化学自习室移动版

首页>化学反应原理>化学反应与热能>注解与辨疑h>

关于化学能,几点释疑

1.焓是什么?与什么因素有关?物质的具体焓值是否可测?

焓(符号H)是一个很难说清楚其含义的化学量,它是在讨论恒压体系发生变化的过程中,为说明系统热效应的本质含义而引入的关于物质状态的一个函数(恒容过程则不需要用ΔH表达,恒容过程的热效应就是体系内能变化值):

H=U+ PV

ΔHU+PΔV=(U2+PV2)-(U1+PV1)=p(恒压过程热效应)

由于很难形象化地说清楚H的含义,所以物质的具体焓值是不可测量的。但总体上讲,焓与物质的“内能”密切相关,在中学阶段你只要知道,化学反应所吸收或释放的能量(不仅指热量,包括光能、电能、声音等一切形式的能量)可以用焓变ΔH表示就可以了。

ΔH=H总(产物)-H总(反应物)

如光合作用的热化学方程式:

6CO2(g) + 6H2O(l) = C6H12O6(s) + 6O2(g)ΔH= + 2804 kJ·mol-1

其中,ΔH= + 2804 kJ·mol-1的意思是“每发生1 mol 该反应(即消耗6 mol CO2气体和6 mol 液态H2O,产生1 mol 固态的葡萄糖和6 mol O2),则体系吸收2804 kJ的能量(或说体系的焓值增加2804 kJ)”。

2.热化学方程式中,ΔH的单位“kJ/mol”含义为“每摩尔反应的热效应”,何谓“每摩尔反应”?

首先我们要明确,在热化学方程式里,化学式前的化学计量数(系数)含义为“摩尔”,而不再表示“分子数”。

关于“摩尔反应”,前面已经初步介绍。比如将上述光合作用的热化学方程式中CO2、H2O、O2的化学计量数变为1,则有:

CO2(g) + H2O(l) =C6H12O6(s) + O2(g)ΔH= + 467 kJ·mol-1

即,每摩尔这样的反应(消耗1 mol CO2气体和1 mol 液态H2O,产生mol固态的葡萄糖和1 mol O2),其热效应是“吸收467 kJ的能量”。

3.熵是什么?如何理解熵的变化?化学反应的“熵判据”到底是什么意思?

熵(s)是用来衡量体系混乱程度的化学量,是科学家在早期研究过程(比如一个具体化学反应)的自发性倾向时提出来的概念。

现代物理化学中,熵是有严格定义的,它代表物质内部的微观状态数,等于体系内的热能跟体系温度的比值,所以又叫“热温商”。

完美晶体在绝对零度(0 K)下的熵值为0。实际应用中,往往并不计算物质的绝对熵,主要使用熵变ΔS(体系的混乱度增大还是减小)。

最早的时候人们发现,自发进行的反应大都具有释放能量的共同特征,于是提出了“自发反应的焓判据——体系能量降低的过程是自发的”。

随着研究的深入,人们发现一些吸收能量的过程(如常温下水的蒸发、块碱Na2CO3·10H2O的风化)居然也是自发的,单用焓判据难以解释这样的过程。

科学家深入研究此类吸热过程的共性时发现,凡是吸热且自发的过程,则一定伴随着体系混乱度增大(ΔS> 0),提出用熵来表达体系的混乱度,这样判断过程自发性就在原单一“焓判据”的基础上,增加了一个“熵判据——凡是有利于体系混乱度增大的过程,往往容易自发”。

为解决“焓判据”、“熵判据”的统一性问题,后来吉布斯等科学家提出了自由能(g)的概念,G=H-TS,一个体系的自由能降低的过程则是自发的,反之则是非自发的。在恒温条件下,用“自由能变(ΔG)”表示,则有:

ΔGH-TΔS< 0,过程自发;

ΔGH-TΔS> 0,过程不能自发;

ΔGH-TΔS= 0,过程达到平衡状态。

4. “自由能”的含义?为什么叫“自由能”?

自由能(g),顾名思义,可自由转化之能。把公式G=H-TS做一变换,则得:H=G+TS,可以理解为:物质的焓由两部分构成,一部分是自由能G,这部分能量在变化过程中可以转化为其他形式的能量,比如电能、光能等,当然也可以转化为热;另外一部分是“非自由能TS”,这部分能量是维持体系混乱度所必需的,不可自由转化。

所以,在计算电池电动势的公式ΔG= -nfε里,只有ΔG而没有涉及ΔH,因为TΔS这部分能量是不可转化为电功的。

可以直观、粗略地认为,物质的焓,包括了比较优质的能量(自由能G)和劣质的能量(非自由能TS),前者可以用来对外做功,是我们研究开发化学能的重点对象,而后者则属于体系的固有属性,难以被我们所利用。

5.如何理解燃烧热概念中“稳定氧化物”的含义?

燃烧热是指1 mol 可燃物在规定条件下完全燃烧形成稳定氧化物时,所释放出的能量。如果是1 mol 物质燃烧反应的焓变,则称为该物质的摩尔燃烧焓。如果限定燃烧前后的外界条件均为101.3 KPa、298 K,则称该物质的标准燃烧热或标准燃烧焓。

这里的“完全燃烧”首先意味着产物不可继续燃烧,如含碳物质的燃烧产物应该是CO2而非CO,含硫物质的燃烧产物则是指SO2(因SO2是不能继续燃烧的稳定氧化物);其次,燃烧产物应该是在指定条件下的稳定态,如含氢物质的标准燃烧热则是指其燃烧产物H2O在101.3 KPa、298 K条件下,呈稳定状态——液态。

说到燃烧热,总有同学纠结“它是正值还是负值”的问题。其实这是历史原因造成的,过去教科书定义燃烧热为“1 mol 可燃物质完全燃烧形成稳定氧化物所释放出的能量”,据此,燃烧热当然应该是正值,直到目前有些版本的教科书还在用“H2(g) + 1/2O2(g) = H2O(g) + 242 kJ”这样的热化学方程式。在采用ΔH表示反应的焓变后,就不存在燃烧焓是正是负的问题了。

其实,不管哪种表达方式,只要对于概念理解透彻、表达清楚即可。

(责任编辑:化学自习室)
说点什么吧
  • 全部评论(0
    还没有评论,快来抢沙发吧!