化学反应中的化学能与热能

谭宇杰

【内容摘要】在中学化学学习过程中，化学能与热能的转换问题，因其不能像其他化学反应一起用实验进行展示，从而成为学习的难点。本文通过化学反应中关于能量转换的实验进行展示分析，从宏观和微观分别阐述化学能与热能的转换原理，进而论述能量转换中的守恒定律。

【关键词】化学能 热能 能量转换 化学反应

化学能指的是反应过程中所释放的能量，例如石油的燃烧、火药的爆炸、食物的消化等，都会释放出一定的能量，而这些由化学反应所放出的能量就是化学能。化学能不同于热能、电能等可感知的能量，通常只有在化学反应过程中发生能量转换，从而被人们间接地感知到。在中学学习阶段，理解化学能与热能相互转换的原理、转换原因，并掌握化学能与热能之间遵循的能量守恒定律，并将其运用到具体化学问题的解答当中，是必修功课之一。

一、化学能与热能相互转换的本质属性

在化学领域，化学反应的本质，是原子最外层电子运动状态的改变。最外层电子运动状态的改变，不仅会产生新的物质，而且导致化学键的能级产生改变，从而发生化学能的变化。

从宏观的角度，或从理论的角度来看化学反应的吸热或放热，如果反应物能量比生成物高，那么相应的化学反应就是放热反应；如果反应物能量比生成物低，那么相应的化学反应就是吸热反应。在这里，化学反应中的化学能变化，其实就是通过对热能的变化测量进行间接判断的。

从微观的角度，或从实践的角度来看化学能与热能的转换，化学反应的吸热或放热，与化学反应物和生成物的化学键之变化息息相关。反应物化学键的断裂，以及生成物化学键的生成，是化学能转化为热能，以及热能转化为化学能的根本原因。例如，在HCl与NaOH的中和反应过程中，H原子与Cl原子形成H-Cl键需要放出Q1千焦尔的能量，H-Cl 键断裂重新变成H原子与Cl原子需要吸收Q1千焦尔的能量；同样的，Na原子与O原子、H原子形成Na-OH键需要放出Q2千焦尔的能量，Na-OH键断裂重新变成Na原子与O原子、H原子需要吸收Q2千焦尔的能量；而Na-Cl键的能量为Q3千焦尔，H2O键的能量为Q4千焦尔。从而形成以下方程式：HCl+NaOH→NaCl+H2O。

而这其中，断开H-Cl键和Na-OH键所需要吸收的能量为（Q1+Q2）千焦尔，形成Na-Cl键和H2O键所需要释放的能量为（Q3+Q4）千焦尔。根据能量守恒定律，整个化学反应的热效应应当为：吸收（Q1+Q2-Q3-Q4）千焦尔。根据实验可以看出，HCl与NaOH的中和反应出现了温度的升高，因而其属于放热反应，化学能呈现出下降的态势。

二、化学能与热能的难点要点

化学能与热能的相互转换，其第一要点便是能量转换遵循的规律。能量转换是一种普遍存在的客观现象，比如说风力发电是由势能向电能进行转换，电梯运行是先通过将电能向机械能转化过渡后，再转换为势能。在这种转换当中，能量守恒定律是必须遵守的一种规律，其基本内容是，一种能量的消失，必然会伴随着另一种或者几种能量的产生，并且消失的能量与产生的能量是等量的，总能量始终保持不变。在化学反应中，化学能与热能之间的相互转换，也要遵循这一定律。从能量变化的角度来讲，化学反应实际上是能量的一种储存或者释放的过程。

化学能与热能的相互转换，其难点在能量的变化。一是化学能除了转化为热能外，还可以转换成电能、光能等其他能量形式，因此化学能与热能的转换与测算，通常都是在理想状态下得出的结论，或者是对于其他能量数据忽略不计，并不表明化学能全部都转换成为了热能。二是化学反应的吸热、放热过程与反应条件并不存在必然的联系。需要采取加热方式进行的化学反应，未必就是吸热反应，如煤与石油的燃烧，以及化学实验中常见的铝热反应等；而不需要加热就可以进行的化学反应，也不一定就是放热反应，如Ba（OH）2·8H2O 晶体和NH4Cl晶体的反应，虽然在常温下就可以发生化学反应，但其仍然是吸热反应。三是要厘清化学反应与物理反应的关系，虽然能量变化是化学反应的基本特征之一，但该论述不能倒推。

三、化學能与热能转换的意义

作为人们日常生活中经常遇到和用到的知识，化学能与热能的相互转换，是人类生活与工作、生存与发展的基础。

一方面，化学能与热能的相互转换，被广泛地运用于能源发电、机械加工、机器运转等过程中。在人们日常生活中，最为常见的就是利用化学能转换成热能，形成热量为人们服务的情况。

另一方面化学能与热能的相互转换，并不仅仅是一种主动操作的现象，在自然界中也存在着多种多样的自发形成的能量转换。例如人和动物在获取食物后，通过对食物进行消化吸收，使其中的营养物质成为人体和动物身体的必需养分，并通过生物酶的作用使化学能转换为热能，为身体提供维持生命的热量。

结束语

化学能与热能的转换知识，是化学学习中非常重要的一部分，但同时也是十分难懂、难以有效掌握的知识点。借助化学反应中的能量转换，可以为人们的生存与发展提供必需的能量和动力，辅助人们更好地进行生产和生活，是当今社会不可缺少的知识和技术。

【参考文献】

[1] 杨明生. 浅谈“化学能与热能”的有效学习[J]. 高中数理化，2017（13）.

[2] 李玉民. 化学能与热能、盖斯定律的综合应用[J]. 中学生数理化：高二版，2012（9）：42-45.

[3] 卢文秀、赵晓磊. 关于化学能与热能的几个易错问题[J]. 中学化学，2013（7）：41-42.

（作者单位：湖南省长沙市宁乡县第一中学）endprint