人教版高中化学电子书：普通高中课程标准实验教科书《化学》选修4（化学反应原理）.pdf_大学文库

绪言我们已经学过很多化学反应,也做过不少化学实验,对于什么是物质和物质的化学变化有了基本的认识。化学变化意味着物质的组成和结构发生变化,也就是说变成了新的物质不知大家是否想过这样一个问题,如果把两种或多种本来应当发生化学反应的物质放在一起(如氢气和氧气混合),它们并不一定会发生反应,有时能够持续长时间稳定地共同存在(如氢气和氧气的混合物放在洁净的容器中,在室温条件下,可以存放数百年),以至于我们常常要用加热或提高反应物浓度等方法来促进反应的发生。这种现象很普遍吗?是的,非常普遍。大量能够与氧发生反应的物质,如木材、棉布、纸张、塑料,还有钢铁铝材等,在大气中稳定存在和能够安全地长期使用,都是有力的例证。而其中易燃物的着火(有时可以演变成为火灾)和我们记忆犹新的铁丝在纯氧中的燃烧实验,说明这些体系所表现出来的稳定不是绝对的,而是有条件的。有的反应可以瞬时完成,有的即使采用了加热、加催化剂等方法仍然极其缓慢。有的反应物在反应中可以完全转变为产物,有的却难以跨越某个限度(如氮气和氢气合成氨的反应)。物质的这种“化学性质”乍看起来,好像十分复杂,难以把握,而实际上是有规律可循的。这正是化学的精髓所在,也是化学的魅力所在。本书讨论的是最基本的化学反应原理,包括反应速率、反应方向及限度等问题。还将从理论的高度来认识酸、碱和盐的本质及其在溶液中的反应。对于大家已经熟知的化学反应与能量的关系,将以反应热与反应物的物质的量之间的定量关系为主。以化学能和电能的相互转化为基础的电化学过程和装置,如电池、电冶金和金属腐蚀等,是富有时代气息和应用广泛的一个领域。作为化学原理应用于实际的每个事例,都是那样的有趣和富有启发性。书中的一些实验、活动建议,对于大家来说显然是不够的。如果你们能够经常注意观察在自己周围发生的化学现象,思考和设法进行模拟或实验,大自然将成为无所不在的大课堂。在学习上面所提到的一些化学反应原理之前,我们先来介绍几个经过简化的概念模型。合理简化的概念模型,是学习和研究化学反应原理的基础。有了这些基础,就可以初步掌握探究化学反应的基本方法和思路。对于酸、碱、盐在水溶液中的反应,可以在认识上实现由现象到本质的飞跃。如果有兴趣继续在这个领域探索,就会发现,那些复杂的用来表述化学反应过程的数学模型,其基础仍然是这里介绍的概念模型,只不过后者更为精确、更为细致罢了。简化后的有效碰撞模型气体是人们所熟悉的,气体分子之间通常存在着比气体分子本身的体积要大得多的空间。因此,在常温常压下,可以认为气体分子的运动是自由的, 因而,它们之间的碰撞可以视为是随机的。在这样的前提下,我们所要考虑的影响因素比

较少,概念模型最重要的内涵也更加突出,更容易掌握如果在一个洁净的容器中,混有物质的量比率为2:1的氢气和氧气。根据计算,在常温、常压下,每个氢分子和氧分子自身或它们之间每秒钟平均碰撞2.355×100次,如果每一次碰撞都能够引发反应,那么整个容器中的氢气和氧气将在极短的时间内全部变成水。把这个结论推广到其他反应体系,包括气体和液体、固体,液体和液体、固体,甚至固体和固体等体系,虽然它们之间在碰撞频率方面有所不同,但是结论都是一致的,那就是这些反应都将在瞬间完成,快到即使用现在已有的最先进的时间分辨技术(可以短至 10-15s)也无法跟踪的地步。如果是这样,整个物质世界都会迅速地改变着,那将会是种什么样的景象?即使用“洞中方一日,世上已千年”来形容,也会感到太慢了。可是现实的世界并不是这样,因此,我们只能得出这样的结论:并不是所有的碰撞都是有效的。于是有了“有效碰撞”的概念。所以,反应物之间如果发生反应,首先要满足反应物分子之间能够发生碰撞的前有效碰撞 effective collision 提,它们不能够分隔在两个容器之中。但是,这只是发生化学反应的必要条件。活化分子和活化能根据我们对于分子的认识,不难活化分子 activated 想到,一种分子要转变为另一种分子,首先应当破坏或者 molecule 减弱分子内原子之间的化学键。而且也已经知道,原子之活化能 activation energy 间在形成化学键时要放出能量,所以分子的能量通常比组成它的原子的能量之和要低,或者说分子比较稳定。因此,有效碰撞应当是那些本身具有较高能量(可以通过吸收外界提供的能量,或者分子之间在碰撞时能量的不均衡交换而产生)的分子之间的碰撞①。有效碰撞可以认为是发生化学反应的充要条件。为了把“有效碰撞”概念具体化,人们把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子,同时把活化分子所多出的那部分能量称作活化能。图1上的E1是反应的活化能,E2 是活化分子变成生成物分子放出的能量,能量差E2-E E 是反应热。从这个图式中可以看出,活化能的大小虽然意味着一般分子成为活化分子的难易,但是却对这个化学反反应物反应热生成物应前后的能量变化并不产生任何影响。就像一个人在办公反应过程司时,通常先要从银行贷款,公司启动后,还了贷款(假图1化学反应体系中反应物、产设不计贷款利息),公司的赢利或亏损通常只表现为收入物的能量和活化能的关系与支出之差一样。不同的化学反应所需的活化能差别很大,通常只能用实验方法测得,并以测量温度对反应速率的影响为主要方反应热 heat of reaction ①更加细致的理论模型,还要求考虑互相碰撞的分子之间的相对取向和由作用物变成产物过程中起重要作用的那些中间状态

法。因此温度对某反应的速率的影响程度,大致反映了该反应的活化能的大小。例如,岩石的风化、溶洞的形成、矿物的形成,变化极慢,这是一些在自然条件下活化能较高的反应。另外有些反应速率极高,当反应物相接触时,瞬间发生反应,而∏温度对其反应速率几乎没有什么影响,其活化能接近于苓。我们很熟悉的离子反应就是一个例证:H和(H、№g和 1在水溶液中混合时,反应儿乎都是在瞬间内完成的。还有一个人们不太熟悉的例子,那就是距离地面约50-85km的大,平均温度只有-50℃,但是存在于其中的大量自由原子之间的反应,却不要活化能的推动。善于思考和分析问题的同学可能已经发现,上面讲的这两类反应儿乎不需要活化能的原因,是因为在反应之前反应物已经成为自由的离子或原子,不再需要用来破坏或减弱化学键以便启动化学反应的“活化能”的缘故。有趣的是,这从另一个侧而证实了有效碰撞理论模型的合理性。活化能的作川在于使反应物活化·从而启动反应或改变反应速率。能够实现向体系提供“活化能”的方法很多·除厶加热之外.光照、超声波、核辐射、外加磁场甚至摩擦等都可以实现使反应体系活化的目的,因面在化学中分别成为新的研究领域,如光化学、电化学、超声化学、磁化学、摩擦化学等。人们通过这些化学新领域的研究,扩展了化学的视野,也开创出许多新的技术。遗憾的是,到目前为止,人们还没有完全掌握计算或推测化学反应活化能的理论方法。这个作可能要留给今后的化学家们去完成了催化剂催化剂的研究是化学反应原理中的一个重要领域。就近年米化学1业过程与j技术的发展趋势而言催化剂 catalyst 化剂往往成为技术改造和更新的关键。人们对催化作用酶 enzvme 经研究多年,发现和发明了很多种对某些化学过程极为们效的催化剂,对催化剂的制备、筛选和应川都取得不少成功的经验(近年来,在有机合成和化生广中还引入了生物催化剂)。神秘面有趣的催化作用和它所带给化学工业的大经济效·使得人们对于催化剂和催化作川的研究热情一直是有增无减。做过Mn( 对HO催化介解实验和知道酶对生命过程的催化作用的同学,应当会认同科学家们的这种热情

1化学反应与能量的变化焓变反应热焓(H)是与内能有关的物理量。在一定条件下,某一化学反应是吸热反应还是放热反应,由生成物与反应物的焓值差即焓变(△H决定。在化学实验和生产中,通常遇到的反应是在敞口容器中进行的,反应系统的压力与外界压力(大气压)相等。也就是说,反应是在恒压条件下进行的。此时反应的热效应等于焓变。所以,在这里,我们用△H表示反应热。△H的单位常用k/mol《或kJ·mol-1)。许多化学反应的反应热可以通过实验直接测得。化学反应过程中为什么会有能量变化?我们可以从微观角度来讨论这个问题。实验测得1molH2与1 mol cl2反应生成2 mol HCl时放出184.6kJ的热量,这是该反应的反应热。任何化学反应都有反应热,这是由于在化学反应过程中,当反应物分子的化学键断裂时,需要克服原子间的相互作用,这需要吸收能量;当原子重新结合成生成物分子,即新化学键形成时,又要释放能量。就上述反应来说,当1molH2与1 mol Cl2在一定条件下反应生成2 mol HCl时,1molH2分子中的化学键断裂时需要吸收436k的能量,1 mol Cl2分子中的化学键断裂时需要吸收243kJ的能量,而2 mol Hcl分子中的化学键形成时要释放431kJ/mol×2mol=862kJ的能量,如图1-1所示。键 436 kJ/mo 断裂能量 +、假想的中键间物质 243 kJ/mol 断裂能量键键成成 431 KJ/mol 能量 M 431k/mol 能量图1-1H2(g)+C12(g)-2HC(g)反应的能量变化示意图 H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)的反应热,应等于生成物分子形成时所释放的总能量 (862kJ/mol)与反应物分子断裂时所吸收的总能量(679kJ/mol)的差,即放出183kJ/mol 的能量。显然,分析结果与实验测得的该反应的反应热(184.6kJ/mo)很接近(一般用实验数据来表示反应热) 这说明该反应完成时,生成物释放的总能量比反应物吸收的总能量大,这是放热反应。对于放热反应,由于反应后放出热量(释放给环境)而使反应体系的能量降低。因此, 规定放热反应的△H为“-”,即上述反应的反应热为: 2第一章化学反应与能量

【例2】在25℃、101kPa时,有两个由H2和O2化合成1molH2O的反应,一个生成气态水,一个生成液态水,其化学方程式可表示为:资料 H(g)+0.(g)H-O(g) AH=-2118 kJ/mol △H单位中mol'的含 H(g)+a0, (g)HO(I) AH=-285 8 kJ/mol 义对于任一反应X: aA+bb-CtdD 二者的产物同样是1mlH2O,而释放出的能量却不同。 △H单位中的“每摩尔” 这是由于液态水蒸发为气态水时要吸收能量。既不是指“每摩尔A H2O1)—H20(g)△H=+44.0kJ/mol (m)lA),也不是指每摩尔现在,你应理解在热化学方程式中对参加反应的物质B、C或D.而是指每摩尔反都要注明状态的原因了应(mlX).即mol-(aA+ 你是否注意到上述化学方程式中有一种以前没有出b=C+d)。因此就不难现过的写法,就是在化学方程式中出现非整数的化学计理解同一反应,当两个化学量数。如果说1个H2与半个O2反应生成1个H2(.这方程式的化学计量数不同时, 是难以理解的。但在学习了物质的量的概念之后·把上△H的值不同。即使化学计量数相同,当反应物、生成物述反应看成是1moH与mlO反应生成 I mol H-O.的状态不同时,△H值也却是合理的,而且对于表述反应的热效应也是有意义不同的。例如,上述反应的方程式写成: 2H2(g)+O)2(g)=2H2()(g)△H=-483.6kJ/mol 即参加反应的物质的化学计量数增大1倍,则反应热△H也增大1倍。上述能表示参加反应物质的量和反应热的关系的化学方程式,叫做热化学方程式。正确地书写热化学方程式对热化学方程式于计算化学反应热有重要意义。 thermochemical equation 思喜与交瓶热化学方程式与普通化学方程式有什么区别?正确书写热化学方程式应当注意哪几点? 请将你的结论与本章的“归纳与整理”比较,比较的结果可以作为你对自己学习与归纳能力的一次测试。国践括中和反应反应热的测定实验目的测定强酸与强碱反应的反应热,体验化学反应的热效应。实验用品大烧杯(50ml.)、小烧杯(lo0ml.)、温度计、量筒(50ml)两个、泡沫塑料或纸条 4第一章化学反应与能量