小編記得在小時(shí)候，每到春節(jié)是，家家戶戶都會(huì)放鞭炮，迎新春，可是由于鞭炮污染環(huán)境，所以現(xiàn)在鞭炮沒(méi)那么常見(jiàn)了。今天知道嗎?今天小編的分享就和鞭炮的化學(xué)成分(AP化學(xué)知識(shí)點(diǎn))有關(guān)。

  鞭炮中黑色粉末的化學(xué)成分有硝酸鉀(KNO3), 炭黑或糖，還有硫磺。其中硫磺、炭黑或糖(都含有碳)作為燃料或還原劑，硝酸鉀作為氧化劑。在點(diǎn)燃鞭炮后，由于反應(yīng)生成的二氧化碳和氮?dú)饧彼僭龆啵?dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)將外面緊密包裹的紙筒撐破，發(fā)出“嘭”的響聲，同時(shí)釋放出大量熱量。在這個(gè)化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量的變化就是化學(xué)熱力學(xué)所研究的對(duì)象。

  如果下個(gè)準(zhǔn)確的定義，那么熱力學(xué)研究的就是一切物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中能量的變化。這里說(shuō)的能量有多種形式，比如鞭炮釋放后不僅放出熱能，同時(shí)我們會(huì)看到閃光(光能)。其它的能量類(lèi)型包括機(jī)械能，電能，化學(xué)能等。雖然能量的種類(lèi)繁多，但是如果我們從分子水平考慮，所有類(lèi)型的能量都可以被歸為動(dòng)能(kinetic energy)或勢(shì)能(potential energy)。顧名思義，動(dòng)能即運(yùn)動(dòng)的能量;而勢(shì)能則為儲(chǔ)存的能量。

  對(duì)于宏觀靜止的物質(zhì)，我們把其具有的所有能量稱為內(nèi)能(internal energy, 用E表示)。內(nèi)能包括物質(zhì)的分子、原子的移動(dòng)、震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能，電子、離子和分子間的相互吸引和排斥的勢(shì)能等。在化學(xué)熱力學(xué)中，我們并不關(guān)心物質(zhì)在某一狀態(tài)下所具有的內(nèi)能的絕對(duì)值(這個(gè)值很難測(cè)定)，我們真正感興趣的是在物理和化學(xué)過(guò)程中物質(zhì)內(nèi)能的改變值(ΔE)，這也就引出了熱力學(xué)第一定律(the first law of thermodynamics)：

  在一切過(guò)程中的能量的傳遞都可以變現(xiàn)為熱(q)和功(w)。熱是由于溫度差別而傳遞的能量;而功可認(rèn)為是除熱之外所有以其他形式傳遞的能量。我們可以用下面的一個(gè)實(shí)驗(yàn)形象地解釋熱和功。把一勺粉狀干冰(就是固態(tài)的二氧化碳，哈根達(dá)斯的外賣(mài)就有用干冰包裝以保持冰激凌的低溫)加入保鮮袋中，然后將封口關(guān)閉，并在袋子的上面放置一本書(shū)(a)。過(guò)一會(huì)兒，因?yàn)楦杀鶞囟鹊陀谑覝兀瑫?huì)從外界吸收熱量而升華，變?yōu)闅鈶B(tài)的二氧化碳，從而將保鮮袋撐的鼓起來(lái)(b)，使放在袋子上的書(shū)勢(shì)能增加。

  在從a到b的過(guò)程中，我們把干冰(所研究的物質(zhì)系統(tǒng))稱為體系(system)，干冰外的所有物質(zhì)(體系之外的所有部分)稱為環(huán)境(surroundings)，體系加環(huán)境就是我們的自然界或宇宙(universe)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，體系(干冰)從環(huán)境中吸收了熱量，并對(duì)環(huán)境做功。

  人們按習(xí)慣把熱和功在過(guò)程中發(fā)生變化后的正負(fù)符號(hào)規(guī)定如下：

  我們可以這樣記憶熱和功的符號(hào)規(guī)律：把系統(tǒng)想象成你的銀行賬戶，當(dāng)有錢(qián)存入時(shí)(體系吸收熱量或環(huán)境對(duì)體系做功)賬戶余額增加，所以這兩種過(guò)程對(duì)體系而言都為正;當(dāng)從賬戶中取錢(qián)后(體系放出熱量或體系對(duì)環(huán)境做功)賬戶余額減少，對(duì)應(yīng)的過(guò)程為負(fù)。

  熱力學(xué)第一定律也可以表述為能量守恒定律：自然界中的總能量是恒定不變的(The total amount of energy in the universe is constant)。也就是說(shuō)，能量可以在不同的物質(zhì)間傳遞，也會(huì)以不同的形式相互轉(zhuǎn)化，但這些能量在傳遞和轉(zhuǎn)化的過(guò)程中不會(huì)增多，也不會(huì)減少，總能量保持不變。這可以用下面的公式表述：

  在了解了熱力學(xué)第一定律后，我們?cè)撊绾蚊枋鏊信d趣的體系的熱力學(xué)狀態(tài)(thermodynamic state)呢?這就需要介紹我下面要講的狀態(tài)函數(shù)(state functions)。

  狀態(tài)函數(shù)就是定義體系熱力學(xué)狀態(tài)的一系列參數(shù)，例如溫度、壓力、體積等。狀態(tài)函數(shù)的大小只和體系所處的狀態(tài)有關(guān)，兩個(gè)不同熱力學(xué)狀態(tài)間狀態(tài)函數(shù)的差值只由兩狀態(tài)決定，與體系如何有一個(gè)狀態(tài)達(dá)到另一個(gè)狀態(tài)的途徑無(wú)關(guān)。比如你的銀行賬戶余額在月初時(shí)是100元，月末時(shí)是300元。你可能在一個(gè)月中只做了一筆存款(200元)的業(yè)務(wù);也可能先取出100元，又存入300元。但是你的賬戶余額在月初和月末的差值都是200元，這和你采用上述兩條途徑中的哪一條沒(méi)有關(guān)系。

  例如春節(jié)一家三口從北京到香港旅游。爸爸乘飛機(jī)直接到香港;媽媽需要先乘飛機(jī)到西安開(kāi)會(huì)，然后再飛到香港;女兒則先要和同學(xué)乘火車(chē)到上海游覽后再坐飛機(jī)到香港。北京到香港約2160公里，北京經(jīng)上海到香港約2350公里，北京經(jīng)西安到香港約2520公里。雖然三人的路徑不同，但北京和香港間的距離是一定的(可以看做狀態(tài)函數(shù)，state function)，不同的是三人從北京到香港各自所經(jīng)歷的旅程(稱為路徑函數(shù)，path function)。

  P, V, T, E都是state function，但是q和w是path function，因?yàn)椴煌窂娇梢援a(chǎn)生不同的熱或功。

  在自然界中發(fā)生的大部分化學(xué)反應(yīng)，例如在植物體內(nèi)將二氧化碳和水合成有機(jī)化合物的光合作用，以及食物在動(dòng)物體內(nèi)的消化過(guò)程等等，都是在恒定氣壓條件下進(jìn)行的。我們把在恒定壓力條件下反應(yīng)中的熱量變化用qp來(lái)表示。但是因?yàn)榉磻?yīng)進(jìn)行的過(guò)程中可能會(huì)有功的變化(還記得熱力學(xué)第一定律嗎?ΔE = q + W)，所以qp并不能和反應(yīng)中的能量變化(ΔE)劃等號(hào)。那么，如果我們定義一個(gè)新的熱力學(xué)函數(shù)，將這個(gè)新函數(shù)和qp直接等同，不就可以省去了計(jì)算反應(yīng)中功的麻煩了?

  這就是我們要介紹的第一個(gè)新函數(shù)：焓(enthalpy)，用大寫(xiě)H表示。

  也就是說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)在恒壓條件下的反應(yīng)熱等于反應(yīng)的焓變: qp = ΔH

  那么，怎樣用數(shù)學(xué)公式把反應(yīng)的焓與能量和功的變化聯(lián)系在一起?回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們首先要介紹一種與恒壓反應(yīng)相關(guān)的功：體積功。化學(xué)反應(yīng)，尤其是涉及到氣體參與的反應(yīng)，在外界壓力不變時(shí)反應(yīng)體系的體積通常會(huì)膨脹或收縮。例如，想象在溫度高于100攝氏度的油浴中，2摩爾氫氣和1摩爾氧氣在一個(gè)封閉的圓柱體內(nèi)反應(yīng)生成2摩爾的水汽，圓柱體上部的活塞可以自由移動(dòng)。由于反應(yīng)后的體積減少為原來(lái)體積的2/3，在外界恒定大氣壓(1atm)作用下，環(huán)境會(huì)壓縮反應(yīng)體系并對(duì)其做功，我們把因體系體積改變而做的功稱為體積功。體積功的大小由外界氣壓和體系體積的變化決定：

  上邊這個(gè)公式大家可能在物理課上已經(jīng)很熟悉了，但是為什么要在PΔV的前面加一個(gè)負(fù)號(hào)呢?

  當(dāng)體系的體積減小(compression)時(shí)，ΔV為負(fù)值，P為正值，所以功為正值;類(lèi)似的，當(dāng)體系的體積增大(expansion)時(shí)，ΔV為正值，P為正值，所以功為負(fù)值。可見(jiàn)，這與我們?cè)谏弦淮沃v到的人們對(duì)功的符號(hào)的定義(對(duì)體系而言，體系對(duì)環(huán)境做功為負(fù)，而環(huán)境對(duì)體系做功為正)相符。

  在了解了體積功后，我們可以這樣來(lái)表達(dá)熱力學(xué)第一定律：

  從這個(gè)公式中我們定義了焓這個(gè)新的狀態(tài)函數(shù)，也就是：

  類(lèi)似于體系的內(nèi)能，體系在某個(gè)狀態(tài)時(shí)焓的絕對(duì)值不是我們關(guān)心的對(duì)象，我們更感興趣的是體系在經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)或物理變化的過(guò)程中焓的變化值ΔH。如果反應(yīng)中的反應(yīng)物和產(chǎn)物都處于熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(thermodynamic standard state)，我們?cè)陟实姆?hào)右上角加個(gè)0，用ΔH 0表示。

  下面我們講個(gè)在AP化學(xué)考試中經(jīng)常出現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)：蓋斯定律(Hess’s Law)。

  如果一個(gè)反應(yīng)分為若干步進(jìn)行，那么反應(yīng)的總焓變等于每步焓變之和。也就是說(shuō)，反應(yīng)的焓變和反應(yīng)是經(jīng)一步進(jìn)行或是經(jīng)多步進(jìn)行無(wú)關(guān)，不同反應(yīng)途徑得到的焓變值相等。大家是不是覺(jué)得這個(gè)定律似曾相識(shí)?對(duì)了，這是狀態(tài)函數(shù)的特點(diǎn)(殊途同歸變化等)，因?yàn)殪适莻€(gè)狀態(tài)函數(shù)，所以蓋斯定律也可以看作是對(duì)焓作為狀態(tài)函數(shù)的體現(xiàn)。

  下面我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)看看蓋斯定律在計(jì)算化學(xué)反應(yīng)熱焓中的應(yīng)用：

  我們知道，CO是C在氧氣中的不完全燃燒產(chǎn)物，因?yàn)樯傻腃O會(huì)繼續(xù)與O2反應(yīng)生成CO2，我們很難控制反應(yīng)停留在CO階段，所以無(wú)法直接用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定這個(gè)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)焓變。應(yīng)用蓋斯定律，我們可以這樣解答：

  在利用Hess ‘s Law時(shí)需要注意兩點(diǎn)：

  1. 如果需要將一個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)方向逆轉(zhuǎn)(就是反應(yīng)物變?yōu)楫a(chǎn)物，而產(chǎn)物變?yōu)榉磻?yīng)物)，那么一定記得改變?chǔ)的正負(fù)符號(hào)。

  2. 如果需要改變一個(gè)反應(yīng)中的反應(yīng)物和產(chǎn)物的摩爾數(shù)時(shí)，ΔH也要做相應(yīng)比例的調(diào)整。

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