在对化学反应的应用中。除了利用化学反应合成或提取物质,还有一类化学反应的应用,就比如我们平时用天然气做饭,炸山,焊接等等,而这些行为都需要很高的温度条件。我们达成这样高温条件的一个主要方式,就是利用化学反应放出的热量。相应的,某些化学反应也可以吸收环境中的热量。
这其中化学反应所引起的热量的变化,就被称为化学反应的热效应。化学反应的热效应对于化学反应以及应用而言都是极其重要的。
那么化学反应究竟为什么可以产生这样的热效应呢?
这关乎了一个很重要也很基础的问题,就是化学反应到底是什么?
在初中时,我们了解到化学反应就是分子的破裂以及原子的重组。但是这仅仅是从物质层面去解释了化学反应可以产生新的物质。而现在我们发现化学反应除了有物质层面的变化以外,还有能量层面的变化,而初中的这个说法已经不能解决能量变化的问题了。通过对于物质微观结构的研究?我们可以发现物质间的原子和原子的连接中有一个很重要的东西就是化学键(化学键本身并不存在,可以理解为对于原子与原子间的作用力的一种聚焦化描述)嗯。而我们先前的中提到的分子的破裂以及原子的重组,实际上就是旧化学键的断裂与新化学键的形成。同时我们还发现化学键的断裂需要吸收能量,而化学键的形成则需要释放能量。这就说明了在化学反应中化学键的断裂与重组同时也对应了能量的吸收以及释放。化学反应就是旧键的断裂与新键的形成的说法,就可以很好的解释在化学反应中究竟为什么会有能量变化了。当在一个化学反应中,构件断裂所吸收能量大于新建,形成所释放能量,那么这个化学反应就是一个吸热反应。反之如果一个化学反应中化学键断裂,所吸收的能量小于新键形成所释放能量,那么这个化学反应就是一个放热反应。在现在我们已经可以直接去通过一些方式得到一个物质的能量,我们也可以从物质的角度去解释化学反应为什么会有能量变化。当反应物的总能量大于生成物的总能量时,这个化学反应就是一个放热反应。当反应物的总能量小于生成物的总能量时,这个化学反应就是一个吸热反应。
但是如果我们想要精确的利用化学反应的热效应所产生的能量,我们就需要可以定量描述化学反应的热效应。那我们如何定量研究化学反应的热效应呢?
最直接我们想到的也最简单的方式,就是去测量化学反应前后温度的变化,在通过一系列热力学的方式,通过温度求出温度背后能量的变化,也就是这个化学反应的反应热。而相应的表示也很简单我们将放热定义为负,将吸热定义为正。
这时我们就诞生了一个新的概念,就是反应热指在一定的系统内化学反应放出或吸收的能量。
除了通过实验测量以外,我们又该如何通过公式去表示并计算反应热呢?
根据我们前面从物质以及化学键的角度对于反应热何以产生的解释,我们可以将各个化学键断裂和形成产生的能量变化加在一起。但这样毫无疑问是极其困难的,所以我们便舍弃了化学键的角度,而从物质的角度着手,我们可以直接用生成物的总能量减去反应物的总能量。
这听起来很简单,但问题就是,我们究竟需要用生成物的什么能量减反应物的什么能量呢?在一开始我认为我们应该用两者的化学能相减。因为化学键的断裂与重组是化学能与热能之间的转化。但是化学能仅仅是相对一个物质而言的,而我们要讨论的化学反应则是对于一整个分子聚集体或者是在一个混合物当中而言的,也就是说我们除了考虑单个分子的化学的以外,我们还需要考虑分子与分子之间的势能,还有分子不停地做无规则运动所产生的动能将直接能合在一起,也就是内能。至此,我们就可以将反应热表示成生成物和反应物之间的内能差Q=ΔU
但是我们以我们前面提到的炸山的例子为例。在这一化学反应中他所产生的能量一部分一热量的形式散溢出去,而另一部分则用于将山炸开,对山上的石头做功。也就是说这个化学反应中的反应热就等于生成物与反应物之间的内能差,再减去对山上石头做的功。
除了这样极端的例子,在一般的化学反应中,由于热量的变化所引起的热胀冷缩对空气做的功等等以非热量的形式呈现出的能量也是很多的。为了使我们对于反应热的公式更加完善我们让反应热变成了等于生成物的内能减反应物的内能差减去对外作的功。Q=ΔU-W。
随着不断的研究,人们将反应热与焓联系在一起,并且用焓这个新的物理量来描述反应热概念。焓究竟是什么?又是如何将反应热与焓进行联系的?还需要我们以后精确的研究
总之现在我们除了可以用反热来描述一个化学反应的热量变化以外,我们还可以用焓来对此进行表征。
化学方程式的作用就是用符号的方式表示一个化学反应。在我们先前的化学方程式中,这个化学方程式只需要表示出它的反应物生成物条件以及各物质之间的数量关系等即可。但是这始终没有表示出来化学反应在热量上的变化。而现在我们则需要在化学反应上加上这个化学反应的焓变是多少。但是仅仅标出来这一块就反映的含面是多少还不够,因为影响一个化学反应寒病的因素有很多比如各物质的物质的量,以及各物质的状态。前者我们已经有分子计量数用于表征,而后者我们则需要对于该反应中各物质的状态进行描述。而诸如这样的化学方程式,我们将其称为热化学方程式。
无论是对于化学热效应的测量,定量计算,用各物理量进行表示,又或者是进一步完善化学方程式他们的意义都是十分重大的。我们在文章的开头就可以看到化学的热效应在我们的生活中应用相当广泛。而对化学热效应研究的一系列工作毫无疑问也是对化学热效应的应用的前提,同时化学反应的热效应也为科学的发展提供了理论支持。