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热化学

AP 化学 · 知识点 6

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8:53

热化学

挤压这个包装,几秒钟内就会变得冰凉刺骨。没有燃烧;也没有外部冷却。固体只是溶解在内部的水中…

英语旁白 · 英中内嵌字幕

6.1

吸热与放热过程

教学大纲

学习目标 6.1.A: 解释实验观察结果与化学或物理转化相关的能量变化之间的关系。

  • 6.1.A.1 系统的温度变化表明发生了能量变化。
  • 6.1.A.2 系统的能量变化可以描述为吸热过程和放热过程,例如物质的加热或冷却、相变或化学转化。
  • 6.1.A.3 当发生化学反应时,系统的能量要么降低(放热反应),要么升高(吸热反应),或者保持不变。对于放热反应,反应物种(系统)损失的能量由环境获得,表现为热量传递或系统对外做功。同样,对于吸热反应,系统通过热量传递或环境对系统做功从环境中获得能量。
  • 6.1.A.4 溶液的形成可能是放热过程或吸热过程,这取决于溶解过程前后分子间/粒子间相互作用的相对强度。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
An instant cold pack: endothermic processes absorb heat from the surroundings
An instant cold pack: endothermic processes absorb heat from the surroundings

Thermochemistry 热化学 tracks energy in reactions. A process is exothermic 放热 if it releases energy to the surroundings 环境 (feels hot, $\Delta H<0$) and endothermic 吸热 if it absorbs energy (feels cold, $\Delta H>0$). Breaking bonds 断键 costs energy; forming bonds 成键 releases it – the net decides the sign.

An exothermic reaction warms the surroundings; an endothermic one cools them
An exothermic reaction warms the surroundings; an endothermic one cools them
探索

比较吸热和放热剖面

放热反应释放能量(产物低于反应物,$\Delta H<0$);吸热反应吸收能量。凸起部分是活化能。

词汇 训练
English 中文 拼音
Thermochemistry/ˈθɜːməkemɪstri/ 热化学 rè huà xué
exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ 放热 fàng rè
surroundings/səˈraʊndɪŋz/ 环境 huán jìng
endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ 吸热 xī rè
Breaking bonds 断键 duàn jiàn
forming bonds 成键 chéng jiàn
6.2

能量图

教学大纲

学习目标 6.2.A: 用能量图表示化学或物理变化。

  • 6.2.A.1 物理或化学过程可以用能量图来描述,该图能够展示该过程是吸热还是放热的性质。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

An energy diagram 能量图 plots energy from reactants 反应物 to products 生成物. Reactants above products means exothermic; below means endothermic. The vertical gap between them is the enthalpy change 焓变 $\Delta H$.

Energy diagrams: exothermic products sit below the reactants, endothermic above
Energy diagrams: exothermic products sit below the reactants, endothermic above
探索

吸热能量图

当反应吸收能量时,产物的位置高于反应物。

词汇 训练
English 中文 拼音
energy diagram 能量图 néng liàng tú
reactants/rɪˈæktənts/ 反应物 fǎn yìng wù
products/ˈprɒdʌkts/ 生成物 shēng chéng wù
enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ 焓变 hán biàn
6.3

热传递与热平衡

教学大纲

学习目标 6.3.A: 解释热能传递与分子碰撞之间的关系。

  • 6.3.A.1 较热物体中的粒子具有比冷物体中粒子更大的平均动能。
  • 6.3.A.2 处于热接触状态的粒子之间的碰撞会导致能量转移。这一过程称为“热传递”、“热交换”或“以热的形式传递能量”。
  • 6.3.A.3 随着粒子继续碰撞,最终会达到热平衡。在热平衡状态下,两个物体的平均动能相同,因此它们的温度也相同。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Heat 热量 flows from hot to cold until objects reach thermal equilibrium 热平衡 (equal temperature). Energy is conserved 能量守恒: for an isolated 孤立的 pair, the heat lost by the hot object equals the heat gained by the cold one.

词汇 训练
English 中文 拼音
Heat/hiːt/ 热量 rè liàng
thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 热平衡 rè píng héng
Energy is conserved 能量守恒 néng liàng shǒu héng
isolated/ˈaɪsəleɪtɪd/ 孤立的 gū lì de
6.4

热容与量热法

教学大纲

学习目标 6.4.A: 根据物质的量、热容和温度变化,计算系统在加热或冷却过程中吸收或释放的热量 $q$。

  • 6.4.A.1 较暖物体对较冷物体的加热是两个系统之间能量传递的重要形式。两个物体之间传递的热量多少可以通过热传递方程来量化:

    • 方程: $q = mc\Delta T$。

    量热实验用于测量热量的传递。

  • 6.4.A.2 热力学第一定律指出,在化学和物理过程中能量是守恒的。

  • 6.4.A.3 给定数量的热能传递给质量相等的物质时,由于比热容不同,产生的温度变化也会不同。

  • 6.4.A.4 加热系统会增加系统的能量,而冷却系统会降低系统的能量。

  • 6.4.A.5 物质的比热容和摩尔热容都可用于能量计算。

  • 6.4.A.6 化学系统通过三个主要过程改变其能量:加热/冷却、相变和化学反应。

  • 6.4.A.7 在涉及溶解的量热实验中,可以利用量热器内混合物的温度变化来确定能量流动的方向。如果混合物温度升高,说明溶解过程释放了热能(放热)。如果混合物温度降低,说明溶解过程吸收了热能(吸热)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The heat to change a substance's temperature is

$$q=mc\,\Delta T,$$
where $c$ is the specific heat 比热容 (energy per gram per degree). Calorimetry 量热法 measures a reaction's heat by tracking the temperature change of surrounding water: in a simple insulated 隔热的 model, the heat the water gains equals the heat the reaction releases. Include heat absorbed by the container and any losses when they matter.

Calorimetry: measure the temperature change of a known mass of solution
Calorimetry: measure the temperature change of a known mass of solution

Worked example. A reaction in a coffee-cup calorimeter 量热计 warms $100\ \text{g}$ of water by $8.0\,{}^{\circ}\text{C}$ ($c=4.18\ \text{J/(g}\,{}^{\circ}\text{C)}$). The heat absorbed by the water is

$$q=mc\,\Delta T=100\times4.18\times8.0=3.3\times10^{3}\ \text{J}.$$
By energy conservation the reaction released this $3.3\ \text{kJ}$, so it is exothermic ($q_{\text{rxn}}=-3.3\ \text{kJ}$).

探索

加热不同材料

$Q=mc\Delta T$:高比热容(如水)意味着少量的温度升高需要大量的能量。比较相同热量输入下的材料。

词汇 训练
English 中文 拼音
specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/ 比热容 bǐ rè róng
Calorimetry/ˌkælɔːˈrɪmətri/ 量热法 liàng rè fǎ
insulated 隔热的 gé rè de
calorimeter 量热计 liàng rè jì
6.5

相变的能量

教学大纲

学习目标 6.5.A: 根据物质的摩尔量及相变的摩尔焓,解释发生相变时系统吸收或释放的热量 $q$ 的变化。

  • 6.5.A.1 要使物质熔化(或沸腾),必须向系统传递能量。因此,当系统经历固-液(或液-气)相变时,系统的能量会增加。同样地,当系统凝固(或液化)时会释放能量。当系统经历液-固(或气-液)相变时,系统的能量会减少。纯物质在相变过程中温度保持不变。
  • 6.5.A.2 相变过程中吸收的能量等于相反方向互补相变过程中释放的能量。例如,某物质的摩尔凝结焓等于其摩尔汽化焓的负值。同样,利用摩尔熔化焓可以计算熔化物质时吸收的能量以及凝固物质时释放的能量。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

During a phase change 相变 (melting 熔化, boiling 沸腾) the temperature stays constant while heat goes into breaking intermolecular forces 分子间作用力, not raising kinetic energy 动能. The energy needed is $q=n\,\Delta H_{\text{fus}}$ (melting) or $q=n\,\Delta H_{\text{vap}}$ (boiling) – the flat steps on a heating curve 加热曲线.

Steam from boiling water: phase changes absorb or release energy at constant temperature
Steam from boiling water: phase changes absorb or release energy at constant temperature
探索

通过相变传热

在相变期间,温度保持平坦,而能量用于打破键——即潜热。观察熔点和沸点处的平台。

词汇 训练
English 中文 拼音
phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ 相变 xiàng biàn
melting/ˈmeltɪŋ/ 熔化 róng huà
boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 沸腾 fèi téng
intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 分子间作用力 fēn zǐ jiān zuò yòng lì
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
heating curve/ˈhiːtɪŋ kɜːv/ 加热曲线 jiā rè qū xiàn
6.6

反应焓导论

教学大纲

学习目标 6.6.A: 计算在化学反应过程中,系统吸收或释放的热量 $q$ 与反应物物质的量(摩尔数)及反应摩尔焓之间的关系。

  • 6.6.A.1 反应的焓变表示在恒压条件下,化学反应释放(负值)或吸收(正值)的热量能量。
  • 6.6.A.2 当反应产物与其环境的温度不同时,它们会与环境交换能量以达到热平衡。在放热反应中,随着反应物转化为产物,热能被传递到环境中;在吸热反应中,随着反应物转化为产物,热能从环境被吸收。
  • 6.6.A.3 由于化学键的断裂和形成,反应产物的化学势能与反应物的不同。这种能量差异导致粒子动能的变化,从而表现为温度的变化。
    • 排除说明: AP 考试不会考核焓与内能之间的技术区别。AP 课程中研究的大多数反应都在恒压条件下进行,此时过程的焓变等于反应的热(进而即能量)。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The enthalpy of reaction 反应焓 $\Delta H_{\text{rxn}}$ is the heat released or absorbed at constant pressure 恒压. Because enthalpy is a state function 状态函数, $\Delta H$ depends only on the initial and final states, not the path taken – the key that makes the next three methods work.

探索

焓随物质的量缩放

反应焓是每摩尔的能量,因此总热量与反应物的量成正比。

词汇 训练
English 中文 拼音
enthalpy of reaction/enˈθælpi ɒv rɪˈækʃn/ 反应焓 fǎn yìng hán
constant pressure 恒压 héng yā
state function/steɪt ˈfʌŋkʃn/ 状态函数 zhuàng tài hán shù
6.7

键焓

教学大纲

学习目标 6.7.A: 根据反应中断裂和形成的键的平均键能,计算反应的焓变。

  • 6.7.A.1 在化学反应过程中,化学键会发生断裂和/或形成,这些过程会改变系统的势能。
  • 6.7.A.2 可以通过将反应物分子中所有键的平均键能相加,来估算破坏反应物分子中所有键所需的平均能量。同样地,也可以估算形成生成物分子中键所释放的平均能量。如果释放的能量大于所需的能量,则该反应为放热反应;如果所需的能量大于释放的能量,则该反应为吸热反应。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

One way to estimate $\Delta H$: sum the energy to break all reactant bonds, then subtract the energy released forming product bonds:

$$\Delta H \approx \sum (\text{bonds broken}) - \sum (\text{bonds formed}).$$
This is an approximation, since bond enthalpies 键焓 are averages.

Breaking bonds takes in energy; making bonds releases it
Breaking bonds takes in energy; making bonds releases it

Worked example. Estimate $\Delta H$ for $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$ using bond enthalpies H–H $=436$, Cl–Cl $=242$, H–Cl $=431\ \text{kJ/mol}$. Break both reactant bonds ($436+242=678$) and form two H–Cl bonds ($2\times431=862$):

$$\Delta H\approx 678-862=-184\ \text{kJ},$$
exothermic, because the strong H–Cl bonds formed release more than the reactant bonds cost.

探索

断裂和形成的键

在甲烷燃烧中,按每种键的变化是吸收还是释放能量进行分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
bond enthalpies 键焓 jiàn hán
6.8

生成焓

教学大纲

学习目标 6.8.A: 基于标准生成焓计算化学或物理过程的焓变。

  • 6.8.A.1 标准生成焓表可用于计算反应的标准焓变。
    • 公式: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The standard enthalpy of formation 生成焓 $\Delta H_f^\circ$ is the enthalpy to make one mole of a compound from its elements 单质 (zero for an element in its standard state 标准状态). Then

$$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{products}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reactants}).$$

Formation makes a compound from its elements; combustion burns it in oxygen
Formation makes a compound from its elements; combustion burns it in oxygen

Worked example. Find $\Delta H_{\text{rxn}}^\circ$ for burning methane, $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}$, given $\Delta H_f^\circ$: CH$_4=-75$, CO$_2=-394$, H$_2$O$=-286\ \text{kJ/mol}$ (O$_2=0$). Products minus reactants:

$$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ=[-394+2(-286)]-[-75+0]=-966+75=-891\ \text{kJ},$$
a large release, as expected for a combustion 燃烧.

词汇 训练
English 中文 拼音
standard enthalpy of formation/ˈstændəd enˈθælpi ɒv fɔːˈmeɪʃn/ 生成焓 shēng chéng hán
elements/ˈelɪmənts/ 单质 dān zhì
standard state 标准状态 biāo zhǔn zhuàng tài
combustion/kəmˈbʌstʃn/ 燃烧 rán shāo
6.9

盖斯定律

教学大纲

学习目标 6.9.A: 将化学或物理过程表示为一系列步骤。

  • 6.9.A.1 许多过程可以分解为一系列步骤。该系列中的每一步都有其自身的能量变化。

学习目标 6.9.B: 解释化学或物理过程的焓与各分步反应焓之和之间的关系。

  • 6.9.B.1 由于总能量守恒(热力学第一定律),且序列中的每个独立反应都会向环境或从环境转移热能,因此整个序列中净转移的热能等于各步骤中热能转移量的总和。这些热能转移是反应序列中物种间势能变化的结果;因此,在恒压条件下,整个过程的焓变等于各独立步骤焓变的总和。
  • 6.9.B.2 以下是赫斯定律的基本原则:
    • i. 当反应逆转时,其焓变的绝对值保持不变,但数学符号相反。
    • ii. 当反应乘以系数 $c$ 时,其焓变也乘以相同的系数 $c$。
    • iii. 当两个(或多个)反应相加得到总反应时,各反应的独立焓变相加即得总反应的净焓变。
    • 排除说明: AP 考试不考查状态函数的概念。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Hess's law: the route does not matter

Hess's law 盖斯定律: if a reaction is the sum of several steps, its $\Delta H$ is the sum of the steps' $\Delta H$ values. Reverse a step and flip the sign; scale a step and scale its $\Delta H$. This lets you find a hard-to-measure $\Delta H$ by combining known reactions – a frequent exam calculation.

Hess's law: the direct and indirect routes give the same total enthalpy change
Hess's law: the direct and indirect routes give the same total enthalpy change

Worked example. Find $\Delta H$ for $\text{C}(s)+\tfrac12\text{O}_2(g)\rightarrow\text{CO}(g)$, which cannot be measured directly because some $\text{CO}_2$ always forms. You are given

$$\text{C}(s)+\text{O}_2(g)\rightarrow\text{CO}_2(g)\qquad \Delta H_1=-394\ \text{kJ}$$
$$\text{CO}(g)+\tfrac12\text{O}_2(g)\rightarrow\text{CO}_2(g)\qquad \Delta H_2=-283\ \text{kJ}$$

Keep step 1 as written (it has C on the left). Reverse step 2 so that CO is a product: $\text{CO}_2\rightarrow\text{CO}+\tfrac12\text{O}_2$, $\Delta H=+283\ \text{kJ}$. Add the two: $\text{CO}_2$ cancels, and $\text{O}_2 - \tfrac12\text{O}_2$ leaves $\tfrac12\text{O}_2$ on the left, which is the target. So

$$\Delta H=-394+283=-111\ \text{kJ}.$$

Check that every species left over matches the target equation before you add the numbers.

Common mistakes.

  • Losing the sign in calorimetry. The water gains heat ($q_{\text{water}}>0$), so the reaction releases it: $q_{\text{rxn}}=-q_{\text{water}}$.
  • Using the mass of the solid that dissolved, not of the solution, in $q=mc\,\Delta T$. The temperature change is of the water or solution, so use its mass.
  • Turning a bond-enthalpy calculation upside down. It is broken − formed; with products − reactants (the $\Delta H_f^\circ$ order) you get the right size but the wrong sign.
  • Counting bonds per molecule, not per equation. In $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$ there are two H–Cl bonds formed.
  • Giving $\text{O}_2(g)$ or another element in its standard state a non-zero $\Delta H_f^\circ$. It is zero by definition.
  • Forgetting the coefficients with $\Delta H_f^\circ$. Multiply each value by its coefficient: $2(-286)$ for two moles of water.
  • Saying bond breaking releases energy. Breaking bonds always costs energy; energy is released only when bonds form.
词汇 训练
English 中文 拼音
Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ 盖斯定律 gài sī dìng lǜ
6.9

考试技巧

English
  • An exothermic reaction has $\Delta H<0$ (feels hot); endothermic has $\Delta H>0$ — always give $\Delta H$ a sign and units.
  • In calorimetry use $q=mc\,\Delta T$ with the mass of the water/solution; the reaction releases what the water and calorimeter gain in an insulated model.
  • Bond enthalpies: $\Delta H\approx\sum(\text{bonds broken})-\sum(\text{bonds made})$ — breaking is endothermic, making is exothermic (the classic sign trap).
  • Hess's law: the total $\Delta H$ is the sum of the steps' — reverse a step and flip the sign, scale a step and scale $\Delta H$.
  • During a phase change of a pure substance at fixed pressure, temperature stays constant while energy changes the interactions between particles.

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