化學反應中的質量關系和能量關系在實際生產生活中的應用如下:
壹、化學反應與化能
隨著科學技術的進步和各種精密實驗儀器的出現,人們對化學反應的研究逐漸深入,從宏觀到微觀都有了透徹的認識。化學反應實際上是分子分裂成原子,然後原子重新排列組合成新分子的過程,往往伴隨著物質和能量的變化。
化學能是指隱藏在物質中的能量,平時是察覺不到的。物質壹旦發生化學變化,就會以熱能其他肉眼可見的形式釋放出來。在化合物的化學反應中,其原子會重新分布,成為新的化合物,從而導致化學能的變化。
二、化學反應中的能量變化的本質及遵循的規律
能量以各種形式呈現在世人面前,最常見的有熱能、電能、光能。我們常常可以通過化學反應實現化學能轉化為這些常見形式的能量。
(壹)反應熱及焓變
化學反應中能量的變化大多數以熱量的形式對外呈現,在化學反應體中,使反應產物的溫度回到反應前始態的溫度吸收或放出的熱量稱為反應熱。如果系統處於同溫同壓的狀態下,此時系統產生的反應熱又叫做“焓變”,符號用ΔH表示。
是研究計算反應熱的重要參數。ΔH:∑E(反應物)-∑E(生成物)。ΔH>0為吸熱反應,ΔH<0為放熱反應。
(二)能量轉化
深入微觀世界,我們發現化學反應中能量變化的本質在於微觀力的破壞和形成。微觀力包括分子間力和化學鍵。與化學鍵相比,分子間作用力很弱,可以忽略不計,所以我們認為化學反應中的能量變化實際上是化學鍵的變化。
反應物中的化學鍵斷裂時,吸收壹部分外界能量,形成產物時,化學鍵會重新形成,放出能量。
原電池是典型的將化學能轉化為電能的裝置,利用氧化還原反應,在兩種活潑性相差較大的物質間產生電流。
煤在燃燒過程中,可燃成分(碳、氫、硫等)與空氣中的氧進行劇烈的化學反應(C+O2→CO2S+O2→SOx(SO2)N+O2→NOx),煤在燃燒時,煤炭中的化學能便轉變成了人們所需要的內能。
綠色植物在進行光合作用時,利用葉綠素的催化作用,吸收太陽光,把CO2和H2O轉化為糖類和O2,這便是將光能轉變為了生物體內的化學能。
(三)能量變化遵循的規律
萬物皆有規律可循,物質在變化時也遵循質量守恒定律。同樣,在化學反應過程中,能量的變化也需要遵循能量守恒定律。如果反應中新化學鍵的形成所釋放的能量大於舊化學鍵的能量,多余的能量就會以其他形式釋放出來。
三、化學反應能量變化在生活中的應用
知道了化學反應變化的本質,利用反應中的能量變化,就可以在工業生產過程中利用已有的舊東西創造出許多新東西。同時,利用化學反應催化,可以不斷提高生產效率,讓化學為人們提供便利的生活。
(壹)新能源開發
隨著煤、石油、天然氣等自然能源的開采,人們的生活進入了壹個新的階段,提高了生產力,促進了人類社會的發展。然而,地球上的這些常規能源儲量畢竟有限,其燃燒產生的廢物也對環境造成了不可彌補的傷害。
因此,人們不得不尋找降低常規能源消耗的方法,並轉向開發具有可再生和持久特性的新能源。氫氣作為壹種新型的挖掘能源,因其燃燒效率高、無汙染而備受推崇。
隨處可見的水就是我們制取氫氣的原料,水由氫元素和氧元素組成,水分解後生成了氫氣2H2O:2H2+O2(ΔH>0),點燃它就可放出熱量。明白水的分解是吸熱反應,可以設法聚集太陽能產生高溫,來促使水分解產生氫氣,或者使用特殊的化學物質,也能分解水產生氫氣。
(二)制冷
我們知道許多無機鹽在溶解時均有吸熱效應,利用溶解度大,溶解吸熱值高的無機鹽(稱為溶質鹽)溶於另壹帶有結晶水且也有較高溶解吸熱值的無機鹽(稱為溶劑鹽)的結晶水中時,需吸收熱量,周圍環境溫度就會降低,有了致冷效果。
如我們最常見的帶八個結晶水的氫氧化鋇與氯化銨反應Ba(OH)2·8H2O+2NH4Cl等於BaCl2+2NH3↑+10H2O,有非常明顯的冷卻效果。
氨和氟利昂(包括CFC、HCFC、HFC等)是最常用的兩種工業制冷劑,廣泛地用於冷藏、冷庫等制冷設備中,家用電器冰箱和空調便運用到了此制冷原理。
(三)自熱米飯
這些年市面上出現了自熱米飯和自熱火鍋這樣的速食食品與工具,對於工作忙碌的上班族或不想擠食堂的學生來說是相當方便的。
將包裝盒中的發熱包放入水中,等待壹會兒,盒子裏迅速升溫,當蒸汽溫度達到了200℃左右,生米差不多就煮成熟飯了,且其溫度持續時間也較長,不用擔心食物變涼的問題。自熱米飯問世以來,也受到了無數人的青睞。
自熱米飯的發熱包就是其神奇之處所在,袋中主要有焙燒矽藻土、鐵粉、鋁粉、焦炭粉、活性炭、鹽等成分,再加入生石灰、炭酸鈉,遇水之後,發生劇烈化學反應就能放出大量的熱量,這樣就能把食物蒸熟了。
(四)金屬冶煉
自古以來,金屬對人類起著非常重要的作用,制造生活用具和武器等。因此,冶煉金屬是人類社會必不可少的工作。熔煉金屬的方法有很多,比如熱分解:;
熱還原法:電解法:前面的反應中Hg和Fe都是在高溫的環境下通過熱能實現物質的轉化冶煉出的,Mg則是借助於電能實現物質轉化得來。