高中物理教学论文 剖析热化学方程式的表示方法.pdf

高中化学教学论文 剖析热化学方程式的表示方法高中化学教学论文 剖析热化学方程式的表示方法 摘要 本文介绍高中化学教材 化学反应中的能量变化 中引入 H 焓变 反应热效应 的必要性和依据 以及引入 H 以后 热化学方程式的表示方法发生的变化 并详细介绍了 反应进度 的含义 关键词 热化学方程式 反应热 焓 反应进度 按照国家指令性规定 在使用 量和单位 的名称 符号 书写规则时都应符合 中 华人民共和国国家标准 GB3100 3102 93 量和单位 以下简称 国标 的规定 全 日制普通高级中学教科书 试验本 化学 以下简称 新教材 遵循国家的有关规定 结合中学化学教学特点 在物理量的引用上 积极贯彻 量和单位 国家标准 规范了教材 中相关物理量的表述 本文就新教材里 化学反应中的能量变化 中引入热力学函数 H 及其由此引发的热化学方程式的表示方法问题作一些探讨 一 新教材引入 H 的必要性和依据 在化学反应中 物质发生化学变化的同时 还伴随有能量的变化 通常以热能的形 式表现出来 称为反应热 这种化学反应的热效应 反应中吸收或放出的热量 可用热化学 方程式来表示 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 上式表示标准状态 即反应体系在压强为 101kPa 和温度为 25 时的状态 下 1mol 固态碳和 1mol 氧气反应生成 1mol 二氧化碳气体时放出 393 5kJ 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 但由于物质的化学式具有表示物种及其质量之意义 化 学方程式揭示的又是物质的转化关系 而热化学方程式的这种表示方法把反应中物质的变化 和热量的变化用加号连在一起是欠妥的 因此 国标 规定 热量 Q 应当用适当的热 力学函数的变化来表示 例如用 T S 或 H 表示 S 是熵的变化 H 是焓的变 化 在中等化学中 一般仅研究在一定压强 即恒压条件 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 系统在过程中的热力学能 旧称内能 变化 U 等于传给系统的热量 Q 与外界对系统所作功 W 之和 即 U Q W 当系统处于恒压过程时 则有 U QP W 若系统在反应过程中只有体积功 即 W P V2 V1 P2V2 P1V1 则 有 U QP P2V2 P1V1 依据焓 H 的定义 H U PV 显然 用心 爱心 专心 1 QP U2 U1 P2V2 P1V1 U2 P2V2 U1 P1V1 H2 H1 H 即有 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 但需注意的是 限于中等化学 学生的知识水平和接受能力 教材不便引入焓的概念 而仍称 H 为反应热 教学中也 不必引深 二 引入 H 后的热化学方程式表示方法 新教材引入 H 这个物理量后 热化学方程式的表示方法同旧教材相比发生了如下 变化 1 根据 国家标准 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反应热的 所表示的 意义正好与 国家标准 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 表明系统能量减少 当反应为吸热反应时 H 为 或 H 0 表明系统能量增加 2 在旧教材里 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 国家标准 应当用英文字母 取英文词头 表示 如 s 代表固体 solid l 代表液体 liquid g 代表气体 gas aq 表示水溶液 Aqueous solution 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 在化学方程式中用规定的英文字母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 实际上通常给出的是反应体系处于 标准状态 指温度为 298 15K 压强为 101kPa 时的状态 时的摩尔焓 变 即反应的标准 用心 爱心 专心 2 摩尔焓 变 以 rHm 表示 上标 表示标准 方程式与摩尔焓 变 间用逗号 或分号隔开 例如 C s O2 g CO2 g rHm 298 15 K 393 5 kJ mol C s H2O g CO g H2 g rHm 298 15 K 131 5 kJ mol 由于 rHm 与反应体系的温度和压强有关 对于非标准状态下的反应体系 书写热 化学方程式时还应注明反应的温度和压强 但中等化学所用的 rHm 的数据 一般都是反应 的标准摩尔焓 变 因此可不特别注明 考虑到这一点和中等化学学生的知识水平和接受能 力 新教材中将 rHm 298 15K 简写为 H 来表示 例如 C s O2 g CO2 g H 393 5 kJ mol C s H2O g CO g H2 g H 131 5 kJ mol 三 H 的单位与反应进度 基于对中等化学知识的要求深度 新教材中没有引入 反应进度 代号为 这 个物理量 但应明确 rHm 的单位 kJ mol 中的 mol 是指定反应体系的反应进度的 国际单位制 简称 SI 单位 而不是物质的量的单位 反应进度的定义为 对于化学反应 0 BB nB nB 0 B 式中 nB 0 和 nB 分别为反应进度 0 反应未开始 和 时 B 的物质的量 B 为反应中 B 物质的化学计量数 对于反应物其为负 对于产物其为正 因 nB 0 为常数 则对于反应系统发生微小变化时有 d B 1dnB 对于反应系统发生有限的变化 则有 B 1 nB 在此所定义的反应进度 显然只与指定反应系统的化学方程式的写法有关 而与选 择系统中何种物质 B 无关 反应进度与物质的量具有相同的量纲 SI 单位为 mol 由于 的 定义与 B 有关 因此在使用 及其与此相关的其它物理量时必须指明化学方程式 否则是 无意义的 例如 说 氢气跟氧气反应生成水蒸气的标准摩尔焓 变 为 rHm 298 15 K 483 6 kJ mol 是不明确的 反应进度是研究化学反应过程状态变化的最基础的物理量 由于化学中引入了此量 使涉及化学反应的量纲和单位的标准化大大前进了一步 也很好地解决了一系列物理量在量 纲上出现的困难和矛盾 用心 爱心 专心 3 用心 爱心 专心 4 对于化学反应 0 BB 反应的摩尔焓 变 rHm 一般可由测量反应进度 1 2 时的焓变 H 除以反应进度变 而得 即 rHm H 由于反应进度 的定义与化学方程式的写法 即与反应方程式中物质 B 的 B 有关 因此反应的摩尔焓 变 rHm 也与化学方程式的写法有关 即对同一实验数据 由于 计算 所依据的化学方程式不同 使得 rHm 也不同 所以在使用 rHm 时 必须指明对 应的化学方程式 例如 2H2 g O2 g 2H2O g rHm 298 15 K 483 6 kJ mol H2 g 1 2 O2 g H2O g rHm 298 15 K 241 8 kJ mol 对于反应 来说 2molH2 g 和 1molO2 g 完全反应生成 2molH2O g 表示反应进度 1mol 的反应 对于反应 来说 1molH2 g 和 0 5molO2 g 完全反应生成 1molH2O g 也表示反应进度 1mol 的反应 前者放热 483 6kJ 后者放热 241 8kJ 因此 两 个反应的 rHm 不同 反应 的 rHm 是反应 的两倍 由上可见 1 反应的摩尔焓 变 rHm 实际上是单位反应进度的焓变 rHm 的单位 J mol 或 kJ mol 中的 mol 是 指定反应 的反应进度的 SI 单位 mol 1 是每单位反应进 度的