明朗高中物理

化学能,热能,键能

固体液体内部粒子间的作用力

液态水内部,水分子之间有普通的范德华力,部分水分子之间有比范德华力大一些的力,称为氢键,水分子内部氢原子和氧原子之间有更大的力,称为共价键。前两种都是发生在分子间的,都称为分子间力。

氯化钠晶体内部,氯离子跟钠离子之间的作用力,比共价键还要大,称为离子键。对于氯化钠晶体,分子概念用不上了。(物理书讲述分子间力时,有时把分子概念模糊化,称分子包括离子。)

这些力都伴随势能。它们的力-距离曲线,势能-距离曲线,从定性的方面看,都是差不多的。

这些力、势能都可以用经典力学的观点做定性的了解。当然经典力学得到的观点,不完全正确,量子力学、量子化学的观点更为可靠。中学化学部分地采用了量子观点,所以,化学上讲述化学键,跟物理上讲述分子力、分子势能,措辞有一些差异。

化学能和热能

有几种方式可以定义化学能和热能

一,分子内的原子离子之间的作用力相关的势能以及原子离子的动能称为化学能。分子之间作用力相关的势能以及分子动能称为热能。

二,分子内的原子离子之间的作用力相关的势能称为化学能。分子之间作用力相关的势能以及分子原子离子动能称为热能。

由于分子概念不是普遍地适用,这两个定义,都不会完全令人满意。氯化钠晶体受热时,变化的是化学能还是热能还是二者?有以上任一定义,都不能给出简单的回答。细节就不展开讲了,如果容易讲述,教科书也不至于忽略这个问题。

刚才讲到理论上区别化学能和热能有困难。还有一层困难是:测量上往往无法区分分子内力势能的变化和分子间力势能的变化,无法区分分子动能和分子势能的变化。能测量的是分子内力势能、分子间力势能、分子原子离子动能三者总的变化。

还有一点,按经典力学的观点分子原子离子的动能和势能都是可以连续变化的,可以彼此独立变化的,而按照更可靠的量子理论,不是这样。

因此物理上并没有正式地阐述化学能和热能两个概念,而是正式阐述内能概念,尽可能使用内能概念。内能是分子原子离子势能跟动能的总和(剔除宏观动能和势能)。内能还可以包括原子核内部的能量。

但是,在定性描述时,如果总是使用内能变化表述,会显得笼统,还是需要使用化学能变化、热能变化这样的表述,尽管这种表述不可避免地包含模糊之处。所以用一些文字叙述这两个概念,还是值得的。

化学能的大小

化学键涉及的两个粒子,相距比较远时相互作用力表现为引力,比较近时表现为排斥力。两个粒子在r0附近振动。具有动能和势能。相比粒子自由状态,势能为负值,动能与势能之和也为负值。

按上述化学能第一定义,分子内粒子的动能与势能之和,就是化学能。可以说化学能是负值,至少可以说,分子的化学能比其组分处于自由状态时的化学能要低。

4个氢原子+2个氧原子→2个氢分子+1个氧分子

4个氢原子+2个氧原子→2个水分子

上述两个反应,反应后的化学能都低于反应前。两个反应释放的能量不等,2个氢分子和1个氧分子的化学能,不等于2个水分子的化学能。低于零的化学能,仍然有大小之分。较低化学能的物质变为更低化学能的物质的过程,会有化学能释放出来:

2个氢分子+1个氧分子→2个水分子

这个过程,放热,由此推断,系统化学能减少,部分化学能释放出来转化为热能。

一般来说高化学能的反应物生成低化学能的产物,化学能减少,转化为热能;化学能较低的物质生成化学能较高的物质,化学能增加,由别的能量转化而来。实验室中,第一种反应容易发生,第二种反应难于发生,低化学能的物质较为稳定。植物光合作用,发生第二种反应,光能转化为化学能。

键能

氢原子跟氢原子结合生成氢分子会释放能量,氢分子分解为氢原子要吸收能量。吸收或放出的能量(算术值,正值)称为键能。化学能较低的分子,键能较高。键能较高,意味着化学能较低。键能这种定义,跟原子核结合能相似。化学上键能概念频繁使用,化学能概念较少使用。一个原因与方便和习惯有关,第二个原因是,化学能无法严格定义。

energy-chemical.txt · Last modified: 2018/05/20 15:01 by minglang