化学能，推动现代文明的力量

本文发表于《高中数理化》，是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界》的一篇。

物质和能量，是研究化学反应的两个不同视角。

有时候我们利用化学反应制造或消除某些物质。

如从矿石中提炼金属、合成有机高分子材料，除去工业尾气中的有害成分、除去废水中的重金属离子等。

而有时候则主要是利用化学反应吸收或释放能量。

如研究如何提高光合作用效率、提高煤和汽油的燃烧效率等。

化学反应过程中的能量变化对于人类的生存与发展具有极其重要的意义，对于化学反应的研究，不可简单停留在“物质变化”单一方面。

举例来说，绿色植物利用叶绿素的催化作用，吸收太阳光，把CO₂和H₂O转化为糖类和O₂。

表面看上去，这个过程的价值在于它把“废物”CO₂和H₂O转化为“有用的”营养物质C₆H₁₂O₆（葡萄糖）和O₂，但进一步想，这些C₆H₁₂O₆（葡萄糖）和O₂ 后来又被某些动物（或菌类、植物本身）摄食、转化回了CO₂、H₂O。

那么，这个物质循环过程的意义何在呢？

在于能量的存储与释放。

自然界中的生命体（动物、植物、菌类），以CO₂、H₂O、C₆H₁₂O₆（葡萄糖）、O₂等基本化学物质为载体，实现了太阳能的吸收、转化和利用。

1．化学反应一定会吸收或放出能量吗？有没有正好既不吸收能量，也不放出能量的化学反应？

是的，任何化学反应一定伴随着能量的变化，要么吸热，要么放热，不存在没有热效应的化学反应。这得从化学反应的微观过程入手分析：

破坏任何微观作用力（化学键、分子间作用力）的过程一定要消耗能量；反之，形成任何微观作用力的过程则一定会释放能量。

由于化学反应过程中，首先要破坏反应物中的化学键，形成反应的过渡态（中间体），这个过程吸收能量（所需吸收的能量在化学上称为“活化能”）；而后，那些反应中间体之间再相互作用，通过新的化学键结合形成产物。

从哲学意义上讲，反应物中的化学键跟产物中的化学键必然不同，其键能一定有差异，这个键能差就是反应所释放或吸收的能量的主体（另外还包含物质状态改变所对应的分子间作用能之差）。

2. 什么情况下可以利用键能计算反应的焓变（反应热）？为什么热化学方程式里一定要注明物质的状态？

如前所述，化学反应过程中能量变化的本质在于微观作用力的破坏和形成，而化学里的微观作用力包括化学键、分子间作用力两个方面。

所以，要想只根据键能计算反应热（焓变），必须是反应物、产物中的微观作用只限于化学键这单一类型作用力的反应体系。比如，H₂(g)跟O₂(g)化合形成水蒸气H₂O(g)的反应（气相反应），由于气体物质分子间作用力极弱，跟化学键的强度不在同一量级、可以被忽略，故可以只根据键能计算反应的焓变（B.E.是键能的表示符号）：

2H₂(g) + O₂(g) = 2H₂O(g)△H₁

△H₁ = 2B.E.(H-H) + B.E.(O=O) -2×2B.E.(O-H)

= 2×435 kJ/mol + 498 kJ/mol – 2×2×463 kJ/mol

= -484 kJ/mol

但是，若产物为液态水而非水蒸气，则还要考虑水分子间结合形成氢键过程中释放出的能量（数值上等于水的汽化热）：

H₂O(g) = H₂O(l) △H₂ = -44 kJ/mol

于是，反应：2H₂(g) + O₂(g) = 2H₂O(l)  △H₃的焓变计算如下：

△H₃ = △H₁ + 2×△H₂

= -484 kJ/mol + 2×（-44 kJ/mol）

= -572 kJ/mol

通过以上计算，我们也可看到，物质的状态对于反应过程中的焓变是有很大影响的。

所以，写热化学方程式时，必须注明所有物质的状态。

3. 化学反应过程中，反应物中的所有化学键都会断裂吗？如果不是，那么还能用反应物键能总和减产物键能总和的办法计算反应的焓变吗？

反应过程中，反应物中的化学键未必都断裂。比如：

Na₂SO₄(aq) + BaCl₂(aq) = BaSO₄(s) + 2NaCl(aq)

这是一个复分解反应，在反应过程中，SO₄^2-作为一个原子团整体不会破坏。

但是，即使反应物中有的化学键不会断裂，也不影响我们运用“反应物键能总和减去产物键能总和”的办法计算（估算）反应的焓变。

这是因为，SO₄^2-离子内部各键的键能，在“反应物键能总和”和“产物键能总和”两项中都含有，计算过程中自然相互抵消。

4. “化合反应是放热的，分解反应是吸热的”，这个说法是否正确？

这类说法是完全错误的，我们可以列举出若干反例。比如化合反应CO₂(g) + C(s) = 2CO(g)是吸热的（△H = +172.5 kJ/mol），而NH₄NO₃、TNT、(NH₄)₂Cr₂O₇等物质的分解反应都是大量放热的。

那么，上述“化合反应放热、分解反应吸热”的说法是怎样产生的呢？

估计是想当然的结果。

有的人从“破坏化学键要吸收能量，而形成化学键则释放能量”出发，机械地认为“化合反应主要形成化学键”或“化合反应过程中形成的键一定多于破坏的键”，“分解反应过程主要破坏化学键”或“分解反应过程中破坏的键一定多于形成的键”，而忽视了反应过程中所断的旧键跟所形成的新键的性质上（键能）可能存在巨大差异，于是得出了上述并不科学严谨的结论。