关于化学反应与能量的几个重要概念

化学反应中的能量变化，通常表现为热量的变化。人们广泛利用化学反应中释放或吸收的热量为生产生活服务，如生命体中糖类与氧气的反应、生产生活中燃料的燃烧等都是化学反应热效应的重要应用。

1、焓是什么?与什么因素有关?物质的具体焓值是否可测?

焓(符号H)是一个很难说清楚其含义的化学量，它是在讨论恒压体系发生变化的过程中，为说明系统热效应的本质含义而引入的关于物质状态的一个函数(恒容过程则不需要用ΔH表达，恒容过程的热效应就是体系热力学能变化值)：

H=U+pV

ΔH=ΔU+pΔV=(U2+pV2)-(U1+pV1)=Qp(恒压过程热效应)

由于很难形象化地说清楚H的含义，所以物质的具体焓值是不可测量的。但总体上讲，焓与物质的“热力学能”密切相关，在中学阶段只要知道，化学反应所吸收或释放的能量(不仅指热量，包括光能、电能、声音等一切形式的能量)可以用焓变ΔH表示就可以了。

ΔH=H总(产物)-H总(反应物)

如光合作用的热化学方程式：

6CO2(g)+6H2O(l)=C6H12O6(s)+6O2(g)

ΔH=+2804kJ·mol-1。

其中，ΔH=+2804kJ·mol-1的意思是“每发生1mol该化学反应(即消耗6molCO2气体和6mol液态H2O，产生1mol固态的葡萄糖和6molO2)，则体系吸收2804kJ的能量(或说体系的焓值增加2804kJ)”。

2、热化学方程式中，H的单位“kJ·mol-1”含义为“每摩尔反应的热效应”，何谓“每摩尔反应”?

首先我们要明确，在热化学方程式里，化学式前的化学计量数(系数)含义为“摩尔”，而不再表示“分子数”。

关于“摩尔反应”，前面已经初步介绍。比如将上述光合作用的热化学方程式中CO2、H2O、O2的化学计量数变为1，则有

CO2(g)+H2O(l)=1/6C6H12O6(s)+O2(g)

ΔH=+467kJ·mol-1。

即，每摩尔这样的反应(消耗1molCO2气体和1mol液态H2O，产生1/6mol固态的葡萄糖和1molO2)，其热效应是“吸收467kJ的能量”。

3、熵是什么?如何理解熵的变化?化学反应的“熵判据”到底是什么意思?

熵(S)是用来衡量体系混乱程度的化学量，是科学家在早期研究过程(比如一个具体化学反应)的自发性倾向时提出来的概念。

现代物理化学中，熵是有严格定义的，它代表物质内部的微观状态数，等于体系内的热能与体系温度的比值，所以又叫“热温商”。完美晶体在绝对零度(0K)下的熵值为0。实际应用中，往往并不计算物质的绝对熵，主要使用熵变ΔS(体系的混乱度增大还是减小)。

最早的时候人们发现，自发进行的化学反应大都具有释放能量的共同特征，于是提出了“自发反应的焓判据——体系能量降低的过程是自发的”。随着研究的深入，人们发现一些吸收能量的过程(如常温下水的蒸发、Na2CO3·10H2O的风化)居然也是自发的，单用焓判据难以解释这样的过程。

科学家深入研究此类吸热过程的共性时发现，凡是吸热且自发的过程，则一定伴随着体系混乱度增大(ΔS 0)现象，提出用熵来表达体系的混乱度，这样判断过程自发性就在原单一“焓判据”的基础上，增加了一个“熵判据——凡是有利于体系混乱度增大的过程，往往容易自发”。

为解决“焓判据”、“熵判据”的统一性问题，后来吉布斯等科学家提出了自由能(G)的概念，G=H-TS，一个体系的自由能降低的过程则是自发的，反之则是非自发的。在恒温条件下，用“自由能变(ΔG)”表示，则有：

ΔG=ΔH-TΔS 0，过程自发;

ΔG=ΔH-TΔS 0，过程不能自发;

ΔG=ΔH-TΔS=0，过程达到平衡状态。

4、“自由能”的含义?为什么叫“自由能”?

自由能(G)，顾名思义，可自由转化之能。把公式G=H-TS做一变换，则得H=G+TS，可以理解为：

物质的焓由两部分构成，一部分是自由能G，这部分能量在变化过程中可以转化为其他形式的能量，比如电能、光能等，当然也可以转化为热;另外一部分是“非自由能TS”，这部分能量是维持体系混乱度所必需的，不可自由转化。所以，在计算电池电动势的公式ΔG=-nFΕ里，只有ΔG而没有涉及ΔH，因为TΔS这部分能量是不可转化为电功的。

可以直观、粗略地认为，物质的焓，包括了比较优质的能量(自由能G)和劣质的能量(非自由能TS)，前者可用来对外做功，是研究开发化学能的重点对象，而后者则属于体系的固有属性，难以被我们所利用。

5、如何理解燃烧热概念中“稳定氧化物”的含义?

燃烧热是指1mol可燃物在规定条件下完全燃烧形成稳定氧化物时，所释放出的能量。如果是1mol物质燃烧反应的焓变，则称为该物质的摩尔燃烧焓。如果限定燃烧前后的外界条件均为101.3kPa、298K，则称该物质的标准燃烧热或标准燃烧焓。

这里的“完全燃烧”首先意味着产物不可继续燃烧，如含碳物质的燃烧产物应该是CO2而非CO，含硫物质的燃烧产物则是指SO2(因SO2是不能继续燃烧的稳定氧化物);其次，燃烧产物应该是在指定条件下的稳定态，如含氢物质的标准燃烧热则是指其燃烧产物H2O在101.3kPa、298K条件下，呈稳定状态——液态。

说到燃烧热，总有同学纠结“它是正值还是负值”的问题。其实这是历史原因造成的，过去教科书定义燃烧热为“1mol可燃物质完全燃烧形成稳定氧化物所释放出的能量”，据此，燃烧热当然应该是正值，直到目前有些版本的教科书还在用“H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)+242kJ”这样的热化学方程式。

在采用H表示化学反应的焓变后，就不存在燃烧焓是正是负的问题了。其实，不管哪种表达方式，只要对于概念理解透彻、表达清楚即可。