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中学化学能量观的内涵  

2014-03-04 21:00:37|  分类: 教材与教学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                   中学化学能量观的基本内涵

1 物质的分子或原子具有热能

构成物质的分子或原子是以无规则的形式不断运动的,由不相互碰撞的分子或原子的无序运动产生的能量称为物质的热能。温度越高,原子和分子的运动就越剧烈,物质具有的热能就越大。物质的存在状态与物质所具有的热能有关。当物质变冷时,原子或分子锁定于一个基本有序的形态,此时呈现固态。增加温度意味着增加原子运动的平均能量。所以,如果温度增加,就会导致分子和原子的运动增加,并进一步分离,这就造成物质膨胀。高温时分子和原子的不规则运动就会加剧,并相互交错滑动变换位置,但仍松散的结合在一起,此时物质呈现液态。温度继续上升,分子和原子就能克服它们之间的引力自由移动,此时物质为气态。

构成物质的分子或原子的无规则运动程度决定了物质体系的熵。一体系中的无序度或混乱度越大,体系的熵越高。固体比液体有较低的熵值,而液体比气体有较低的熵值。硬的物质倾向于比软的物质有较低的熵。在绝对零度时任何纯净的完美晶状物质的熵等于零。熵的零值意味着在绝对零度时所有的分子运动都停止了,对于一种纯晶状物质来说它没有混乱度。对于不纯物质来说,所有的分子运动都停顿了,但是其中的杂质可以有不同的分布方式而导致混乱。

2 核外电子按照能量高低分层运动

核外电子运动本身就是一种能量的反映。现代物质结构理论认为,在含有多个电子的原子里,能量低的电子通常在离核较近的区域内运动,能量高的电子通常在离核较远的区域运动。电子是在原子核外距核由近及远、能量由低到高的不同电子层上分层排布的。通常把能量最低、离核最近的电子运动区域叫做第一层;能量稍高、离核稍远的电子运动区域叫做第二层;由里往外依次类推。

核外电子运动的能量比其在原子中的准确位置重要得多。元素得、失电子的能力是元素的重要性质,取决于元素原子中运动电子的能量。原子半径、电离能和电子亲合能都是与电子运动能量有关的衡量或比较元素得、失电子能力的参数。原子半径指的是核外电子运动区域的大小,原子半径越大,最外层电子的能量就越高,被核结合得就越不牢固,越容易失去。通常用电离能来表示原子或离子失去电子的难易程度。气态原子或气态离子失去一个电子所需的最小能量叫做电离能。电离能越小,表示该元素的原子越容易失去电子。金属元素有较小的电离能而非金属元素有较大的电离能。运用电离能数值可以判断金属元素的原子失去电子的难易程度。电子亲合能反映的是气态原子结合电子的难易程度。元素的一个气态原子得到一个外来电子成为气态阴离子时所释放的能量叫做电子亲合能。电子亲合能越大,该元素的原子就越容易得到电子。非金属元素有大的电子亲合能而金属元素有较小的电子亲合能。运用电子亲合能数值可以判断非金属元素的原子得到电子的难易程度。

3 原子之间的强烈作用使原子处于能量较低的稳定状态

元素原子最外层电子的高能量状态不稳定,只有通过与别的原子结合才能达到相对低能量的稳定状态。原子之间强烈的相互作用称为化学键。形成化学键释放能量,破坏化学键吸收能量。

高能量的最外层电子数决定了元素的化合价。元素的原子之间结合形成物质时,是按一定数目关系进行的,这种数目关系反映了元素的化合价性质。元素的原子与别的原子结合的本质是为了使具有高能量的原子最外层电子达到相对低能量的稳定的结构。元素的化合价与元素原子的最外层电子有着密切的关系。一般来说,原子之间通过两种作用方式使作用的原子达到相对低能量的稳定结构。一种是通过共用电子对的方式,一种是通过电子得失的方式。以共用电子对方式形成原子间的结合时,如果电子对没有偏移,则化合价为零;如果电子对偏向元素的原子,则显负化合价;如果电子对偏离元素的原子,则显正化合价。以电子得失的方式形成原子之间的结合时,得到电子的原子显负化合价,失去电子的原子显正化合价。

4 物质转化过程伴随有能量转化

在物质转化过程中伴随有化学能与热能、光能等的相互转化。物质转化过程的实质是旧化学键的断裂和新化学键的生成。在物质转化过程中,如果新化学键形成时所释放的能量大于破坏旧化学键所需要吸收的能量,反应开始后就会有一定的能量以热能、光能等形式释放出来;如果新化学键形成时释放的能量小于破坏旧化学键所需要吸收的能量,则需要不断地吸收能量才能使反应持续进行。因此,可把物质转化过程看作是“贮存”在物质内部的能量(化学能)转化为热能、光能等释放出来,或者是热能、光能等转化为物质内部能量(化学能)被“贮存”起来的过程。

在物质转化过程中还可以进行化学能与电能的相互转化。利用原电池可以在物质转化过程中将化学能转化为电能,利用电解池可以在物质转化过程中将电能转化为化学能。

5 物质分子发生有效碰撞是物质转化的必要条件

旧键的断裂和新键的形成都是通过反应物分子(或离子)的碰撞来实现的。如果反应物的分子(或离子)相互不接触、不碰撞,就不可能发生化学反应。因此,反应物分子(或离子)间的碰撞是反应发生的先决条件。在缓慢反应中在分子间发生的上十亿次碰撞中只有少数的碰撞发生了反应。只有那些所含能量高于某最低值的分子才能发生有效碰撞。这种最低能叫做活化能。在慢反应中这个最低能值远高于分子的平均能量。在一个体系中有一很大百分数的分子其能量接近于平均能值。不过有少数高速运动的分子具有相对较高的能量,而低速运动的少数分子具有相对较低的能量。高速运动的分子间的碰撞就是那些倾向于发生反应的碰撞。在极速快反应中体系内具有必须的活化能的分子所占有的百分数是极大的,分子之间的大部分碰撞都能导致反应。大多数涉及离子在溶液中的反应是快速的,因为离子彼此有很大的吸引力,使它们发生反应不需要外加能量。基本上能够互相化合的离子之间的每次碰撞都是有效的。

6 物质转化过程中能量是守恒的

自然界一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,能够从一种形式转化为另一种形式,从一种物质传递给另一种物质,而在转化和传递中能量的总数量不变。

体系内部的能量称为内能(U)。体系能量的改变可以由许多方式来表现,但主要是热量和功的形式。我们把由于温度不同而在体系和环境之间传递的能量叫做热量(Q),将除了热之外各种被传递的能量全叫做功(w)。如果有一个封闭体系,它处于一种特定的内能状态U1,我们给这个体系增加一定的热能Q,而这个体系对环境做了一些功w,这个体系终止于一个新的内能状态U2。能量守恒定律要求此体系遵守如下关系:U2=U1+(Q-w),即△U体系= Q-w。换句话说,我们可以说一个给定体系的内能变化等于从环境转移给此体系的热能减去从此体系转移给环境的功能。

7 原子核内贮存有巨大的能量

原子核反应所产生的能量,比原子核外电子结构间反应(即化学反应)所产生的能量要多得多。当重原子核,如铀、钚核分裂成较重原子核时,以及当轻原子核,如氢核和核聚变变成较重的原子核时,就会释放出大量的能量,变成辐射和快速运动的粒子。一些重核裂变时,同时产生了额外的中子,这些中子又触发了更多的原子核裂变,发展下去就引起连锁反应。然而,只有当原子核间以极高的速度撞击(克服了两核之间的正电排斥力),才会发生核聚变,这种撞击需要的超高温可以通过核裂变爆炸产生。

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