如何计算化学反应的焓

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在本文中：

解焓值问题

估算焓值

实验观察焓变

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参考

在化学反应过程中，反应要么吸收环境中的热量，要么向环境释放热量。化学反应与其环境之间进行的热量交换被称为焓，通常用H表示。但H无法直接测量，科学家会利用反应温度随时间的“变化”来计算焓随时间的“变化”，后者用’’’∆H’’’表示。在知道∆H后，科学家就能判断一个反应是在释放热量还是在吸收热量。释放热量被称为“放热”，而吸收热量被称为“吸热”。通常情况下，∆H = m x s x ∆T，其中m是反应物的质量，s是生成物的比热，而∆T是反应温度的变化。

步骤

方法 1

方法 1 的 3:

解焓值问题

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   确定反应的生成物和反应物。任何化学反应都涉及两种化学物质，即生成物和反应物。生成物是反应“生成”的化学物质，而反应物是通过“相互作用、组合或分解”来生成生成物的化学物质。换而言之，化学反应的反应物就像食谱中的原料，而生成物就像做好的菜肴。要计算出反应的∆H，首先得确定反应的生成物和反应物。

   • 例如，假设我们要计算氢气和氧气生成水的反应焓：2H₂ (氢气) + O₂ (氧气) → 2H₂O (水)。方程式中，H₂和O₂是反应物，而H₂O是生成物。
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   确定反应物的总质量。下一步需要计算反应物的质量。如果不知道它们的质量，也无法称量反应中的反应物，你可以使用它们的摩尔质量来算出它们的真实质量。查询标准的元素周期表或关于分子和化合物的其他化学资料，可以找到摩尔质量。只需用每种反应物的摩尔质量乘以消耗的反应物摩尔数，就能算出反应物的质量。

   • 在水的例子中，反应物是氧气和氢气，它们的摩尔质量分别为2g和32g。由于方程式中H₂旁边的系数为“2”，而O₂旁边没有系数，所以反应中会用掉2摩尔的氢气和1摩尔的氧气，因此，反应物总质量的计算过程如下：
     2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g。
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   找出生成物的比热。下一步需要找出你分析的生成物的比热。每种元素或分子都有一个与之相关的比热值：这些值是常数，通常可以在化学课本后的表格中或其他化学资料中查到。比热有几种不同的度量方式，本公式中，我们会使用以J/(g• °C)为单位的比热值。

   • 注意，如果方程式有多种生成物，那么你必须对生成各生成物的组分反应进行焓计算，然后将它们加总，算出整个反应的焓。
   • 本示例中，最终生成物是水，它的比热约为4.2 J/(g• °C)。
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   计算反应前后的温度差。下一步我们需要计算∆T，也就是反应前后的温度变化。用反应的初始温度T1减去反应的最终温度T2，来算出∆T。和大多数化学计算一样，此处应该使用开尔文（K）温度，但使用摄氏（C）温度也会得到同样的结果。

   • 在本示例中，假设一开始的反应温度是185K，反应结束时的温度是95K。这种情况下，∆T的计算过程如下：
     ∆T = T2 – T1 = 95K – 185K = -90K。
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   使用公式∆H = m x s x ∆T来求解。 知道反应物的质量m、生成物的比热s，以及反应的温度变化∆T后，你就能算出反应焓了。只需将它们的值代入到公式∆H = m x s x ∆T中，然后做乘法就可以了。答案的单位将是能量单位焦耳（J）。

   • 在本例题中，反应焓的计算过程如下：
     ∆H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K ) = -13,608 J。
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   判断反应是失去能量还是获得能量。之所以要计算各种反应的∆H，大部分情况下是为了确定反应是放热的还是吸热的，前者会失去能量并释放热量，而后者会获得能量并吸收热量。如果∆H的最终答案是正数，那么反应就是吸热反应。反之，如果答案是负数，那么反应就是放热反应。数字越大，表示反应释放或吸收的热量越多。对强放热反应要多加小心，它们有时会释放出大量能量，要是释放的速度足够快，甚至可能引起爆炸。

   • 本例题中，我们的最终答案是-13608 J，由于是负数，所以我们知道反应是放热反应。这是合理的，因为H₂和O₂是气体，而生成物H₂O是液体。蒸汽形式的高温气体需要以热量的形式向环境释放能量，冷却到能够形成液体水的温度，这意味着形成H₂O的过程是一个放热过程。
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方法 2

方法 2 的 3:

估算焓值

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   使用键能来估算焓值。几乎所有化学反应都会涉及到原子间键的形成或断裂。由于化学反应中的能量既不会凭空消失也不会凭空出现，所以，要是知道反应中形成键或破坏键所需的能量，我们就能将这些键能相加，非常准确地估算出整个反应的焓变。

   • 让我们以反应H₂ + F₂ → 2HF为例。在该反应中，破坏H₂分子中的H原子所需要的能量是436 kJ/mol，而F₂所需要的能量是158 kJ/mol。最后，H和F形成HF所需的能量等于-568 kJ/mol。由于方程式中的生成物是2HF，所以我们需要乘以2，即2 × -568 = -1136 kJ/mol。将所有值相加求和，得到：
     436 + 158 + -1136 = -542 kJ/mol。
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   使用生成焓来估算焓值。生成焓是固定的∆H值，它代表生成特定化学物质所用的反应焓变。如果知道生成方程式中的生成物和反应物所需的生成焓，你可以将它们相加，来估算焓值，其方法与上文所述的键能方法非常类似。

   • 让我们以反应C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O为例。在该反应中，我们知道如下反应的生成焓：
     C₂H₅OH → 2C + 3H₂ + 0.5O₂ = 228 kJ/mol
     2C + 2O₂ → 2CO₂ = -394 × 2 = -788 kJ/mol
     3H₂ + 1.5 O₂ → 3H₂O = -286 × 3 = -858 kJ/mol
     由于将这些方程式相加后可以得到C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O，正是我们想要计算焓值的方程式，所以我们只需将以上反应的生成焓相加，就能算出该反应的焓值，计算过程为：
     228 + -788 + -858 = -1418 kJ/mol。
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   颠倒方程式时不要忘了改变符号。一定要注意，使用生成焓来计算反应的焓值时，只要颠倒了组分反应的方程式，就需要改变生成焓的符号。换而言之，如果为了得到所有生成物和反应物，以便将它们约去，你颠倒了一个或多个生成反应方程式，那么你必须改变这些生成反应方程式焓值的符号。

   • 你应该注意到了，在之前的示例中，我们为C₂H₅OH而使用的生成反应是颠倒的。C₂H₅OH → 2C + 3H₂ + 0.5O₂展示的是C₂H₅OH的分解过程，而不是它的形成过程。由于为了得到所有生成物和反应物，以便将它们约去，我们颠倒了方程式，所以我们必须改变生成焓的符号，得到228 kJ/mol。实际上，C₂H₅OH的生成焓等于-228 kJ/mol。
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方法 3

方法 3 的 3:

实验观察焓变

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   找一个干净的容器，装满水。通过一个简单的实验，我们很容易看出焓的作用原理。为了确保实验反应发生时不受到任何外来污染物的影响，请清洁打算使用的容器，并进行消毒。科学家会使用一种被称为“量热计”的特殊密闭容器来测量焓值，但使用小玻璃杯和烧瓶来做实验，你也能得到合理的结果。无论使用什么容器，用干净的室温自来水装满容器。你应该在室内某个温度较低的地方来进行反应。

   • 本实验需要一个非常小的容器。我们会测试泡腾片的焓变效应，所以用的水越少，温度的改变就越明显。
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   将温度计插入容器中。找一支温度计，把它插入容器，使玻璃泡位于水平面以下。读出水的温度，就本实验而言，水的温度就是反应的初始温度T1。

   • 假设我们测量水的温度，发现刚好等于10摄氏度。稍后我们会用温度计样本读数来说明焓的原理。
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   将泡腾片放入容器中。做好开始实验的准备后，放一片泡腾片到水中。你会发现它立即开始鼓泡并发出嘶嘶声。随着泡腾片在水中溶解，它会分解成碳酸氢盐HCO₃^-和柠檬酸，柠檬酸会以氢离子H⁺的形式发生反应。这些化学物质会在3HCO₃⁻ + 3H⁺ → 3H₂O + 3CO₂反应中生成水和二氧化碳气体。
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   反应完成后测量温度。监控反应过程，泡腾片应该会逐渐溶解。泡腾片反应结束后，或反应速度边得很慢后，再次测量温度。水的温度应该比之前稍低一点。如果水温升高，那么实验可能受到了外部因素的影响，例如所在房间的温度过高。

   • 本实验中，假设泡腾片起泡结束后水的温度是8摄氏度。
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   估算反应的焓值。在理想的实验中，将泡腾片加入水中时，它会生成水和气泡形式的二氧化碳气体，并导致水温下降。根据这些信息，我们就能预计反应是吸热反应，即从周围环境中吸收能量的反应。溶解的液态反应物需要额外的能量才能变成气态生成物，所以它会以热量的形式从周围的环境中吸收能量，在本反应中，周围的环境就是水。这会让水温下降。

   • 本实验中，加入泡腾片后水温下降了两度。这与我们预计的温和吸热反应表现一致。
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小提示

• 这些计算使用的是开尔文（K）温度，和摄氏度一样，开尔文是温度计量单位。要在摄氏度和开尔文之间转换，只需要加上或减去273度就可以了：K = °C + 273。

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