吸热反应与放热反应Endothermic and Exothermic Reactions

大思想 · 能量（ENE）AP 科学实践 6 · 论证AP 衔接 · Unit 6约 35 分钟

学习目标

  • 由温度变化判断反应是放热还是吸热，并举出常见的放热反应和吸热反应
  • 用反应物和生成物的总能量（能量示意图）解释放热和吸热
  • 用“断键吸热、成键放热”和键焓估算反应热

前置知识

  • 共价键与分子（2.4.2）
  • 能量、热与温度（2.10.1）

自热火锅为什么会变热？

自热火锅的发热包里有生石灰等物质，加冷水后很快冒出热气，能把饭菜加热到沸腾。而运动员扭伤时用的冷敷袋，捏破里面的小袋，袋子很快变凉。前一个是放出热量的反应，后一个是吸收热量的过程。化学反应为什么会放热或者吸热？

放热反应和吸热反应

化学反应在生成新物质的同时，总伴随着能量的变化，通常表现为热量的释放或吸收。

  • 释放热量的化学反应叫放热反应exothermic reaction。反应体系把热量传给环境，周围的温度升高。常见的有：燃烧，酸碱中和，活泼金属与酸、与水的反应，生石灰与水的反应，大多数化合反应。
  • 吸收热量的化学反应叫吸热反应endothermic reaction。体系从环境吸收热量，周围的温度降低。常见的有：氢氧化钡晶体与氯化铵的反应，碳与二氧化碳在高温下生成一氧化碳，大多数分解反应（如煅烧石灰石），光合作用。

例如镁条和盐酸反应，试管摸起来发烫：

Mg+2 HCl→MgClX2+HX2↑\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2 ^}

而碳和二氧化碳需要在高温下才能反应，反应本身还要不断吸收热量：

C+COX2→高温2 CO\ce{C + CO2 ->[\text{高温}] 2CO}

放热、吸热说的是化学反应。NaOH 溶于水、浓硫酸稀释时放热，冰融化时吸热，这些是物理过程，只能叫放热过程或吸热过程（2.9.1 节、1.2.2 节）。

从能量高低看

每种物质都储存着一定的化学能。如果反应物的总能量高于生成物的总能量，多出来的能量以热量的形式释放出来，反应放热；反之，生成物的能量更高，体系要从环境吸收热量，反应吸热。把反应物和生成物画在一张能量图上，放热反应是“下坡”，吸热反应是“上坡”。

反应放热还是吸热，和反应要不要加热没有关系。燃烧要先点燃，但它是放热反应；氢氧化钡晶体和氯化铵在常温下就能反应，却是吸热反应。

从化学键看

2.4.2 节说过，两个 H 原子形成 H–H 键时放出 436 kJ/mol 的能量；反过来，断开 1 mol H–H 键就要吸收 436 kJ。化学反应的本质是旧化学键断裂、新化学键形成：

  • 断键吸收能量，成键放出能量。
  • 成键放出的能量大于断键吸收的能量，反应放热；反之，反应吸热。

拆开 1 mol 气态分子中的某种化学键所需的能量叫键能bond energy，美国教材叫 bond enthalpy（键焓）。同一种键在不同分子里略有差别，表里给的是平均值。因此可以估算反应热：

反应热≈Σ 断键吸收的能量−Σ 成键放出的能量\begin{aligned} \text{反应热} &\approx \Sigma\,\text{断键吸收的能量} \\ &\quad - \Sigma\,\text{成键放出的能量} \end{aligned}

这个式子算出的是 2.10.5 节要讲的焓变 ΔH。先记住两点：负号表示放热，正号表示吸热；单位 kJ/mol 里的“每摩尔”指按方程式反应一次（每摩尔反应）。比如例题 1 算出的 −184 kJ/mol，意思是 1 mol H₂ 和 1 mol Cl₂ 完全反应、生成 2 mol HCl 时，放出 184 kJ 的热。2.10.5 节细讲。

选一个反应，数一数断开和形成了哪些键，看能量图上的“先上坡、再下坡”：

动手试试：用键焓估算反应热

断开的键（吸收能量，kJ/mol）
    形成的键（放出能量，kJ/mol）

        和美国教材的不同

        • 人教版说“键能”，美国教材说 bond enthalpy（键焓），在中学里可以当作同一个量。不同教材的键能表会差几 kJ/mol：人教版课本里 Cl–Cl 键的键能是 243 kJ/mol，本站的表是 242 kJ/mol。
        • 美国教材除了“exothermic reaction”，也常说 exothermic process，把溶解、凝固等物理过程也包括进来。人教版严格区分：放热反应、吸热反应只指化学反应。
        • 美国教材强调从环境的温度变化判断：环境（如溶液、试管）变热，说明体系放热。

        例题 1：用键能估算反应热

        已知键能：H–H 436 kJ/mol，Cl–Cl 242 kJ/mol，H–Cl 431 kJ/mol。估算下面这个反应的反应热：

        HX2(g)+ClX2(g)→2 HCl(g)\ce{H2(g) + Cl2(g) -> 2HCl(g)}
        分步解析

        1. 思路。 断开化学键吸收能量，形成化学键放出能量：ΔH ≈ 断键吸收的总能量 − 成键放出的总能量。

        2. 断键。 断开 1 mol H–H 键和 1 mol Cl–Cl 键：

          436+242=678 kJ（吸收）436 + 242 = 678\ \text{kJ（吸收）}

        3. 成键。 生成 2 mol HCl，就形成 2 mol H–Cl 键：

          2×431=862 kJ（放出）2 \times 431 = 862\ \text{kJ（放出）}

        4. 反应热。

          ΔH=678−862=−184 kJ/mol\begin{aligned} \Delta H &= 678 - 862 \\ &= \boxed{-184\ \text{kJ/mol}} \end{aligned}

          成键放出的比断键吸收的多，反应放热。

        5. 对照。 人教版课本用 Cl–Cl 243 kJ/mol，算出 −183 kJ/mol；由生成焓表算出的是 −184.6 kJ/mol。键能是平均值，估算结果和实测值相差几 kJ。

        6. 常见错误。 写成“成键 − 断键”，得到 +184 kJ/mol，符号反了；或者只算 1 个 H–Cl 键，忘了系数 2。

        例题 2：一个常温下的吸热反应

        在烧杯里加入约 20 g 氢氧化钡晶体 Ba(OH)₂·8H₂O 和约 10 g 氯化铵晶体，用玻璃棒快速搅拌。烧杯事先放在滴有几滴水的玻璃片上。描述并解释现象。

        Ba(OH)X2 ⋅ 8 HX2O+2 NHX4Cl→BaClX2+2 NHX3↑+10 HX2O\begin{aligned} &\ce{Ba(OH)2.8H2O + 2NH4Cl} \\ &\ce{-> BaCl2 + 2NH3 ^ + 10H2O} \end{aligned}
        分步解析
        1. 现象。 闻到刺激性气味，说明生成了氨气；用手摸烧杯底部，感觉很凉；玻璃片上的水结成冰，把烧杯和玻璃片粘在一起，说明温度降到了 0 °C 以下。
        2. 先分清体系和环境。 体系是参加反应的物质；环境是烧杯、玻璃片和水。
        3. 判断。 环境的温度降低，说明体系从环境吸收了热量，这是吸热反应，ΔH > 0。
        4. 启示。 这个反应在常温下就能进行，不需要加热。吸热还是放热，和反应条件无关：反过来，燃烧需要点燃，却是放热反应。
        5. 常见错误。 认为“需要加热的反应是吸热反应，不需要加热的是放热反应”。判断吸热还是放热，要看体系和环境之间热量往哪边传。
        练一练：这是放热反应、吸热反应，还是不属于化学反应？
        1. 天然气燃烧
        2. 盐酸与氢氧化钠溶液中和
        3. 镁条与稀盐酸反应
        4. 煅烧石灰石生成生石灰
        5. 氢氧化钡晶体与氯化铵晶体反应
        6. 灼热的碳与二氧化碳反应生成一氧化碳
        7. 生石灰与水反应（自热火锅）
        8. 冰融化成水
        9. NaOH 固体溶于水，溶液变热

        常见误区

        误区 1：“需要加热才能发生的反应都是吸热反应。” 燃烧要先点燃，却是放热反应；氢氧化钡晶体和氯化铵在常温下就能反应，却是吸热反应。吸热还是放热，看的是反应物和生成物的能量高低，和反应条件无关。

        误区 2：“NaOH 溶于水放热，所以是放热反应。” 溶解、物态变化是物理过程，没有生成新物质，只能叫放热过程、吸热过程。

        误区 3：“断开化学键会放出能量。” 断键总是吸收能量，成键才放出能量。燃料燃烧放热，不是因为燃料里的化学键断开时放能，而是生成物中形成的化学键放出的能量更多。

        即时小测

        已知键能：H–H 436、O=O 495、O–H 463 kJ/mol。2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) 的反应热约为？

        某反应的能量示意图中，生成物的总能量高于反应物的总能量。这个反应？

        小结

        • 放热反应向环境释放热量，周围温度升高；吸热反应从环境吸收热量，周围温度降低。放热、吸热和反应条件无关。
        • 宏观上：反应物总能量高于生成物总能量，反应放热；反之吸热。
        • 微观上：断键吸热，成键放热。反应热 ≈ Σ断键吸收的能量 − Σ成键放出的能量，键能是平均值，只能估算。
        通往 AP（以后再看）

        AP 6.1 要求由环境的温度变化判断过程是吸热还是放热；6.2 要求画出或读懂能量图，在图上标出 ΔH；6.7 用平均键焓估算 ΔH，答题时要写清“断开哪些键、形成哪些键”。AP 题目给的键焓表也是平均值，结果和由生成焓算出的值略有差别，这是正常的。

        数据来源：键能取自 Brown 等《Chemistry: The Central Science》的平均键焓表，和 2.4 节用的是同一套数据。

        练一练这一章：2.10 · 热化学 · 10 道题

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