·20 化学教育(htp:/www.hxjorg) 2015年第6期 化学反应焓的图解分析 胡挥赫遥其昌 (广泰工业大学轻工化工学院广东广州510006) 摘要化学反应增是物理化学学习的重点和难点，通过教学实践发现，设计生成始与反应增 关系、燃烧焰与反应焓关系的能级图，能够简化计算过程，而且可以清楚得区别反应焓、生成拾和 燃烧特。 关键词能级围 反应生成燃烧焰 离子生成险 D0L:1013884/11003-3807hxjy201406012 华罗康说：“人之可贵在于能创浩性地思维”」 kI/mol. 每一个正常的人都可以进行创造性思维活动，这种 除核反应外，化学反应都具有一共同特性，即 动在图形创意中具有典型的、原始的创造力作 始态反应物与末态产物均可由相同种类和相同物质 用。 就图形本身来说 相对于文学具有更直观的 的量的单质生成。根据 原理 可以设计能级图 势，更能在“第一眼”吸引住人们，所以有人说图 计算化学反应的培变，如图1所示。以单质为始 像且有“一图胜千言”的功效一习。把教材中的 态，产物为末态，即确立了化学反应的始末状态， 本原理和基本枢念的特征从图像化的角度早现，会 始末状态确定了以后，因为烩变只与始末状态有 诚少学生对科学知识和文木表述的理解落差)。在 与途径无关，故而图1中所示的2种途径 的的 课堂上应用高有创意的图片 ,能刺激学生的大脑 变相等。即途径 :由单质直接生成产物：途名 激发学生的学习欲望，从而深入观察事物的本 Ⅱ：单质先生成反应物，后由反应物变成产物。 质口。实践证明，图像在教学中的使用，不仅能够 ∑aA,H 把知识直观化，还能够提升记忆力】 热力学知识是物理化学学习的重点和难点 尤 ∑ya,8 其是热力学中烙的理解与计算较为复杂，如的 /4 念有反应格A,H、生成培△H、燃烧焙AH 溶解培△H、稀释烙△H等概念。不同物理意 Fig 1 Calculation diag m of rection enthalpy by formation enthalps 图1生成焓计算反应培示章图 义的培，给教学过程和记忆过程，特别是给计算过 程造成了一 定的困难。因为是状态函数 由图1可知，对于a,A十…→Y十…的化学 变只 与始末状态有关，与过程无关，因此在确定始末状 反应，单质生成产物的生成格之和为 态后，可以设计各种不同的反应途径，并且可由己 ∑y:△H8:,而单质生成反应物所具有的生成烙 知岭变的反应涂轻，计算另一途轻的未知绘变。根 之和为∑a,△H,,式中和a,分别为化学反 据这一原理，木文通讨能级图的设计把捻的文字表 达和数学表达转化为图形 表达 ,教学实践发现 应中产物和反应物的化学计量数。则反应物发生化 级图可以快速把握焓的概念和本质，同时起到加深 学反应变为产物的标准摩尔反应为 记忆和提升计算效率的作用 △，H8=∑y,aH8-∑a,4H8, (1) 1由生成焓计算反应烩 2由燃烧烩计算反应焓 在温度为T的标准态下，由稳定相态的单质 在温度为T的标准态下，由化学计量数为一1的 生成化学计量数为1的B相态的化合物B(),该 B相态的物质B(9与氧进行完全氧化反应时，该月 生成反应的培变即为该化合物在温度为T时的标 应的焓变即为该物质在温度为T时的标准摩尔燃烧 准摩尔生成格，以△H(B,B,T)表示，其单位为 焓，以△H(B,3,T表示，其单位为kJ/ol。 1004.2015ch Academic Jour al Electronic Publishing House All rights http://www.cnki.ne
化学反应焓的图解分析＊ 胡光辉＊＊ 潘湛昌 （广东工业大学轻工化工学院 广东广州 ５１０００６） 摘要 化学反应焓是物理化学学习的重点和难点，通过教学实践发现，设计生成焓与反应焓 关系、燃烧焓与反应焓关系的能级图，能够简化计算过程，而且可以清楚得区别反应焓、生成焓和 燃烧焓。 关键词 能级图 反应焓 生成焓 燃烧焓 离子生成焓 ＤＯＩ：１０．１３８８４／ｊ．１００３－３８０７ｈｘｊｙ．２０１４０６０１２８ 华罗庚说： “人之可贵在于能创造性地思维”。 每一个正常的人都可以进行创造性思维活动，这种 活动在图 形 创 意 中 具 有 典 型 的、原始的创造力作 用。就图形本身来说，相对于文字具有更直观的优 势，更能在 “第一眼”吸引住人们，所以有人说图 像具有 “一图胜千言”的功效［１－２］。把教材中的基 本原理和基本概念的特征从图像化的角度呈现，会 减少学生对科学知识和文本表述的理解落差［２］。在 课堂上应用富有创意的图片，能刺激学生的大脑， 激发 学 生 的 学 习 欲 望，从而深入观察事物的本 质［１］。实践证明，图像在教学中的使用，不仅能够 把知识直观化，还能够提升记忆力［３］。 热力学知识是物理化学学习的重点和难点，尤 其是热力学中焓的理解与计算较为复杂，如焓的概 念有 反 应 焓 ΔｒＨ 、生 成 焓 ΔｆＨ 、燃 烧 焓 ΔｃＨ 、 溶解焓 ΔｓｏｌＨ 、稀释焓 ΔｄｉｌＨ 等概念。不同物理意 义的焓，给教学过程和记忆过程，特别是给计算过 程造成了一定的困难。因为焓是状态函数，焓变只 与始末状态有关，与过程无关，因此在确定始末状 态后，可以设计各种不同的反应途径，并且可由已 知焓变的反应途径，计算另一途径的未知焓变。根 据这一原理，本文通过能级图的设计把焓的文字表 达和数学表达转化为图形表达。教学实践发现，能 级图可以快速把握焓的概念和本质，同时起到加深 记忆和提升计算效率的作用。 １ 由生成焓计算反应焓 在温度为 Ｔ 的标 准 态 下，由稳定相态的单质 生成化学计量数为１的β相态的化合物 Ｂ （β），该 生成反应的焓 变 即 为 该 化 合 物 在 温 度 为 Ｔ 时的 标 准摩尔生成焓，以 ΔｆＨｍ （Ｂ，β，Ｔ）表示，其单位为 ｋＪ／ｍｏｌ。 除核反应外，化学反应都具有一共同特性，即 始态反应物与末态产物均可由相同种类和相同物质 的量的单质生成。根据这一原理，可以设计能级图 计算化 学 反 应 的 焓 变，如 图１所 示。以 单 质 为 始 态，产物为末态，即确立了化学反应的始末状态， 始末状态 确 定 了 以 后，因 为 焓 变 只 与 始 末 状 态 有 关，与途径无关，故而图１中所示的２种途径的焓 变相等。即 途 径 Ⅰ：由 单 质 直 接 生 成 产 物；途 径 Ⅱ：单质先生成反应物，后由反应物变成产物。 Ｆｉｇ．１ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙｂｙｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ 图１ 生成焓计算反应焓示意图 由图１可知，对于ａｊＡ＋… →ｙｉＹ＋… 的化学 反 应， 单 质 生 成 产 物 的 生 成 焓 之 和 为 ∑ｉ ｙｉΔｆＨｍ，ｉ ，而单质生成反应物所具有的生成焓 之和为 ∑ ｊ ａｊΔｆＨｍ，ｊ ，式中ｙｉ 和ａｊ 分别 为 化 学 反 应中产物和反应物的化学计量数。则反应物发生化 学反应变为产物的标准摩尔反应焓为 ΔｒＨｍ ＝ ∑ｉ ｙｉΔｆＨｍ，ｉ － ∑ ｊ ａｊΔｆＨｍ，ｊ （１） ２ 由燃烧焓计算反应焓 在温度为Ｔ 的标准态下，由化学计量数为－１的 β相态的物质Ｂ （β）与氧进行完全氧化反应时，该反 应的焓变即为该物质在温度为Ｔ 时的标准摩尔燃烧 焓，以ΔｃＨｍ （Ｂ，β，Ｔ）表示，其单位为ｋＪ／ｍｏｌ。 ·２０· 化 学 教 育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ） ２０１５年第６期 ＊ ＊＊ ２０１４年广东省 “质量工程”建设项目 （ＺＹＧＸ０１２） 通信联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｈｘｙ１２３＠１２６．ｃｏｍ
2015年第6期 化学教育hp:/小wwwh对水org) ·21· 在化学反应中，若令其反应物、产物分别进 限稀释标准摩尔生成焓的计算。 完全氧化反应，会生成种类、物质的量完全相同的 H,(85a 完全氧化物。依据这一原理，可以对a,A十…→ :Y十…的化学反应设计能级图，计算该反应的培 △，H(HC) 变，如图2所示】 AH(CT.aq.oo C AH(HC1,aqj ∑aAH A.H: diag 3离子标准摩尔生成格计算示意 4应用举例 许多有机化合物与氧进行完全氧化反应很容 图】燃烧计算反应示意图 易，而要由单质直接合成却很难在实验中进行。因 反应物完全氧化具有的燃烧格之和为 此，有些有机化合物的标准摩尔生成烙是通过标准 ∑a,△H,而产物完全氧化所具有的燃烧格之 摩尔燃烧烙推算得到的 如已知29815K时苯 和为∑y,△HP。因此，反应物发生化学反应变 烯(C,HC:H,g)的燃烧格为△H9 -443 k1/mol,试求其同温度下的生成烩△H。对于该 为产物所具有的标准摩尔反应烙为 计算过程，可以设计相应的能级图，如图4所示 △，HR-∑a,AH-∑y41H (2) 解。由图4可知要计算苯乙烯的标准摩尔生 3离子标准摩尔生成烩 成 「通过单质石墨和氢气的燃烧与苯乙烯的 水溶液中进行离子反应时，也会伴有热的交 燃烧烙进行计算。由于苯乙烯中含C原子8个 换，为了计算这种热，需要引入离子的标准摩尔生 含氢原子8个，故单质右恩和氢气的物质的量分别 成焓由于溶液中离子总是同时存在，为了获得单 为8mol和4mol。所以苯乙烯的标准摩尔生成 离子无限稀释时的标准摩尔生成烙，热力学规定 给为】 H(aq,∞)的标准摩尔生成格为零，即 △H=8A.Hc+4H. △，H(H十，ag,oo)■0。基于此规定可以获得其他 经查表-)可知，石墨和氢气的标准摩尔燃烧 离子无限稀释时的标准摩尔生成培。 格分别为一39351和-28583k/mol,所以苯乙 以HC1(g)为例，若要计算29815K时 烯的标准摩尔生成焓为 C离子无限稀释标准摩尔生成烙，可设计如图 4H8-[8×(-39351) 所示的能级图。图中△H(H,q,o)利 4×(-285.83)-( 4437)]=1456kJ/m0 △H(CT,aq,∞)分别代表无限稀释时H+和CI 离子的标准摩尔生成烙：△H(HC)代表标准摩 8A,He △H 尔生成烙：△H(HC,aq,∞)代表无限稀释标准 摩尔溶解 如图3所示，若已知29815K时，HC1(g 4A H 的标准摩尔生成格△H(HCI)=一9231kJ/mol Fig 4 Cale 和无限稀释标准摩尔溶解烙△H8(HCl,aq,∞) =一7477kJ/mo-,则有如下等式成立，即 5 结论 △H(H q9 )+△Hg(CT,aq,o） 把已知培变以及未知的烙变设计到能级图中 △H8(HCI)+△aH8(HCl,aq,oo) 可以从整体上观察各焓变之间的关系，并且可以出 因为规定△H8(H,aq,∞)=0，所以 立能量平衡的等式，从而进行反应培或者离子标准 H(CI.ag)H(HCD+ )=-167.08kJ/m0 摩尔生成烙的计 。发现使用能级图可以明确图中 △He(HC1,a 各项的物理意义，令计算过程清晰可见。 同理，可以设计类似的能级图进行其他离子无 994-2015 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.enkine
在化学反应中，若令其反应物、产物分别进行 完全氧化反应，会生成种类、物质的量完全相同的 完全氧化物。依 据 这 一 原 理，可 以 对ａｊＡ＋ … → ｙｉＹ＋… 的化学反应设计能级图，计算该反应的焓 变，如图２所示。 Ｆｉｇ．２ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙｂｙｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ 图２ 燃烧焓计算反应焓示意图 反 应 物 完 全 氧 化 具 有 的 燃 烧 焓 之 和 为 ∑ ｊ ａｊΔｃＨｍ，ｊ ，而产物完全氧化所具有的燃烧焓之 和为 ∑ｉ ｙｉΔｃＨｍ，ｉ 。因此，反应物发生化学反应变 为产物所具有的标准摩尔反应焓为 ΔｒＨｍ ＝ ∑ ｊ ａｊΔｃＨｍ，ｊ － ∑ｉ ｙｉΔｃＨｍ，ｉ （２） ３ 离子标准摩尔生成焓 水溶液 中 进 行 离 子 反 应 时，也会伴有热的交 换，为了计算这种热，需要引入离子的标准摩尔生 成焓。由于溶液中离子总是同时存在，为了获得单 一离子无限稀释时的标准摩尔生成焓，热力学规定 Ｈ＋ （ａｑ，∞） 的标准摩尔生 成焓为零， 即 ΔｆＨｍ （Ｈ＋ ，ａｑ，∞）＝０。基于此规定可以获得其他 离子无限稀释时的标准摩尔生成焓。 以 ＨＣｌ （ｇ） 为 例，若 要 计 算 ２９８．１５ Ｋ 时， Ｃｌ－ 离子无限稀释标准摩 尔 生 成 焓，可 设 计 如 图３ 所 示 的 能 级 图。 图 中 ΔｆＨｍ （Ｈ＋ ，ａｑ，∞） 和 ΔｆＨｍ （Ｃｌ－ ，ａｑ，∞）分别代表无限稀释时 Ｈ＋ 和 Ｃｌ－ 离子的标 准 摩 尔 生 成 焓；ΔｆＨｍ （ＨＣｌ）代表 标 准 摩 尔生成焓；ΔｓｏｌＨｍ （ＨＣｌ，ａｑ，∞）代表无限稀释标准 摩尔溶解焓。 如图３所 示，若 已 知２９８．１５Ｋ 时，ＨＣｌ （ｇ） 的标准摩尔生成焓 ΔｆＨｍ （ＨＣｌ）＝ －９２．３１ｋＪ／ｍｏｌ 和无 限 稀 释 标 准 摩 尔 溶 解 焓 ΔｓｏｌＨｍ （ＨＣｌ，ａｑ，∞） ＝ －７４．７７ｋＪ／ｍｏｌ［４－５］，则有如下等式成立，即 ΔｆＨｍ （Ｈ＋ ，ａｑ，∞）＋ΔｆＨｍ （Ｃｌ－ ，ａｑ，∞）＝ ΔｆＨｍ （ＨＣｌ）＋ΔｓｏｌＨｍ （ＨＣｌ，ａｑ，∞） 因为规定 ΔｆＨｍ （Ｈ＋ ，ａｑ，∞）＝０，所以 ΔｆＨｍ （Ｃｌ－ ，ａｑ，∞）＝ ΔｆＨｍ （ＨＣｌ）＋ ΔｓｏｌＨｍ （ＨＣｌ，ａｑ，∞）＝－１６７．０８ｋＪ／ｍｏｌ 同理，可以设计类似的能级图进行其他离子无 限稀释标准摩尔生成焓的计算。 Ｆｉｇ．３ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｉｏｎｉｃｓｔａｎｄａｒｄｍｏｌａｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ 图３ 离子标准摩尔生成焓计算示意图 ４ 应用举例 许多有机化合物与氧进行完全氧化反应很容 易，而要由单质直接合成却很难在实验中进行。因 此，有些有机化合物的标准摩尔生成焓是通过标准 摩尔燃烧焓推算得到的。如已知２９８．１５Ｋ 时苯乙 烯 （Ｃ６Ｈ５Ｃ２Ｈ３，ｇ）的燃 烧 焓 为 ΔｃＨｍ ＝ －４４３７ ｋＪ／ｍｏｌ，试求其同温度下的生成焓 ΔｆＨｍ 。对于该 计算过程，可以设计相应的能级图，如图４所示。 解：由图４可知，要计算苯乙烯的标准摩尔生 成焓，可通过单质石墨和氢气的燃烧焓与苯乙烯的 燃烧 焓 进 行 计 算。由 于 苯 乙 烯 中 含 Ｃ 原 子 ８ 个， 含氢原子８个，故单质石墨和氢气的物质的量分别 为８ｍｏｌ和 ４ ｍｏｌ。所 以 苯 乙 烯 的 标 准 摩 尔 生 成 焓为： ΔｆＨｍ ＝８ΔｃＨｍ，Ｃ ＋４ΔｃＨｍ，Ｈ２ －ΔｃＨｍ，苯乙 烯 经查表［４－５］可知，石墨和氢气的标准摩尔燃烧 焓分别为－３９３．５１和－２８５．８３ｋＪ／ｍｏｌ，所以苯乙 烯的标准摩尔生成焓为： ΔｆＨｍ ＝ ［８× （－３９３．５１）＋ ４× （－２８５．８３）－ （－４４３７）］＝１４５．６ｋＪ／ｍｏｌ Ｆｉｇ．４ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙｏｆｓｔｙｒｅｎｅ 图４ 苯乙烯生成焓计算示意图 ５ 结论 把已知焓变以及未知的焓变设计到能级图中， 可以从整体上观察各焓变之间的关系，并且可以建 立能量平衡的等式，从而进行反应焓或者离子标准 摩尔生成焓的计算。发现使用能级图可以明确图中 各项的物理意义，令计算过程清晰可见。 ２０１５年第６期 化 学 教 育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ） ·２１·
·22· 化学教育(http:/www.hx对yorg) 2015年第6期 [3]张培，张龙革.中因高等医学教育，2011(4)：12-14 参考文献 [4]刘俊吉，周亚平，李松林。物理化学。5版.北京：高等教 [1门姚远，贾丽，刘维尚.高校招生：理论研究，2010(5)：42 育出版社，2009：66-69,74 [2]刘冠运，麦裕华，钱扬义.化学教育，2010,31(9)：21 [5]Borgnakke C.Sonntag R E.Thermodynamic and Transport -23 Properties.New York:John Wiley &Sons Inc,1997 Graphic Analysis of Chemical Reaction Enthalpy HU Guang-Hui*PAN Zhan-Chang (Faculty of Chemical Engineering and Light Industry.Guangdong University of Technology.Guangzhou 510006.China) Abstract The key and difficult points of physical chemistry may be the calculation of reac- tion enthalpy.Reaction enthalpy,formation enthalpy and combustion enthalpy often make the beginners confused in the calculation process.By designing energy level diagrams,including reac- tion enthalpy,formation enthalpy,combustion enthalpy and so on,it was discovered that those diagrams were helpful to simplify the calculation process and to clearly make a distinction about different enthalpies above-mentioned. Keywords energy level diagram;reaction enthalpy;formation enthalpy;combustion enthal py;ionic formation enthalpy ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
参 考 文 献 ［１］ 姚远，贾丽，刘维尚．高校招生：理论研究，２０１０ （５）：４２ ［２］ 刘冠 运，麦 裕 华，钱 扬 义．化 学 教 育，２０１０，３１ （９）：２１ －２３ ［３］ 张培，张龙革．中国高等医学教育，２０１１ （４）：１２－１４ ［４］ 刘俊吉，周亚平，李松林．物理化学．５版．北京：高等教 育出版社，２００９：６６－６９，７４ ［５］ ＢｏｒｇｎａｋｋｅＣ，ＳｏｎｎｔａｇＲＥ．ＴｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆ ＳｏｎｓＩｎｃ，１９９７ ＧｒａｐｈｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＲｅａｃｔｉｏｎＥｎｔｈａｌｐｙ ＨＵ Ｇｕａｎｇ－Ｈｕｉ＊＊ ＰＡＮＺｈａｎ－Ｃｈａｎｇ （ＦａｃｕｌｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅｋｅｙａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｏｉｎｔｓｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙｍａｙｂｅｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｅａｃ－ ｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ．Ｒｅａｃｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙａｎｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙｏｆｔｅｎ ｍａｋｅｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｅｒｓｃｏｎｆｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｅｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌｄｉａｇｒａｍｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅａｃ－ ｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ，ｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙａｎｄｓｏｏｎ，ｉｔｗａｓｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄｔｈａｔｔｈｏｓｅ ｄｉａｇｒａｍｓｗｅｒｅｈｅｌｐｆｕｌｔｏｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｏｃｌｅａｒｌｙｍａｋｅａｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎａｂｏｕｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｔｈａｌｐｉｅｓａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｅｎｅｒｇｙｌｅｖｅｌｄｉａｇｒａｍ；ｒｅａｃｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｔｈａｌ－ ｐｙ；ｉｏｎｉｃｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｔｈａｌｐｙ ·２２· 化 学 教 育（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｘｊｙ．ｏｒｇ） ２０１５年第６期