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化学的热反应与能量变化

化学反应的本质是化学键的断裂和形成。断裂原有的化学键需要吸收能量，生成新的化学键会释放能量，因此，化学反应都会伴随着能量变化。通过化学反应，不仅可以创造出新的物质，还可以进行化学能与热能、电能、光能等各种形式能量之间的转化。其中，化学能与热能之间的转化是化学反应能量变化中最常见的一种。在本章中，我们将学习化学反应中能量变化的本质、反应热的表示方法以及反应热的有效利用等，从而认识化学在提高能源利用率、促进社会可持续发展等方面起着至关重要的作用。

## 化学反应与能量变化
世界是物质的，物质是运动的，化学变化是物质运动的一种形式。物质在运动变化过程中会伴随着能量的变化，化学变化过程也伴随着能量的变化。我们将通过学习物质的内能来认识化学反应中能量变化的本质。
### 系统的内能
在自然科学研究中，被研究的对象称为系统。系统以外的，与系统相关的其他部分称为环境。例如，研究水的蒸发，水和水蒸气就是系统，周边的其他部分是环境。研究盐酸与氢氧化钠溶液的反应，溶液就是系统，而盛溶液的烧杯和溶液周围的空气等便是环境。系统与环境可以根据需要来划分，有一定的人为性。
内能是系统内物质各种能量的总和，用符号U表示。当系统处于一定状态时，系统就具有确定的内能，当温度、压强、物质的聚集状态等发生改变，内能也随之改变 （图1.1）

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> 热与功 系统与环境之间由于温度差交换或传递的能量称为热，用符号Q表示。除热以外，其他各种形式传递的能量都称为功，用符号W表示。系统因体积变化所做的功称为体积功，除体积功以外，其他的功如电功、机械功、光能等都称为非体积功，或称其他功

由于物质内部微观粒子运动及相互作用很复杂，系统内能的绝对值无法直接获得，但内能的变化可以体现在状态变化的过程中。具体来说，可以是物质温度、聚集状态
变化前后系统内能的变化，也可以是反应物转化为生成物的过程中系统内能的变化。系统内能的变化用符号ΔU来 表示。

几乎所有化学反应的发生，都伴随着能量的变化，能量通过功和热这两种形式在系统与环境之间实现转化或传递。我们可以通过测定系统变化过程中的功和热得到系统内能的变化量。

> 热容和比热容 在不发生化学反应和物质聚集状态不变的条件下，一定量物质吸收热量，温度每升高1 K时所吸收的热量称为该物质的热容，用符号C表示，单位是J · K—1。 单位质量物质的热容称为该物质的比热容，用符号c表示，常用单位是kJ / K/ kg. 利用下式可以计算一定质量的物质在温度上升或降低时所需吸收或释放的热量Q = cmΔT

#### 热力学第一定律
能量既不会凭空产生，也不会消失，只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，在各种形式的能量转化或传递过程中，总能量保持不变，这就是**能量守恒定律**。
研究热与其他形式能量相互转化关系的科学被称为热力学。热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的应用。热力学第一定律用内能（U）来描述系统的能量，系统通过热（Q）和功（W），与环境交换能量，从而使内能改变。当系统与环境之间没有物质交换时，热力学第一定律的数学表达式为：ΔU = Q + W

## 化学反应的焓变

化学能储存在物质的化学键中。对于化学反应而言，由于化学键及分子间作用力发生变化，反应物转化为生成物的过程不仅有物质的变化，还伴随着能量的变化，并以**声、光、热、电**等形式表现出来。化学反应实现了化学能与其他能量形式之间的转化，其中化学能与热能之间的转化是最常见的一种形式。

在一定温度下，化学反应过程中吸收或释放的热称为化学反应的**热效应**，也称**反应热**，用符号Q表示。系统从环境**吸热**，则Q > 0；系统对环境**放热**，则Q < 0。

**实验：碳酸氢钠与柠檬酸反应的热效应**
取一只100 mL烧杯，加入10 g碳酸氢钠固体和10 g柠檬酸固体（为防止反应过快液体冲出烧杯，所加固体不宜太多），再向烧杯中注入少量蒸馏水后搅拌，观察现象。待反应稍平缓后，用手小心触摸烧杯壁，感受反应的热效应。

我们还可以借助温度传感器来记录碳酸氢钠与柠檬酸反应时温度随时间的变化。图1.2 为某次实验中温度传感器记录的数据。从图中不仅能看到温度变化的情况，还能读出某时刻反应系统对应的温度

![图片](/uploads/2025-10/ca68f4.jpg){WIDTH=500PX}

## 焓
焓 $(H)$ 是一种与内能有关的物理量。系统状态发生变化，焓也随之改变。

在科学研究与生产实践中，大多数化学反应是在等压或接近等压的条件下进行，此时的反应热称为**等压反应热**，用符号 $Q_p$ 表示。人们常用系统的焓的变化，即**焓变 $(\Delta H)$来表示在等压、只做体积功条件下的反应热**，单位常用 $\mathrm{kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$ ，此时：

$$
\Delta H=Q_p
$$

在一定条件下，一个化学反应是吸热还是放热，是在等压条件下由生成物和反应物的焓的差值决定的，即：

$$
\Delta H=\sum H(\text { 生成物 })-\sum H(\text { 反应物 })
$$

当 $\Delta H<0$ 时，为放热反应；当 $\Delta H>0$ 时，为吸热反应。如以下两个反应：

![图片](/uploads/2025-10/336b9b.jpg)
 
 
 氢气与氧气化合是放热反应，而氧化汞的分解则是吸热反应。两个化学反应中的焓变如图1.3所示。

![图片](/uploads/2025-10/ca50dc.jpg)

> 化学反应的本质是化学键的断裂和形成。化学反应的热效应主要与化学键重组时键能的变化有关。断裂原有的化学键需要吸收能量，生成新的化学键会释放能量。若反应物断键时吸收的能量小于生成物成键时放出的能量，该反应是放热反应，反之为吸热反应。在放热反应中，反应物所具有的化学能转化为热释放出来；在吸热反应中，吸收的热转化为化学能储存在生成物之中。

#### 化学热力学
化学热力学是将热力学的基本理论用于研究化学现象及其相关物理现象的化学分支学科。化学热力学一般处理平衡问题，而不涉及达到该平衡态的途径，即知道系统的始态和终态便可得到结果，不研究过程中的变化机理和反应速率等问题。

热化学是化学热力学的重要领域，主要研究化学变化及物理变化过程的热效应。工业生产中热交换、燃料的利用等都需要使用热化学数据，这些数据也会对

化学理论研究、探究分子结构间的变化规律、了解化学键本质等起着重要作用。热化学常用量热法测量热效应，随着微型热量计被用于研究追踪细胞生长和蛋白质分子之间的各种生化反应过程，现代热化学的研究对象已扩展到复杂的化学系统和生物系统

`例`相同条件下，发生下列两个化学反应：

$$
\begin{array}{ll}
2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})=2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) & \Delta H_1=-572 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{~mol}^{-1} \\
2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})=2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{~g}) & \Delta H_2=-484 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{~mol}^{-1}
\end{array}
$$

简述 $\Delta H_1$ 与 $\Delta H_2$ 的联系和差别。

解： 上述两个反应的共同点在于：反应条件、反应物的聚集状态及物质的量是相同的，表明两者反应物的焓［ $\sum H$（反应物）］相等。差别在于：一个反应的生成物是液态水，另一个反应的生成物是气态水。由于液态水要吸收能量才能变为水蒸气，因此生成物液态水和水蒸气的焓不同，这就导致了 $\Delta H_1$ 和 $\Delta H_2$ 数值的差异。由此说明，相同条件下氢气和氧气化合生成液态水时，会比生成水蒸气放出更多的热量。

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