追求科學、真實、全面的教學
——“化學反應中的熱效應”教學及反思

褚幼萍

（浙江蒼南中學　浙江　溫州　325800）

追求科學、真實、全面的教學
——“化學反應中的熱效應”教學及反思

褚幼萍

（浙江蒼南中學浙江溫州325800）

展現“化學反應中的熱效應”的真實內涵和深遠意義，追求課堂教學的科學化、真實化和整體化。

熱效應；焓變；熱化學方程式；蓋斯定律；實驗測定

一、教學背景

作為一名中學化學教師，教給學生真實的、科學的、較為全面的化學知識，應當是最起碼的要求。高中化學，有一些知識本身比較復雜，如果教師缺乏研究，將知識簡單化、絕對化，那么帶給學生的將會是偽科學，會讓學生混淆了化學的本質，曲解了化學的內涵，丟失了化學的精神。長此以往，習得的化學知識對學生沒有任何幫助，更別指望學生今后能推動化學學科的發展。

“化學反應中的熱效應”是蘇教版《化學反應原理》中第一章第一單元的內容。這部分內容屬于熱化學范疇的知識，后者是物理化學中的一個小分支。由于教材、各種教輔資料和教師本身的原因，筆者發現學生在學習后，理解上存在一些缺陷:①焓變就是熱量，焓變小于零，就說明反應放熱，反之吸熱；②焓變可以通過化學鍵能計算出精確值，實驗測定的中和熱誤差較大；③除了焓變、熱效應、蓋斯定律幾個空洞零散的術語外，剩下的就只有對熱化學方程式反復操練的印象，這是教師在占用學生大量時間和精力后換來的“成果”。

焓變就是指熱量嗎？只要翻閱大學教材，就會發現焓變只在恒溫恒壓下才能反映出一個化學反應的熱量變化，它的物理意義與熱量相差甚遠。我們說“兩條不平行的直線一定有交點”，這是需要條件的，前提是在“同一個平面”內。使用大部分的數學定律都離不開條件限制。物理化學本來就是建立在復雜的數學和物理定律基礎上，所以在使用各種結論時也就離不開條件的限制，若忽略了這些條件，知識就片面化了。用焓變來表征熱量是在限定條件下，并且由此延伸出來的一些公式或定律亦是有條件的，如吉布斯自由能公式的使用。還必須指出的是，這里的焓變是指在恒溫恒壓下的反應熱，若是恒溫恒容下的反應熱還不等于焓變呢（等于體系熱力學能的變化）。我們高中的中和熱實驗測定條件可以看成是恒溫恒壓，而大學里的量熱計測定則是恒溫恒容的條件。

大部分教師在關于焓變計算的教學時，能夠把公式講得頭頭是道，而且利用化學鍵能計算焓變的習題日日充斥于市，這無形中放大了理論計算法的意義，讓學生不對它根深蒂固都難。但學生在不斷熟練這些計算題的過程中，并沒有對化學鍵能與焓變的關系更清晰，反而是加深了“化學鍵能可以獲得焓變精確值”的誤會。再加上類似于中和熱實驗的誤差分析題，且不說出現頻率高，還有很多時候是一些不接地氣的實驗數據，誤差離譜。這些都時刻“提醒”學生通過實驗測定得到的數據不靠譜。教師在教學中也未澄清實驗存在誤差的必然性與合理性，讓學生更加不信任實驗測定結果，轉而堅信通過計算獲得焓變才是正道。事實上，無論是哪本大學教材，在說明用化學鍵能來計算焓變時，都有斗大的兩個字注明——“估算”。我們且不說化學鍵能的數據本身就不是精確值，根據過渡態理論，我們也可以作出判斷，有些反應并沒有完全斷鍵，而是經由過渡態就直接轉變成產物。如若用化學鍵能代入計算，豈不亂套？高中教材在闡述氫氣與氧氣反應生成水時，圖像中描繪出斷鍵和成鍵的過程，但我們不能誤以為這一規律是放之四海而皆準的，那就以偏概全了。化學本來就是不完全歸納的，它是以實驗為基礎的學科。當初熱化學的建立就是在實驗測量的基礎上。在布拉格和拉瓦錫等人測定化學反應熱時，碰撞理論都還未公布于世呢。科學家們先是測定獲得了各種反應的熱效應，為了解釋這些現象，再利用數學、物理定律進行分析歸納而發展演變成如今的熱化學。包括蓋斯定量的建立亦是如此。并且蓋斯定律只有經科學研究驗證其正確后，才能得以應用。化學教學中，如果過分強調理論而忽視實驗，那只會黑白顛倒，是非混淆，而且從某種層次上說，是擯棄人類文化精髓的一種行為。

“化學反應中熱量變化”這一節內容要留給學生的難道就只有熱化學方程式的那點操練嗎？蓋斯定律的學習純粹只是為了組合拼湊再單純計算嗎？圍繞著這些所謂考點，展開爭分奪秒的強化訓練，結果是學生記住了書寫和計算規則，但犧牲了學科思想，丟棄了學科素養，扼殺了學習興趣。縱使一個學生能熟練書寫運算，卻沒有真正理解與人類社會發展息息相關的反應熱的意義，也不會解決與反應熱有關的實際問題，即使他把熱化學方程式倒背如流，又有何意義？這種在狹窄園地里的“精耕細作”，是禁錮學生思想的樊籬，會阻礙學生學會學習，是迫使學科教育走向死胡同的元兇。

熱化學方程式的真正意義何在？它僅僅是一種化學符號，是為了表征反應過程能量變化的式子，它背后的反應熱才是人類真正關注的焦點。人類從遠古時期開始就利用火來獲取能量，在漫長的進化過程中，隨著人類的不懈努力，人們認識到化學運動與熱運動之間的轉化規律，燒柴取暖、制陶冶金就是對它的早期應用。在這之后人類進一步掌握了越來越多的能源使用，并著手探究反應的本質，初步嘗試建立一些合理的結論，不斷接近現象背后的本質原因。而熱化學方程式只是在這個過程中出現的一種符號，是科學家為了表達某些科學結論而建立的一種隸屬于化學的語言，它凝結著人類智慧的結晶。化學變化永遠與能量相伴，沒有能量的核算，化學不可能有實際價值。我們透過熱化學方程式，可以更科學合理地利用資源，更有效準確地預算一些反應的熱效應。這樣來認識熱化學方程式，才是回歸化學學科的本來面目和邏輯線索，才是真正培養學生的學科思想和學科能力。

綜上所述，在反應熱教學中普遍存在一些問題。如何才能科學、真實、較為全面地進行“化學反應中的熱效應”教學呢？筆者認為，教師需要站在歷史的天空下、時代的背景中，宏觀條理地把握知識線索、嚴謹妥善地處理關鍵細節，系統完整地建構起知識網絡。事實上，本節課需要濃墨重彩的就三個問題:反應熱的測定；熱化學方程式的分析；熱效應的本質原因。筆者嘗試從歷史發展的視角解讀本節課，讓“熱化學”沿著歷史的足跡，從遠古時期走來，步入今日社會，讓一些事件和概念逐漸顯現，逐漸清晰、逐漸延伸，也讓“反應熱”沿著學生的生涯，繼續邁向未來。

二、教學思路

環節一：人類征服自然的歷史篇章

人類社會最早使用的自然力就是火。一般認為，人類學會用火是化學史的開端。火是物質燃燒時表現出來的一種化學現象，是物質發生激烈氧化的一種化學運動。在原子能出現之前，物質的燃燒一直是人們獲取能量的基本途徑。火還為實現一系列化學變化提供了條件，比如，古代人類就發現用火可以窯制出陶瓷、玻璃等，還可以在炭火中“燒烤”出各種金屬。所以，火除了是人類征服自然的手段外，還是促進化學學科發展的渠道。

但在化學成為一門獨立的學科之前，人們的研究更多地局限于那些天然能夠獲得的物質。對于古人來說，炭和硫磺是自然界存在的僅有的兩種固態非金屬單質，所以黑火藥較早就走進華夏文化圈也是情理之中。火藥的爆炸釋放出大量的熱，可用于炸石開山。它的發明使人類在征服自然的過程中有了全新的手段，它在某種意義上還促進了人類對獲取能量的探索，加快了尋找其他能源的步伐。這些其實就是熱化學的早期狀態。在近代，熱化學的研究對象，仍然是圍繞著一些常見易得的燃料。當今世界，化學反應釋放的熱量依舊是日常生活和工農業生產所需要能量的主要來源，這使熱化學的發展動態始終離不開人們關注的視線。

由于生產的進步，人類社會對能源的需求日益增加，于是在十八世紀初有了類似蒸汽機的機械。為了提高熱機的使用效率，科學家積極投入能量轉換規律的研究，于是以熱力學第一定律和第二定律為基礎的化學熱力學建立和發展起來了。把熱力學第一定律具體應用到化學反應上，討論和計算化學反應的熱量變化問題，便是熱化學。熱力學第一定律的建立及相關討論最初是在生物學領域，是關于化學能與熱能的轉化。拉瓦錫就曾說過:動物呼吸所產生的熱與CO2之間的比例大致與蠟燭燃燒過程中產生的熱與CO2之間的比例是相當的。李比希說:動物的發熱與機械活動從根本上說都來源于食物的燃燒。這兩位化學家不僅在超前地應用熱力學第一定律，而且事實上已經開始了關于熱化學問題的思考。隨著人類社會越來越依賴能源，人們也逐步開始著手關于化學反應的一些本質問題的研究:為什么火能促進一些反應的發生？為什么有些反應釋放能量，有些反應卻是吸收能量？能量的多少與什么有關？能量從何而來，又去之何方？

以上談論的內容其實就是本節課的價值所在。有重大意義才會有學習的必要性和內驅力。事實上，讓學生適當多了解一部分資料，本質上是有利于學生接受新知的。這符合“有意義學習”理論。奧蘇貝爾認為，“通常，由于概念自身有其賴以形成的途徑，所以不可避免的是，要習得特定的概念，就需要有豐富的相關經驗背景。”所以，學生的視野擴大了，背景經驗豐富了，認知結構也會得到相應優化，接受能力、解決能力、創新能力都會提高，對新知的接受和整合也就更容易更有效。

接下來需要整理幾個概念:

（1）能量:做功或使之發生的能力。能量的形式很多，熟悉的有熱能、光能、聲能、電能；另外還有化學能、核能、勢能和動能。這些能可以從一種形式轉化成另一種形式。比如，燃料在氧化反應中就可以將化學能轉化成熱能、機械能或者其他能。化學反應中的能量變化并不等同于化學反應中熱量的變化，它同時還可以轉化成其他形式的能量。

（2）化學熱力學:是專門研究能量相互轉變過程中所遵循法則的一門科學。它的主要基礎是熱力學第一定律和熱力學第二定律。

（3）熱化學:研究化學變化中與熱效應有關的規律或者說利用熱力學定律研究化學反應中熱量變化問題的學科。

（4）反應熱:在無非體積功的體系中，反應物與生成物溫度相同時，一個化學反應的熱量變化。當體系是恒容時，反應熱數值上等于熱力學能的變化；當體系是恒壓時，反應熱值即為焓變。

（5）焓變:在無非體積功的體系中，恒溫恒壓條件下，反應過程吸收或釋放的熱量。由于我們的反應體系通常是在恒壓條件下進行的，故我們討論更多的是恒壓反應熱。所以沒有特殊說明，反應熱通常指焓變。

教師自身需要深入分析和整理上述概念的內涵及外延，才能高屋建瓴地組織教學。上述概念其實并不難，學生在物理或生物學科中或多或少都有所涉及。所以，再從化學視角去闡述這些概念是有必要的。高二的學生有能力從多角度、多層次、全方位地去理解這些概念，促成不同學科知識的融會貫通和自身知識結構的優化提升。在這里雖然無需向學生具體交代焓變的復雜由來過程，但至少應讓學生知道焓變不等同于熱量，它只是在某種條件下能反映出熱量變化。焓變與熱量的關系，其實以前類似的例子我們學過，摩爾質量和相對原子量。

背景和大概念的輪廓已基本形成，接下來就需要深入細節分析。先是反應熱的測定。從化學發展史看，熱化學研究是從實驗測量開始的。熱的量度最早開始于布拉克和他學生。1756年，他們測定了水的汽化能。拉瓦錫和拉普拉斯可以說是測定化學反應熱的開創者。他們在1783年共同測定并發表了炭的燃燒熱，相當于-431.59kJ·mol-1，而現代的精確值是-393.51 kJ·mol-1，在當時的條件下，他們的工作應該說是相當出色的。1836年，蓋斯研究測定了大量化學反應的熱效應，提出了“總能量恒定定律”，該定律于1840年才公布于世。1881年巴黎的化學家貝特羅發明了一種彈式量熱計，精確測定了一系列有機化合物的燃燒熱。這種量熱計一直沿用至今。事實上，任何化學定律的第一手材料本質上都是實驗數據，實驗是隸屬于化學學科的語言。人類總是先認識到一些自然現象，定性地感受它表觀的變化，再深入思考變化的規律，這就上升到定量階段。于是各種科學實驗和科學定律就相應產生了。反應熱的教學也可以從實驗測量開始。

教學中帶領學生沿著科學家的路線，研究測定一番反應熱。本節課要測定的是中和反應的熱效應。這是一個簡易的量熱裝置，內外有兩個燒杯，中間填充了隔熱材料，并配有溫度計和環形攪拌器。加入反應物，通過測定反應前后溫度差，就能獲得過程中的熱量變化。需要作個近似處理，假設混合后溶液體積為起始兩種溶液的加和，混合溶液的密度和比熱容約等于純水（這是實驗誤差來源的一部分，也說明了誤差存在的合理性），那么只要準確測定前后溫度差，就可以代入公式（Q=mcΔt）獲得熱量變化。整個反應裝置是處在恒壓條件下，故我們測出的反應熱便是焓變值。如果反應體系為強酸、強堿，且無需考慮其他熱效應，那么反應生成1摩爾水所對應的焓變便是中和熱。如果體系生成的是2摩爾水，中和熱如何計算？簡單，ΔH=Q/2。再如果是0.2摩爾的水呢？同理，ΔH=Q/ 0.2。這樣，我們很容易得出:ΔH=mcΔt/n。公式和計算其實都很熟悉，并不難，根本不需要煞有介事地去進行所謂探究，更不需要故弄玄虛去設置一些無厘頭的數據，無端增加計算難度。這些都只是在鉆研形式，而不是內容。形式只是芍藥，內容才是牡丹。量熱實驗的關鍵是要講清楚實驗目的和操作，才有化學味。那么中和熱實驗的目的是什么？是為了測定反應熱。獲得熱量的直接數據是什么？是溫度。那么，如何保存熱量以及合理準確地記錄始末溫度就成了核心問題。圍繞這個問題，學生在實驗過程中，就會有意識地觀察實驗裝置并思考自己的一系列操作對實驗結果的影響，于是各種誤差分析便水到渠成了。當學生不斷分析自己的操作失誤以及相應誤差時，嚴謹細致的實驗態度和實事求是的科學精神便會植入到他們的頭腦中。這樣的教學才是潤物細無聲地在傳遞善于觀察、善于思考的習慣。學習本來就應該像呼吸一樣自然。筆者在這里還建議教材增加測定其他反應熱的實驗，較好的素材有“食品熱量的測定”，可以利用易拉罐來測定核桃、糖果等食品的燃燒熱，以調動學生的生活經驗和學習興趣。

環節二：當代社會的知識財富和自然資源

漫長的人類歷史發展留給我們當今社會的是什么呢？無限的知識財富和有限的自然資源。我們當今教育需要傳承什么？批判地繼承知識與合理地利用資源。以“熱化學方程式”的教學為例，我們需要看到它的來龍去脈。教學可以從熱化學方程式的產生開始。

除了上述提到的中和熱，科學家還測定了許多反應熱的數據，比如有燃燒熱，還有物質的生成熱、溶解熱、離子生成熱。下表羅列的是一些物質的燃燒熱。

表1　一些物質的標準燃燒熱（25℃）

從表格中可以看出，燃燒熱是在25℃、101kPa時的焓變，是1摩爾燃料完全燃燒釋放出的熱量。什么是完全燃燒？那自然是指碳要燒成二氧化碳，而不是一氧化碳。追求完全燃燒，是人類能夠充分有效使用地球上有限資源的手段。當然不同的凝聚態，對應的能量不同，燃燒熱通常是對應穩定的生成物，如，生成液態水比氣態水釋放的熱量就要多，所以標明物質狀態也就成為必然要求。我們會發現不同的物質燃燒熱是不同的，這樣我們就有必要去區別表征，這可以為比較誰更經濟實惠提供參考。化學學科的特色本來就是宏觀看現象，微觀找原因，符號去表征。結合必修二的學習，以H2和CO為例，它們的燃燒熱方程式為:

解讀這兩條熱化學方程式，會發現二者的燃燒熱比較接近。但是如果按照單位質量來換算燃料的熱量，那氫氣顯然要大得多，約為后者的14倍。單位質量的物質完全燃燒所釋放的熱量便是熱值。對于氣體來說，我們考慮更多的是體積或者說物質的量，西氣東輸時我們主要考慮氣態燃料的燃燒熱。若是液態或固態燃料，我們還會關注它們的熱值。常說流的是油，堆的是煤。石油的熱值約為48kJ·g-1，煤炭（分煙煤和無煙煤）的熱值約為33kJ·g-1。下表列出了一些常見燃料的熱值。另外，很多食品包裝袋上都標明了食品的熱量。其中，在人體所需的三種主要營養物質中脂肪的熱值是最高的。

表2　幾種燃料的熱值（25℃）

熱化學是從宏觀角度研究能量變化，那么它的符號，熱化學方程式，肯定也是從宏觀角度說明反應熱，這是它與化學方程式的不同之處。熱化學方程式中的微粒基本單元數是NA，那么自然允許計量數以分數形式出現，如1/2O2，代表的是1/2mol O2。還要說明的是，熱化學方程式中的計量數代表的是反應物的特定組合，比如，下面兩條熱化學方程式:

第一條表示的是按照1mol氫氣和1/2 mol氧氣的比例進行反應，而第二條的單元組合是2mol氫氣和1mol氧氣。既然是不同量的反應物，那么反應熱肯定是不同的，熱化學方程式中的焓變也就要發生變化。第一條對應的焓變為-285.6 kJ·mol-1，當反應物的單元組合變成兩倍時，第二條的焓變肯定也就是其兩倍。至于焓變的單位，是不會改變的，這跟其他物理量的單位是一樣的。如，長度的單位:米，并不會因為長度數值的變化而變化。焓變的單位最初規定為kJ· mol-1，表示摩爾反應的熱值。

為什么要交代這些？我相信許多教師在講解熱化學方程式含義的時候，都被學生逼問過:1mol燃料的焓變是kJ·mol-1，2mol還是kJ·mol-1。系數和數值分明都在變，怎么意義看起來還是千焦每摩爾？所以，在教學中，如果僅僅告訴學生焓變與系數成正比、系數可以是分數、狀態一定要標明，而沒講清楚這其中的緣由，那是無法消除學生心中的疑問的，也無法讓學生對知識產生信任感。這種簡單告知，只會是白開水一杯，淡而無味。

熱化學方程式的第三層含義便是用來計算一些難以測定反應的焓變，這也是蓋斯定律的應用。焓變跟“位移”有點類似，只與始末態有關，而與具體途徑無關。我們知道，并不是所有化學變化的熱效應都能夠用實驗來測定。有的反應進行太慢，需要時間太長，顯然會由于熱量散失而使實驗值不準確。有些反應難以進行或者難以進行到底，那就無法測得反應的真實焓變。借助蓋斯定律，可以從一些已知的反應熱間接求得未知反應的焓變。當然，人類研究反應熱的意義本身是為了獲得一些常見的、有價值的反應的熱效應，所以利用蓋斯定律去解決的肯定也是針對一些有實際意義或者應用前景的化學反應，這才會讓知識產生新的價值。如果是為了使用蓋斯定律而去研究一些低檔次的編造痕跡畢露的考題，那么蓋斯定律也就失去它的價值了。當然除了能用蓋斯定律來計算外，還可以通過已知物質的摩爾生成熱、溶解熱等來計算一些反應的焓變。

在化學熱力學蓬勃發展的同時，化學動力學也逐步興起。化學熱力學是從宏觀上研究化學過程的始末狀態，它不關注過程，也不考慮時間因素。與之相反，化學動力學則研究具體過程的影響因素和實際進程。借助化學動力學可以解釋熱力學的一些問題，如，為什么反應過程中會有能量的變化。隨著“碰撞理論”、“過渡態”的提出，人們總結出化學反應的本質是舊鍵的斷裂和新鍵的生成。科學家嘗試用這一理論來揭示反應熱的本質。下面以2H2（g）+ O2（g）=2H2O（l）ΔH=-571.6 kJ·mol-1為例，進行說明。

圖1　反應2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）的能量變化示意圖

圖1再次給學生呈現了不同狀態的物質對應不同焓變的情形。在必修二中我們介紹過，H2、O2吸收了熱量變成了H、O，這是斷鍵過程，而H和O又生成了新鍵，這是釋放能量的過程。整個反應吸收與釋放能量的差值便是焓變。如果我們用鍵能數據，則可以估算過程的反應熱。《化學反應原理》的教材里還舉了一個例子，1mol N2（g）與1mol O2（g）生成2mol NO（g）時吸收182.6kJ的熱量。利用鍵能代入計算，分析結果與實驗測定結果很接近，這驗證了化學反應中化學鍵的斷裂和形成是反應過程中有能量變化的本質原因。

為什么是估算？先來看化學鍵能的含義。在熱力學中，鍵能是指打斷各種氣態化合物中同一種鍵生成氣態原子所需能量的平均值。不同化合物中，同一化學鍵的鍵能未必相同。如，水中和乙醇中的O-H鍵的鍵能就不相等，而且反應物及生成物的狀態也未必能滿足定義鍵能的條件。因而由鍵能求得的反應熱不能代替精確的熱力學計算和實驗的測量值。同時我們還要避免上述理論的絕對化，并不是所有反應的焓變都適合于套用鍵能公式。

由圖1也可以看到，反應釋放的熱量大于反應吸收的熱量，這使反應總結果是放熱的。可以借用下面方程式形象地說明:

2H2（g）+O2（g）+少量能量——2H2O（l）+大量能量

剛開始外界提供的總能量是使部分H2和O2的共價鍵斷裂，H、O再結合成H2O時會釋放出大量能量，此能量足夠斷裂剩余H2和O2的共價鍵，整個過程凈能量以熱量的形式釋放出來。反過來，思考它的逆過程，則為吸熱反應。所有的吸熱反應，都以凈能量的吸收為判斷依據。以碳酸鈣的分解為例，只要提供熱量，此化合物不斷分解，一旦移除熱源，反應立即停止，該反應需要凈熱量，或者說生成新鍵釋放的能量不足以供斷鍵所用。

從圖1中我們還可以得到熱化學方程式的第四層含義:生成物與反應物的能量差即為焓變，這也是反應存在熱效應的根本原因。若一個反應從能量高的物質變成能量低的，則是放熱反應，這樣的反應往往比較容易自發進行，因為它符合“能量最低”原則。如，金屬鈉和氯氣單質，都具有高能量，二者會劇烈反應，并且轉變成兩種低能量的穩定態離子。

一個反應的焓變與開啟該反應的引發能量和反應速率是否有關？若要講清楚這個問題，就要牽涉到活化能，要利用化學動力學理論來揭示熱化學現象。但有些教師認為，活化能是后面章節的學習內容，在此無需交代或者只需簡單提及即可。這樣教學反而囫圇吞棗，不清不楚。筆者認為，既然已經涉及到并且有必要，不如把它“揪”出來，好好認識一下。事實上，將活化能整合到這里，更能體現完整的學科思想。學生聽起來也會更舒暢，更通透。所以，教學有些時候改下劇本，可以讓學生有更好的學習體驗。

圖2反應過程的能量變化示意圖

圖2是反應過程能量升高和降低的變化軌跡。上升的曲線代表的是開啟一個反應所需的能量，稱為活化能（E1）。反應物只有具備了這個能量，才可以繼續發生后面的斷鍵變化。下降的曲線表示的是生成新的化合物所釋放出的能量。顯然，逆反應也需要活化能（E1），而且對于放熱反應，它要大于正反應的活化能。這樣要引發逆反應就需要更多的能量。無論反應是吸熱還是放熱，引發反應都需要活化能。如果一個反應的活化能低，該反應就比較容易進行，如氫氣和氧氣只需提供極少的能量，如一個小火星，反應就能持續進行。有時候反應的活化能很低，甚至不需要加熱或點燃條件就能發生，并且速率一般都較快，如中和反應。而若活化能高，那么促發反應就需要借助一定的條件，并且若反應釋放的熱量不足以彌補活化能，則反應就需要持續加熱，即為吸熱反應，且該反應的速率相應會慢。所以，活化能本質上關系到反應的熱效應和反應速率。

活化能與整個人類的生存發展也是息息相關的。我們知道自然界中存在著許多天然的能源，如石油和天然氣，它們是由幾百萬年前的植物和其他有機物轉化而來的。這些化石燃料在燃燒過程中可以釋放出大量的熱。然而，化石燃料不會自動燃燒，通常需要外加能量才能發生。促使燃料發生燃燒的最低能量正是活化能。所以，活化能實質上是自然界為保護地球上有限能源所設定的密碼。如今已被人類所破譯，解碼就是:點燃。但是，在人類打開通往巨大能量大門的同時，也親手開啟了地下的魔盒:各種化石能源逐漸面臨枯竭，環境污染日益加劇，地球正在經受前所未有的嚴峻挑戰。活化能還賦予了我們科學對待化學物質的智慧。如，一些物質發生燃燒反應的活化能低，我們就要注意防范火災，控制它的保存條件；若活化能很高，且熔沸點也高，該物質有望成為耐火材料。

當認識到活化能高會導致反應速率較慢時，人類開始思考如何提高反應速率，這就開始了尋找催化劑的漫長歷程。催化劑改變反應速率的機理可以用下圖來表示。

圖3　加入催化劑前后的能量變化示意圖

由圖3可以看出，催化劑是通過降低活化能，達到加快反應速率的目的。所以，催化劑是反應物走向目標的向導，本來反應過程有一座或多座高山要爬，催化劑在迷津處擺渡一條近道或一道緩坡便將反應物以最快速度送到了山的那邊。在圖3中還可以發現，催化劑并沒有改變反應的焓變，因為反應物與生成物的能量差并未受到影響。

當然，學生在后續學習時將會更深入地認識活化能和催化劑影響反應速率的機理，而且將會知道活化能實際上小于化學鍵能。但在這里，我們提前請出活化能和催化劑，為的是讓學生更好地看清反應熱的全貌，建構起完整的學科體系。理論上說，概念多了容易嚼不爛，但實質上是沒有抓住“魂”，是沒有形成完整的學科思想。只有形成了完整的學科思想體系，學生才能居高臨下，在把握住主流的同時，分清每個支流的走向，梳理出它們彼此之間的相互聯系，從而豁然開朗，觸類旁通。

環節三：未來的能源問題

除了《化學反應原理》和《必修2》外，在高中化學中，還有許多地方涉及到熱化學的內容。在學習《必修1》的元素化合物時，我們常常在描述實驗現象時會說:……，放出大量的熱，……；在《有機化學基礎》中，我們借助“氫化能”來說明苯分子結構的穩定性；在《物質結構與性質》中，我們接觸到了電離能、鍵能，這些數據都與熱化學密切相關；在《化學與技術》中，我們會面臨吸放熱兩種不同類型反應的熱交換問題；在《實驗化學》中，我們感受到了鋁熱反應釋放出的大量熱及其應用；在生物化學中，學生懂得了人體通過不斷攝入物質獲取能量，同時又釋放能量，維持恒溫；在用物理思維分析化學能源時，學生將會認識到物質不同凝聚態對應能量的定量關系，也會進一步理解熱和運動只不過是同一種物質的不同表現形式，故能量轉化始終是守恒的。教師引導學生梳理這些知識，能夠幫助學生建立起“大化學”的概念。

根據能量守恒定律，燃料通過燃燒反應將化學能等量地轉變成熱能或者其他形式的能。既然是守恒的，那我們為什么還要提倡節約能源呢？因為不同的能量，其品質是不同的。比如，與電能相比，熱能的品質就要低一些。將鋅放入稀硫酸中，不需要任何條件，它會盡情地釋放熱量，因為熱能是粗放的。但是電能不同，它比較嬌貴，需要借助一定裝置，才能生成。與化學能相比，熱能的形成條件也顯得容易多了。儲藏著豐富化學能的化石燃料，是需要經歷上萬年才能形成，而且還與地理環境有關，所以化石燃料在整個地球上的分布是非常不均勻的。而這些化學能一旦啟用，將永久性地以廢熱增加的形式損耗掉了。所以，珍愛能源，低碳生活，從另一角度看，實質上就是盡量減緩地球上能量品質的降低。研究開發清潔而又用之不竭的新能源就成為人類社會重要而又迫切的任務，這也是保證人與自然和諧發展的前提。當學生在后面進一步學習反應的自發性時，將會認識到:原來這些散發的熱量既不能回收，也不能重新利用的原因是它們已經增大了環境中分子的隨機運動，并增加了這些分子的混亂度，隨著環境中混亂度的增大，熵值也變大，環境不能自發地恢復到熵值增加之前的狀態。所以，環境混亂度的增大，是能量利用的一個代價。這時候，學生便會恍然大悟，感受到自然學科的無窮魅力和重要價值，此時他們也將會深切地體會到人類生存與自然發展的辯證關系，心中的社會責任感油然而生，這便是整體教育的意義。

當然，反應熱這部分內容仍不完善，如，它存在許多反例，可以說是有些零亂、沒有“鐵律”而言，最多只有“印象”。我們只能在較為雜亂的熱效應現象中尋找相對普遍性的規律。比如，我們只能說“絕大多數的化合反應是放熱的”。另一方面，反應熱中還有一些懸而未決的問題。比如，科學家們已經證實了過渡態物質的存在，那么，這些不經歷徹底斷鍵和成鍵過程的反應又該如何計算其熱效應？目前化學鍵能最多只能算是一個平均值，如何規定條件或統一定義，獲得更規范更精確的數值？熱化學的這些復雜性體現了化學學科的“年輕”和“高級”，更激勵著我們后來者繼續不斷完善。

三、教學反思

在化學學科成長的道路上，有許多東西因歲月流逝而黯淡了，有些東西卻仍然在熠熠生輝，它耀眼的光芒將會永遠定格在人類發展史冊上，在我們尋尋覓覓，不斷探索出路時，為我們照亮前行的方向，這就是學科精神，學科思維、學科觀念，也是整個人類文化的瑰寶。我想化學教師除了要講授化學知識外，還需要傳承文化，延續精神。

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”。教師只有深諳教學之道，洞悉學科內涵，才能讓化學課堂變得和諧美妙。化學課的美要體現在學科知識與文化的水乳交融，要體現在學生充足的想象力與多角度生活經驗的調動，要體現在教師專業傳道與深刻育人的精彩結合。而這些美也是學生的興趣所在，它能積淀出學生的素質，且一定能促進“應試”。

［1］張德生.化學史簡明教程［M］.安徽：中國科學技術大學出版社，2013

［2］趙匡華.化學通史［M］.北京：高等教育出版社，1990

［3］北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學.無機化學［M］.北京：高等教育出版社，2000

［4］武漢大學，吉林大學.無機化學［M］.北京：高等教育出版社，2011

［5］普利斯著，王祖浩譯.化學概念與應用［M］.杭州：浙江教育出版社，2013

［6］鄭胤飛.文化有根課堂有魂［M］.上海：上海教育出版社，2013

1008-0546（2015）10-0053-07

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10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.019