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主要内容

键焓和反应焓

键焓的定义,以及如何利用键焓来计算反应热

化学键里的能量

棉花糖在篝火上烤的照片。
我们可以利用从火中释放的能量,一种放热反应,来烤棉花糖。Photo from CK-12, CC BY-NC 3.0
化学键代表潜在的能量。量化不同分子键所代表的能量是理解反应的整体能量影响的重要部分。在本文中,我们将探讨有助于描述能量的两个不同概念:反应焓和键焓。

反应焓

在化学反应期间,原子之间的键可以断裂,重新形成或两者兼之,都吸收或释放能量。其结果是改变了系统的潜在能量。在恒定压力下从系统吸收或释放的热量称为,由化学反应引起的焓变化是反应焓。反应焓通常写成ΔHrxn.
为了更好地理解反应焓, 考虑丙烯的氢化, C3H6,以形成丙烷, C3H8。在这种反应中, 丙烯气体与氢气反应, H2(g), 形成丙烷气体:
       C3H6(g)                                  H2(g)                                                                C3H8(g)
这个反应发生了什么?首先,我们必须断开反应物的碳键C=C和氢键HH 。 通常,断开原子之间的键需要增加能量。化学键越强,断键所需的能量就越多。为了使产品具有丙烷,然后形成新的C-C键和两个新的C-H键。由于断键需要增加能量,形成新键是相反过程,总是释放能量。形成的键越强,在键合形成过程中释放的能量越多。在该特定反应中,因为新形成的键释放的能量超过断原始键所需的能量,所以系统具有比反应物更低的势能。 这意味着反应焓是负的。
从数学上讲,我们可以将反应焓视为产物键的势能与反应物键的势能之间的差异:
ΔHrxn=产物键的潜在能量反应物键的潜在能量=断键所需的能量+合成键所释放的能量
产物的势能比反应物低的反应,例如上述丙烯的氢化,是放热的。产品的势能比反应物更高的反应是吸热的
在放热反应中,释放的能量不会简单地消失。相反,它转化为动能,其产生热量。随着反应的发生,观察到温度的升高。另一方面,吸热反应通常需要添加能量以促进产物的形成。实际上,这通常意味着在较高温度下和热源进行反应。
为了量化给定反应的反应焓,对所有相关分子使用标准生成焓是一种方法。这些值描述了从其组成元素形成化合物的焓变化。从产物的标准焓中减去反应物的标准生成焓的得出系统大概的反应焓。要了解更多关于生成焓(也称为生成热)以及如何使用它们来计算反应焓,你可以观看我们的视频 标准生成热如何用生成热来计算焓.
另一种方法是通过观察与反应相关的各个键来估计反应焓。如果我们知道需要多少能量来形成和断开每个键,那么我们可以把这些值加起来以找到反应焓。我们将在本文的剩下部分中更详细地讨论此方法。

键焓

键焓(也称为键离解焓,平均键能或键强度)描述了分子中的原子键里存储的能量。具体而言,它是所需的能量来使气态中键的均裂或对称裂解。均裂或对称键断裂意味着当键断裂时,最初参与键的每个原子获得一个电子并变成自由基,而不是形成离子。
在热力学上, 更趋向于形成化学键,因此破坏它们不可避免地需要添加能量。因此,键焓值始终为正,并且它们通常具有kJ/molkcal/mol的单位。键焓越高,断键所需的能量越多,键越强。为了确定当我们形成新键而不是断开它时将释放多少能量,我们只要使键焓为负值
由于键焓非常有用,在参考表中可以轻松地获得常见键的平均键焓。虽然实际上形成和断开键时的实际能量变化取决于特定分子中的相邻原子,但表中可用的平均值仍可当作近似值。
提示:表中列出的键焓是针对一摩尔单键的反应。这意味着如果在反应中存在多个相同的键断裂或形成,则需要将计算中的键焓乘以反应中所具有相同键的数量。这也意味着确保方程是平衡的并且系数被写为最小可能的整数值是很重要的,这让我们使用的每种键的数量是正确的。

使用键焓估算反应焓

一旦我们了解了键焓,我们就能用它们来估算反应焓。为此,我们可以使用以下过程:
步骤1. 确定反应物中的哪些键会断开并找到它们的键焓。
步骤2. 把断键的键焓全加在一起。
步骤3. 确定产物中形成了哪些新键并列出其负键焓。请记住,我们必须换键焓的符号,以找到键形成时释放的能量。
步骤4. 把形成键的键焓全加在一起。
步骤5. 合并断键(来自步骤2 )和形成键的总值(来自步骤4 )以得到反应焓。

例子:丙烯的氢化

让我们来计算文章开头的例子丙烯加氢反应焓。

步骤1: 找到断开的键

这个反应断开了一个C=C 键和一个 HH 键。
使用参考表,我们发现 C=C 键焓是 610kJ/mol, 而HH 的键焓为436kJ/mol

步骤2: 找出断键的总能量

步骤1 的数值合并:
断键所需要的能量=610kJ/mol+436kJ/mol=1046kJ/mol
作为断开丙烯和氢气中必要键所需的总能量。

步骤3: 找到形成的键

这个反应形成了一个新的CC键和两个新的 CH 键。
使用参考表(并记住我们正在形成而不是断开键),我们发现 CC 键焓是 346kJ/mol, 每个 CH 的键焓是 413kJ/mol. 为了找到形成键时释放的能量,我们将键焓乘以1。 此外,由于有两个新的 CH 键,我们需要将此值乘以2

步骤4: 找到形成键所释放的总能量

步骤3 的数值合并:
形成产物键所释放的能量=346kJ/mol+(2×413kJ/mol)=1172kJ/mol
为形成新键释放的全部能量。

步骤5: 把形成键和断开键的能量加在一起

根据步骤2 步骤4 ,我们有断键所需的 1046kJ 能量和形成键所释放的能量 1172kJ 。把这些值加起来,我们得到反应焓:
ΔHrxn=断键所需的能量+形成键所释放的能量=1046kJ/mol+(1172kJ/mol)=126kJ/mol
由于丙烯氢化反应的焓是负的,我们知道反应是放热的。

总结

键焓和反应焓有助于我们了解系统在反应过程中如何使用能量。键焓描述了断键或形成键所需要多少能量,它也是键合强度的量度。通过结合反应过程中断开和形成的所有键的键能,可以估计系统势能的总变化,即ΔHrxn在恒定压力下的反应。根据反应焓是正还是负,我们可以确定反应是吸热还是放热。

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