化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)能與熱能

譚宇杰

【內(nèi)容摘要】在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換問題，因其不能像其他化學(xué)反應(yīng)一起用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示，從而成為學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。本文通過化學(xué)反應(yīng)中關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示分析，從宏觀和微觀分別闡述化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換原理，進(jìn)而論述能量轉(zhuǎn)換中的守恒定律。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)能 熱能 能量轉(zhuǎn)換 化學(xué)反應(yīng)

化學(xué)能指的是反應(yīng)過程中所釋放的能量，例如石油的燃燒、火藥的爆炸、食物的消化等，都會(huì)釋放出一定的能量，而這些由化學(xué)反應(yīng)所放出的能量就是化學(xué)能。化學(xué)能不同于熱能、電能等可感知的能量，通常只有在化學(xué)反應(yīng)過程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，從而被人們間接地感知到。在中學(xué)學(xué)習(xí)階段，理解化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)換的原理、轉(zhuǎn)換原因，并掌握化學(xué)能與熱能之間遵循的能量守恒定律，并將其運(yùn)用到具體化學(xué)問題的解答當(dāng)中，是必修功課之一。

一、化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)換的本質(zhì)屬性

在化學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，是原子最外層電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。最外層電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，不僅會(huì)產(chǎn)生新的物質(zhì)，而且導(dǎo)致化學(xué)鍵的能級產(chǎn)生改變，從而發(fā)生化學(xué)能的變化。

從宏觀的角度，或從理論的角度來看化學(xué)反應(yīng)的吸熱或放熱，如果反應(yīng)物能量比生成物高，那么相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)就是放熱反應(yīng)；如果反應(yīng)物能量比生成物低，那么相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)就是吸熱反應(yīng)。在這里，化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)能變化，其實(shí)就是通過對熱能的變化測量進(jìn)行間接判斷的。

從微觀的角度，或從實(shí)踐的角度來看化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換，化學(xué)反應(yīng)的吸熱或放熱，與化學(xué)反應(yīng)物和生成物的化學(xué)鍵之變化息息相關(guān)。反應(yīng)物化學(xué)鍵的斷裂，以及生成物化學(xué)鍵的生成，是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，以及熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的根本原因。例如，在HCl與NaOH的中和反應(yīng)過程中，H原子與Cl原子形成H-Cl鍵需要放出Q1千焦?fàn)柕哪芰?，H-Cl 鍵斷裂重新變成H原子與Cl原子需要吸收Q1千焦?fàn)柕哪芰?；同樣的，Na原子與O原子、H原子形成Na-OH鍵需要放出Q2千焦?fàn)柕哪芰浚琋a-OH鍵斷裂重新變成Na原子與O原子、H原子需要吸收Q2千焦?fàn)柕哪芰?；而Na-Cl鍵的能量為Q3千焦?fàn)?，H2O鍵的能量為Q4千焦?fàn)枴亩纬梢韵路匠淌剑篐Cl+NaOH→NaCl+H2O。

而這其中，斷開H-Cl鍵和Na-OH鍵所需要吸收的能量為（Q1+Q2）千焦?fàn)?，形成Na-Cl鍵和H2O鍵所需要釋放的能量為（Q3+Q4）千焦?fàn)枴８鶕?jù)能量守恒定律，整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)應(yīng)當(dāng)為：吸收（Q1+Q2-Q3-Q4）千焦?fàn)?。根?jù)實(shí)驗(yàn)可以看出，HCl與NaOH的中和反應(yīng)出現(xiàn)了溫度的升高，因而其屬于放熱反應(yīng)，化學(xué)能呈現(xiàn)出下降的態(tài)勢。

二、化學(xué)能與熱能的難點(diǎn)要點(diǎn)

化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換，其第一要點(diǎn)便是能量轉(zhuǎn)換遵循的規(guī)律。能量轉(zhuǎn)換是一種普遍存在的客觀現(xiàn)象，比如說風(fēng)力發(fā)電是由勢能向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電梯運(yùn)行是先通過將電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)化過渡后，再轉(zhuǎn)換為勢能。在這種轉(zhuǎn)換當(dāng)中，能量守恒定律是必須遵守的一種規(guī)律，其基本內(nèi)容是，一種能量的消失，必然會(huì)伴隨著另一種或者幾種能量的產(chǎn)生，并且消失的能量與產(chǎn)生的能量是等量的，總能量始終保持不變。在化學(xué)反應(yīng)中，化學(xué)能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)換，也要遵循這一定律。從能量變化的角度來講，化學(xué)反應(yīng)實(shí)際上是能量的一種儲(chǔ)存或者釋放的過程。

化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換，其難點(diǎn)在能量的變化。一是化學(xué)能除了轉(zhuǎn)化為熱能外，還可以轉(zhuǎn)換成電能、光能等其他能量形式，因此化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換與測算，通常都是在理想狀態(tài)下得出的結(jié)論，或者是對于其他能量數(shù)據(jù)忽略不計(jì)，并不表明化學(xué)能全部都轉(zhuǎn)換成為了熱能。二是化學(xué)反應(yīng)的吸熱、放熱過程與反應(yīng)條件并不存在必然的聯(lián)系。需要采取加熱方式進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，未必就是吸熱反應(yīng)，如煤與石油的燃燒，以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的鋁熱反應(yīng)等；而不需要加熱就可以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，也不一定就是放熱反應(yīng)，如Ba（OH）2·8H2O 晶體和NH4Cl晶體的反應(yīng)，雖然在常溫下就可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但其仍然是吸熱反應(yīng)。三是要厘清化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)的關(guān)系，雖然能量變化是化學(xué)反應(yīng)的基本特征之一，但該論述不能倒推。

三、化學(xué)能與熱能轉(zhuǎn)換的意義

作為人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到和用到的知識，化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換，是人類生活與工作、生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。

一方面，化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換，被廣泛地運(yùn)用于能源發(fā)電、機(jī)械加工、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)等過程中。在人們?nèi)粘Ｉ钪?，最為常見的就是利用化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能，形成熱量為人們服務(wù)的情況。

另一方面化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)換，并不僅僅是一種主動(dòng)操作的現(xiàn)象，在自然界中也存在著多種多樣的自發(fā)形成的能量轉(zhuǎn)換。例如人和動(dòng)物在獲取食物后，通過對食物進(jìn)行消化吸收，使其中的營養(yǎng)物質(zhì)成為人體和動(dòng)物身體的必需養(yǎng)分，并通過生物酶的作用使化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，為身體提供維持生命的熱量。

結(jié)束語

化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換知識，是化學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的一部分，但同時(shí)也是十分難懂、難以有效掌握的知識點(diǎn)。借助化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)換，可以為人們的生存與發(fā)展提供必需的能量和動(dòng)力，輔助人們更好地進(jìn)行生產(chǎn)和生活，是當(dāng)今社會(huì)不可缺少的知識和技術(shù)。

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（作者單位：湖南省長沙市寧鄉(xiāng)縣第一中學(xué)）endprint