淺談化學反應中能量變化的本質及其在生活中的應用

趙紀辰

摘要：能量的變化是我們研究化學反應的一個重要視角，化學反應中物質發生變化的同時一定伴隨著能量的變化，化學能在人們實際生產生活中的運用也日益廣泛。探索化學反應中能量變化的本質，可以更好地幫助人類利用化學知識創造出無限可能。

關鍵詞：化學反應 能量變化 反應熱 生活應用

一、化學反應與化學能

隨著科技的進步及各種精密實驗儀器的出現，人們對化學反應的研究也漸漸深入，對其從宏觀到微觀，層層遞進，進行了較為透徹的了解。化學反應其實就是分子分裂成原子，原子再重新排布組合生成新分子的一個過程，常伴隨著物質及能量的變化。化學能是指隱藏在物質當中的能量，平時覺察不到它的存在，一旦物質發生了化學變化它就會被釋放出來，并且是以熱能或者其他肉眼可見的形式。化合物在化學反應中，其各原子會重新進行分布，變成新的化合物，這期間會導致化學能發生變化。

二、化學反應中的能量變化的本質及遵循的規律

能量以各種不同的形式呈現在世人面前，而最常見的是熱能、電能、光能， 我們往往能夠通過化學反應來實現化學能到這些常見形式能量的轉化。

（一）反應熱及焓變

化學反應中能量的變化大多數以熱量的形式對外呈現，在化學反應體中，使反應產物的溫度回到反應前始態的溫度吸收或放出的熱量稱為反應熱。如果系統處于同溫同壓的狀態下，此時系統產生的反應熱又叫做“焓變”，符號用ΔH表示。是研究計算反應熱的重要參數。ΔH=∑E（反應物）-∑E（生成物）。ΔH>0為吸熱反應，ΔH<0為放熱反應。

（二）能量轉化

深入到微觀世界中，我們探索到化學反應中能量變化的本質在于微觀作用力的破壞和形成，微觀作用力包括分子間作用力和化學鍵，由于與化學鍵相比較，分子間作用力弱到可以忽略，以是我們認為化學反應中能量的變化其實是化學鍵變化了，當反應物中的化學鍵斷裂時，吸收外界一些能量，生成產物時要重新形成化學鍵，則會散發出能量。

原電池是典型的將化學能轉化為電能的裝置，利用氧化還原反應，在兩種活潑性相差較大的物質間產生電流。煤在燃燒過程中，可燃成分（碳、氫、硫等）與空氣中的氧進行劇烈的化學反應（C+O2→CO2S+O2→SOx（SO2）N+O2→NOx），煤在燃燒時，煤炭中的化學能便轉變成了人們所需要的內能。綠色植物在進行光合作用時，利用葉綠素的催化作用，吸收太陽光，把CO2和H2O 轉化為糖類和O2，這便是將光能轉變為了生物體內的化學能。

（三）能量變化遵循的規律

萬物變化需受規則約束，物質在變化時被質量守恒定律制約著，同樣地，化學反應進行過程中，能量的變化也需遵循能量守恒定律，若反應中生成新化學鍵所釋放的能量大于舊化學鍵斷裂的能量，多余的能量就會被以其它形式被釋放出來。

三、化學反應能量變化在生活中的應用

了解到化學反應變化的本質，運用其反應中的能量變化，在工業生產過程中，我們便能利用已存在的舊事物創造出許多新事物，同時應用化學反應催化，不斷地在提高生產的效率，讓化學為人們提供便利的生活。

（一）新能源開發

煤、石油、天然氣等自然能源的發掘，人們的生活邁入了一個新的階段，提高生產力的同時也促進了人類社會的發展。但地球上的這些常規能源儲量終究是有限的，它們燃燒所產生的廢棄物也對環境造成了難以恢復的傷害。因此人們不得不想辦法減少對常規能源的消耗，轉向對具有可再生、持久性等特點的新型能源的開發。氫氣作為一種被挖掘的新型能源，燃燒高效且無污染，深受好評。

隨處可見的水就是我們制取氫氣的原料，水由氫元素和氧元素組成，水分解后生成了氫氣 2H2O=2H2+O2（ΔH>0），點燃它就可放出熱量。明白水的分解是吸熱反應，可以設法聚集太陽能產生高溫，來促使水分解產生氫氣，或者使用特殊的化學物質，也能分解水產生氫氣。

（二）制冷

我們知道許多無機鹽在溶解時均有吸熱效應，利用溶解度大，溶解吸熱值高的無機鹽（稱為溶質鹽）溶于另一帶有結晶水且也有較高溶解吸熱值的無機鹽 （稱為溶劑鹽）的結晶水中時，需吸收熱量，周圍環境溫度就會降低，有了致冷效果。如 我 們 最 常 見 的 帶 八 個 結 晶 水 的 氫 氧 化 鋇 與 氯 化 銨 反 應 Ba（OH）2·8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3↑+10H2O，有非常明顯的冷卻效果。氨和氟利昂（包括CFC、HCFC、HFC等）是最常用的兩種工業制冷劑，廣泛地用于冷藏、冷庫等制冷設備中，家用電器冰箱和空調便運用到了此制冷原理。

（三）自熱米飯

這些年市面上出現了自熱米飯和自熱火鍋這樣的速食食品與工具，對于工作忙碌的上班族或不想擠食堂的學生來說是相當方便的，將包裝盒中的發熱包放入水中，等待一會兒，盒子里迅速升溫，當蒸汽溫度達到了200℃左右，生米差不多就煮成熟飯了，且其溫度持續時間也較長，不用擔心食物變涼的問題。自熱米飯問世以來，也受到了無數人的青睞。 自熱米飯的發熱包就是其神奇之處所在，袋中主要有焙燒硅藻土、鐵粉、鋁粉、焦炭粉、活性炭、鹽等成分，再加入生石灰、炭酸鈉，遇水之后，發生劇烈化學反應就能放出大量的熱量，這樣就能把食物蒸熟了。

（四）金屬冶煉

金屬自遠古時期起，對人類來說都有非常重要的用途，制造生活器具和兵器等等，所以冶煉金屬是人類社會一項必不可少的工作。金屬冶煉的方式很多，如熱分解法： ；

熱還原法： 電解法： 。前面的反應中Hg和Fe都是在高溫的環境下通過熱能實現物質的轉化冶煉出的，Mg則是借助于電能實現物質轉化得來。

四、結語

對化學反應的分析和研究是一件極其有意義的工作，反應中發生的能量變化，一經人們利用應用于工農業生產和日常生活中，便為社會帶來了福音。相信對化學反應能量的研究絕對不僅于此，未來的科學鉆研中人類一定會有更多不一樣的收獲，也會出現更多新的應用。

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（作者單位：鄭州外國語新楓楊學校）