本文就新教材里“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”中引入熱力學(xué)函數(shù)“△H”及其由此引發(fā)的熱化學(xué)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(jù)

在化學(xué)反應(yīng)中，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的同時，還伴隨有能量的變化，通常以熱能的形式表現(xiàn)出來，稱為反應(yīng)熱。這種化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)(反應(yīng)中吸收或放出的熱量)可用熱化學(xué)方程式來表示。在舊教材中熱化學(xué)方程式是這樣表示的:

C(固)+O2(氣)=CO2(氣)+393.5kJ

上式表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(即反應(yīng)體系在壓強為101kPa和溫度為25℃時的狀態(tài))下，1mol固態(tài)碳和1mol氧氣反應(yīng)生成1mol二氧化碳氣體時放出393.5kJ的熱量?！秶鴺?biāo)》規(guī)定，熱量(Q)應(yīng)當(dāng)用適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)函數(shù)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(xué)中，一般僅研究在一定壓強(即恒壓條件)下，在敞開容器中發(fā)生的反應(yīng)所放出或吸收的熱量。因此根據(jù)熱力學(xué)第一定律:系統(tǒng)在過程中的熱力學(xué)能(舊稱內(nèi)能)變化“△U”等于傳給系統(tǒng)的熱量“Q”與外界對系統(tǒng)所作功“W”之和，即:△U=Q+W.當(dāng)系統(tǒng)處于恒壓過程時，則有:

△U=QP+W

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

△U=QP-(P2V2-P1V1)

依據(jù)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(tǒng)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(tǒng)焓的變化。所以，在中等化學(xué)所研究的反應(yīng)范圍之內(nèi)，Q=QP=△H，這就是新教材中引入△H的依據(jù)。但需注意的是，限于中等化學(xué)學(xué)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(yīng)熱，教學(xué)中也不必引申。

二、引入△H后的熱化學(xué)方程式表示方法

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

1.根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)》，在熱力學(xué)中將內(nèi)能U改稱為熱力學(xué)能。其定義為:對于熱力學(xué)封閉系統(tǒng)，

△U=Q+W

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

2.在舊教材里，熱化學(xué)方程式中物質(zhì)的聚集狀態(tài)用中文表示，如固、液、氣等。根據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)》，應(yīng)當(dāng)用英文字母(取英文詞頭)表示，如“s”代表固體(solid)、“l(fā)”代表液體(liquid)、“g”代表氣體(gas)、“aq”表示水溶液(Aqueous solution)等。

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

根據(jù)引入△H以后的這些變化，類似以下熱化學(xué)方程式的表示方法已經(jīng)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(xué)方程式中用規(guī)定的英文字母注明各物質(zhì)的聚集狀態(tài)。然后寫出該反應(yīng)的摩爾焓[變]△rHm(下標(biāo)“r”表示反應(yīng)，“m”表示摩爾)。實際上通常給出的是反應(yīng)體系處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(指溫度為298.15K，壓強為101kPa時的狀態(tài))時的摩爾焓[變]，即反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓[變]，以“△rHmΘ”表示(上標(biāo)“Θ”表示標(biāo)準(zhǔn))。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(yīng)體系的溫度和壓強有關(guān)，對于非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反應(yīng)體系，書寫熱化學(xué)方程式時還應(yīng)注明反應(yīng)的溫度和壓強。但中等化學(xué)所用的△rHm的數(shù)據(jù)，一般都是反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓[變]，因此可不特別注明?？紤]到這一點和中等化學(xué)學(xué)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(chuàng)新能力的高素質(zhì)的人才，作為跨世紀的化學(xué)教師在教學(xué)中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的學(xué)習(xí)品質(zhì)，開創(chuàng)新世紀化學(xué)課堂教學(xué)的新天地。

參考文獻:

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[5]物理化學(xué)(上冊).高等教育出版社，2004.

作者單位:汝陽縣第一高級中學(xué)