淺釋燃燒熱

白玉琴 李 平

[摘要] 人教版化學(選修4)關于物質的燃燒熱的定義有兩種說法,那么,燃燒熱的概念到底該如何界定,燃燒熱的數值又可否為負值呢?本文對此進行探討。

[關鍵詞] 燃燒熱 完全燃燒 數值

一、問題的提出

人教版化學(選修4)化學反應原理 (以下簡稱“新教材”)第15頁提到:在25℃、101 kPa時,1mol純物質完全燃燒生成穩定的化合物時所放出的熱量,叫做該物質的燃燒熱;而在第7頁中也提到:101 kPa時,1 mol純物質完全燃燒生成穩定的氧化物時所放出的熱量,叫做該物質的燃燒熱。前者說完全燃燒“生成穩定的化合物”,后者說完全燃燒“生成穩定的氧化物”;前者規定反應溫度是室溫,后者無溫度標識。那么,燃燒熱的概念到底該如何界定,燃燒熱的數值又可否為負值呢?教師對此非常迷惑。

二、燃燒熱的界定

《中國中學教學百科全書(化學卷)》中的定義:燃燒熱又稱燃燒焓,指在某一溫度和壓力下,1mol某物質B完全燃燒時的反應熱,稱為該物質的燃燒熱。其符號記作△cHm(B,相態,T)(注:“c”表示“燃燒”,“m”表示1mol)。完全燃燒的涵義系指C、H和S元素與氧反應分別生成CO2(g)、H2O(l)和SO2(g),N元素變為N2(g),Cl元素變為HCl(水溶液),對于其他元素,數據表上一般會注明。顯然,完全燃燒后的產物或稱穩定的化合物,其燃燒熱為零。

我們在高中階段所研究的反應大多是在標準壓力(101 kPa)下進行的反應,燃燒焓通常系指標準摩爾燃燒焓,即在標準壓力下,反應溫度T時,單位量的物質B完全氧化為同溫下的指定產物時的標準摩爾焓變,用符號表示為△cHmθ(B,相態,T)(注:“θ”表示標準壓力)。指定產物意指上述完全燃燒后的產物。

三、燃燒熱的辨析

通過上面對燃燒熱的幾種界定可知,新教材第15頁中所說的燃燒熱是指25℃時的標準摩爾燃燒焓,相比于第7頁燃燒熱定義中沒有提及溫度這一點,該定義表述比較完整。前者說完全燃燒“生成穩定的化合物”也比后者“生成穩定的氧化物”的表述更為準確。所以,再版時建議統一采用第15頁的燃燒熱概念,并對穩定的化合物給予必要的說明,以免教師和學生引起不必要的歧義。

由于在化學實驗和生產中,通常遇到的反應一般是在25℃、101 kPa(常溫常壓)時的“敞口”容器中進行,反應系統壓力和外界壓力相等。所以,若此時的非體積功為零,則系統與環境間交換和傳遞的能量Qp(定壓反應熱,簡稱反應熱)就等于系統的焓變。即對于常溫常壓下的燃燒反應而言,Qp=△cHmθ。新教材為方便表示和學生的理解、記憶,把Qp和△cHmθ統一用△H加以表示。如將25℃時氫氣的標準摩爾燃燒焓△cHmθ(H2,g,298.15K)=-285.83kJ/mol簡寫成△H=-285.83kJ/mol,對此教師應心知肚明。△H值的正號(或負號)除了具備數學符號上的意義外,再有就是標示系統放熱(或吸熱)。在熱力學中規定:當系統吸熱時,△H取正值,即△H>0;系統放熱時,△H取負值,即△H<0。

描述一個化學反應的熱量變化時,我們認為:若事先指明是吸熱或放熱,反應熱就用正值表示。如燃燒熱的定義中已經指出是“放出的熱量”,那么,燃燒熱的數值就理所當然用正值表示。下面,通過例題中的選項D做進一步的說明。

四、燃燒熱的應用舉例

下列依據熱化學方程式得出的結論正確的是:

A.已知2H2(g)+O2(g)=2H2O(g);ΔH=-483.6kJ/mol,則氫氣的燃燒熱為241.8kJ/mol。

B.已知Cl2(g)+ H2(g)= 2HCl (g);ΔH=-184.6kJ/mol,則氯氣的燃燒熱為184.6kJ/mol。

C.已知2Mg (s) +CO2(g)= 2MgO (s)+C (s);ΔH=-809.9kJ/mol,則鎂的燃燒熱為405.0kJ/mol。

D.已知CH4(g)+ 2O2(g)= CO2(g)+ 2H2O(l);△H=-890.3kJ/mol。則甲烷的燃燒熱為890.3kJ/mol。

解析:

A.根據新教材對燃燒熱的定義知道:

①規定在101 kPa壓強, 25℃下放出的熱量,因為壓強和溫度不定,△H值不同,亦即反應熱的值也不相同;

②規定純物質的量為1 mol;

③規定純物質完全燃燒生成穩定的化合物時所放出的熱量為標準。

選項中生成了氣態水,說明不是規定條件下的反應熱,因此,不是氫氣的燃燒熱。

B.氯氣與氫氣的反應是燃燒反應,但氫元素的穩定化合物是H2O(l),氯元素的穩定化合物是HCl(水溶液),故反應熱也不是氯氣的燃燒熱。

C.Mg和CO2的反應,由于參加反應的C元素由穩定的化合物變成了不穩定的C單質,所以,該反應熱更不是燃燒熱。

D.該選項是正確。在此題中,反應熱即為燃燒熱,數值為-890.3kJ/mol,負號意指該反應是放熱的。若要說明甲烷的燃燒熱是多少時,只能說“甲烷的燃燒熱為890.3kJ/mol”,不能說“甲烷的燃燒熱為-890.3kJ/mol”。

當然,在實際教學中,我們將燃燒產物由通常的“穩定的化合物”限定為“穩定的氧化物”,可以大大降低學生對概念理解的難度和減少不必要的記憶,這樣雖然會影響學生到對燃燒熱概念的全面認識,但對于新課標的要求而言,掌握到這個程度就可以了。

此外,新教材在第7頁表1-1中給出的“一些物質的燃燒熱”數值均為負值,時常引起教師和學生的誤解,建議再版時用-△H/(kJ?mol-1)值來表示燃燒熱的數值,這樣燃燒熱的數值就為正值了。

參考文獻:

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