第四章 - 剖析物质变化中的能量变化

物质在溶解过程中有能量变化

物质变化中的能量变化：

能量守恒定律：能量在各种形式之间的转换和各个物体之间的转移过程中，各种形式的能量综合保持不变。
物理变化： $一定量的物质：E_g > E_l > E_s$ $\ce {H2O (l) -> H2O (g) - 44 kJ}$ 意义：$1 \text {mol}$液态水变成气体，吸收$44\text { kJ}$的热量。
化学变化： $\ce {C (s) + O2 (g) -> CO2 (g) + 393.5 kJ}$ 意义：$1 \text { mol}$的固态$\ce {C}$和$1 \text { mol}$的氧气反应，生成一摩尔的二氧化碳气体并放出393.5千焦的热量。
要注意量、状态

溶解过程和溶解热现象

$\ce {KMnO4 -> K+ + MnO4- (紫红色)}$

溶液温度升高：$\ce {NaOH (s)、浓硫酸}$
溶液温度降低：$\ce {NH4NO3 (s)、NH4Cl (s)}$
溶液温度变化不大：$\ce {NaCl (s)}$

解释：

$溶解过程 \begin{cases} 扩散过程（物理过程） & 吸收热量 \\ 水合过程（化学过程） & 放出热量 \end{cases}$

比如：$\ce {Cu2+}$和水发生水合过程，生成水合铜离子，显蓝色

$扩散过程中吸收的热量 > 水合过程中放出的热量 \rightarrow 溶液温度下降$
$扩散过程中吸收的热量 < 水合过程中放出的热量 \rightarrow 溶液温度升高$

$溶液中的微粒 \begin{cases} 溶剂分子 \\ 溶质分子 / 离子 \\ 水合溶质分子 / 离子 \end{cases}$ $\ce {HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}$

生成溶液的过程既不是物理变化，也不是化学变化，是物理化学变化

溶解和结晶

溶解：固体溶质扩散到溶剂中去的过程
结晶：固体溶质从溶液中析出的过程

溶解过程和结晶过程同时存在，是一组相反的过程

$\ce {固体物质 <=>[溶解][结晶] 溶液中的溶质}$

$v_{溶解} > v_{结晶}$，固体溶解（减少），不饱和溶液
$v_{溶解} < v_{结晶}$，固体析出（增加），饱和溶液
$v_{溶解} = v_{结晶}$，溶解平衡，饱和溶液

溶解平衡：与外界条件（温度、溶剂量等）有关

改变外界条件（升温、加水等），原来的平衡被破坏，在新的条件下达到新的平衡 -- 平衡发生移动。

结晶水合物

晶体：自发形成的具有规则的几何形状的固体
结晶水合物：含有结晶水的固体

$\ce {CuSO4*5H2O: 胆矾、蓝矾、硫酸铜晶体}$ $\ce {FeSO4*7H2O: 绿矾}$ $\ce {KAl(SO4)2*12H2O: 明矾}$ $\ce {CaSO4*2H2O: 生石膏}$ $\ce {2CaSO4*H2O: 熟石膏}$ $\ce {Na2CO3*10H2O: 石碱}$ $\ce {Na2SO4*10H2O: 芒硝}$

风化：室温下干燥空气中失去部分或全部结晶水的现象
潮解：吸收空气中的水蒸气在固体表面形成溶液的现象
- 例如氢氧化钠作为干燥剂

化学反应中的能量变化

化学反应中的热效应

$\ce {C + O2 ->[点燃] CO2 + Q}~~~~放热反应$ $\ce {C + CO2 ->[加热] 2CO - Q}~~~~吸热反应$ $\ce {HCl + NaOH -> NaCl + H2O + Q}$

化学能：只有在化学反应中才能释放出来的能量（热能、光能、……）
当化学反应中的能量变化表现为热量变化是：
- 对于放热反应： $\ce {\sum E_{反应物} -> \sum E_{生成物} + Q}$ $\sum E_{反应物} > \sum E_{生成物}$
- 对于吸热反应： $\ce {\sum E_{反应物} -> \sum E_{生成物} - Q}$ $\sum E_{反应物} < \sum E_{生成物}$

能量变化图

热化学反应方程式

表示化学反应中吸收或放出的能量的化学方程式

热化学反应方程式中可以出现分数、小数、整数，但是不可以全部是分数

热化学方程式中的系数之比不表示微粒数之比，表示物质的量

反应物、生成物必须标明状态

热化学反应方程式不用写反应条件

Tip: 想要得到想要的热化学反应方程式，可以相加减。

燃料的充分利用

$节约能源 \begin{cases} 燃料的充分燃烧 \begin{cases} 增大反应物的接触面积（固体反应物粉碎） \\ 过量的氧气 \\ \cdots \end{cases} \\ 热能的充分利用 \begin{cases} 热量交换 \\ \cdots \end{cases} \end{cases}$

铜锌原电池及其反应原理

现象：指针偏转，铜片上有气泡产生，锌片上无气泡，锌片逐渐溶解。

负极，$\ce {Zn}$：氧化反应

$\ce {Zn -2e -> Zn^{2+}}$

正极，$\ce {Cu}$：还原反应

$\ce {2H+ + 2e -> H2 ^}$

总反应方程式

$\ce {Zn + 2 H+ -> Zn^2+ + H2 ^}$

工作原理：氧化还原反应

$原电池的组成 \begin{cases} 正极——不活泼金属、碳棒 & 得\ce{e}、还原反应 \\ 负极——活泼金属 &失\ce {e}、氧化反应 \\ 电解质溶液 \\ 导线 \end{cases}$ $化学能 \longrightarrow 电能$

原电池发生的反应要比一般的反应快。

原电池原理应用：

实验室制氢气：粗锌（多种金属） + 稀硫酸 => 形成众多原电池
锌 + 稀硫酸 + 硫酸铜（少量） => 置换出铜、形成原电池
金属的腐蚀与防护
1. 铁含杂质$\ce {C}$，空气中的水膜作为电解质溶液
  - 正极：析氢腐蚀 $\ce {2H+ + 2e -> H2 ^}$
  - 正极：吸氧腐蚀 $\ce {2H2O + O2 + 4e -> 4 OH-}$
  - 负极： $\ce {Fe - 2e -> Fe^2+}$
2. 防护：
  1. 破坏原电池: 改变金属内部结构
  2. 破坏原电池: 金属表面覆盖层
  3. 电化学保护法：焊更加活泼的金属，比如焊锌块。

gyro永不抽风

200428-老梁化学课