對化學(xué)教材熱化學(xué)方程式的書寫的一些探討

曾大兵

（隆昌縣第一中學(xué)，四川內(nèi)江642150）

摘要文章探討化學(xué)教材中引入△H (反應(yīng)熱)的必要性和依據(jù)，引入△H后，熱化學(xué)方程式的表示方法的變化，詳細(xì)介紹了“反應(yīng)進(jìn)度”的含義。

關(guān)鍵詞反應(yīng)熱；熱化學(xué)方程式；反應(yīng)進(jìn)度

一、教材引入△H (反應(yīng)熱)的必要性和依據(jù)

化學(xué)反應(yīng)總伴隨著能量變化，通常表現(xiàn)為熱量的變化。人們用熱化學(xué)方程式來表示化學(xué)反應(yīng)中放出或吸收的熱量。在原教材中熱化學(xué)方程式這樣表示：

C(固) + O2(氣) = CO2(氣) + 393.5 kJ

上式表示在101 kPa和25 ℃的條件下，1 mol 固態(tài)碳和1 mol 氧氣反應(yīng)生成1 mol CO2氣體時放出393.5 kJ的熱量。這種表示方法寫法直觀，容易為學(xué)生理解。但是因為書寫化學(xué)反應(yīng)方程式必須遵守質(zhì)量守恒定律，這種表示方法把反應(yīng)中原子結(jié)合的變化和熱量的變化用加號連在一起是欠妥的。因此，在GB 3102.4～93中規(guī)定，熱量(Q)“應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)函數(shù)的變化來表示，例如T·△S，△S是熵的變化，或△H，焓的變化”。

在中等化學(xué)中，一般研究在一定壓強(qiáng)下，在敞開容器中發(fā)生的反應(yīng)所放出或吸收的熱量。因此，根據(jù)熱力學(xué)第一定律△U=Q+WQP=△U－W=(U2－U1)+(p2V2－p1V1)=(U2+p2V2)－(U1+p1V1)=H2－H1=△H 即QP=△H式中QP叫恒壓熱，是指封閉系統(tǒng)不做除體積功以外的其他功時，在恒壓過程中吸收或放出的熱量。上式表明，恒壓熱等于系統(tǒng)焓的變化。所以，在中等化學(xué)所研究的反應(yīng)范圍之內(nèi)，Q=QP=△H，這是教材中引入△H的依據(jù)。

二、引入△H以后，熱化學(xué)方程式的表示方法發(fā)生的變化

引入△H這個物理量以后，使得熱化學(xué)方程式的表示方法發(fā)生了變化。

1．根據(jù)國標(biāo)，在熱力學(xué)中將內(nèi)能U改稱為熱力學(xué)能。其定義為：對于熱力學(xué)封閉系統(tǒng)，△U=Q+W，（式中Q是傳給系統(tǒng)的能量，W是對系統(tǒng)所作的功。）Q、W都是以“系統(tǒng)”的能量增加為“+”來定義的。而舊教材中，Q是以“環(huán)境”的能量增加（或以“系統(tǒng)”的能量減少）為“+”來定義的，這樣，原來的熱化學(xué)方程式中的“+”“－”所表示的意義正好與國標(biāo)的規(guī)定相反。因此，引入△H以后，當(dāng)反應(yīng)為放熱反應(yīng)時，△H為“－”或△H<0；當(dāng)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)時，△H為“＋”或△H>0。

2．在原教材中，熱化學(xué)方程式中物質(zhì)的聚集狀態(tài)用中文表示，如固、液、氣等，根據(jù)國標(biāo)，應(yīng)當(dāng)用英文字母表示。如s代表固體、l代表液體、g代表氣體或蒸氣、aq表示水溶液等。

3．熱化學(xué)方程式中反應(yīng)熱的單位不同。原教材中反應(yīng)熱的單位是J或kJ，而△H的單位為J/mol或kJ/mol。根據(jù)引入△H以后的變化，類似以下熱化學(xué)方程式的表示法就廢除：

C(固) + O2(氣) = CO2(氣) + 393.5 kJ

C(固) + H2O(氣) = CO(氣) + H2(氣) －131.5 kJ

正確表示法為：先寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式，并注明各物質(zhì)的聚集狀態(tài)。然后寫出該反應(yīng)的摩爾焓[變] △rHm（下標(biāo)“r”表示反應(yīng)，“m”表示摩爾）。實際上，一般給出的都是反應(yīng)物和產(chǎn)物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（指溫度為298.15 K，壓強(qiáng)為101 kPa時的狀態(tài)）時的摩爾焓[變]，即反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓[變]△rHmΘ（上標(biāo)“Θ”表示標(biāo)準(zhǔn)），兩者之間用逗號或分號隔開。

三、有關(guān)反應(yīng)進(jìn)度

考慮到中等化學(xué)的實際情況，教材沒有引入“反應(yīng)進(jìn)度(符號為ξ)”這個物理量。但是應(yīng)該明確，△rHm的單位“kJ/mol”中的“mol”是指定反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度的國際單位制（簡稱SI）單位，而不是物質(zhì)的量的單位。國標(biāo)中，反應(yīng)進(jìn)度的定義為：

對于化學(xué)反應(yīng) 0=ΣBνBB nB(ξ) = nB(0) +νBξ式中nB(0)和nB(ξ)分別代表反應(yīng)進(jìn)度ξ=0(反應(yīng)未開始)和ξ=ξ時B的物質(zhì)的量。由于nB(0) 為常數(shù)，因此有dξ=νB-1dnB，對于有限的變化△ξ=νB-1△nB所定義的反應(yīng)進(jìn)度，只與化學(xué)反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)，而與選擇反應(yīng)系統(tǒng)中何種物質(zhì)B無關(guān)。反應(yīng)進(jìn)度與物質(zhì)的量具有相同的量綱，SI單位為mol。由于ξ的定義與νB（化學(xué)計量數(shù)，對于反應(yīng)物其為負(fù)，對于產(chǎn)物其為正）有關(guān)，因此在使用ξ時必須指明化學(xué)反應(yīng)方程式。

反應(yīng)進(jìn)度自1982年進(jìn)入國家標(biāo)準(zhǔn)，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)從1992年引入了反應(yīng)進(jìn)度。反應(yīng)進(jìn)度是化學(xué)反應(yīng)的最基礎(chǔ)的量。由于化學(xué)中引入了此量，使涉及化學(xué)反應(yīng)的量綱和單位的標(biāo)準(zhǔn)化大大前進(jìn)了一步，也很好地解決了一系列量在量綱上出現(xiàn)的困難和矛盾。對于化學(xué)反應(yīng)0=ΣBνBB，反應(yīng)的摩爾焓[變]△rH>m，可由測量反應(yīng)進(jìn)度ξ1→ξ2時的焓變△H，除以反應(yīng)進(jìn)度變△ξ而得，即△rHm=△H/△ξ。由于反應(yīng)進(jìn)度ξ的定義與化學(xué)反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)，因此△rHm也與化學(xué)反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)，即對同一實驗數(shù)據(jù)，由于計算△ξ所依據(jù)的化學(xué)反應(yīng)方程式不同，使得△rHm也不同。所以在使用△rHm時，必須指明對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式。例如：

2H2(g) + O2(g) = 2H2O(g)；△rHm =－483.6 kJ/mol ①

H2(g) + 1/2 O2(g) = H2O(g)；△rHm=－241.8 kJ/mol ②

對于反應(yīng)①，2mol H2(g)和1 molO2(g)完全反應(yīng)生成2 mol H2O(g)表示1反應(yīng)進(jìn)度的反應(yīng)，而對于反應(yīng)②，1mol H2(g)和0.5 mol O2(g)完全反應(yīng)生成1mol H2O(g)也表示1反應(yīng)進(jìn)度的反應(yīng)，前者放熱483.6 kJ，后者放熱241.8 kJ。因此，兩個反應(yīng)的△rHm不同，反應(yīng)① 的△rHm是反應(yīng)②的兩倍。由此可以看出：

(1) 反應(yīng)的摩爾焓[變]△rHm實際上是單位反應(yīng)進(jìn)度的焓變?！鱮Hm的單位“J/mol”或“kJ/mol”中的“mol”是“指定反應(yīng)”的反應(yīng)進(jìn)度的SI單位，mol－1是每反應(yīng)進(jìn)度的SI單位。(2) 對于用不同的化學(xué)計量數(shù)表示的相同物質(zhì)的反應(yīng)，每反應(yīng)進(jìn)度的反應(yīng)所表示的意義是不同的，當(dāng)然相對應(yīng)的△rHm也是不同的。最后需要說明的是：由于△rHm與反應(yīng)的溫度和壓強(qiáng)有關(guān)，因此書寫熱化學(xué)方程式時應(yīng)注明反應(yīng)的溫度和壓強(qiáng)。但中等化學(xué)所用的△rHm的數(shù)據(jù)，一般都是在101 kPa和298.15 K時的數(shù)據(jù)，因此可不特別注明。考慮到這一點(diǎn)和中等化學(xué)中學(xué)生的知識水平和接受能力，新教材中將△rHmΘ(298.15 K)簡寫為△H來表示。

總之，引入△H以后，熱化學(xué)方程式的表示方法發(fā)生了很大變化，教師對此應(yīng)做到心中有數(shù)，但教學(xué)過程中不要向?qū)W生過分強(qiáng)調(diào)，以避免不必要的深究。