追求科學(xué)、真實、全面的教學(xué)
——“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”教學(xué)及反思

褚幼萍

（浙江蒼南中學(xué)　浙江　溫州　325800）

追求科學(xué)、真實、全面的教學(xué)
——“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”教學(xué)及反思

褚幼萍

（浙江蒼南中學(xué)浙江溫州325800）

展現(xiàn)“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”的真實內(nèi)涵和深遠意義，追求課堂教學(xué)的科學(xué)化、真實化和整體化。

熱效應(yīng)；焓變；熱化學(xué)方程式；蓋斯定律；實驗測定

一、教學(xué)背景

作為一名中學(xué)化學(xué)教師，教給學(xué)生真實的、科學(xué)的、較為全面的化學(xué)知識，應(yīng)當是最起碼的要求。高中化學(xué)，有一些知識本身比較復(fù)雜，如果教師缺乏研究，將知識簡單化、絕對化，那么帶給學(xué)生的將會是偽科學(xué)，會讓學(xué)生混淆了化學(xué)的本質(zhì)，曲解了化學(xué)的內(nèi)涵，丟失了化學(xué)的精神。長此以往，習(xí)得的化學(xué)知識對學(xué)生沒有任何幫助，更別指望學(xué)生今后能推動化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”是蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》中第一章第一單元的內(nèi)容。這部分內(nèi)容屬于熱化學(xué)范疇的知識，后者是物理化學(xué)中的一個小分支。由于教材、各種教輔資料和教師本身的原因，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)后，理解上存在一些缺陷:①焓變就是熱量，焓變小于零，就說明反應(yīng)放熱，反之吸熱；②焓變可以通過化學(xué)鍵能計算出精確值，實驗測定的中和熱誤差較大；③除了焓變、熱效應(yīng)、蓋斯定律幾個空洞零散的術(shù)語外，剩下的就只有對熱化學(xué)方程式反復(fù)操練的印象，這是教師在占用學(xué)生大量時間和精力后換來的“成果”。

焓變就是指熱量嗎？只要翻閱大學(xué)教材，就會發(fā)現(xiàn)焓變只在恒溫恒壓下才能反映出一個化學(xué)反應(yīng)的熱量變化，它的物理意義與熱量相差甚遠。我們說“兩條不平行的直線一定有交點”，這是需要條件的，前提是在“同一個平面”內(nèi)。使用大部分的數(shù)學(xué)定律都離不開條件限制。物理化學(xué)本來就是建立在復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理定律基礎(chǔ)上，所以在使用各種結(jié)論時也就離不開條件的限制，若忽略了這些條件，知識就片面化了。用焓變來表征熱量是在限定條件下，并且由此延伸出來的一些公式或定律亦是有條件的，如吉布斯自由能公式的使用。還必須指出的是，這里的焓變是指在恒溫恒壓下的反應(yīng)熱，若是恒溫恒容下的反應(yīng)熱還不等于焓變呢（等于體系熱力學(xué)能的變化）。我們高中的中和熱實驗測定條件可以看成是恒溫恒壓，而大學(xué)里的量熱計測定則是恒溫恒容的條件。

大部分教師在關(guān)于焓變計算的教學(xué)時，能夠把公式講得頭頭是道，而且利用化學(xué)鍵能計算焓變的習(xí)題日日充斥于市，這無形中放大了理論計算法的意義，讓學(xué)生不對它根深蒂固都難。但學(xué)生在不斷熟練這些計算題的過程中，并沒有對化學(xué)鍵能與焓變的關(guān)系更清晰，反而是加深了“化學(xué)鍵能可以獲得焓變精確值”的誤會。再加上類似于中和熱實驗的誤差分析題，且不說出現(xiàn)頻率高，還有很多時候是一些不接地氣的實驗數(shù)據(jù)，誤差離譜。這些都時刻“提醒”學(xué)生通過實驗測定得到的數(shù)據(jù)不靠譜。教師在教學(xué)中也未澄清實驗存在誤差的必然性與合理性，讓學(xué)生更加不信任實驗測定結(jié)果，轉(zhuǎn)而堅信通過計算獲得焓變才是正道。事實上，無論是哪本大學(xué)教材，在說明用化學(xué)鍵能來計算焓變時，都有斗大的兩個字注明——“估算”。我們且不說化學(xué)鍵能的數(shù)據(jù)本身就不是精確值，根據(jù)過渡態(tài)理論，我們也可以作出判斷，有些反應(yīng)并沒有完全斷鍵，而是經(jīng)由過渡態(tài)就直接轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。如若用化學(xué)鍵能代入計算，豈不亂套？高中教材在闡述氫氣與氧氣反應(yīng)生成水時，圖像中描繪出斷鍵和成鍵的過程，但我們不能誤以為這一規(guī)律是放之四海而皆準的，那就以偏概全了?；瘜W(xué)本來就是不完全歸納的，它是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。當初熱化學(xué)的建立就是在實驗測量的基礎(chǔ)上。在布拉格和拉瓦錫等人測定化學(xué)反應(yīng)熱時，碰撞理論都還未公布于世呢?？茖W(xué)家們先是測定獲得了各種反應(yīng)的熱效應(yīng)，為了解釋這些現(xiàn)象，再利用數(shù)學(xué)、物理定律進行分析歸納而發(fā)展演變成如今的熱化學(xué)。包括蓋斯定量的建立亦是如此。并且蓋斯定律只有經(jīng)科學(xué)研究驗證其正確后，才能得以應(yīng)用。化學(xué)教學(xué)中，如果過分強調(diào)理論而忽視實驗，那只會黑白顛倒，是非混淆，而且從某種層次上說，是擯棄人類文化精髓的一種行為。

“化學(xué)反應(yīng)中熱量變化”這一節(jié)內(nèi)容要留給學(xué)生的難道就只有熱化學(xué)方程式的那點操練嗎？蓋斯定律的學(xué)習(xí)純粹只是為了組合拼湊再單純計算嗎？圍繞著這些所謂考點，展開爭分奪秒的強化訓(xùn)練，結(jié)果是學(xué)生記住了書寫和計算規(guī)則，但犧牲了學(xué)科思想，丟棄了學(xué)科素養(yǎng)，扼殺了學(xué)習(xí)興趣?？v使一個學(xué)生能熟練書寫運算，卻沒有真正理解與人類社會發(fā)展息息相關(guān)的反應(yīng)熱的意義，也不會解決與反應(yīng)熱有關(guān)的實際問題，即使他把熱化學(xué)方程式倒背如流，又有何意義？這種在狹窄園地里的“精耕細作”，是禁錮學(xué)生思想的樊籬，會阻礙學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，是迫使學(xué)科教育走向死胡同的元兇。

熱化學(xué)方程式的真正意義何在？它僅僅是一種化學(xué)符號，是為了表征反應(yīng)過程能量變化的式子，它背后的反應(yīng)熱才是人類真正關(guān)注的焦點。人類從遠古時期開始就利用火來獲取能量，在漫長的進化過程中，隨著人類的不懈努力，人們認識到化學(xué)運動與熱運動之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，燒柴取暖、制陶冶金就是對它的早期應(yīng)用。在這之后人類進一步掌握了越來越多的能源使用，并著手探究反應(yīng)的本質(zhì)，初步嘗試建立一些合理的結(jié)論，不斷接近現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因。而熱化學(xué)方程式只是在這個過程中出現(xiàn)的一種符號，是科學(xué)家為了表達某些科學(xué)結(jié)論而建立的一種隸屬于化學(xué)的語言，它凝結(jié)著人類智慧的結(jié)晶?；瘜W(xué)變化永遠與能量相伴，沒有能量的核算，化學(xué)不可能有實際價值。我們透過熱化學(xué)方程式，可以更科學(xué)合理地利用資源，更有效準確地預(yù)算一些反應(yīng)的熱效應(yīng)。這樣來認識熱化學(xué)方程式，才是回歸化學(xué)學(xué)科的本來面目和邏輯線索，才是真正培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思想和學(xué)科能力。

綜上所述，在反應(yīng)熱教學(xué)中普遍存在一些問題。如何才能科學(xué)、真實、較為全面地進行“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”教學(xué)呢？筆者認為，教師需要站在歷史的天空下、時代的背景中，宏觀條理地把握知識線索、嚴謹妥善地處理關(guān)鍵細節(jié)，系統(tǒng)完整地建構(gòu)起知識網(wǎng)絡(luò)。事實上，本節(jié)課需要濃墨重彩的就三個問題:反應(yīng)熱的測定；熱化學(xué)方程式的分析；熱效應(yīng)的本質(zhì)原因。筆者嘗試從歷史發(fā)展的視角解讀本節(jié)課，讓“熱化學(xué)”沿著歷史的足跡，從遠古時期走來，步入今日社會，讓一些事件和概念逐漸顯現(xiàn)，逐漸清晰、逐漸延伸，也讓“反應(yīng)熱”沿著學(xué)生的生涯，繼續(xù)邁向未來。

二、教學(xué)思路

環(huán)節(jié)一：人類征服自然的歷史篇章

人類社會最早使用的自然力就是火。一般認為，人類學(xué)會用火是化學(xué)史的開端。火是物質(zhì)燃燒時表現(xiàn)出來的一種化學(xué)現(xiàn)象，是物質(zhì)發(fā)生激烈氧化的一種化學(xué)運動。在原子能出現(xiàn)之前，物質(zhì)的燃燒一直是人們獲取能量的基本途徑?；疬€為實現(xiàn)一系列化學(xué)變化提供了條件，比如，古代人類就發(fā)現(xiàn)用火可以窯制出陶瓷、玻璃等，還可以在炭火中“燒烤”出各種金屬。所以，火除了是人類征服自然的手段外，還是促進化學(xué)學(xué)科發(fā)展的渠道。

但在化學(xué)成為一門獨立的學(xué)科之前，人們的研究更多地局限于那些天然能夠獲得的物質(zhì)。對于古人來說，炭和硫磺是自然界存在的僅有的兩種固態(tài)非金屬單質(zhì)，所以黑火藥較早就走進華夏文化圈也是情理之中?；鹚幍谋ㄡ尫懦龃罅康臒幔捎糜谡ㄊ_山。它的發(fā)明使人類在征服自然的過程中有了全新的手段，它在某種意義上還促進了人類對獲取能量的探索，加快了尋找其他能源的步伐。這些其實就是熱化學(xué)的早期狀態(tài)。在近代，熱化學(xué)的研究對象，仍然是圍繞著一些常見易得的燃料。當今世界，化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量依舊是日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要能量的主要來源，這使熱化學(xué)的發(fā)展動態(tài)始終離不開人們關(guān)注的視線。

由于生產(chǎn)的進步，人類社會對能源的需求日益增加，于是在十八世紀初有了類似蒸汽機的機械。為了提高熱機的使用效率，科學(xué)家積極投入能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的研究，于是以熱力學(xué)第一定律和第二定律為基礎(chǔ)的化學(xué)熱力學(xué)建立和發(fā)展起來了。把熱力學(xué)第一定律具體應(yīng)用到化學(xué)反應(yīng)上，討論和計算化學(xué)反應(yīng)的熱量變化問題，便是熱化學(xué)。熱力學(xué)第一定律的建立及相關(guān)討論最初是在生物學(xué)領(lǐng)域，是關(guān)于化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)化。拉瓦錫就曾說過:動物呼吸所產(chǎn)生的熱與CO2之間的比例大致與蠟燭燃燒過程中產(chǎn)生的熱與CO2之間的比例是相當?shù)?。李比希說:動物的發(fā)熱與機械活動從根本上說都來源于食物的燃燒。這兩位化學(xué)家不僅在超前地應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，而且事實上已經(jīng)開始了關(guān)于熱化學(xué)問題的思考。隨著人類社會越來越依賴能源，人們也逐步開始著手關(guān)于化學(xué)反應(yīng)的一些本質(zhì)問題的研究:為什么火能促進一些反應(yīng)的發(fā)生？為什么有些反應(yīng)釋放能量，有些反應(yīng)卻是吸收能量？能量的多少與什么有關(guān)？能量從何而來，又去之何方？

以上談?wù)摰膬?nèi)容其實就是本節(jié)課的價值所在。有重大意義才會有學(xué)習(xí)的必要性和內(nèi)驅(qū)力。事實上，讓學(xué)生適當多了解一部分資料，本質(zhì)上是有利于學(xué)生接受新知的。這符合“有意義學(xué)習(xí)”理論。奧蘇貝爾認為，“通常，由于概念自身有其賴以形成的途徑，所以不可避免的是，要習(xí)得特定的概念，就需要有豐富的相關(guān)經(jīng)驗背景?！彼?，學(xué)生的視野擴大了，背景經(jīng)驗豐富了，認知結(jié)構(gòu)也會得到相應(yīng)優(yōu)化，接受能力、解決能力、創(chuàng)新能力都會提高，對新知的接受和整合也就更容易更有效。

接下來需要整理幾個概念:

（1）能量:做功或使之發(fā)生的能力。能量的形式很多，熟悉的有熱能、光能、聲能、電能；另外還有化學(xué)能、核能、勢能和動能。這些能可以從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式。比如，燃料在氧化反應(yīng)中就可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能、機械能或者其他能。化學(xué)反應(yīng)中的能量變化并不等同于化學(xué)反應(yīng)中熱量的變化，它同時還可以轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。

（2）化學(xué)熱力學(xué):是專門研究能量相互轉(zhuǎn)變過程中所遵循法則的一門科學(xué)。它的主要基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。

（3）熱化學(xué):研究化學(xué)變化中與熱效應(yīng)有關(guān)的規(guī)律或者說利用熱力學(xué)定律研究化學(xué)反應(yīng)中熱量變化問題的學(xué)科。

（4）反應(yīng)熱:在無非體積功的體系中，反應(yīng)物與生成物溫度相同時，一個化學(xué)反應(yīng)的熱量變化。當體系是恒容時，反應(yīng)熱數(shù)值上等于熱力學(xué)能的變化；當體系是恒壓時，反應(yīng)熱值即為焓變。

（5）焓變:在無非體積功的體系中，恒溫恒壓條件下，反應(yīng)過程吸收或釋放的熱量。由于我們的反應(yīng)體系通常是在恒壓條件下進行的，故我們討論更多的是恒壓反應(yīng)熱。所以沒有特殊說明，反應(yīng)熱通常指焓變。

教師自身需要深入分析和整理上述概念的內(nèi)涵及外延，才能高屋建瓴地組織教學(xué)。上述概念其實并不難，學(xué)生在物理或生物學(xué)科中或多或少都有所涉及。所以，再從化學(xué)視角去闡述這些概念是有必要的。高二的學(xué)生有能力從多角度、多層次、全方位地去理解這些概念，促成不同學(xué)科知識的融會貫通和自身知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提升。在這里雖然無需向?qū)W生具體交代焓變的復(fù)雜由來過程，但至少應(yīng)讓學(xué)生知道焓變不等同于熱量，它只是在某種條件下能反映出熱量變化。焓變與熱量的關(guān)系，其實以前類似的例子我們學(xué)過，摩爾質(zhì)量和相對原子量。

背景和大概念的輪廓已基本形成，接下來就需要深入細節(jié)分析。先是反應(yīng)熱的測定。從化學(xué)發(fā)展史看，熱化學(xué)研究是從實驗測量開始的。熱的量度最早開始于布拉克和他學(xué)生。1756年，他們測定了水的汽化能。拉瓦錫和拉普拉斯可以說是測定化學(xué)反應(yīng)熱的開創(chuàng)者。他們在1783年共同測定并發(fā)表了炭的燃燒熱，相當于-431.59kJ·mol-1，而現(xiàn)代的精確值是-393.51 kJ·mol-1，在當時的條件下，他們的工作應(yīng)該說是相當出色的。1836年，蓋斯研究測定了大量化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，提出了“總能量恒定定律”，該定律于1840年才公布于世。1881年巴黎的化學(xué)家貝特羅發(fā)明了一種彈式量熱計，精確測定了一系列有機化合物的燃燒熱。這種量熱計一直沿用至今。事實上，任何化學(xué)定律的第一手材料本質(zhì)上都是實驗數(shù)據(jù)，實驗是隸屬于化學(xué)學(xué)科的語言。人類總是先認識到一些自然現(xiàn)象，定性地感受它表觀的變化，再深入思考變化的規(guī)律，這就上升到定量階段。于是各種科學(xué)實驗和科學(xué)定律就相應(yīng)產(chǎn)生了。反應(yīng)熱的教學(xué)也可以從實驗測量開始。

教學(xué)中帶領(lǐng)學(xué)生沿著科學(xué)家的路線，研究測定一番反應(yīng)熱。本節(jié)課要測定的是中和反應(yīng)的熱效應(yīng)。這是一個簡易的量熱裝置，內(nèi)外有兩個燒杯，中間填充了隔熱材料，并配有溫度計和環(huán)形攪拌器。加入反應(yīng)物，通過測定反應(yīng)前后溫度差，就能獲得過程中的熱量變化。需要作個近似處理，假設(shè)混合后溶液體積為起始兩種溶液的加和，混合溶液的密度和比熱容約等于純水（這是實驗誤差來源的一部分，也說明了誤差存在的合理性），那么只要準確測定前后溫度差，就可以代入公式（Q=mcΔt）獲得熱量變化。整個反應(yīng)裝置是處在恒壓條件下，故我們測出的反應(yīng)熱便是焓變值。如果反應(yīng)體系為強酸、強堿，且無需考慮其他熱效應(yīng)，那么反應(yīng)生成1摩爾水所對應(yīng)的焓變便是中和熱。如果體系生成的是2摩爾水，中和熱如何計算？簡單，ΔH=Q/2。再如果是0.2摩爾的水呢？同理，ΔH=Q/ 0.2。這樣，我們很容易得出:ΔH=mcΔt/n。公式和計算其實都很熟悉，并不難，根本不需要煞有介事地去進行所謂探究，更不需要故弄玄虛去設(shè)置一些無厘頭的數(shù)據(jù)，無端增加計算難度。這些都只是在鉆研形式，而不是內(nèi)容。形式只是芍藥，內(nèi)容才是牡丹。量熱實驗的關(guān)鍵是要講清楚實驗?zāi)康暮筒僮?，才有化學(xué)味。那么中和熱實驗的目的是什么？是為了測定反應(yīng)熱。獲得熱量的直接數(shù)據(jù)是什么？是溫度。那么，如何保存熱量以及合理準確地記錄始末溫度就成了核心問題。圍繞這個問題，學(xué)生在實驗過程中，就會有意識地觀察實驗裝置并思考自己的一系列操作對實驗結(jié)果的影響，于是各種誤差分析便水到渠成了。當學(xué)生不斷分析自己的操作失誤以及相應(yīng)誤差時，嚴謹細致的實驗態(tài)度和實事求是的科學(xué)精神便會植入到他們的頭腦中。這樣的教學(xué)才是潤物細無聲地在傳遞善于觀察、善于思考的習(xí)慣。學(xué)習(xí)本來就應(yīng)該像呼吸一樣自然。筆者在這里還建議教材增加測定其他反應(yīng)熱的實驗，較好的素材有“食品熱量的測定”，可以利用易拉罐來測定核桃、糖果等食品的燃燒熱，以調(diào)動學(xué)生的生活經(jīng)驗和學(xué)習(xí)興趣。

環(huán)節(jié)二：當代社會的知識財富和自然資源

漫長的人類歷史發(fā)展留給我們當今社會的是什么呢？無限的知識財富和有限的自然資源。我們當今教育需要傳承什么？批判地繼承知識與合理地利用資源。以“熱化學(xué)方程式”的教學(xué)為例，我們需要看到它的來龍去脈。教學(xué)可以從熱化學(xué)方程式的產(chǎn)生開始。

除了上述提到的中和熱，科學(xué)家還測定了許多反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)，比如有燃燒熱，還有物質(zhì)的生成熱、溶解熱、離子生成熱。下表羅列的是一些物質(zhì)的燃燒熱。

表1　一些物質(zhì)的標準燃燒熱（25℃）

從表格中可以看出，燃燒熱是在25℃、101kPa時的焓變，是1摩爾燃料完全燃燒釋放出的熱量。什么是完全燃燒？那自然是指碳要燒成二氧化碳，而不是一氧化碳。追求完全燃燒，是人類能夠充分有效使用地球上有限資源的手段。當然不同的凝聚態(tài)，對應(yīng)的能量不同，燃燒熱通常是對應(yīng)穩(wěn)定的生成物，如，生成液態(tài)水比氣態(tài)水釋放的熱量就要多，所以標明物質(zhì)狀態(tài)也就成為必然要求。我們會發(fā)現(xiàn)不同的物質(zhì)燃燒熱是不同的，這樣我們就有必要去區(qū)別表征，這可以為比較誰更經(jīng)濟實惠提供參考?；瘜W(xué)學(xué)科的特色本來就是宏觀看現(xiàn)象，微觀找原因，符號去表征。結(jié)合必修二的學(xué)習(xí)，以H2和CO為例，它們的燃燒熱方程式為:

解讀這兩條熱化學(xué)方程式，會發(fā)現(xiàn)二者的燃燒熱比較接近。但是如果按照單位質(zhì)量來換算燃料的熱量，那氫氣顯然要大得多，約為后者的14倍。單位質(zhì)量的物質(zhì)完全燃燒所釋放的熱量便是熱值。對于氣體來說，我們考慮更多的是體積或者說物質(zhì)的量，西氣東輸時我們主要考慮氣態(tài)燃料的燃燒熱。若是液態(tài)或固態(tài)燃料，我們還會關(guān)注它們的熱值。常說流的是油，堆的是煤。石油的熱值約為48kJ·g-1，煤炭（分煙煤和無煙煤）的熱值約為33kJ·g-1。下表列出了一些常見燃料的熱值。另外，很多食品包裝袋上都標明了食品的熱量。其中，在人體所需的三種主要營養(yǎng)物質(zhì)中脂肪的熱值是最高的。

表2　幾種燃料的熱值（25℃）

熱化學(xué)是從宏觀角度研究能量變化，那么它的符號，熱化學(xué)方程式，肯定也是從宏觀角度說明反應(yīng)熱，這是它與化學(xué)方程式的不同之處。熱化學(xué)方程式中的微?；締卧獢?shù)是NA，那么自然允許計量數(shù)以分數(shù)形式出現(xiàn)，如1/2O2，代表的是1/2mol O2。還要說明的是，熱化學(xué)方程式中的計量數(shù)代表的是反應(yīng)物的特定組合，比如，下面兩條熱化學(xué)方程式:

第一條表示的是按照1mol氫氣和1/2 mol氧氣的比例進行反應(yīng)，而第二條的單元組合是2mol氫氣和1mol氧氣。既然是不同量的反應(yīng)物，那么反應(yīng)熱肯定是不同的，熱化學(xué)方程式中的焓變也就要發(fā)生變化。第一條對應(yīng)的焓變?yōu)?285.6 kJ·mol-1，當反應(yīng)物的單元組合變成兩倍時，第二條的焓變肯定也就是其兩倍。至于焓變的單位，是不會改變的，這跟其他物理量的單位是一樣的。如，長度的單位:米，并不會因為長度數(shù)值的變化而變化。焓變的單位最初規(guī)定為kJ· mol-1，表示摩爾反應(yīng)的熱值。

為什么要交代這些？我相信許多教師在講解熱化學(xué)方程式含義的時候，都被學(xué)生逼問過:1mol燃料的焓變是kJ·mol-1，2mol還是kJ·mol-1。系數(shù)和數(shù)值分明都在變，怎么意義看起來還是千焦每摩爾？所以，在教學(xué)中，如果僅僅告訴學(xué)生焓變與系數(shù)成正比、系數(shù)可以是分數(shù)、狀態(tài)一定要標明，而沒講清楚這其中的緣由，那是無法消除學(xué)生心中的疑問的，也無法讓學(xué)生對知識產(chǎn)生信任感。這種簡單告知，只會是白開水一杯，淡而無味。

熱化學(xué)方程式的第三層含義便是用來計算一些難以測定反應(yīng)的焓變，這也是蓋斯定律的應(yīng)用。焓變跟“位移”有點類似，只與始末態(tài)有關(guān)，而與具體途徑無關(guān)。我們知道，并不是所有化學(xué)變化的熱效應(yīng)都能夠用實驗來測定。有的反應(yīng)進行太慢，需要時間太長，顯然會由于熱量散失而使實驗值不準確。有些反應(yīng)難以進行或者難以進行到底，那就無法測得反應(yīng)的真實焓變。借助蓋斯定律，可以從一些已知的反應(yīng)熱間接求得未知反應(yīng)的焓變。當然，人類研究反應(yīng)熱的意義本身是為了獲得一些常見的、有價值的反應(yīng)的熱效應(yīng)，所以利用蓋斯定律去解決的肯定也是針對一些有實際意義或者應(yīng)用前景的化學(xué)反應(yīng)，這才會讓知識產(chǎn)生新的價值。如果是為了使用蓋斯定律而去研究一些低檔次的編造痕跡畢露的考題，那么蓋斯定律也就失去它的價值了。當然除了能用蓋斯定律來計算外，還可以通過已知物質(zhì)的摩爾生成熱、溶解熱等來計算一些反應(yīng)的焓變。

在化學(xué)熱力學(xué)蓬勃發(fā)展的同時，化學(xué)動力學(xué)也逐步興起?；瘜W(xué)熱力學(xué)是從宏觀上研究化學(xué)過程的始末狀態(tài)，它不關(guān)注過程，也不考慮時間因素。與之相反，化學(xué)動力學(xué)則研究具體過程的影響因素和實際進程。借助化學(xué)動力學(xué)可以解釋熱力學(xué)的一些問題，如，為什么反應(yīng)過程中會有能量的變化。隨著“碰撞理論”、“過渡態(tài)”的提出，人們總結(jié)出化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的生成?？茖W(xué)家嘗試用這一理論來揭示反應(yīng)熱的本質(zhì)。下面以2H2（g）+ O2（g）=2H2O（l）ΔH=-571.6 kJ·mol-1為例，進行說明。

圖1　反應(yīng)2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）的能量變化示意圖

圖1再次給學(xué)生呈現(xiàn)了不同狀態(tài)的物質(zhì)對應(yīng)不同焓變的情形。在必修二中我們介紹過，H2、O2吸收了熱量變成了H、O，這是斷鍵過程，而H和O又生成了新鍵，這是釋放能量的過程。整個反應(yīng)吸收與釋放能量的差值便是焓變。如果我們用鍵能數(shù)據(jù)，則可以估算過程的反應(yīng)熱。《化學(xué)反應(yīng)原理》的教材里還舉了一個例子，1mol N2（g）與1mol O2（g）生成2mol NO（g）時吸收182.6kJ的熱量。利用鍵能代入計算，分析結(jié)果與實驗測定結(jié)果很接近，這驗證了化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的斷裂和形成是反應(yīng)過程中有能量變化的本質(zhì)原因。

為什么是估算？先來看化學(xué)鍵能的含義。在熱力學(xué)中，鍵能是指打斷各種氣態(tài)化合物中同一種鍵生成氣態(tài)原子所需能量的平均值。不同化合物中，同一化學(xué)鍵的鍵能未必相同。如，水中和乙醇中的O-H鍵的鍵能就不相等，而且反應(yīng)物及生成物的狀態(tài)也未必能滿足定義鍵能的條件。因而由鍵能求得的反應(yīng)熱不能代替精確的熱力學(xué)計算和實驗的測量值。同時我們還要避免上述理論的絕對化，并不是所有反應(yīng)的焓變都適合于套用鍵能公式。

由圖1也可以看到，反應(yīng)釋放的熱量大于反應(yīng)吸收的熱量，這使反應(yīng)總結(jié)果是放熱的?？梢越栌孟旅娣匠淌叫蜗蟮卣f明:

2H2（g）+O2（g）+少量能量——2H2O（l）+大量能量

剛開始外界提供的總能量是使部分H2和O2的共價鍵斷裂，H、O再結(jié)合成H2O時會釋放出大量能量，此能量足夠斷裂剩余H2和O2的共價鍵，整個過程凈能量以熱量的形式釋放出來。反過來，思考它的逆過程，則為吸熱反應(yīng)。所有的吸熱反應(yīng)，都以凈能量的吸收為判斷依據(jù)。以碳酸鈣的分解為例，只要提供熱量，此化合物不斷分解，一旦移除熱源，反應(yīng)立即停止，該反應(yīng)需要凈熱量，或者說生成新鍵釋放的能量不足以供斷鍵所用。

從圖1中我們還可以得到熱化學(xué)方程式的第四層含義:生成物與反應(yīng)物的能量差即為焓變，這也是反應(yīng)存在熱效應(yīng)的根本原因。若一個反應(yīng)從能量高的物質(zhì)變成能量低的，則是放熱反應(yīng)，這樣的反應(yīng)往往比較容易自發(fā)進行，因為它符合“能量最低”原則。如，金屬鈉和氯氣單質(zhì)，都具有高能量，二者會劇烈反應(yīng)，并且轉(zhuǎn)變成兩種低能量的穩(wěn)定態(tài)離子。

一個反應(yīng)的焓變與開啟該反應(yīng)的引發(fā)能量和反應(yīng)速率是否有關(guān)？若要講清楚這個問題，就要牽涉到活化能，要利用化學(xué)動力學(xué)理論來揭示熱化學(xué)現(xiàn)象。但有些教師認為，活化能是后面章節(jié)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在此無需交代或者只需簡單提及即可。這樣教學(xué)反而囫圇吞棗，不清不楚。筆者認為，既然已經(jīng)涉及到并且有必要，不如把它“揪”出來，好好認識一下。事實上，將活化能整合到這里，更能體現(xiàn)完整的學(xué)科思想。學(xué)生聽起來也會更舒暢，更通透。所以，教學(xué)有些時候改下劇本，可以讓學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)體驗。

圖2反應(yīng)過程的能量變化示意圖

圖2是反應(yīng)過程能量升高和降低的變化軌跡。上升的曲線代表的是開啟一個反應(yīng)所需的能量，稱為活化能（E1）。反應(yīng)物只有具備了這個能量，才可以繼續(xù)發(fā)生后面的斷鍵變化。下降的曲線表示的是生成新的化合物所釋放出的能量。顯然，逆反應(yīng)也需要活化能（E1），而且對于放熱反應(yīng)，它要大于正反應(yīng)的活化能。這樣要引發(fā)逆反應(yīng)就需要更多的能量。無論反應(yīng)是吸熱還是放熱，引發(fā)反應(yīng)都需要活化能。如果一個反應(yīng)的活化能低，該反應(yīng)就比較容易進行，如氫氣和氧氣只需提供極少的能量，如一個小火星，反應(yīng)就能持續(xù)進行。有時候反應(yīng)的活化能很低，甚至不需要加熱或點燃條件就能發(fā)生，并且速率一般都較快，如中和反應(yīng)。而若活化能高，那么促發(fā)反應(yīng)就需要借助一定的條件，并且若反應(yīng)釋放的熱量不足以彌補活化能，則反應(yīng)就需要持續(xù)加熱，即為吸熱反應(yīng)，且該反應(yīng)的速率相應(yīng)會慢。所以，活化能本質(zhì)上關(guān)系到反應(yīng)的熱效應(yīng)和反應(yīng)速率。

活化能與整個人類的生存發(fā)展也是息息相關(guān)的。我們知道自然界中存在著許多天然的能源，如石油和天然氣，它們是由幾百萬年前的植物和其他有機物轉(zhuǎn)化而來的。這些化石燃料在燃燒過程中可以釋放出大量的熱。然而，化石燃料不會自動燃燒，通常需要外加能量才能發(fā)生。促使燃料發(fā)生燃燒的最低能量正是活化能。所以，活化能實質(zhì)上是自然界為保護地球上有限能源所設(shè)定的密碼。如今已被人類所破譯，解碼就是:點燃。但是，在人類打開通往巨大能量大門的同時，也親手開啟了地下的魔盒:各種化石能源逐漸面臨枯竭，環(huán)境污染日益加劇，地球正在經(jīng)受前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)。活化能還賦予了我們科學(xué)對待化學(xué)物質(zhì)的智慧。如，一些物質(zhì)發(fā)生燃燒反應(yīng)的活化能低，我們就要注意防范火災(zāi)，控制它的保存條件；若活化能很高，且熔沸點也高，該物質(zhì)有望成為耐火材料。

當認識到活化能高會導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢時，人類開始思考如何提高反應(yīng)速率，這就開始了尋找催化劑的漫長歷程。催化劑改變反應(yīng)速率的機理可以用下圖來表示。

圖3　加入催化劑前后的能量變化示意圖

由圖3可以看出，催化劑是通過降低活化能，達到加快反應(yīng)速率的目的。所以，催化劑是反應(yīng)物走向目標的向?qū)?，本來反?yīng)過程有一座或多座高山要爬，催化劑在迷津處擺渡一條近道或一道緩坡便將反應(yīng)物以最快速度送到了山的那邊。在圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，催化劑并沒有改變反應(yīng)的焓變，因為反應(yīng)物與生成物的能量差并未受到影響。

當然，學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)時將會更深入地認識活化能和催化劑影響反應(yīng)速率的機理，而且將會知道活化能實際上小于化學(xué)鍵能。但在這里，我們提前請出活化能和催化劑，為的是讓學(xué)生更好地看清反應(yīng)熱的全貌，建構(gòu)起完整的學(xué)科體系。理論上說，概念多了容易嚼不爛，但實質(zhì)上是沒有抓住“魂”，是沒有形成完整的學(xué)科思想。只有形成了完整的學(xué)科思想體系，學(xué)生才能居高臨下，在把握住主流的同時，分清每個支流的走向，梳理出它們彼此之間的相互聯(lián)系，從而豁然開朗，觸類旁通。

環(huán)節(jié)三：未來的能源問題

除了《化學(xué)反應(yīng)原理》和《必修2》外，在高中化學(xué)中，還有許多地方涉及到熱化學(xué)的內(nèi)容。在學(xué)習(xí)《必修1》的元素化合物時，我們常常在描述實驗現(xiàn)象時會說:……，放出大量的熱，……；在《有機化學(xué)基礎(chǔ)》中，我們借助“氫化能”來說明苯分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；在《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中，我們接觸到了電離能、鍵能，這些數(shù)據(jù)都與熱化學(xué)密切相關(guān)；在《化學(xué)與技術(shù)》中，我們會面臨吸放熱兩種不同類型反應(yīng)的熱交換問題；在《實驗化學(xué)》中，我們感受到了鋁熱反應(yīng)釋放出的大量熱及其應(yīng)用；在生物化學(xué)中，學(xué)生懂得了人體通過不斷攝入物質(zhì)獲取能量，同時又釋放能量，維持恒溫；在用物理思維分析化學(xué)能源時，學(xué)生將會認識到物質(zhì)不同凝聚態(tài)對應(yīng)能量的定量關(guān)系，也會進一步理解熱和運動只不過是同一種物質(zhì)的不同表現(xiàn)形式，故能量轉(zhuǎn)化始終是守恒的。教師引導(dǎo)學(xué)生梳理這些知識，能夠幫助學(xué)生建立起“大化學(xué)”的概念。

根據(jù)能量守恒定律，燃料通過燃燒反應(yīng)將化學(xué)能等量地轉(zhuǎn)變成熱能或者其他形式的能。既然是守恒的，那我們?yōu)槭裁催€要提倡節(jié)約能源呢？因為不同的能量，其品質(zhì)是不同的。比如，與電能相比，熱能的品質(zhì)就要低一些。將鋅放入稀硫酸中，不需要任何條件，它會盡情地釋放熱量，因為熱能是粗放的。但是電能不同，它比較嬌貴，需要借助一定裝置，才能生成。與化學(xué)能相比，熱能的形成條件也顯得容易多了。儲藏著豐富化學(xué)能的化石燃料，是需要經(jīng)歷上萬年才能形成，而且還與地理環(huán)境有關(guān)，所以化石燃料在整個地球上的分布是非常不均勻的。而這些化學(xué)能一旦啟用，將永久性地以廢熱增加的形式損耗掉了。所以，珍愛能源，低碳生活，從另一角度看，實質(zhì)上就是盡量減緩地球上能量品質(zhì)的降低。研究開發(fā)清潔而又用之不竭的新能源就成為人類社會重要而又迫切的任務(wù)，這也是保證人與自然和諧發(fā)展的前提。當學(xué)生在后面進一步學(xué)習(xí)反應(yīng)的自發(fā)性時，將會認識到:原來這些散發(fā)的熱量既不能回收，也不能重新利用的原因是它們已經(jīng)增大了環(huán)境中分子的隨機運動，并增加了這些分子的混亂度，隨著環(huán)境中混亂度的增大，熵值也變大，環(huán)境不能自發(fā)地恢復(fù)到熵值增加之前的狀態(tài)。所以，環(huán)境混亂度的增大，是能量利用的一個代價。這時候，學(xué)生便會恍然大悟，感受到自然學(xué)科的無窮魅力和重要價值，此時他們也將會深切地體會到人類生存與自然發(fā)展的辯證關(guān)系，心中的社會責(zé)任感油然而生，這便是整體教育的意義。

當然，反應(yīng)熱這部分內(nèi)容仍不完善，如，它存在許多反例，可以說是有些零亂、沒有“鐵律”而言，最多只有“印象”。我們只能在較為雜亂的熱效應(yīng)現(xiàn)象中尋找相對普遍性的規(guī)律。比如，我們只能說“絕大多數(shù)的化合反應(yīng)是放熱的”。另一方面，反應(yīng)熱中還有一些懸而未決的問題。比如，科學(xué)家們已經(jīng)證實了過渡態(tài)物質(zhì)的存在，那么，這些不經(jīng)歷徹底斷鍵和成鍵過程的反應(yīng)又該如何計算其熱效應(yīng)？目前化學(xué)鍵能最多只能算是一個平均值，如何規(guī)定條件或統(tǒng)一定義，獲得更規(guī)范更精確的數(shù)值？熱化學(xué)的這些復(fù)雜性體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的“年輕”和“高級”，更激勵著我們后來者繼續(xù)不斷完善。

三、教學(xué)反思

在化學(xué)學(xué)科成長的道路上，有許多東西因歲月流逝而黯淡了，有些東西卻仍然在熠熠生輝，它耀眼的光芒將會永遠定格在人類發(fā)展史冊上，在我們尋尋覓覓，不斷探索出路時，為我們照亮前行的方向，這就是學(xué)科精神，學(xué)科思維、學(xué)科觀念，也是整個人類文化的瑰寶。我想化學(xué)教師除了要講授化學(xué)知識外，還需要傳承文化，延續(xù)精神。

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”。教師只有深諳教學(xué)之道，洞悉學(xué)科內(nèi)涵，才能讓化學(xué)課堂變得和諧美妙?；瘜W(xué)課的美要體現(xiàn)在學(xué)科知識與文化的水乳交融，要體現(xiàn)在學(xué)生充足的想象力與多角度生活經(jīng)驗的調(diào)動，要體現(xiàn)在教師專業(yè)傳道與深刻育人的精彩結(jié)合。而這些美也是學(xué)生的興趣所在，它能積淀出學(xué)生的素質(zhì)，且一定能促進“應(yīng)試”。

［1］張德生.化學(xué)史簡明教程［M］.安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2013

［2］趙匡華.化學(xué)通史［M］.北京：高等教育出版社，1990

［3］北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué).無機化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2000

［4］武漢大學(xué)，吉林大學(xué).無機化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2011

［5］普利斯著，王祖浩譯.化學(xué)概念與應(yīng)用［M］.杭州：浙江教育出版社，2013

［6］鄭胤飛.文化有根課堂有魂［M］.上海：上海教育出版社，2013

1008-0546（2015）10-0053-07

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10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.019