每次你做一顿饭、感到暖手宝热起来,或把一个即用冷敷包按在扭伤处,你都在看着热化学运作。热化学这一章讲的,是反应放出或吸收的热,而这份热,是整个化学里最摸得着的东西之一。
这篇文章带你看看这一章落在日常生活的哪些地方,同时把定义讲得跟 SPM 要的一模一样。
放热与吸热,一句话说清
放热反应向周围释放热,所以周围变热,反应的热变化 ΔH 是负的。吸热反应吸收热,所以周围变冷,ΔH 是正的。
这背后有一条简单的规则:断键吸收能量,成键释放能量。如果形成新键释放的能量,多于断开旧键所用掉的,反应整体上就是放热的。
燃料与食物:能吃、也能烧的能量
最清楚的日常热化学,就是燃烧。烧 LPG、汽油或乙醇会释放大量的热,这正是我们拿它们当燃料的原因。
化学家把这量成燃烧热,一摩尔燃料完全燃烧时放出的热,它让我们能比较哪种燃料每克给出的能量更多。这个想法你可以在燃烧热反应里看到。
食物也是同一个道理。饼干包装上印的卡路里,量的是你的身体通过呼吸作用能从那份食物里释放的能量,而呼吸作用就是葡萄糖一种缓慢、受控的燃烧。
饭后觉得暖,那正是你身体里的一个放热反应。
暖手宝与自热罐头
可重复使用的暖手宝和自热罐头,是故意用了放热反应。有些暖手宝靠的是铁粉的缓慢氧化,跟生锈是同一个反应,只是快到能感觉出来,从而放热。
自热的餐盒罐头,用的是氧化钙跟水的反应,这个反应强烈放热:
CaO + H₂O → Ca(OH)₂
之所以发热,是因为产物中成键释放的能量,多于启动反应所需的能量。这正是课本里那个放热的概念,被装进商品卖到了店里。
冷敷包:按需吸热
给运动损伤用的即用冷敷包做的正相反。里面有一种盐,比如硝酸铵,还有单独一小袋水;捏一下敷包,盐就溶解,从周围吸走热,敷包便在你手里变冷。
硝酸铵溶解是吸热的,你能感觉到温度下降。同样的吸热原理,也解释了为什么汗水让皮肤降温、冰块在饮料里融化时会把热带走。
可以量出来的中和与置换
这一章里有两个实验室反应,也出现在日常生活中。酸被碱中和是放热的,混合物会变热,这也是为什么把强清洁剂混在一起会发烫。
置换,活泼金属把不那么活泼的从溶液里挤出来,同样放热。在实验室里,你用温度计和热量公式 Q = mcθ 量出这些热,再算出每摩尔的热变化。
到反应热变化页面上练一练。
把能量剖面图变成看得见的东西
SPM 会要你画能量剖面图。放热反应里,产物比反应物低,因为能量被释放了;吸热反应里,产物比反应物高,因为能量被吸收了。
两者之间那座「小山」,就是活化能。当你画一张图时,脑子里想着暖手宝(产物更低、放热)或冷敷包(产物更高、吸热),这张图就不再抽象了。
把冷热变成分数
考试在这里看重精确。永远写出 ΔH 的符号,永远说清周围是变热还是变冷,也永远准备好用「断了哪些键、成了哪些键」来解释这个变化。
一道用 Q = mcθ、单位小心处理的完整计算,在试卷二里值好几分。当你能看着一个暖手宝和一个冷敷包,说出哪个放热、哪个吸热,以及为什么,这一章就稳了。
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