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广东工业大学:《物理化学》课程教学资源(文献资料)化学反应焓的图解分析(胡光辉)

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·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

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