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吸热、放热与化学能、电能的互相转换

人类利用化学反应不仅可以创造新物质，还可以获取能量或实现不同形式能量之间的转化。用柴木可以生火取暖和照明，在这个过程中化学能转化成了热能、光能等。
利用电池的化学反应可获取驱动汽车的电能，在该过程中实现了化学能与电能的相互转化。在本节中，我们将学习物质在发生化学变化的过程中能量是如何变化的。

## 吸热反应和放热反应
物质内部都储存着能量。化学能是在化学反应中表现出来的，与化学键等有关的能量。化学反应中的能量变化主要有热能、电能、光能等多种形式，一般人类利用较多的是反应产生的热能和电能

**实验** 铝热反应 用硬纸片折成漏斗状，侧面用钉书钉钉上，底部剪一小孔，内放一用滤纸折成的漏斗，用少量水湿润使滤纸紧贴住硬纸片。将5 g氧化铁粉末和2 g铝粉混合均匀后，放在纸漏斗中。如图5.20所示，把纸漏斗架在铁圈上，将整套装置放置在一个盛砂的铁盘上。在固体混合物上平铺少量氯酸钾固体，混合物中间插上一根打磨过的镁条，用点火枪点燃镁条。

![图片](/uploads/2025-10/3ce599.jpg)
 
 化学中把有热量放出的化学反应叫做放热反应，把吸收热量的化学反应叫做吸热反应。

铁与盐酸的反应是放热反应，氢氧化钠与盐酸的中和反应也是放热反应，氢气、木炭、甲烷等在氧气中的燃烧反应都是放热反应。碳酸钙的分解是吸热反应，灼热的炭与二氧化碳的反应也是吸热反应。

$$
\begin{aligned}
& \mathrm{CH}_4+2 \mathrm{O}_2 \xlongequal{\text { 点燃 }} \mathrm{CO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \\
& \mathrm{CaCO}_3 \xlongequal{\triangle} \mathrm{CaO}+\mathrm{CO}_2
\end{aligned}
$$

为什么有的化学反应会释放热量，而有的化学反应却需要吸收热量呢？这是由于物质在发生化学反应时，反应物中的化学键发生断裂，需要吸收能量；而生成物中新的化学键生成时，会放出能量。若化学键断裂需要吸收的总能量小于化学键生成时释放出的总能量，那么该化学反应就是放热反应，化学能转化为热能等释放出来。反之是吸热反应，热能会转化成化学能储存起来。

我们还可以从反应物总能量和生成物总能量的相对大小，来看化学反应是释放热量还是吸收热量。若反应物的总能量高于生成物的总能量，发生反应时会向周围环境释放能量；若反应物的总能量低于生成物的总能量，发生反应时需要从周围环境吸收能量（图5．21）。

![图片](/uploads/2025-10/13c984.jpg)

化石燃料在燃烧时为人类生产、生活提供了大量的热能。燃料燃烧效率的提高与热能的充分利用是提高燃料利用率的重要途径。化石燃料为不可再生资源，因此，世界各国科学家不断努力寻找化石燃料的可替代能源，开发新型的清洁能源。

## 化学能与电能的转化
化学能可以转化为热能，还可以转化为电能等其他形式的能量。我们把化学能转化为电能的装置，称为**化学电源**，习惯上叫做电池。电池大体上可分为原电池、蓄电池和燃料电池等。在学习原电池的相关原理之前，让我们先来探究一个实验。

**实验 铜-锌原电池**
1. 把一块铜片和锌片并排插入盛有稀硫酸的容器里，观察实验现象。
2. 把铜片、锌片分别用导线连接，并接入灵敏电流计（图5.22），观察和记录实验现象

![图片](/uploads/2025-10/c3d9b2.jpg)
 
 这是一个有趣的实验，我们知道铜与稀硫酸是不会发生化学反应的，但当用导线将铜片和锌片连接在一起，并同时插人稀硫酸中时，铜片的表面会出现气泡，接入导线中的灵敏电流计的指针发生了偏转。这说明在导线中有电流流过，该装置已构成一个原电池。

这是因为，浸在稀硫酸里的铜片和锌片用导线连接后，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化为 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 而进入溶液，金属锌表面的电子通过导线流向铜片，溶液中的 $\mathrm{H}^{+}$从铜片上获得电子，被还原为氢原子，进而结合成氢分子从铜片上放出。电子的定向流动产生了电流，使电流计的指针发生了偏转。这一过程的总反应可表示为：

$$
\mathrm{Zn}+2 \mathrm{H}^{+}=\mathrm{Zn}^{2+}+\mathrm{H}_2 \uparrow
$$

在原电池中，电子流出的电极是负极，如上述原电池中的锌片，电极材料失去电子被氧化，发生氧化反应；电子流入的电极是正极，如铜片，H+在电极上得到电子，发生还原反应。人们就是利用原电池的原理制作了多种电池。

> 铜一锌原电池的电极反应式
锌片为负极，发生氧化反应： $\mathrm{Zn}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Zn}^{2+}$
铜片为正极，发生还原反应： $2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{H}_2$

#### 电池的发明
 1780 年，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani, 1737—1798）在进行青蛙解剖实验时，将已解剖的青蛙放在潮湿的铁盘中，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，蛙腿有抽搐的现象。伽伐尼重复进行这个实验，又观察到相同的现象。他认为这是动物体内存在着某种“动物电”。1791年，他发表了《关于电对肌肉运动
的作用》的论文。
1800 年，意大利物理学家伏打（Alessandro Volta, 1745—1827）受到伽伐尼实验的启发，他的注意点主要集中在金属的解剖刀和铁盘上，他认为这可能与电有关。通过反复试验，他在锌板和铜板之间隔以用盐酸或盐水浸过的硬纸、麻布等材料，并用导线连接两种金属板，发现有电流通过。于是，世界上第一个可提供持续、稳定电流的实用化学电池——伏打电池诞生了。
伏打电池说明了电并不是从蛙的组织中产生的，蛙腿只不过相当于一个非常灵敏的电流计而已。为了纪念伏打在电学上的成就，人们以他的姓氏将电位、电位差和电动势的单位命名为伏特（V）

### 电池分类

原电池又称一次电池，是指放电之后不可再充电的化学电池。日常使用的锌锰干电池、锌银纽扣电池等都属于一次电池。
蓄电池又称二次电池，是指放电之后可再充电反复使用的化学电池。如作为机动车电源的铅酸蓄电池、广泛使用的锂离子电池（图5.23）等都属于二次电池。
燃料电池是将氢气、甲醇等燃料的化学能直接转化成电能的化学电池。其燃料可以从外部供给，从而可长期不间断地工作，大大提高了燃料的利用率。例如，氢燃料电池、甲醇燃料电池等就是一些高效、环境友好的燃料电池。原电池是把化学能转变为电能的装置。反之，将电能转变为化学能的装置就是电解池。在第2章中，我们学过的通直流电来电解饱和食盐水的装置，就属于电解池。

#### 能源化学
能源化学是化学分支领域，为人类实现科学利用能源和可持续发展提供保障。它涵盖了化石燃料的综合利用、新能源及可再生资源的开发与利用等
领域，利用化学化工理论、技术解决能源的转化、储存、传输和利用等问题。能源化学的有些研究领域是研究化学转化反应的，如电催化二氧化碳还原制造燃料等；有些则是研究与能源转化相关的，如煤、石油、天然气的综合利用中高效催化剂的研制，锂离子电池、燃料电池和太阳能电池中新材料的研发等。
开发新能源、优化能源结构是解决能源危机的重要途径。氢能、风能、核能、太阳能、生物质能是一些洁净、高效的新能源，其中氢能、生物质能可通过化学反应直接利用，而太阳能、核能需要开发特殊的光电、核反应材料，因此新能源的开发和利用都离不开化学学科

![图片](/uploads/2025-10/03b127.jpg)
 
 `例`某学生设计了如图 5.25 所示的实验装置，回答下列问题：
（1）上述装置若连通后，你能观察到哪些现象？写出所发生反应的离子方程式。
（2）若将醋（成分中含有乙酸 $\mathrm{CH}_3 \mathrm{COOH}$ ）换成乙醇，是否还能获得电流？

![图片](/uploads/2025-10/72669e.jpg)

解：（1）构成工作状态的原电池需要包括正极和负极在内的电极材料、电极反应、离子导体和电子导体等要素。上述装置符合这些条件可构成原电池，铁棒是负极，铁原子失去电子变为 $\mathrm{Fe}^{2+}$ ；铜罐上发生还原反应，乙酸电离出的 $\mathrm{H}^{+}$在电极上被还原成 $\mathrm{H}_2$ 。因此，装置连通后，可观察到铁棒逐渐溶解，此外铜罐上也有气泡逸出，灵敏电流计的指针发生偏转等现象。
（2）醋的成分中有乙酸，乙酸是一种弱电解质，在离子方程式中仍以分子式表示，故反应的离子方程式为：

$$
\mathrm{Fe}+2 \mathrm{CH}_3 \mathrm{COOH}=\mathrm{Fe}^{2+}+2 \mathrm{CH}_3 \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H}_2 \uparrow
$$

而乙醇属于非电解质，无法导电，不能使包括溶液在内的各部分构成通路。因此若要从上述装置中获得电流，不能将醋换成乙醇。

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