化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)-反應(yīng)熱與焓變

反應(yīng)熱及其測(cè)定

熱量的釋放或吸收是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的常見(jiàn)形式例如，燃料的燃燒、酸與堿的中和反應(yīng)等會(huì)放出熱量，屬于放熱反應(yīng)。而有些反應(yīng)，如工業(yè)上煅燒石灰石的反應(yīng)等會(huì)吸收熱量，屬于吸熱反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，人們?nèi)绾?strong class="ql-bg-#89d4ff">定量地描述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中釋放或吸收的熱量呢?

體系與環(huán)境

1. 在研究反應(yīng)熱時(shí)，需要明確體系和環(huán)境

下面以研究鹽酸與NaOH溶液的反應(yīng)為例：

化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)（反應(yīng)熱）

2.在等溫條件下，化學(xué)反應(yīng)體系向環(huán)境釋放或從環(huán)境吸收的熱量，稱為化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，簡(jiǎn)稱反應(yīng)熱。

3.許多反應(yīng)熱可以通過(guò)量熱計(jì)直接測(cè)定。

例如，鹽酸與NaOH溶液反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)放出熱量，導(dǎo)致體系與環(huán)境之間的溫度產(chǎn)生差異。在反應(yīng)前后，如果環(huán)境的溫度沒(méi)有變化，則反應(yīng)放出的熱量就會(huì)使體系的溫度升高，這時(shí)可以根據(jù)測(cè)得的體系的溫度變化和有關(guān)物質(zhì)的比熱容等來(lái)計(jì)算反應(yīng)熱。

中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

請(qǐng)按照下列步驟，用簡(jiǎn)易量熱計(jì)(如圖)測(cè)量鹽酸與NaOH溶液反應(yīng)前后的溫度。

1.反應(yīng)物溫度的測(cè)量

(1)用量簡(jiǎn)量取50mL 0.50mol/L鹽酸，打開杯蓋，倒入量熱計(jì)的內(nèi)筒，蓋上杯蓋，插入溫度計(jì)，測(cè)量并記錄鹽酸的溫度。用水把溫度計(jì)上的酸沖洗干凈，擦干備用。

(2)用另一個(gè)量筒量取50mL 0.55mol/L NaOH溶液，用溫度計(jì)測(cè)量并記錄NaOH溶液的溫度

2.反應(yīng)后體系溫度的測(cè)量

打開杯蓋，將量筒中的NaOH溶液迅速倒入量熱計(jì)的內(nèi)筒，立即蓋上杯蓋，插入溫度計(jì)，用攪拌器勻速攪拌。密切關(guān)注溫度變化，將最高溫度記為反應(yīng)后體系的溫度(t2)

3.重復(fù)上述步驟1至步驟2兩次。

【數(shù)據(jù)處理】

(1)取鹽酸溫度和NaOH溶液溫度的平均值記為反應(yīng)前體系的溫度(t1)。計(jì)算溫度差(t2 - t1)，將數(shù)據(jù)填入下表。

(2)取三次測(cè)量所得溫度差的平均值作為計(jì)算依據(jù)。

(3)根據(jù)溫度差和比熱容等計(jì)算反應(yīng)熱。

(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

【數(shù)據(jù)處理計(jì)算】

1.反應(yīng)原理： Q = m x C x △t

Q：中和反應(yīng)放出的熱量

m：反應(yīng)混合液的質(zhì)量

C：反應(yīng)混合液的比熱容

△t：反應(yīng)前后溶液溫度的差值

2.為了計(jì)算簡(jiǎn)便，可以近似地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)所用酸、堿稀溶液的密度、比熱容與水的相同，并忽略量熱計(jì)的比熱容，

• 為了提高測(cè)定的準(zhǔn)確度，應(yīng)該采取哪些措施?

1. 隔熱層、杯蓋等的使用是為了減少熱量散失，降低實(shí)驗(yàn)誤差。
2. 要使用同一支溫度計(jì)，避免儀器誤差。注意測(cè)定一種溶液后必須用水沖洗干凈并用濾紙擦干。
3. 使用不同的量筒分別量取酸堿溶液
4. 正確讀取體積和溫度，多次試驗(yàn)求平均值時(shí)，若有某一組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有明顯偏差 ，應(yīng)直接舍去。
5. 操作時(shí)動(dòng)作要快，盡量減少熱量的散失。
6. 為了保證鹽酸完全被中和，采用稍過(guò)量的NaOH溶液。

中和熱的概念

3.中和熱：大量實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在25°C和101 kPa下，強(qiáng)酸的稀溶液與強(qiáng)堿的稀溶液發(fā)生中和反應(yīng)生成1 mol H2O時(shí)，放出57.3 kJ的熱量。

(1)對(duì)同一反應(yīng)來(lái)說(shuō)，中和反應(yīng)的反應(yīng)熱大小與所用酸、堿溶液的用量有關(guān)。

(2)而中和熱是指生成1mol H2O時(shí)的反應(yīng)熱，故酸、堿溶液的用量對(duì)中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測(cè)定結(jié)果沒(méi)有影響。

4.中和熱易錯(cuò)點(diǎn)：

(1)酸、堿溶液中若有濃溶液，生成1mol H2O時(shí)反應(yīng)放出的熱量大于57.3kJ

(2)酸、堿中若有弱酸或弱堿，電離需要吸熱，生成1mol H2O時(shí)反應(yīng)放出的熱量小于57.3kJ

(3)若酸與堿反應(yīng)生成1mol H2O的同時(shí)還有沉淀生成，則反應(yīng)放出的熱量大于57.3kJ。如稀硫酸與Ba(OH)2溶液反應(yīng)生成1mol H2O時(shí)，反應(yīng)放出的熱量一定大于57.3kJ(硫酸根和Ba2+反應(yīng)生成BaSO4時(shí)會(huì)放熱)。

【例題】

D

反應(yīng)熱與焓變

1.化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)能變化

化學(xué)反應(yīng)的能量變化是由反應(yīng)前后物質(zhì)所具有的內(nèi)能不同而引起的。內(nèi)能( internal energy )是體系內(nèi)物質(zhì)所含各種微觀粒子的能量總和。內(nèi)能的大小除了與物質(zhì)的種類、數(shù)量及聚集狀態(tài)(即氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等)有關(guān)外，還與體系的溫度、壓強(qiáng)有關(guān)，因?yàn)樯鲜鲆蛩囟伎梢杂绊懳镔|(zhì)內(nèi)部微觀粒子的能量。內(nèi)能的符號(hào)為U?；瘜W(xué)反應(yīng)中內(nèi)能的變化可以寫作：

式中： U(反應(yīng)產(chǎn)物)和U(反應(yīng)物)分別表示反應(yīng)體系中反應(yīng)產(chǎn)物的內(nèi)能和反應(yīng)物的內(nèi)能如果U(反應(yīng)產(chǎn)物) >U (反應(yīng)物)，則反應(yīng)吸收能量；反之，若U(反應(yīng)產(chǎn)物) <U(反應(yīng)物)，則反應(yīng)釋放能量。

化學(xué)反應(yīng)體系與環(huán)境進(jìn)行能量交換可以以熱和功兩種形式呈現(xiàn)。根據(jù)能量守恒定律，化學(xué)反應(yīng)中內(nèi)能的變化等于反應(yīng)熱和功的加和，即：

迄今為止，科學(xué)家還無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定得知物質(zhì)內(nèi)能的絕對(duì)值，但根據(jù)上式，我們可以通過(guò)反應(yīng)熱和反應(yīng)過(guò)程中體系做的功計(jì)算出反應(yīng)體系內(nèi)能的變化值。

如果反應(yīng)過(guò)程中體系沒(méi)有做功(如反應(yīng)前后體系體積不變且沒(méi)有做電功等其他功)，則：

即化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱等于化學(xué)反應(yīng)前后體系內(nèi)能的變化。如果反應(yīng)后體系的內(nèi)能是增加的，即U(反應(yīng)產(chǎn)物) > U(反應(yīng)物)，則Q > 0，反應(yīng)吸熱；反之，反應(yīng)放熱。

在實(shí)驗(yàn)室里或在生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)大多是在壓強(qiáng)不變的條件下進(jìn)行的，如在敞口容器中進(jìn)行。由于大氣壓強(qiáng)通常變化很小，此時(shí)反應(yīng)體系的壓強(qiáng)可以近似看作不變。在反應(yīng)前后壓強(qiáng)不變的條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)稱為等壓反應(yīng)。在等壓反應(yīng)中，可能伴隨著反應(yīng)體系體積的改變而有體積功存在，因此反應(yīng)熱不一定等于反應(yīng)體系內(nèi)能的變化。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，科學(xué)家定義了一個(gè)稱為“焓”的物理量，符號(hào)為H，單位為J或kJ，用它的變化來(lái)描述等壓反應(yīng)的反應(yīng)熱。

焓與內(nèi)能一樣，其大小也取決于物質(zhì)的種類、數(shù)量、聚集狀態(tài)并受體系的溫度、壓強(qiáng)等因素的影響。研究表明，在等壓反應(yīng)中，如果反應(yīng)中物質(zhì)的能量變化沒(méi)有與電能、光能等其他形式的能量發(fā)生轉(zhuǎn)化，則該反應(yīng)的反應(yīng)熱等于反應(yīng)前后體系的焓的變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Qp代表等壓條件下化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱；△H為反應(yīng)產(chǎn)物的焓與反應(yīng)物的焓之差，稱為反應(yīng)焓變( enthalpy change) 。

• 在等壓條件之下，反應(yīng)熱=焓變

焓，焓變與反應(yīng)熱的關(guān)系

以H2與Cl2反應(yīng)生成HCI為例，從微觀角度來(lái)討論反應(yīng)熱的實(shí)質(zhì)