1、3-4 化學反應中的能量變化化學反應常伴隨著能量的變化，而以光、熱、電 等形式呈現。熱化學是研究物質發生反應時，有關能量變化能量變化的科學。反應熱常用單位有焦耳(J)及千焦(kJ)兩種。 3-4.1 放熱反應與吸熱反應 3-4.2 熱化學反應式 3-4.3 生成熱與燃燒熱 3-4.3 反應熱加成性定律3-4 化學反應中的能量變化學習目標：學習目標： 了解熱化學反應式及反應熱的意義，並利用反應熱加成性定律做定量的計算3-4.1 放熱反應與吸熱反應放熱反應放熱反應：釋出能量的反應。例如：活性極大的金屬鈉在氯氣中，發生劇烈反應放出大量的光和熱。吸熱反應吸熱反應：需由外界供給能量的反應。例如：八水合氫
2、氧化鋇和氯化銨反應時，會向外界吸收熱量，以至於使木板上的水凝固成冰，造成燒杯固著於木板上。儲存於物質中的能量稱為 。熱含量的絕對值，無法測出，只有當物質發生變化時，才可求得其熱含量變化量。產物和反應物兩者之間的熱含量差稱為 。以 H 表示：熱含量熱含量反應熱反應熱 吸熱反應： H 0， 放熱反應： H 0。放熱反應吸熱反應3-4.2 熱化學反應式將反應熱標示出來的化學反應式，稱為熱化學反應式熱化學反應式。反應熱和反應種類、反應物的狀態及數量、反應的溫度及壓力、產物的狀態及數量等因素有關。在25、1大氣壓大氣壓時測得的反應熱，稱為標準反應熱，以H 表示。熱化學反應式例如，在 0 、1 atm 下
3、，每莫耳冰熔化成水，吸收 6.01 千焦的能量，H 為正值：或熱化學反應式1 莫耳氫氣的燃燒反應， H 為負值：或熱化學反應式的特性：1.在熱化學反應式中，各物質的係數相當於莫耳數。例如：表示為 1 莫耳氫氣與1/2莫耳氧氣反應，形成 1 莫耳水，同時釋出 285.8 千焦能量。2.反應方向相反時，反應熱須變號變號。例如，電解水產生氫氣與氧氣是前一反應之逆反應，為吸熱反應：3.反應熱與反應物的莫耳數成正比，當反應式係數乘 n 倍時， H 亦變為 n 倍。例如， 2 莫耳氫氣燃燒的反應熱為285.82千焦：4.反應熱與物質的狀態有關，因此在熱化學反應式中，必須指明物質的物理狀態。例如， 以下兩反
4、應式皆為甲烷燃燒的熱化學反應式，反應熱不同，是因為生成水的狀態不同：範例 3-10丁烷(C4H10，分子量58.12)常被用作攜帶式瓦斯罐的燃料，其燃燒的熱化學反應式如下：需燃燒丁烷若干克，才可提供 1.25103 千焦熱量？2877kJ2 kJ 5754 ：每莫耳丁烷燃燒放熱解答解答0.434mol2877kJ/mol kJ 1250 kJ101.253：所需丁烷莫耳數25.22g1mol 58.12g0.434mol ：所需丁烷質量練習題 3-10白磷(P4)為一種化性極活潑的白色蠟狀固體，在空氣中易自燃而形成氧化磷(P4O10)，其熱化學反應式如下：求 1.55 克白磷(P4)在空氣中燃
5、燒的反應熱。(原子量：P31)解答解答mol 0.0125g/mol 431 g 1.55 ：白磷莫耳數kJ 37.66 kJ/mol 3013 mol 0.0125 ：白磷燃燒放熱 H37.66 kJ3-4.3 生成熱與燃燒熱習慣上以在標準狀態下，元素的生成熱定為零元素的生成熱定為零。化學家將各元素在標準狀態下，其最穩定同素異形體之生成熱定為零。 例如氧氣、石墨、斜方硫，但磷例外： 白磷白磷之標準生成熱為零。一、生成熱：3-4.3 生成熱與燃燒熱由成分元素反應生成 1 莫耳物質，所吸收或放出的熱量稱為該物質之莫耳生成熱莫耳生成熱(Hf)。在標準狀態下的莫耳生成熱稱為標準莫耳生成標準莫耳生成熱
6、熱(Hf )。例如，甲烷生成之熱化學反應式：一、生成熱：物質物質 化學式化學式Hf(kJ mol1)二氧化碳CO2(g)393.6甲烷CH4(g)74.8甲醇CH3OH(l)238.7水蒸氣H2O(g)241.8水H2O(l)285.8一氧化氮NO(g)90.4二氧化氮NO2(g)33.8氨NH3(g)46.3一些常見物質的標準莫耳生成熱1莫耳物質在氧氣中完全燃燒的反應熱稱為莫耳燃燒熱莫耳燃燒熱(Hc)。在標準狀態下的莫耳燃燒熱稱為標準莫燃燒標準莫燃燒熱熱(Hc )。燃燒反應必為放熱反應，即Hc0。以C(s)之標準莫耳燃燒熱為例：二、燃燒熱：1 c2(g)2(g)(s)mol kJ 393.6
7、H COOC其值等於 CO2(g)的標準莫耳生成熱物質物質 燃燒反應燃燒反應 Hc碳C(s) + O2(g) CO2(g)393.6氫H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(l)285.8鎂Mg(s) + 1/2 O2(g) MgO(s)601.8硫S(s) + O2(g) SO2(g)296.1一氧化碳CO(g) + 1/2 O2(g) CO2(g)283.4甲烷CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+ 2H2O(l)890.4一些常見物質的標準莫燃燒熱(kJ mol1)3-4.4 反應熱加成性定律1840 年俄籍化學家赫斯在測定許多反應的反應熱後提出：若一反應的反應式，為其他數個反應的
8、代數和，則此反應的反應熱亦為此數個反應熱的代數和，稱為 ，亦稱為 。反應熱加成性定律反應熱加成性定律赫斯定律赫斯定律以石墨與氧化合生成二氧化碳為例：根據此定律，熱化學反應式可以彼此相加減，若無法直接測量的反應熱時，可以依此定律間接求得。例如，甲烷的標準生成熱可以由 C、H2 及 CH4 的燃燒反應求得：kJ 393.6H COOC 12(g)2(g)(s)1. C的燃燒反應的燃燒反應：kJ 571.6H O2HO2H 2)(22(g)2(g)l2. H2的燃燒反應的燃燒反應：kJ 890.4H O2HCO2OCH 3)(22(g)2(g)4(g)l3. CH4 的燃燒反應的燃燒反應：kJ 39
9、3.6H COOC 12(g)2(g)(s)1.kJ 571.6H O2HO2H 2)(22(g)2(g)l2.kJ 890.4H O2HCO2OCH 3)(22(g)2(g)4(g)l3. ？ H CH2HC4(g)2(g)(s)由1+23 得：kJ 393.6H COOC 12(g)2(g)(s)kJ 571.6H O2HO2H 2)(22(g)2(g)lkJ 890.4)H( 2OCHO2HCO 32(g)4(g)(22(g)lkJ 74.8 kJ) (890.4kJ) 571.6(kJ) 393.6( )H(H HH 3 2 1千焦/莫耳千焦/莫耳 74.8)(CHH4 f結 論一個反
10、應的反應熱相當於產物的總生成熱與反應物的總生成熱差值範例 3-11已知：3C(s)+2Fe2O3(s) 4Fe(s)+3CO2(g) H。= 463.6 kJ，且CO2(g) 的標準莫耳生成熱為393.6 千焦，求Fe2O3(s)之標準莫耳生成熱為何？(s)2(g)23(s)H393.6kJ 3 2 46332Fe.6kJ+ O1 2822.22e OkFJ(s)2(g)2(g)1(s)23(s)(s)2(g)2(1) C + OCO H393.6kJ(2) 3C +2Fe O4Fe + 3CO H463.6kJ 由(1) 3/2 (2) 1/2 (s)2(g)2(g)(s)23(s)(s)2
11、(g12)333 C + OCO 22233) C + Fe O2Fe + CO 223H393.6kJ21H463.6kJ2 解答一：解答一：解答二：解答二：設 Fe2O3(s)之標準莫耳生成熱為 x 千焦代入以下公式：463.6 3 (393.6 ) + 4 03 0 + 2 ( x )千焦 )(s)822.2OFeH32 fx = 822.2練習 3-11已知C3H8(g)、CO2(g)及H2O(l)的標準莫耳生成熱分別為96.6 千焦、393.6 千焦及285.8 千焦，回答下列問題：(1) 石墨的標準莫耳燃燒熱為多少千焦？(2) 丙烷的標準莫耳燃燒熱為多少千焦？(1) 石墨的標準莫耳
12、燃燒熱即CO2(g)的標準莫耳生成熱 (2) 丙烷的燃燒反應方程式為： 解答解答kJ 393.6H COOC2(g)2(g)(s)(22(g)2(g)8(g)3OH4CO3O5HClH= 3 (393.6 ) + 4 (285.8) (96.6) + 5 0 = 2227.4(kJ)學習成果評量學習成果評量1. 依生成的意義，下列那些其生成熱為零？(多選)(A)石墨 (B)鑽石 (C)斜方硫(D)單斜硫 (E)赤磷2. 有如下所示三個熱化學方程式：(1) C(s) + 2H2(g) CH4(g)H174.8 kJ(2) C(s) + O2(g) CO2(g)H2393.6 kJ(3) H2(g
13、) + 1/2O2(g) H2O(l) H3286 kJ試求下式的反應熱)(22(g)2(g)4(g)OH2COO2CHl解答一：解答一：2(g)2(g)2(l)(s)2(g)2(g)4(g)(s)2(g321) 2H+ O2H O C + OCO H286 +) CHC + 2H kJ2H393.6kJH(74.8k ) J 由(3) 2 + (2)(1)4(g)2(g)2(g)2(l32)1HH2 + HH890.8kCH+ 2OCO+ 2JH O解答二：解答二：H=(393.6 ) + 2 (286 ) (74.8) + 2 0 =890.8 (kJ)H=產物的總生成熱反應物的總生成熱3
14、. 已知蔗糖、酒精的標準莫耳燃燒熱分別為 1351 kJ/mol、327 kJ/mol，求： C12H22O11(s) + H2O(l l) 4C2H5OH(l l) + 4CO2(g) 之反應熱。解答解答代入公式：H=反應物燃燒熱總和產物燃燒熱總和H=(1351 ) + 0 4 (327) + 4 0 =43 (kJ)4. 利用下列熱化學反應式：C6H6(l) 15/2O2(g) 6CO2(g) 3H2O(l) 782.3 kcalC(s) O2(g) CO2(g) 94.0 kcalH2(g) 1/2O2(g) H2O(l) 68.3 kcal計算苯的生成熱H(kcal/mol)解答解答C
15、6H6(l) 15/2O2(g) 6CO2(g) 3H2O(l) H=782.3 kcal 代入公式：H= 產物生成熱總和反應物生成熱總和H= 782.3 = 6 (94.0 ) + 3 (68.3) (x) + 15/2 0 x = 13 (kcal mol-1)本章摘要1.化學式是以元素種類和數目來表示物質組成的式子，可分為實驗式實驗式、分子式分子式、結構式結構式及示性示性式式等。(1)實驗式實驗式表示純物質中組成元素原子數目的最簡單整數比，又稱為簡式。(2)分子式分子式表示一分子中分子物質所含原子的種類和數目。(3)結構式結構式表示分子中原子的種類、數目和鍵結情形。(4)示性式示性式表示
16、分子內所含特殊性質的原子團。3-1化學式及百分組成化學式及百分組成2.利用符號及化學式來描述化學反應的式子，稱為化學反應式。3.平衡化學反應式必須遵守原子不滅原子不滅及電荷不滅電荷不滅。3-2化學反應與平衡化學反應與平衡3-3化學計量化學計量4.參與化學反應的物質間有一定的數量比，利用化學反應式中係數的比等於莫耳數比，計算出所欲求的量，稱為化學計量。5.在多種反應物參與的化學反應中，若有反應物剩餘，產物的量將由用盡的反應物所決定，此用盡的反應物稱為限量試劑限量試劑。6.當物質發生變化時，可測出其熱量變化；產物和反應物兩者之間的熱含量差，稱為反應熱(H)，即 H產物總熱含量反應物總熱含量。7.標
17、準狀態(standard states)是指 1 atm，在此條件下測得的反應熱稱為標準反應熱(H。)，本書以常見的 25 為測定標準。8.標準狀態下，由成分元素反應生成 1莫耳物質，吸收或放出的熱量稱為該物質之標準莫耳生成熱(Hf。)。3-4化學反應中的能量變化化學反應中的能量變化9.標準狀態下，1 莫耳物質完全燃燒所放出的熱量，稱為該物質之標準莫耳燃燒熱(Hc。)。10.反應熱的計算及赫斯定律：(1)反應熱和反應物的莫耳數成正比。(2)反應進行的方向相反時，反應熱大小相等，符號相反。(3)反應熱具有加成性反應熱具有加成性，即赫斯定律赫斯定律：當一個反應能以兩個或兩個以上其他反應的代數和表示時，其反應熱為此數個反應熱的代數和。本章架構化學式及百分組成化學反應式及平衡化 學 計 量化學反應中之能量變化
