师:上一节课我们学习了根据化学反应过程中能量的变化,将化学反应分成放热反应和吸热反应,如图所示。图中反应物的总能量小于生成物的总能量,这是一个吸热反应;反之则是放热反应。用图像表示热效应是一种表达方式,那还有其他表达方法吗?有,我们今天就来学习热化学方程式的书写。
什么是热化学方程式呢?大家看,在200摄氏度、101千帕时,氢气可以与碘蒸气反应生成碘化氢气体。同学们回忆一下,这个反应的化学方程式怎么写?科学文献对这个反应的描述,就是一个热化学方程式。请大家仔细观察这两个方程式,有什么相似和不同之处呢?明显可以看到,右边的热化学方程式中出现了物质的状态,条件标注了温度和压强,方程式右边还出现了反应热。从这个热化学方程式可知,在200摄氏度、101千帕时,1摩尔氢气与1摩尔碘蒸汽完全反应,生成2摩尔碘化氢气体时会释放出14.9千焦的热量。像这样,可以描述一个化学反应过程中参加反应物质的量与反应热关系的式子,就叫做热化学方程式。
热化学方程式不仅能表示物质的变化,还能表示热效应。了解了什么是热化学方程式后,我们要掌握其书写方法。请看例2,这里有两个氢气燃烧的热化学方程式,这是我们学过的。仔细观察这三个方程式的书写,要正确书写热化学方程式,第一步得写出符合客观事实的正确化学方程式。
接着,在化学方程式右端空一格标出反应热,放热反应ΔH是负的,吸热反应ΔH是正的,要标出反应热的符号、数值和单位,常见单位是千焦每摩尔。再看这三个方程式,氢气、氧气和水都标明了状态。大家思考一下,为什么要标明物质的状态呢?能不能不写?同样生成1摩尔水,为什么生成液态水和生成气态水时放出的热量数值不相等呢?物理知识告诉我们,气态水转化成液态水会释放更多热量,所以同样生成1摩尔水,生成液态水时释放的能量更多。这就说明,在热化学方程式书写中标出物质状态很有必要。
反应热的数值与物质的聚集状态有关。固体用s表示,液体用l表示,溶液用aq表示,气体用g表示,方程式中不用出现气体生成符号和沉淀生成符号。刚才的例子中,有的热化学方程式有反应条件,有的没有。热化学方程式对此是如何规定的呢?很多反应热可以测定,焓变数值与反应热测定的条件有关,比如温度、压强。所以书写热化学方程式时,反应条件应该标注,而绝大多数反应热是在25摄氏度、101千帕的条件下测定的。如果方程式没标注条件,就认为反应热是在25摄氏度、101千帕条件下测定的。
看例3,在25摄氏度、101千帕下有三个热化学方程式,都没写反应条件,我们就认为这三个热效应是在25摄氏度、101千帕条件下测定的。同学们仔细观察这三个热化学方程式,一二方程式前面的系数有分数,第三个方程式前面的系数是整数,热化学方程式中焓的系数怎么确定呢?为什么会出现分数?它和化学方程式前的计量数不同,热化学方程式前的化学计量数只表示参加反应物质的量。我们知道物质的量可以是整数,也可以是分数,比如1/2摩尔氧气、1摩尔氢气,它们不表示物质的分子数或原子数,所以可以是整数或分数。
第四,仔细观察这两个热化学方程式,找出反应热数值与化学计量数是否存在对应关系?可以看出,1摩尔氢气完全反应时释放的热量,与2摩尔氢气完全反应时释放热量的数值正好是两倍关系,所以反应热与化学计量数呈对应关系。当热化学方程式中化学计量数改变时,反应热的数值也应做相应改变。第五,仔细观察这两个方程式,找出二者联系。可以看到,当一个化学反应逆向进行时,反应热的数值与正反应相等,但符号相反。这是为什么呢?
因为在化学反应过程中,不仅要满足质量守恒定律,还要满足能量守恒定律,反应物和生成物总能量是固定的,所以一个化学反应逆向进行时,其反应热与正反应符号相反、数值相等。需要注意的是,不管一个化学反应是否是可逆反应,其反应热的数值都指反应物完全反应生成产物时整个体系释放或吸收的能量。例如,在这个热化学方程式中,它表示1摩尔氢气完全反应释放的热量才是14.9千焦。如果向一个容器中充入1摩尔氢气和1摩尔碘蒸气,在相同条件下反应生成碘化氢气体,假如释放热量为q千焦。由于氢气和碘生成碘化氢的反应是可逆反应,1摩尔氢气不会100%转化成生成物,所以q小于14.9千焦。
通过今天的学习,同学们初步认识了热化学方程式,以及书写它要注意的几个原则。接下来通过几个例题巩固一下。看例1,下列热化学方程式书写中,正确的是。这种题型是判断热化学方程式书写的正误,我们依据刚才讲的书写注意事项来判断。比如,A选项没注意标明物质的状态,错了;B选项,氢氧化钠和盐酸的中和反应是放热反应,反应热数值应该是负的,所以B选项错误;C选项,硫的燃烧反应放热,ΔH负号、数值、单位都没问题;D选项,反应中物质状态、负号、数值都有,但单位错了,焓的单位应该是千焦每摩尔,所以这道题正确选项是C。
