE ,VA=-a、VB=-b、VD=d、VE=e 。

设某反应式为: aA + bB → dD + eE

    当t=0 ξ=0 nA0 nB0 nD0 nE0  

    当t=t ξ=ξ nA nB nD nE 定义:ξ=(nB - nB0 )/ VB

式中下标B代表任一组分、nB0 是任一组分在反应起始时的物质的量,nB是B组分在反应进度为ξ时的物质的量,ξ的量纲是mol。

引入反应进度的优点是在反应进行到任何时刻时,可用任一反应物或任一生成物来表示反应进行的程度,所得的值总是相等的。即:
            ξ=△nA/ VA=△nB/ VB=△nD/ VD=△nE/ VE

  当反应按所给反应式的系数比例进行了一个单位的化学反应,即 △nB/mol= VB ,这时反应进度ξ就等于1mol。

例:当10molN2气和20molH2气混合生成5molNH3气,计算反应的进度:
             N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

开始时 nB/mol 10.0 20.0 0

t时 nB/mol 7.5 12.5 5.0用△n(NH3)来计算ξ,ξ=(5-0)mol/2 =2.5mol

用△n(H2) 来计算ξ,ξ=(12.5-20)mol/(-3)=2.5mol

用△n(N2) 来计算ξ,ξ=(7.5-10)mol/(-1)=2.5mol

由此可见,不论用反应物还是生成物的物质的量的变化来计算反应进度,所得ξ 的值都相同。

  一个化学反应的反应热决定于反应的进度,不同的反应进度,有不同的反应热△H。△H实际上是指按所给反应式进行ξ为1mol的反应时的热量变化,量纲为KJ•mol-1.
        N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)   (1)△H=-92.22 KJ•mol-1

即1mol N2(g)与3molH2(g)反应生成2molNH3(g)时
       ξ=(0-1)mol /(-1)=(0-3)mol /(-3)=2 mol /2=1mol

反应热与反应方程式的系数有关.如以上反应式改为
        N2(g) + H2(g) → NH3(g)       (2)

 △H=-46.11 KJ•mol-1

如反应进度ξ为1mol,即 molN2(g)与 molH2(g)生成1mol NH3(g),反应热为-46.11 KJ•mol-1。但对于反应(1)式:ξ= = = = (mol),反应热应为-92.22kJ.mol-1× mol=-46.11 KJ•mol-1,与(2)式的计算结果是一致的。

在新教材使用中,教师应抛弃原来习惯的热化学方程式的表示方法,按新的表示方法教学,对学生不必作深入的解释,对反应进度等问题不必作深入探究。


参考文献:
[1] 胡美玲. 中等化学应贯彻“量和单位”系列国家标准. 化学教育,1996,(5).
[2] 中华人民共和国国家标准 GB 3100~3102-93《量和单位》. 北京:中国标准出版社,1994.
[3] 量和单位国家标准实施指南. 北京:中国标准出版社, 1996.
[4] 全日制普通高级中学教科书(试验本)(限选) 化学 第三册. 北京:人民教育出版社, 1998.
[5] 物理化学(上册). 北京:高等教育出版社,1999.
[6]人民教育出版社化学室编著,高中化学(三)(试验修订本,选修),36-37页,人民教育出版社,2002.7
[7]傅献彩,沈文霞,姚天扬编,物理化学(第四版),56-58页,高等教育出版社,1998.3
[8]大连理工大学无机化学教研室编,无机化学(第四版),24-25页,高等教育出版社,2001.6

(责任编辑:化学自习室)
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