化學課程中的能量與化學能量觀

吳俊明+吳敏

摘要：在概述能量、能量觀與化學能的基礎上，討論了化學能量觀的界定、結構、特點和教育教學價值，化學課程中的能量和能量觀以及化學課程中能量及能量觀的教學；澄清了一些錯誤認識。

關鍵詞：科學觀念；科學教育；化學能量觀；化學課程；能量

文章編號：1005–6629（2015）1–0007–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

能量常簡稱為“能”，是化學課程中常常要涉及的一個重要概念，跟化學能量觀有關的問題日益受到人們的關注。然而，對于什么是能量觀、化學課程中要關注哪些能量問題、怎樣應用能量觀搞好化學教學等基本問題，不少人若明若暗，也還有一些問題需要深入討論。本文擬就這些基本問題以及為什么要重視化學能量觀、怎樣養育學生正確的能量觀等做一些初步的探討。

1 能量與能量觀概述

1.1 能量概念形成簡史

觀察周圍運動著的物體，可以看到它們中的大多數最終會停下來。但是，千百年來對天體運動的觀測，并沒有發現宇宙運動有減少的跡象。由此，16、17世紀的許多哲學家都認為，宇宙間運動的總量是不會減少的，只要能夠找到一個合適的物理量來量度運動，就會看到運動的總量是守恒的。這個物理量是什么呢？法國哲學家、數學家和物理學家笛卡爾（Rene Descartes，1596～1650）根據彈性碰撞運動提出，質量和速率的乘積是一個合適的物理量。后來牛頓（Isaac Newton，1643～1727）對此作了重要的修改：不用質量和速率的乘積，改用質量和速度的乘積mv來量度運動。牛頓把mv叫做“運動量”，就是現在說的動量。1686年，萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646～1716）根據落體運動認為，mv2是能使物體活潑起來（動起來、熱起來）的“活力”，是物體的真正運動量度；并認為靜止物體的壓力或拉力是“死力”，其量度是mv。他所說的“活力”實際上跟能量概念相似。

經過半個多世紀的爭論，直到19世紀中期，恩格斯（Friedrich Von Engels，1820～1895）根據當時自然科學的最新成就，特別是能量轉換與守恒定律的發現，從運動轉換的觀點，精辟地論述了動量和動能這兩個概念。恩格斯指出：“如果已經存在的機械運動以保持機械運動的方式進行傳送，那么它是按照質量和速度的乘積的比例進行傳送的。但是，如果機械運動傳送的方式是：它作為機械運動是消失掉了，而以位能、熱、電等等形式重新出現，一句話，如果它轉變為另一種形式的運動，那么這一新形式的運動的量就同原來運動著的質量和速度平方的乘積成正比。一句話，mv是在機械運動中量度的機械運動。 mv2是在機械運動轉化為一定量的其他形式的運動的能力方面來量度的機械運動。我們已經看到，這兩種量度因為是互不相同的，所以歸根到底并不互相矛盾。[1]”

現代意義的能量一詞是英國的托馬斯·楊（Thomas Young，1773～1829）在1807年提出的，他把能量定義為“作了功的力”，把力與能量區分開來，并揭示了能量可以用功來測量。但是，楊的提議在相當長的時間里沒有為人們所接受，直到19世紀50年代以后，“能”這個術語才逐漸被物理學界廣泛承認和采用[2，3，4]。1905年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）創立了狹義相對論，進一步指出動量和動能原來是一個統一的“能量-動量矢量”的不同分量，揭示了兩種量度的統一，從而在新的水平上平息了兩種量度曠日持久的爭論[5]。

在能量概念形成過程中，人們或多或少受到發現質量守恒定律的啟示。例如，俄國的羅蒙諾索夫（Михаил Васильевич Ломоносов，1711～1765）在1748年就說過：“這個普遍的自然規律也可以引申到運動的規律上去，因為一個物體用自己的力去推動另一個物體時，它本身就失去了這個力，而把它傳給另一個由此獲得運動的物體。[6]”

總之，雖然能量是一個常用的和基礎的物理概念，但由于它非常抽象、難以簡明地定義，物理學家一直到19世紀中葉才真正理解能量這個概念，在此之前能量常常被與力、動量等概念相混。

1.2 對能量的一些認識

1.2.1 能量的形式

能量跟運動緊密聯系著，任何運動都需要能量。對應于物質的多種運動形式，能量也有多種形式，例如機械能、熱能、電能、光能、聲能、化學能等等。不同形式的能量彼此可以互相轉換，不會消失，只能轉移。

1.2.2 內能

內能是體系內部能量的總和，跟內部的結構（如原子結構、分子結構、晶體結構等）位能和微粒運動產生的動能有關。具體地說，內能包括組成物質系統的分子的平動能、轉動能、振動能、分子內部電子的動能和位能、原子核內質子和中子的動能和位能、分子間相互作用的位能，以及空間電磁輻射能等。內能是體系本身的性質，僅決定于體系內部運動狀態。內能的改變只與起止狀態有關，在定態下有一定的值，與變化過程無關。

對于一個系統的內能的改變來說，做功和傳遞熱量具有相同的作用，它們都可以作為內能變化的量度。

1.2.3 熱能

熱能是物體之間因為溫度不同而傳遞的能量，其本質是物體內部大量實物粒子（分子、原子等）無規則運動的動能（包括平動能、轉動能和振動能）之和，是分子熱運動的動能。熱能是能量的一種形式，是內能的一部分，把熱能與內能等同起來是錯誤的。

物體具有的熱能是其構成微粒無規則運動并相互碰撞的表現。有作者堅持“不相互碰撞的分子或原子的無序運動產生的能量稱為物質的熱能”，這個說法是錯誤的。按照這個說法，只有在無限的空間里物質才會具有熱能，因為在有限的空間里分子或原子無序運動一定要相互碰撞，而事實是：物體無論大小都是具有或多或少的熱能的。而且，把能量說成是運動的結果也是不妥的。

在熱的認識史中，為了解釋燃燒過程總是伴隨著發熱、發光的現象，拉瓦錫（A. L. Lavoisier，1743～1794）曾提出空氣是氧與熱素、光素的混合物，物體在燃燒時奪走了其中的氧，剩下了熱素和光素，所以就出現了發熱、發光現象。他在1789年提出的元素表中就列有熱素和光素。然而，1798年倫福德（Rumford，1753～1814）發現，在一個密封的水箱中用鉆頭鉆炮筒時，炮筒的溫度能升得很高，顯然，這熱不是來自于周圍空氣，也不可能來自于水，結論只能是來自于摩擦，否定了熱素的存在。1799年戴維（Humphry Davy，1778～1829）在低溫真空裝置中使兩塊冰摩擦，得出了跟倫德福相同的結論。1857年，克勞修斯（Rudolf Clausius，1822～1888）在研究理想氣體分子的熱運動時，證明氣體的絕對溫度由其分子的平均動能決定。后來，麥克斯韋和波爾茨曼證明任何物體都是如此。1878年焦耳（James Prescott Joule，1818～1889）最后確定了熱功當量，終于牢固地確立了熱動說。

1.2.4 能量的轉換

當能量是屬于非熱能的形式時，它轉換成其他形式的能量的效率可以很高甚至是完美的轉換。然而如果是熱能的話，在轉換成另一種形態時，總會有轉換效率的限制。

在能量轉換的過程中，系統的總能量保持不變，總系統的能量在各子系統間做能量的轉移，當某個子系統損失能量時，必定會有其他子系統得到這損失的能量，所以總能量不改變。這個能量守恒定律，是在19世紀初所提出的，適用于任何孤立系統。

1.2.5 能量的耗散

能量以熱的形式散發到周圍空間而無法再繼續做功的現象稱之為能量的耗散。在能量的轉換過程中，能量的耗散是不可避免的。這就是為什么能量守恒，能源是不守恒的原因所在。熵是不能再被轉換做功的能量的量度，熵的大小是無效能量的大小。

關于能量，還有許多秘密有待于通過進一步探索來揭開，例如：宇宙中的能量從哪里來？宇宙中的能量總量究竟是多少？它是怎樣產生的？能量是標量嗎？有沒有負能量存在？……

1.3 能量的本質與界定

能量與物質有著內在的聯系。1905年，著名物理學家愛因斯坦在狹義相對論中導出了E=mc2這一質能關系式，表明質量和能量是同一的，是它們的統一體的兩種表述，深刻地闡明了能量的物質性：質量就是內斂的能量，能量就是外顯的質量。由于反物質與正物質發生碰撞將會完全湮滅、100%地轉化成能量，有人認為：說“能量也屬于物質”，倒不如說是“其實物質屬于能量”。

世界萬物是不斷運動著的，運動是物質的存在方式。在物質的一切屬性中，運動是最基本的屬性，其他屬性都是運動屬性的具體表現。能量是物質的一種存在方式，并且反映著物質的運動屬性。有人說“能量來源于運動”，這種說法實際上把能量與物質運動二元化，否定了能量是物質的一種存在方式，否定了能量是物質運動的反映，是欠妥的。

物理學和哲學都關注能量，它們分別從自己的視角對能量做出了不同的界定。

能量的物理學定義是：能量是描寫系統或者過程的一個量。對于系統來說，一個系統的能量可以被定義為從一個被定義的零能量狀態轉換為該系統現狀的功的總和；對于過程來說，能量是物質運動的表現和一般量度，是物質運動規模的單值函數。后一個定義說明了能量是什么，前一個定義只說明了量度能量變化的操作性思路。

能量的通俗定義是“做功的本領”，寓意通過量度物體所做的功即可確定其能量。實際上，能量不只是用來做功，還可能以熱量形式表現出來，物體也不能竭盡其所有能量來做功。這個定義沒有揭示能量的本質，但是以這個定義為基礎，通過熱功當量綜合考慮做功和熱量變化可以確定物體的能量變化。

能量的哲學定義是：能量是一種客觀存在，自然界的萬物都是它的表現形式。能量的哲學定義涉及了能量的本質問題。

1.4 能量觀的定位與結構

根據上面的討論，能量觀應該跟物質觀有著直接的、密切的聯系，兩者在觀念體系中應該位于同一層級。有些作者把能量觀劃屬于次級的物質結構觀或者物質變化觀（化學反應觀），甚至劃屬于物質應用觀之下，顯然是欠妥的。

就人類現在居住的地球環境而言，目前人們關于能量的認識，大體上可以歸結為對能量本質的認識；對能量形式及其分類的認識；對能量轉換的認識；對能量耗散的認識以及對能量守恒的認識等。與此對應，能量觀是由能量本質觀、能量形式觀、能量轉換觀、能量耗散觀和能量守恒觀等構成的認識體系。

2 化學能與化學能量觀

為了深入認識物質及其化學變化，化學一方面接受并運用了物理學中的能量概念，同時也衍生形成了具有化學學科特點的能量概念，作為化學能量觀核心概念的“化學能”就是這樣的典型。

2.1 化學能

前面已經說到，能量跟運動緊密聯系著，對應于物質的多種運動形式，能量也有多種形式。通常把物質在進行化學運動（即發生化學變化）時所吸收或者釋放的能量叫做化學能。由此可以確定，化學能只有在發生化學變化時才釋放出來，變成熱能或者其他形式的能量。

化學反應是原子重新組合變成新的物質的過程。在化學反應過程中，總要發生一些化學鍵的消失（斷裂）和另一些化學鍵的形成。不同的化學鍵一般具有不同的能級。因此，物質發生化學反應時，體系的能量同時要發生變化?；瘜W鍵的斷裂和形成跟電子運動狀態的改變有關，這意味著化學鍵能的本質是電子在電磁場中的位能發生變化。

但是，發生化學變化時所吸收或者釋放的能量（化學能）并不是只跟化學鍵能有關。根據熱力學的研究，在恒溫恒壓條件下進行的任何過程，都有一個焓變ΔH（恒溫恒壓條件下的反應熱），它包括兩部分的能量，一部分是ΔG，能自由地轉變為各種形式的功（即做有用功，包括體積功、電功、機械功、反抗地心引力功等），所以被叫做自由能變化；另一部分是ΔQ，不能用于做有用功，而是消耗于增大體系混亂度或增加熵變，是用于改變體系組織（有序性）的能量，通常表現為熱量：ΔH=ΔG+ΔQ。

ΔQ跟溫度T和熵變ΔS有如下關系：ΔQ=TΔS，因此，ΔH=ΔG+TΔS。

在恒溫恒容條件下進行的過程，體系內能變化ΔU也可以分為兩部分：一部分是恒溫恒容條件下的自由能ΔF（赫姆霍茨自由能），另一部分是TΔS。其關系式為ΔU=ΔF+TΔS。

實際上，有限的物質體系都有達到最低位能狀態和最大混亂度的傾向，一旦其混亂度（或有序性）發生變化，就要有能量的釋放或吸收。

化學反應的發生，往往需要克服一個能量障礙：滿足活化能（E）要求。根據玻爾茲曼分布因子e-E/kT（即分子在給定的溫度T下，能量大于或等于活化能的概率），化學反應速度與活化能是相關的?；瘜W反應所需要的活化能，可以熱能的形式提供。

化學能是一種內能，是一種隱蔽的能量，需要經由化學反應釋放出來，不能直接用來做功。

2.2 化學能量觀

2.2.1 什么是化學能量觀

所謂“化學能量觀”只是泛指化學領域中跟能量關聯的各種問題的概括性的、綜合性的、總結性的認識（見解、看法），一般不針對某一個特定的問題，跟“化學能觀”不是一回事。

化學能量觀跟一般的能量觀也不是一回事，后者視野更廣，層次更高，不能把兩者混為一談?；瘜W能量觀是一般能量觀在化學領域的映射，因而應服從于一般能量觀。

有人認為，“化學能量觀是指從能量角度認識化學反應的學科觀念”，這種說法似乎把化學能量觀窄化了，因為化學能量觀不只是從能量角度認識化學反應問題，它也涉及研究分子軌道的能量以認識分子的性質等；另一方面，雖然能量是一個核心的科學概念，也是一個基礎的物理概念，在化學中并不是基礎的概念，把它說成（化學的）“學科觀念”是否妥當還需深入思考。

有人說：“化學能量觀包含下列4部分：（1）物質都具有能量，不同的物質或同一物質不同的狀態具有不同的能量；（2）化學能是能量的一種存在形式，它可以跟其他形式的能量相互轉換，化學變化不僅是物質發生變化，它總是伴隨著能量的轉移或者轉換，而且遵循能量守恒定律；（3）能量是影響化學反應速率和化學平衡的重要因素；（4）能源是社會發展的基礎，能源的開發和利用離不開化學?！逼渲械牡?部分應該劃歸一般能量觀；第2部分其實也可以劃歸一般能量觀；第3部分將溫度跟能量等同起來，是欠妥的；第4部分有將能源與能量混淆之嫌，不應劃歸化學能量觀。

2.2.2 化學能量觀的結構

參照一般能量觀的結構，可以推論化學能量觀包含著化學能量本質觀、化學能量形式觀、化學能量轉換觀、化學能量耗散觀等組成部分。

所謂化學能量本質觀的涵義主要是：化學變化總是伴隨著能量現象，化學變化中的能量變化是有關物質系統化學運動的重要表現和一般量度。物質在發生化學變化時所吸收或者釋放的能量（即化學能）跟物質系統內部電子的電磁場位能變化、內部電子的動能、原子核內質子和中子的動能和位能、結構微粒運動的動能（包括平動能、轉動能、振動能等）、結構微粒間相互作用位能的變化，以及物質體系組織改變消耗的能量等有關。

化學能量形式觀的涵義主要是：物質在發生化學變化時所吸收或者釋放的能量形式，除了涉及化學能、熱能和各種功（例如體積功、電功）之外，還可能涉及多種輻射能（光能、電磁能）、聲能等等。

化學能量轉換觀的涵義主要是：物質在發生化學變化時可以發生能量由一種形式向另一種的轉換、內能與外部能量的相互轉換；化學變化時的能量轉換遵守能量守恒規律。不同能量形式之間的轉換是有條件的，例如，在涉及物質轉化時，通常要發生能量的耗散；有時需要滿足活化能、需要借助于特殊的技術裝置。

化學能量耗散觀的涵義主要是：物質在發生化學變化時總要有一部分用于改變體系組織狀態（改變體系的熵或微觀混亂度），形成以熱為形式的能量耗散現象，導致化學能與自由能不相等。

2.2.3 化學能量觀的特點

化學能量觀有兩個顯著的學科性特點：

（1）化學能量現象一般都涉及物質（實物材料）的變化（包括可能的變化），即涉及化學變化；

（2）涉及物質的微觀結構的變化，既涵蓋跟化學變化相聯系的電離能、鍵能、軌道能、晶格能等微觀的能量概念，也涵蓋反應熱、燃燒熱、中和熱、結晶熱等宏觀的化學能量概念。

2.3 化學能量觀的教育教學價值

化學能量觀的教育教學價值主要在于：

（1）從化學學科角度豐富和深化對能量的認識。物質運動的多樣性決定了能量形式的多樣性。能量是一個核心的科學概念，只有從多種角度認識能量，才能更深入地了解它的本質、形式、轉換及其規律等等，化學能量觀的教育教學價值首先就在于此。

（2）促進對化學變化和物質結構等知識的認識?？茖W觀念是具有方法論意義的，化學能量觀也是如此。它可以幫助人們從特定角度解釋和理解物質的化學性質和行為，確定化學變化的條件，發現化學運動的規律，拓展化學反應的應用等等。例如，沒有化學能量觀，很難教好、學好“化學鍵”、“熱化學”、“電化學”、“化學反應速率和化學平衡”等重要內容。電離能、鍵能、晶格能等能量概念有助于學生形成原子、分子和晶體的穩定結構等認識。

（3）拓展化學的研究和化學知識的應用?；瘜W能量觀可以拓展化學的研究，例如根據鍵能、活化能等概念以及能量形式相互轉換規律，輻照化學、超聲化學得以形成?；瘜W能量觀還可以拓展化學知識的應用，例如化學能和其他形式能量的相互轉換規律在能源化學等領域已經得到了廣泛的應用。

（4）強化化學跟物理學、生物學等學科之間的聯系，促進統一的科學概念形成和學科的融合，從而有利于提升學生的科學素養。

（5）深化和強化學生對辯證唯物主義的理解。

3 化學課程中的能量和能量觀

要了解中學化學中涉及哪些化學能量觀，需要先了解中學化學課程中涉及哪些跟能量有關的知識技能。

現行化學課程標準[7，8]中規定的有關能量的內容如表1所示。

由表1可以看出，現行課程標準中涉及能量的內容是不多的，深度是較淺的。而且，這些內容的分布有兩個特點：（1）主要是對化學中的能量現象和某些特殊能量概念的介紹，以及對化學中的能量轉換的介紹；（2）高中必修部分集中于《化學2》模塊；高中選修部分集中于《化學反應原理》模塊和《物質結構與性質》模塊。

根據上述規定和分布特點，現行中學化學課程可以使學生在物理學課程中初步形成的能量意識得到強化；但是，由于不能使大多數高中生獲得足夠的能量知識以及對能量本質的認識，現行化學課程難以使學生形成比較全面的能量觀；在有關內容的教學中，學生（甚至于教師）仍可能產生一些錯誤或模糊的認識，例如把焓變等同于反應熱、把實測的一些能量數據絕對化，需要注意研究相應對策；等等。

4 化學課程中能量及能量觀的教學

總的看來，中學化學課程中對化學能量觀的教學要求不宜太高，在平時的教學中只要搞好有關的知識技能教學，掌握有關的能量概念、規律和計算、了解不同形式能量轉換的典型實例，能夠舉例或者用于解釋不太復雜的問題就可以了，不必加碼提出過高的要求。在復習階段，可以對同類能量現象作一點初步的、簡單的概括。對能量的本質可以只做滲透，不做要求。

一般說來，在中學化學教學涉及能量和能量觀的教學中應注意下列幾點：

（1）搞好有關的能量概念的教學。要注意通過分析、綜合來概括各種化學能量現象，明確其涵義和化學認知功能，在此基礎上形成宏觀的和微觀的化學能量概念，以利于進一步概括、綜合、總結形成有關的觀念。

（2）注意形成和鞏固能量形式及其轉換規律的認識，引導學生明確能量變化跟化學變化的關系，滲透辯證唯物主義教育。

（3）注意有關知識的應用，能應用有關知識解釋能量變化的原因，解釋和舉例說明某些能量現象、物質性質、實際意義等，讓學生在應用中深化和拓展對能量的認識。

（4）宏觀能量變化的測量和計算是能量研究的重要內容，但在中學化學中只安排中和熱的簡單測定和應用蓋斯定律進行反應熱的簡單計算。在教學中應著重讓學生了解測量和計算的基本思路，不宜提出過高的要求。

（5）介紹焓變、熵變和自由能等抽象的能量概念，是為“用焓變和熵變說明化學反應的方向”教學服務的，應結合“用焓變和熵變說明化學反應的方向”的教學進行。課程標準必修部分對這些內容并未安排，更未提出要求；選修部分要求也不高，并且不作為高考內容。

有些教師在教學中仿照大學的教學模式給中學生講授這個內容，其效果很差，方法是欠妥的。在教學時不妨采用科普手法，應用實例通俗地說明。這是完全可能的，因為熱力學第二定律概括了大量的事實，涉及生活和自然環境的方方面面，貼近學生生活尋找好例子完全可能。例如，人在進行體力勞動做功時身體總是要發熱、出汗，這個例子對于幫助學生認識和理解化學能在自由地轉化為其他形式的能或功（“自由能”）的同時總要有一部分以熱的形式釋放出來，是十分有效的[9]。

“用焓變和熵變說明化學反應的方向”涉及化學中的能量耗散，對學生了解化學反應的方向、全面地認識能量現象是有意義的。筆者認為，適當地擴大這個內容的科普范圍，讓更多的學生有所接觸、有所了解是有益的，這樣做不會增加學習負擔。

（6）搞好化學能量觀養育的整體設計，注意平時教學與專題復習的合理分工和相互配合。

參考文獻：

[1]恩格斯著.于光遠等譯編.自然辯證法[M].北京：人民出版社，1984：173～184.

[2][美] G. Holton著.S. G. Brush增訂.物理科學的概念與理論導論[M].北京：人民教育出版社，1983，367～414.

[3]林宏德著.科學思想史（第二版）[M].南京：江蘇科技出版社，2004：161，124.

[4]江曉原主編.科學史十五講[M].北京：北京大學出版社，2006：266.

[5]北京師范學院物理系中學物理教學研究編委會.中學物理教學研究第4集[M].北京：原子能出版社，1983：3～4.

[6]庫德梁夫采夫.羅蒙諾索夫傳略[M].北京：科學出版社，1962：47.

[7]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

[8]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗版）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[9]吳俊明.“化學反應的方向”教學設計與探索[J].化學教學，2014，（7）：47～49.