剖析熱化學方程式的表示方法

本文就新教材里“化學反應中的能量變化”中引入熱力學函數“△H”及其由此引發的熱化學方程式的表示方法問題作一些探討。

一、新教材引入△H的必要性和依據

在化學反應中，物質發生化學變化的同時，還伴隨有能量的變化，通常以熱能的形式表現出來，稱為反應熱。這種化學反應的熱效應(反應中吸收或放出的熱量)可用熱化學方程式來表示。在舊教材中熱化學方程式是這樣表示的:

C(固)+O2(氣)=CO2(氣)+393.5kJ

上式表示標準狀態(即反應體系在壓強為101kPa和溫度為25℃時的狀態)下，1mol固態碳和1mol氧氣反應生成1mol二氧化碳氣體時放出393.5kJ的熱量。《國標》規定，熱量(Q)應當用適當的熱力學函數的變化來表示，例如用“T.△S”或“△H”表示(△S是熵的變化，△H是焓的變化)。

在中等化學中，一般僅研究在一定壓強(即恒壓條件)下，在敞開容器中發生的反應所放出或吸收的熱量。因此根據熱力學第一定律:系統在過程中的熱力學能(舊稱內能)變化“△U”等于傳給系統的熱量“Q”與外界對系統所作功“W”之和，即:△U=Q+W.當系統處于恒壓過程時，則有:

△U=QP+W

若系統在反應過程中只有體積功，即:W=-P(V2-V1)=-(P2V2-P1V1)，則有:

△U=QP-(P2V2-P1V1)

依據焓(H)的定義:H=U+PV，顯然:

QP=(U2-U1)+(P2V2-P1V1)=(U2+P2V2)-(U1+P1V1)=H2-H1=△H

即有:QP=△H

式中“QP”叫恒壓熱，是指封閉系統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，恒壓熱等于系統焓的變化。所以，在中等化學所研究的反應范圍之內，Q=QP=△H，這就是新教材中引入△H的依據。但需注意的是，限于中等化學學生的知識水平和接受能力，教材不便引入焓的概念，而仍稱“△H”為反應熱，教學中也不必引申。

二、引入△H后的熱化學方程式表示方法

新教材引入△H這個物理量后，熱化學方程式的表示方法同舊教材相比發生了如下變化。

1.根據《國家標準》，在熱力學中將內能U改稱為熱力學能。其定義為:對于熱力學封閉系統，

△U=Q+W

式中“Q”是傳給系統的能量，“W”是對系統所做的功。Q、W都是以“系統”的能量增加為“+”來定義的。引入△H以后，當反應為放熱反應時，△H為“-”或△H<0(表明系統能量減少);當反應為吸熱反應時，△H為“+”或△H>0(表明系統能量增加)。

2.在舊教材里，熱化學方程式中物質的聚集狀態用中文表示，如固、液、氣等。根據《國家標準》，應當用英文字母(取英文詞頭)表示，如“s”代表固體(solid)、“l”代表液體(liquid)、“g”代表氣體(gas)、“aq”表示水溶液(Aqueous solution)等。

3.熱化學方程式中反應熱的單位不同。舊教材中反應熱的單位是J或kJ，而△H的單位為J/mol或kJ/mol。

根據引入△H以后的這些變化，類似以下熱化學方程式的表示方法已經廢除:

C(固)+O2(氣)=CO2(氣)+393.5kJ

C(固)+H2O(氣)=CO(氣)+H2(氣)-131.5kJ

正確的表示方法為:

在化學方程式中用規定的英文字母注明各物質的聚集狀態。然后寫出該反應的摩爾焓[變]△rHm(下標“r”表示反應，“m”表示摩爾)。實際上通常給出的是反應體系處于標準狀態(指溫度為298.15K，壓強為101kPa時的狀態)時的摩爾焓[變]，即反應的標準摩爾焓[變]，以“△rHmΘ”表示(上標“Θ”表示標準)。方程式與摩爾焓[變]間用逗號或分號隔開。例如:

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

C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g);

△rHmΘ(298.15K)=+131.5kJ/mol

由于△rHm與反應體系的溫度和壓強有關，對于非標準狀態下的反應體系，書寫熱化學方程式時還應注明反應的溫度和壓強。但中等化學所用的△rHm的數據，一般都是反應的標準摩爾焓[變]，因此可不特別注明。考慮到這一點和中等化學學生的知識水平和接受能力，新教材中將“△rHmΘ(298.15K)”簡寫為△H來表示。例如:

C(s)+O2(g)=CO2(g);△H=-393.5kJ/mol

C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g);△H=

+131.5kJ/mol

總之，二十一世紀需要具有不斷創新能力的高素質的人才，作為跨世紀的化學教師在教學中應注重培養學生自主創新的學習品質，開創新世紀化學課堂教學的新天地。

參考文獻:

[1]胡美玲.中等化學應貫徹“量和單位”系列國家標準.化學教育.2004.(5).

[2]喬國才.關于高中化學新教材中熱化學方程式書寫問題的探討.人教網.

[3]中華人民共和國國家標準.GB3100～3102-93《量和單位》.中國標準出版社.1994.

[4]量和單位國家標準實施指南.中國標準出版社，1996.

[5]物理化學(上冊).高等教育出版社，2004.

作者單位:汝陽縣第一高級中學