很多物质都可以在空气中发生燃烧现象,那燃烧的本质是什么呢?经过近代以来化学家们的不断研究,我们知道物质这次也可以燃烧。就是因为大部分物质都可以在空气中与氧气发生氧化反应。而这也就是说大部分燃烧反应的实质都是物质与氧气发生氧化反应。
但是在早期人们却并不这样认为,在当时有一种+分流行的学术一一燃素学说。燃素学说认为,燃烧是一种释放“燃素”的过程,解释了当时化学家眼中的燃烧现象。燃素学说起源于17世纪,并在18世纪得到广泛接受。根据这一理论,物质燃烧时会释放出“燃素”,一种无形且难以捉摸的物质,进入空气中。物质的燃烧过程被认为是燃素逃逸的过程。
由于当时的实验技术有限,化学家们难以定量测量气体和固体的质量变化,燃素学说因此一时无法被推翻。但正是在这种背景下,拉瓦锡通过精密的实验设计,系统性地研究燃烧和物质变化,从而揭开了燃烧的真正本质。
拉瓦锡突破燃素学说的关键在于他的定量实验方法和对质量守恒定律的应用。
拉瓦锡设计了一系列密闭系统的燃烧实验。例如,他将金属放置在一个密闭容器中加热,观察其燃烧过程,并对反应前后系统的质量进行精确测量。他发现,金属在燃烧后形成的氧化物的质量比原来的金属要重,而这一现象无法通过燃素学说解释。拉瓦锡推测,这种质量的增加是因为空气中的某种物质参与了反应,这就是后来的氧气。后来,拉瓦锡为了验证他所猜测的氧气,又对空气的成分又进行了严密的探究。同时,他还对例如水这样的氧化物进行了分解最终得到了氢气和氧气,反过来在氧气中点燃氢气又可以得到水。这也再次证明物质燃烧的本质就是氧气发生氧化反应。
拉瓦锡通过定量实验、精确测量和严密的逻辑推理,推翻了流行的燃素学说,提出了燃烧是物质与氧气结合的过程,奠定了氧化学说的基础。他的工作不仅改变了人们对燃烧的理解,还开创了现代化学的全新范式。
那为什么当时的化学家没有基于当时的燃烧实验,突破燃素学说提出正确的理论呢?
在解决这个问题之前,我们首先要明白对于一个化学反应而言,不仅仅只有新物质生成这样的物质层面的变化,还有例如吸收热量,放出热量的能量变化。而究其原因,有两点。第1点就是因为反应物和生成物所蕴含的能量不等,如果反应物的能量大于生成物能量,那么这个反应就是一个放热反应,而反之则是吸热反应。而第2点就是这个化学反应,发生时它段前所吸收能量与沉淀所释放能量不等,如果它断键所吸收能量大于常见所释放能量,那么它整体就是一个吸热反应,反之则是一个放热反应。
这个问题所提到的燃烧现象,就是一系列的物质燃烧的化学反应,通过生活现象我们知道物质燃烧都是放热反应。当时人们也知道,对于燃烧的反应而言,它放出了一部分的热量。
但这其中的关键问题就是这部分热量究竟是什么呢?
在当时由于物理学对于能量这一命题的研究并不深刻,导致人们也并没有对于能量这概念有清晰的认识。对于在物质燃烧时,人们感受到的扑面而来的热浪,人们没有意识到这一部分热量的本质其实与动能,势能的能量一样,他也是这个物质燃烧过程中释放了一部分能量,只不过他以温度升高的形式体现出来。而由于缺乏这样的认识,人们便将温度升高的这一部分热量归结到了一个有质量的物质,也就是然素身上,当物质燃烧被释放出热量时,燃速也就被释放了出来,而这也就使得灰烬的质量,就等于原本物质的质量减去燃素的质量。而这也就恰好可以解释一些因为生成了气体,气体易散出去而导致反应物质量大于最后灰烬质量的反应了。
那么基于现在物理化学等多学科的研究,化学反应之后能量变化究竟是什么呢?
这部分能量变化,实际上就是反应物的整个体系和生成物的整个体系之间的内能差,而内能就包括该物质自身含有的键能,以及该体系中各分子之间作用力所产生的势能和做不规则运动的动能。
当这样一部分能量在化学反应中被放出或者被吸收时,都直观体现在了整个体系的温度变化少,而这一部分温度的变化也就被称为化学反应的反应热。
那反应热这个是否就等于这个化学反应所释放或者吸收的内能呢?我们都知道气体还有水等,很多物质都具有热胀冷缩的特性。也就是说一旦环境或者体系的温度发生变化,那这个体系内所含有的水,空气等等物质必定会在体积上有所改变,而这其实也就是他所释放的这一部分的热对于外界环境所做的功。所以到我们去表示反应热时,并不能单单用内能差来表示,还是要用内能差减去它对外界所做的功(体积功)而这样的一个式子,也就被我们命名为了焓变。所以我们就可以说,化学反应的反应热就等于它的焓变。