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[摘要] 人教版化学(选修4)关于物质的燃烧热的定义有两种说法,那么,燃烧热的概念到底该如何界定,燃烧热的数值又可否为负值呢?本文对此进行探讨。
[关键词] 燃烧热 完全燃烧 数值
一、问题的提出
人教版化学(选修4)化学反应原理 (以下简称“新教材”)第15页提到:在25℃、101 kPa时,1mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量,叫做该物质的燃烧热;而在第7页中也提到:101 kPa时,1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量,叫做该物质的燃烧热。前者说完全燃烧“生成稳定的化合物”,后者说完全燃烧“生成稳定的氧化物”;前者规定反应温度是室温,后者无温度标识。那么,燃烧热的概念到底该如何界定,燃烧热的数值又可否为负值呢?教师对此非常迷惑。
二、燃烧热的界定
《中国中学教学百科全书(化学卷)》中的定义:燃烧热又称燃烧焓,指在某一温度和压力下,1mol某物质B完全燃烧时的反应热,称为该物质的燃烧热。其符号记作△cHm(B,相态,T)(注:“c”表示“燃烧”,“m”表示1mol)。完全燃烧的涵义系指C、H和S元素与氧反应分别生成CO2(g)、H2O(l)和SO2(g),N元素变为N2(g),Cl元素变为HCl(水溶液),对于其他元素,数据表上一般会注明。显然,完全燃烧后的产物或称稳定的化合物,其燃烧热为零。
我们在高中阶段所研究的反应大多是在标准压力(101 kPa)下进行的反应,燃烧焓通常系指标准摩尔燃烧焓,即在标准压力下,反应温度T时,单位量的物质B完全氧化为同温下的指定产物时的标准摩尔焓变,用符号表示为△cHmθ(B,相态,T)(注:“θ”表示标准压力)。指定产物意指上述完全燃烧后的产物。
三、燃烧热的辨析
通过上面对燃烧热的几种界定可知,新教材第15页中所说的燃烧热是指25℃时的标准摩尔燃烧焓,相比于第7页燃烧热定义中没有提及温度这一点,该定义表述比较完整。前者说完全燃烧“生成稳定的化合物”也比后者“生成稳定的氧化物”的表述更为准确。所以,再版时建议统一采用第15页的燃烧热概念,并对稳定的化合物给予必要的说明,以免教师和学生引起不必要的歧义。
由于在化学实验和生产中,通常遇到的反应一般是在25℃、101 kPa(常温常压)时的“敞口”容器中进行,反应系统压力和外界压力相等。所以,若此时的非体积功为零,则系统与环境间交换和传递的能量Qp(定压反应热,简称反应热)就等于系统的焓变。即对于常温常压下的燃烧反应而言,Qp=△cHmθ。新教材为方便表示和学生的理解、记忆,把Qp和△cHmθ统一用△H加以表示。如将25℃时氢气的标准摩尔燃烧焓△cHmθ(H2,g,298.15K)=-285.83kJ/mol简写成△H=-285.83kJ/mol,对此教师应心知肚明。△H值的正号(或负号)除了具备数学符号上的意义外,再有就是标示系统放热(或吸热)。在热力学中规定:当系统吸热时,△H取正值,即△H>0;系统放热时,△H取负值,即△H<0。
描述一个化学反应的热量变化时,我们认为:若事先指明是吸热或放热,反应热就用正值表示。如燃烧热的定义中已经指出是“放出的热量”,那么,燃烧热的数值就理所当然用正值表示。下面,通过例题中的选项D做进一步的说明。
四、燃烧热的应用举例
下列依据热化学方程式得出的结论正确的是:
A.已知2H2(g) O2(g)=2H2O(g);ΔH=-483.6kJ/mol,则氢气的燃烧热为241.8kJ/mol。
B.已知Cl2(g) H2(g)= 2HCl (g);ΔH=-184.6kJ/mol,则氯气的燃烧热为184.6kJ/mol。
C.已知2Mg (s) CO2(g)= 2MgO (s) C (s);ΔH=-809.9kJ/mol,则镁的燃烧热为405.0kJ/mol。
D.已知CH4(g) 2O2(g)= CO2(g) 2H2O(l);△H=-890.3kJ/mol。则甲烷的燃烧热为890.3kJ/mol。
解析:
A.根据新教材对燃烧热的定义知道:
①规定在101 kPa压强, 25℃下放出的热量,因为压强和温度不定,△H值不同,亦即反应热的值也不相同;
②规定纯物质的量为1 mol;
③规定纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量为标准。
选项中生成了气态水,说明不是规定条件下的反应热,因此,不是氢气的燃烧热。
B.氯气与氢气的反应是燃烧反应,但氢元素的稳定化合物是H2O(l),氯元素的稳定化合物是HCl(水溶液),故反应热也不是氯气的燃烧热。
C.Mg和CO2的反应,由于参加反应的C元素由稳定的化合物变成了不稳定的C单质,所以,该反应热更不是燃烧热。
D.该选项是正确。在此题中,反应热即为燃烧热,数值为-890.3kJ/mol,负号意指该反应是放热的。若要说明甲烷的燃烧热是多少时,只能说“甲烷的燃烧热为890.3kJ/mol”,不能说“甲烷的燃烧热为-890.3kJ/mol”。
当然,在实际教学中,我们将燃烧产物由通常的“稳定的化合物”限定为“稳定的氧化物”,可以大大降低学生对概念理解的难度和减少不必要的记忆,这样虽然会影响学生到对燃烧热概念的全面认识,但对于新课标的要求而言,掌握到这个程度就可以了。
此外,新教材在第7页表1-1中给出的“一些物质的燃烧热”数值均为负值,时常引起教师和学生的误解,建议再版时用-△H/(kJ
[关键词] 燃烧热 完全燃烧 数值
一、问题的提出
人教版化学(选修4)化学反应原理 (以下简称“新教材”)第15页提到:在25℃、101 kPa时,1mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量,叫做该物质的燃烧热;而在第7页中也提到:101 kPa时,1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量,叫做该物质的燃烧热。前者说完全燃烧“生成稳定的化合物”,后者说完全燃烧“生成稳定的氧化物”;前者规定反应温度是室温,后者无温度标识。那么,燃烧热的概念到底该如何界定,燃烧热的数值又可否为负值呢?教师对此非常迷惑。
二、燃烧热的界定
《中国中学教学百科全书(化学卷)》中的定义:燃烧热又称燃烧焓,指在某一温度和压力下,1mol某物质B完全燃烧时的反应热,称为该物质的燃烧热。其符号记作△cHm(B,相态,T)(注:“c”表示“燃烧”,“m”表示1mol)。完全燃烧的涵义系指C、H和S元素与氧反应分别生成CO2(g)、H2O(l)和SO2(g),N元素变为N2(g),Cl元素变为HCl(水溶液),对于其他元素,数据表上一般会注明。显然,完全燃烧后的产物或称稳定的化合物,其燃烧热为零。
我们在高中阶段所研究的反应大多是在标准压力(101 kPa)下进行的反应,燃烧焓通常系指标准摩尔燃烧焓,即在标准压力下,反应温度T时,单位量的物质B完全氧化为同温下的指定产物时的标准摩尔焓变,用符号表示为△cHmθ(B,相态,T)(注:“θ”表示标准压力)。指定产物意指上述完全燃烧后的产物。
三、燃烧热的辨析
通过上面对燃烧热的几种界定可知,新教材第15页中所说的燃烧热是指25℃时的标准摩尔燃烧焓,相比于第7页燃烧热定义中没有提及温度这一点,该定义表述比较完整。前者说完全燃烧“生成稳定的化合物”也比后者“生成稳定的氧化物”的表述更为准确。所以,再版时建议统一采用第15页的燃烧热概念,并对稳定的化合物给予必要的说明,以免教师和学生引起不必要的歧义。
由于在化学实验和生产中,通常遇到的反应一般是在25℃、101 kPa(常温常压)时的“敞口”容器中进行,反应系统压力和外界压力相等。所以,若此时的非体积功为零,则系统与环境间交换和传递的能量Qp(定压反应热,简称反应热)就等于系统的焓变。即对于常温常压下的燃烧反应而言,Qp=△cHmθ。新教材为方便表示和学生的理解、记忆,把Qp和△cHmθ统一用△H加以表示。如将25℃时氢气的标准摩尔燃烧焓△cHmθ(H2,g,298.15K)=-285.83kJ/mol简写成△H=-285.83kJ/mol,对此教师应心知肚明。△H值的正号(或负号)除了具备数学符号上的意义外,再有就是标示系统放热(或吸热)。在热力学中规定:当系统吸热时,△H取正值,即△H>0;系统放热时,△H取负值,即△H<0。
描述一个化学反应的热量变化时,我们认为:若事先指明是吸热或放热,反应热就用正值表示。如燃烧热的定义中已经指出是“放出的热量”,那么,燃烧热的数值就理所当然用正值表示。下面,通过例题中的选项D做进一步的说明。
四、燃烧热的应用举例
下列依据热化学方程式得出的结论正确的是:
A.已知2H2(g) O2(g)=2H2O(g);ΔH=-483.6kJ/mol,则氢气的燃烧热为241.8kJ/mol。
B.已知Cl2(g) H2(g)= 2HCl (g);ΔH=-184.6kJ/mol,则氯气的燃烧热为184.6kJ/mol。
C.已知2Mg (s) CO2(g)= 2MgO (s) C (s);ΔH=-809.9kJ/mol,则镁的燃烧热为405.0kJ/mol。
D.已知CH4(g) 2O2(g)= CO2(g) 2H2O(l);△H=-890.3kJ/mol。则甲烷的燃烧热为890.3kJ/mol。
解析:
A.根据新教材对燃烧热的定义知道:
①规定在101 kPa压强, 25℃下放出的热量,因为压强和温度不定,△H值不同,亦即反应热的值也不相同;
②规定纯物质的量为1 mol;
③规定纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量为标准。
选项中生成了气态水,说明不是规定条件下的反应热,因此,不是氢气的燃烧热。
B.氯气与氢气的反应是燃烧反应,但氢元素的稳定化合物是H2O(l),氯元素的稳定化合物是HCl(水溶液),故反应热也不是氯气的燃烧热。
C.Mg和CO2的反应,由于参加反应的C元素由稳定的化合物变成了不稳定的C单质,所以,该反应热更不是燃烧热。
D.该选项是正确。在此题中,反应热即为燃烧热,数值为-890.3kJ/mol,负号意指该反应是放热的。若要说明甲烷的燃烧热是多少时,只能说“甲烷的燃烧热为890.3kJ/mol”,不能说“甲烷的燃烧热为-890.3kJ/mol”。
当然,在实际教学中,我们将燃烧产物由通常的“稳定的化合物”限定为“稳定的氧化物”,可以大大降低学生对概念理解的难度和减少不必要的记忆,这样虽然会影响学生到对燃烧热概念的全面认识,但对于新课标的要求而言,掌握到这个程度就可以了。
此外,新教材在第7页表1-1中给出的“一些物质的燃烧热”数值均为负值,时常引起教师和学生的误解,建议再版时用-△H/(kJ