《评优课化学反应与能量转换》课件

《评优课化学反应与能量转换》欢迎参加本次化学反应与能量转换的评优课程在我们周围的世界中，无时无刻不在进行着各种各样的化学反应，而这些反应都伴随着能量的变化与转换从我们日常生活中的烹饪到工业生产中的各种过程，从生物体内精妙的代谢到宇宙中壮观的能量释放，化学反应与能量转换无处不在本课程将带领大家深入探索化学反应中的能量变化规律，理解热力学基本原理，掌握能量计算方法，并应用这些知识分析解决实际问题通过本次学习，您将获得一套系统的能量转换分析工具，帮助您更深入地理解化学世界的运行机制课程导入能量转换本质生活中的实例学习重点化学反应本质上是物质从点燃蜡烛释放光和我们将重点探讨热力学之间的相互作用，伴随热，到电池中的化学能基本定律、焓变、熵着化学键的断裂与形转化为电能，再到我们变、自由能等概念，并成，这一过程必然涉及体内食物的能量转化为分析不同类型反应中的能量的吸收或释放能生命活动所需能量，能能量变化规律，掌握能量在不同形式之间的转量转换无处不在量计算方法换构成了化学反应的核心特征学习目标应用能力应用能量转换原理解决实际问题分析能力分析不同类型反应的能量转换过程基础掌握理解焓变、熵变、吉布斯自由能等核心概念基本认知理解化学反应中的能量变化规律通过本节课的学习，我们期望学生能够建立起完整的化学能量转换知识体系，从基础概念的理解到核心理论的掌握，再到实际应用能力的培养，形成系统的学习成果这些能力将帮助学生更好地理解自然界中的能量流动规律，为后续学习奠定坚实基础化学反应基础回顾化学键的断裂与形成物质的三态与能量化学计量学基础化学反应的本质是化学键的断裂与形成物质的固态、液态和气态之间的转换需化学反应中的能量变化与参与反应的物过程在反应物中，原有的化学键需要要能量的吸收或释放例如，冰融化为质量直接相关准确的化学计量关系是吸收能量才能断裂；而在生成物中，新水需要吸收热量，水蒸发为水蒸气也需进行能量计算的前提摩尔质量、化学的化学键形成时会释放能量反应总的要吸收热量这些过程涉及分子间作用方程式配平、反应物和生成物的量的关能量变化取决于这两个过程能量变化的力的改变，直接影响能量状态系是能量计算的基础综合效果能量与化学反应能量的定义与单位化学能与其他形式能量的转换能量是物质做功或产生热量的能力，国际单位为焦耳J在化学能可以转换为热能、光化学反应中，我们通常使用千能、电能等多种形式，反之亦焦每摩尔kJ/mol作为能量的然例如，燃烧反应将化学能计量单位，表示每摩尔物质参转换为热能和光能；而光合作与反应时的能量变化这一标用则将光能转换为化学能，储准化的表达方式便于不同反应存在葡萄糖分子中能量转换之间的能量比较的多样性是化学反应应用广泛的基础能量守恒定律的应用根据能量守恒定律，能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式在化学反应中，反应前后的总能量保持不变，但能量分布和形式会发生变化这一原理是我们分析化学反应能量变化的理论基础热力学第一定律能量守恒与转换热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的表述，它指出能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转变为另一种形式在一个封闭系统中，能量的总量始终保持不变内能概念U内能是系统内所有分子和原子所具有的动能和势能的总和它包括分子的平动能、转动能、振动能以及分子间的作用能等内能是系统的状态函数，只与系统的当前状态有关，与系统的历史变化无关公式ΔU=q+w系统内能的变化ΔU等于系统吸收的热量q与外界对系统所做的功w之和当q0时，系统吸收热量；当q0时，系统放出热量当w0时，外界对系统做功；当w0时，系统对外界做功焓变概念ΔH焓的定义焓变与化学反应焓变符号与能量流向焓H是一个热力学状态函数，定义为H在恒压条件下，化学反应的焓变ΔH等当ΔH0时，反应放热，称为放热反=U+PV，其中U是内能，P是压力，V于反应过程中系统与外界交换的热量应，如燃烧反应；当ΔH0时，反应吸是体积焓的引入使我们能够更方便地这使得我们可以通过测量反应热来直接热，称为吸热反应，如光合作用焓变处理恒压条件下的热量变化问题，这在获得反应的焓变值焓变是研究化学反的符号直接指示了能量流向负值表示化学反应中尤为重要，因为大多数化学应热效应的重要参数，广泛应用于能量能量从系统流向环境，正值表示能量从反应都在大气压下进行分析中环境流向系统焓变的测量方法数据处理与分析区分热效应类型实验获得的原始数据需要经过一系列处理才能量热法原理在测量中需明确区分恒压热效应qp和恒容热得到准确的焓变值需要考虑热损失、量热计量热法是测定化学反应焓变的主要实验方法效应qv在恒压条件下，qp=ΔH，即测得的热容、温度计校正等因素通过多次重复实验其基本原理是在绝热条件下，化学反应释放热量直接等于焓变；而在恒容条件下，qv=取平均值，应用统计方法分析误差，提高数据或吸收的热量，将全部用于改变量热计中水ΔU，测得的是内能变化对于液相反应，由于可靠性最终计算得到的焓变值通常以千焦每（或其他已知比热容的物质）的温度通过测液体体积变化小，两者差别不大；但气相反应摩尔kJ/mol为单位量温度变化，并结合水的质量和比热容，可以中，二者差异显著计算出反应的焓变标准生成焓物质标准生成焓ΔfH°kJ/molH₂Ol-

285.8CO₂g-

393.5CH₄g-

74.8C₂H₅OHl-

277.7NH₃g-

46.1标准状态是指温度为298K25°C，压力为1个标准大气压1atm或

101.325kPa的条件在这一条件下，物质的状态需明确标注，如气态g、液态l、固态s或水溶液aq标准生成焓ΔfH°是指在标准状态下，1摩尔纯物质由其组成元素的最稳定形式直接生成时的焓变元素本身最稳定形式的标准生成焓规定为零，如O₂g、N₂g、Cs，石墨等标准生成焓是计算化学反应标准焓变的重要数据，各种物质的标准生成焓值可在热力学数据手册中查到反应热的计算方法赫斯定律赫斯定律指出化学反应的焓变与反应路径无关，只取决于反应物和生成物的初终状态利用这一定律，我们可以通过已知反应的焓变计算出未知反应的焓变例如，通过将目标反应拆分为几个已知焓变的反应，键能法然后按照化学方程式的代数关系合并这些焓变键能是指在气相条件下，将1摩尔化学键完全断裂所需的能量反应焓变可通过键能计算ΔH=反应物中所有键断裂所需能量-生成物中所标准生成焓法有键形成释放的能量这种方法适用于气相反应，结果为近似值，但概念直观，有助于理解反应本质利用标准生成焓计算反应焓变的公式为ΔrH°=Σ[n×ΔfH°生成物]-Σ[m×ΔfH°反应物]，其中n和m为相应物质的计量系数这是最常用的方法，只需查找物质的标准生成焓数据即可计算各种反应的焓变，精确度高计算实例燃烧反应

890.

81367.4甲烷燃烧热kJ/mol乙烷燃烧热kJ/molCH₄g+2O₂g→CO₂g+2H₂Ol C₂H₆g+

3.5O₂g→2CO₂g+3H₂Ol

2219.2丙烷燃烧热kJ/molC₃H₈g+5O₂g→3CO₂g+4H₂Ol通过比较不同碳氢化合物的燃烧热数据，我们可以发现随着碳链长度增加，燃烧释放的热量也随之增加这与碳氢化合物分子中含有的化学键数量和类型直接相关燃烧热数据在生活中有广泛应用，如确定燃料效率、计算食物热量、设计热能装置等燃烧热的计算方法ΔcH°=Σ[n×ΔfH°燃烧产物]-Σ[m×ΔfH°燃料]以甲烷为例，将标准生成焓数据代入ΔcH°=[ΔfH°CO₂+2×ΔfH°H₂O]-ΔfH°CH₄=[-

393.5+2×-

285.8]--

74.8=-

890.3kJ/mol吸热反应与放热反应放热反应吸热反应焓变图解分析放热反应的焓变ΔH0，反应过程中释放热吸热反应的焓变ΔH0，反应过程中从周围量到周围环境中放热反应往往能自发进环境吸收热量这类反应通常需要持续供热行，如燃烧、中和、金属与酸反应等这类才能进行，如光合作用、熔化、蒸发等吸反应通常伴随温度升高、发光或其他能量释热反应常伴随温度下降现象放形式•常见例子光合作用、分解反应、溶解•常见例子燃烧、酸碱中和、金属氧化过程•能量变化系统能量减少，环境能量增•能量变化系统能量增加，环境能量减加少•产物能量低于反应物能量•产物能量高于反应物能量焓变图直观展示了反应过程中能量的变化横坐标表示反应进程，纵坐标表示系统的焓对于放热反应，图线向下；对于吸热反应，图线向上图中还可标注活化能和中间状态，帮助分析反应机理实验演示常见放热反应金属与酸反应当活泼金属如锌、镁、铁等与酸溶液反应时，会放出大量热，同时产生氢气例如Zns+2HClaq→ZnCl₂aq+H₂g，ΔH=-153kJ/mol这一反应中可观察到温度明显升高，溶液变热，同时有氢气泡产生中和反应强酸与强碱的中和反应是典型的放热反应例如HClaq+NaOHaq→NaClaq+H₂Ol，ΔH=-

57.1kJ/mol实验中可使用温度计监测反应过程中的温度变化，或添加温敏变色材料直观展示热量释放燃烧反应燃烧是最常见的放热反应，如镁带在空气中燃烧2Mgs+O₂g→2MgOs，ΔH=-1204kJ/mol燃烧过程伴随明亮的白光和大量热量释放通过对比不同物质燃烧的火焰亮度和温度变化，可分析能量释放的差异实验演示常见吸热反应光合作用是自然界中最重要的吸热反应，植物利用光能将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气6CO₂g+6H₂Ol+光能→C₆H₁₂O₆s+6O₂g，ΔH=+2802kJ/mol这一过程是地球上几乎所有生命能量的最初来源碳酸氢铵受热分解是一个明显的吸热反应NH₄HCO₃s→NH₃g+CO₂g+H₂Og，ΔH=+186kJ/mol在实验中，将碳酸氢铵放入试管加热，可观察到试管壁形成水珠，同时温度计显示温度下降某些溶解过程也是吸热的，如硝酸铵溶于水NH₄NO₃s→NH₄⁺aq+NO₃⁻aq，ΔH=+

25.7kJ/mol这一原理被应用在即时冷敷袋中挤压袋子使内部隔离的物质混合溶解，吸收热量产生降温效果化学反应速率速率与能量关系反应速率定义反应速率与反应能量密切相关一般来说，化学反应速率是指单位时间内反应物浓度的放热反应更容易进行且速率较快；而吸热反减少或生成物浓度的增加可表示为v=-应则需要不断供能才能持续进行然而，反Δ[反应物]/Δt或v=Δ[生成物]/Δt，单位通应的热效应并不是决定反应速率的唯一因常为mol/L·s素影响因素碰撞理论基础影响反应速率的主要因素包括反应物浓根据碰撞理论，化学反应发生需要反应分子度、温度、催化剂存在与否、反应物接触面有效碰撞有效碰撞需满足两个条件分子积、溶剂性质等其中温度对反应速率的影必须以足够的能量碰撞以克服活化能；分子响尤为显著，通常温度升高10℃，反应速率必须以适当的方向碰撞，使反应基团相互接可提高2-4倍触活化能概念活化能定义活化能Ea是反应发生所需的最小能量，单位为kJ/mol它是反应物分子转变为过渡态所需的能量只有具备超过活化能的能量，分子碰撞才可能导致化学反应发生能量阶梯图能量阶梯图直观展示了反应过程中能量的变化横坐标表示反应进程，纵坐标表示能量图中的能量山顶点代表过渡态，山高即为活化能放热反应的生成物能量低于反应物，而吸热反应则相反活化能与反应速率活化能与反应速率成反比关系活化能越低，反应速率越快；活化能越高，反应速率越慢这一关系可由阿伦尼乌斯方程表示k=A·e^-Ea/RT，其中k为反应速率常数，A为指前因子，T为温度，R为气体常数催化剂与活化能催化剂作用机理催化剂对能量转换的影响工业与生物催化剂对比催化剂是能够改变化学反应速率但本身催化剂不改变反应的焓变，即不影响反工业催化剂通常是过渡金属或其化合不在反应终了时发生永久性化学变化的应的热效应无论反应是否有催化剂参物，如铂、钯、镍、铁等而生物催化物质催化剂通过提供另一条活化能较与，反应前后的能量差ΔH保持不变剂主要是酶，由蛋白质组成与工业催低的反应路径，加快反应速率它参与催化剂仅影响达到这一能量状态的途化剂相比，酶具有更高的特异性和选择反应过程，形成中间产物，但最终会再径，使反应更容易越过能量障碍，但不性，在温和条件下即可高效工作，但稳生，不会在净反应中消耗改变反应的能量平衡状态定性较差，对环境条件如pH值、温度等更为敏感•改变反应路径，降低活化能•不改变反应的焓变ΔH•工业催化剂高温高压条件，稳定性•参与形成中间化合物•不影响平衡常数与平衡组成好•反应结束后恢复原状•仅加速正反应和逆反应达到平衡•生物催化剂温和条件，选择性高•两者优缺点互补，应用领域不同反应机理与能量转换基元反应与总反应大多数化学反应并非一步完成，而是由多个基元反应组成基元反应是不可再分的反应步骤，分子层面上一次碰撞即可完成总反应是所有基元反应的加和，如甲烷燃烧表面上看是一步反应，但实际包含数十个基元反应步骤理解基元反应有助于深入分析复杂反应的能量变化反应中间体的能量状态反应中间体是反应过程中形成的临时物质，不在总反应方程式中出现中间体通常处于较高的能量状态，存在时间短暂在能量图上，中间体对应各基元反应之间的相对低点某些情况下，如果中间体能量过高或过低，可能导致反应机理改变或反应难以进行决速步骤的能量障碍在多步反应中，活化能最高的那一步称为决速步骤，它决定了整个反应的速率如果降低决速步骤的活化能，就能有效提高总反应速率这一原理广泛应用于工业催化过程的优化通过对决速步骤的识别和针对性改进，可大幅提高反应效率，降低能源消耗热力学第二定律自发过程的方向性熵的概念S热力学第二定律指出自然过程总熵是衡量系统混乱程度或分子无是沿着系统熵增加的方向自发进序度的物理量，单位为行例如，热量总是从高温物体J/mol·K熵是状态函数，只与自发流向低温物体，而不会自发系统当前状态有关，与系统的历地从低温流向高温；气体总是从史变化无关熵的增加对应着系高压区域扩散到低压区域；溶质统无序度的增加，能量的分散和总是自发地从高浓度区域扩散到可利用性的降低在分子层面，低浓度区域这些过程都表现出熵增加意味着分子排列方式的可明确的方向性能性增多熵变与分子无序度当物质从有序状态变为无序状态时，熵增加例如，固体熔化为液体时熵增加，液体气化时熵进一步增加；溶解过程通常伴随熵的增加；而结晶、凝固等过程则会使熵减少在化学反应中，如果生成物分子数大于反应物分子数，熵通常会增加；反之则可能减少熵变计算与分析物质标准熵S°J/mol·KCs,石墨

5.7Cs,金刚石

2.4H₂Os

41.0H₂Ol

69.9H₂Og

188.8CO₂g

213.7标准熵是指在标准状态25°C,1atm下，物质的摩尔熵与标准生成焓不同，元素的标准熵不为零，因为任何物质在任何温度下都具有一定的无序度从表中数据可见，同一物质在不同状态下，气态＞液态＞固态；结构越紧密的固体，熵越小反应熵变的计算方法为ΔrS°=Σ[n×S°生成物]-Σ[m×S°反应物]，其中n和m为相应物质的计量系数以H₂g+½O₂g→H₂Ol为例ΔrS°=S°H₂Ol-[S°H₂g+½×S°O₂g]=

69.9-[

130.7+

0.5×

205.1]=-

163.35J/mol·K熵减少表明反应导致了系统无序度降低吉布斯自由能吉布斯自由能概念公式解析ΔG=ΔH-TΔS吉布斯自由能G是一个热力学状态反应的吉布斯自由能变化ΔG由两个因函数，定义为G=H-TS，其中H是素决定焓变ΔH和熵变ΔS焓变反焓，T是绝对温度，S是熵吉布斯自映能量的释放或吸收，熵变反映系统由能表示系统在恒温恒压条件下可以无序度的变化温度T决定了熵项用来做非体积功的最大能量，是判断TΔS在总自由能变化中的权重在低化学反应自发性的重要指标在化学温下，焓变主导反应方向；而在高温反应中，吉布斯自由能的减少是反应下，熵变的影响更为显著自发进行的驱动力与反应自发性ΔG当ΔG0时，反应在恒温恒压条件下自发进行；当ΔG=0时，反应达到平衡；当ΔG0时，反应不能自发进行，需要外界输入能量需要注意的是，ΔG只反映反应的热力学可行性，而不反映反应的速率即使ΔG为大负值，如果反应的活化能很高，反应可能仍然非常缓慢标准吉布斯自由能变化学平衡与能量平衡常数与的关系ΔG°平衡常数K与标准吉布斯自由能变ΔG°之间的关系可表示为ΔG°=-RT·lnK当温度一定时，K值越大，ΔG°越负，反应平衡状态的能量特点越容易向生成物方向进行；反之，K值越在化学平衡状态下，正反应速率等于逆小，ΔG°越正，反应越难以自发进行反应速率，系统的组成不再随时间变温度对平衡的影响化从能量角度看，平衡状态对应着系统吉布斯自由能达到最小值的状态此根据范特霍夫方程dlnK/dT=时，系统没有进一步自发变化的趋势，ΔH°/RT²，对于放热反应ΔH°0，温除非外界条件发生改变度升高使K减小，平衡向反应物方向移3动；对于吸热反应ΔH°0，温度升高使K增大，平衡向生成物方向移动这也可从勒沙特列原理理解系统总是抵抗外界变化勒沙特列原理平衡移动规律影响因素与平衡移动能量角度理解平衡移动勒沙特列原理指出如果对处于平衡状•浓度变化增加反应物浓度，平衡向从能量角度，平衡移动可理解为系统寻态的系统施加外界条件的变化，平衡会生成物方向移动；增加生成物浓度，求新的最低吉布斯自由能状态的过程向着减弱这种变化影响的方向移动这平衡向反应物方向移动当外界条件改变时，不同组成对应的吉一原理是理解和预测化学平衡移动的重布斯自由能曲线发生变化，系统会自发•压力变化对于气体反应，如果反应要指导原则，在工业生产中有广泛应向新的能量最低点移动，表现为平衡组使分子总数减少，增压有利于反应进用成的变化行；反之，减压有利利用这一原理，我们可以通过改变浓•温度变化放热反应降温有利，吸热例如，温度升高时，根据ΔG=ΔH-反应升温有利度、压力、温度等条件，使反应朝着有TΔS，熵项TΔS的贡献增大对于吸热反利的方向进行，提高目标产物的产量•催化剂催化剂不改变平衡位置，只应ΔH0,ΔS0，高温使ΔG更容易为例如，在合成氨工业中，通过提高压力能加速平衡的建立负，有利于反应向生成物方向进行，平和降低温度，可以获得更高的氨产率衡常数K增大电化学反应中的能量转换氧化还原反应电池工作原理能量转换关系电化学反应本质上是氧电池是将化学能转化为电化学反应中的能量转化还原反应，包括电子电能的装置在电池换遵循热力学定律反的得失过程氧化过程中，氧化反应发生在负应的吉布斯自由能变与失去电子，还原过程得极阳极，释放电子；电池电动势之间存在定到电子当这两个过程还原反应发生在正极阴量关系ΔG=-nFE，在空间上分离时，电子极，接收电子电子通其中n为转移电子数，F的定向流动形成电流，过外电路从负极流向正为法拉第常数96485实现化学能与电能的相极，形成电流，同时离C/mol，E为电池电动互转换子通过内电路电解质势V电池电动势越移动，保持电路的完整大，能够转换的能量越性多原电池原电池又称伏打电池或自发电池是将化学能自发转化为电能的装置典型的原电池包括两个半电池，每个半电池由电极和电解质组成两个半电池通过盐桥或多孔隔膜连接，允许离子迁移以维持电中性，同时防止不同电解质直接混合在原电池中，电极反应遵循氧化还原原理例如，在锌铜电池中，锌电极负极发生氧化Zn→Zn²⁺+2e⁻；铜电极正极发生还原Cu²⁺+2e⁻→Cu电子从锌电极通过外电路流向铜电极，产生电流电池的总反应为Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu，标准电动势E°=+

1.10V电池电动势可通过能斯特方程计算E=E°-RT/nF·ln Q，其中E°为标准电动势，Q为反应商，n为转移电子数，F为法拉第常数当电池达到平衡时，E=0，此时Q=K平衡常数，符合热力学关系ΔG°=-RT·lnK=-nFE°电解池电解池结构电解池是将电能转化为化学能的装置，与原电池工作方向相反电解池包括两个电极阳极和阴极浸入电解质溶液中，并连接到外部电源在电解过程中，阳极发生氧化反应放出电子，阴极发生还原反应接收电子与原电池不同，电解池的阳极为正极，阴极为负极能量转换过程在电解过程中，外加电源提供的电能转化为化学能，储存在电解产物中要使非自发反应发生，外加电压必须大于反应的热力学电势即原电池反应的电动势额外的电压过电势用于克服反应的动力学障碍实际电解电压通常比理论值高，差额转化为热能，降低了能量转换效率法拉第电解定律法拉第电解定律描述了电解过程中电量与物质变化量之间的定量关系m=M·Q/n·F，其中m为电解产物的质量，M为摩尔质量，Q为通过的电量，n为转移电子数，F为法拉第常数例如，通过96485库仑电量可以电解出1摩尔一价离子，或

0.5摩尔二价离子这一定律是电化学计量的基础燃料电池燃料电池基本原理燃料电池是一种持续将化学能直接转换为电能的电化学装置与传统电池不同，燃料电池需要持续供应燃料如氢气和氧化剂如氧气，只要供应不断，就能持续发电燃料电池的工作原理与原电池相似，但反应物是从外部持续供应的氢氧燃料电池能量分析在氢氧燃料电池中，氢气在阳极氧化H₂→2H⁺+2e⁻；氧气在阴极还原½O₂+2H⁺+2e⁻→H₂O总反应H₂+½O₂→H₂O，理论电动势为

1.23V这一反应的标准吉布斯自由能变ΔG°=-237kJ/mol，按照ΔG°=-nFE°计算，与理论电动势一致燃料电池的能量转换效率理论上可达83%，远高于传统热机燃料电池的应用前景燃料电池因其高效、清洁的特点，在多个领域有广阔应用前景在交通运输方面，氢燃料电池汽车已经商业化；在固定式发电领域，燃料电池可作为分布式能源系统；在航天领域，燃料电池长期作为航天器的能源装置未来随着氢能基础设施的完善和燃料电池成本的降低，应用将进一步扩大光化学反应光能与化学能转换光激发与电子跃迁光化学反应是指分子吸收光能后发生的当分子吸收特定波长的光子时，电子从化学反应，是光能向化学能转换的过基态跃迁到激发态不同的分子对不同程与热化学反应不同，光化学反应中波长的光有选择性吸收，这一特性决定能量来源于光子而非热运动光能被吸了物质的颜色激发态分子能量高、活收后，可促使分子发生电子跃迁、化学性强，可以参与在基态下难以进行的反键断裂或重组，导致化学变化光化学应激发态分子可通过发光荧光、磷反应是自然界中重要的能量转换方式，光、热量释放、能量转移或参与化学如光合作用反应等方式回到基态光合作用能量转换光合作用是地球上最重要的光化学反应，将太阳能转换为化学能存储在有机物中在这一过程中，叶绿素分子吸收光子，电子被激发并参与一系列电子传递反应，最终驱动二氧化碳还原为碳水化合物光合作用总方程式6CO₂+6H₂O+光能→C₆H₁₂O₆+6O₂，吸收的光能约有30%转化为化学能光合作用的能量学光反应光反应发生在叶绿体的类囊体膜上，是光能转化为化学能的阶段叶绿素吸收光子后，电子被激发并通过电子传递链传递，驱动质子泵建立跨膜质子梯度这一过程产生ATP通过光合磷酸化和NADPH通过光系统I，同时伴随水分子的光解和氧气的释放暗反应暗反应又称卡尔文循环发生在叶绿体的基质中，不直接依赖光能，但利用光反应产生的ATP和NADPH作为能量和还原力来源，将二氧化碳固定并还原为碳水化合物这一过程包括碳固定、还原和再生三个阶段，最终产生葡萄糖等有机物3形成ATPATP三磷酸腺苷是生物体内主要的能量载体，在光合作用中通过化学渗透机制形成质子通过ATP合酶从高浓度区域类囊体腔流向低浓度区域基质时释放能量，驱动ADP与无机磷酸结合形成ATP，将光能转化为化学能每个ATP分子储存约

30.5kJ/mol的能量核反应中的能量转换核聚变反应核裂变反应核聚变是轻原子核结合形成较重原子核的核裂变是重原子核分裂为较轻原子核的过过程，同样伴随巨大能量释放太阳和恒程，伴随巨大能量释放如铀-235捕获中星的能量主要来自氢聚变为氦的过程如子后分裂²³⁵U+n→裂变产物+2~3n+能氘-氚聚变²H+³H→⁴He+n+量每次裂变释放约200MeV能量，是化

17.6MeV聚变能量主要源于质量亏损，学反应能量的百万倍这种反应是核电站具有燃料丰富、污染少等优势，但技术实和原子弹的能量来源现困难，仍处于研究阶段核能与化学能比较质能方程核反应的能量变化主要涉及原子核内能爱因斯坦的质能方程E=mc²揭示了质量与量，而化学反应涉及的是电子能级变化能量的等价关系，c为光速3×10⁸m/s核核反应能量通常以MeV为单位，而化学反反应中的能量释放来自质量亏损，即反应应能量以eV为单位，相差百万倍1克铀-前后质量减少的部分转化为能量由于c²值235完全裂变释放的能量相当于燃烧

2.7吨极大，少量质量转化即可释放巨大能量煤，显示了核能的高能量密度特性这一方程是理解核能的理论基础相变中的能量转换

40.

744.0冰的熔化热kJ/mol水的气化热kJ/molH₂Os→H₂Ol H₂Ol→H₂Og

58.6冰的升华热kJ/molH₂Os→H₂Og相变是物质在不同聚集状态之间转换的过程，总是伴随着能量的吸收或释放在相变过程中，物质的温度保持不变，所有热量都用于改变物质的聚集状态相变焓反映了分子间作用力的变化熔化时，固体的有序排列被破坏，需要吸收能量；气化时，分子完全克服分子间引力，需要更多能量；凝固和液化则释放相应的能量相变在日常生活中应用广泛冰块在饮料中吸收热量使饮料变凉；出汗时汗液蒸发带走体热；冬季向结冰的路面撒盐可降低水的凝固点；冰箱和空调利用制冷剂的气化吸热和液化放热原理；相变材料可用于储能和温度调节，如蓄热墙、恒温衣物等溶解过程的能量变化溶解热概念溶解热是指一定量的溶质溶解在足量溶剂中时伴随的热量变化溶解过程可能吸热或放热，这取决于溶剂-溶质间相互作用的强度溶解热通常以千焦每摩尔kJ/mol为单位表示水合焓与晶格能离子化合物溶解可分为两个理论步骤晶格破裂吸热，需要晶格能U和离子水合放热，释放水合焓Hh溶解热ΔH=U-Hh当UHh时，溶解吸热；当UHh时，溶解放热溶解过程图解溶解过程的能量变化可通过焓变图直观表示对于硝酸铵等吸热溶解的物质，溶解使系统能量升高；对于硫酸等放热溶解的物质，溶解使系统能量降低这种变化直接影响溶解度的温度依赖性能量转换效率化学反应与能源化石燃料可再生能源环境影响化石燃料煤、石油、天然气是目前世界可再生能源利用自然过程中的能量流能源利用对环境的影响主要来自燃烧产主要能源来源，其本质是通过燃烧将古动，包括太阳能、风能、水能、生物质物和资源开采过程化石燃料燃烧释放代生物固定的太阳能以化学能形式释放能等从化学角度，这些能源往往涉及的CO₂是导致全球变暖的主要温室气出来燃烧过程是碳氢化合物与氧气反新型能量转换和储存技术，如光伏材体；SO₂和NOx则造成酸雨；采矿和钻应生成二氧化碳和水，同时释放热量料、燃料电池和蓄电池井活动破坏生态系统减少能源利用的环境影响需要提高能效、开发清洁技术•光伏电池利用半导体p-n结将光能直和推广可再生能源•煤主要成分是碳，燃烧热值约29kJ/g接转换为电能•碳捕集与封存技术可减少CO₂排放•生物质能通过生物质转化或直接燃烧•石油和天然气含有较多氢元素，热值释放能量•催化转化技术可降低污染物排放更高约42-55kJ/g•氢能可通过电解水、重整或生物制氢•绿色能源技术是长期解决方案•化石燃料燃烧会产生CO₂、SO₂、等方法获得NOx等污染物生物体内的能量转换食物分解生物体通过消化系统将食物中的大分子如淀粉、蛋白质、脂肪分解为小分子如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸，这些小分子可以被细胞吸收并进一步代谢这一过程主要是水解反应，涉及水分子参与大分子化学键的断裂细胞呼吸细胞呼吸是生物体内最重要的能量转换过程，将食物分子主要是葡萄糖中的化学能转化为ATP中的化学能有氧呼吸包括糖酵解、三羧酸循环和电子传递链三个阶段一分子葡萄糖完全氧化可产生约30-32分子ATP，总效率约为40%3ATP合成与利用ATP三磷酸腺苷是生物体内主要的能量载体，通过高能磷酸键储存能量ATP水解为ADP释放约

30.5kJ/mol能量ATP+H₂O→ADP+Pi+能量这一能量用于驱动各种生物过程，如肌肉收缩、物质主动运输、生物合成等生物体内ATP周转率极高，每天合成/分解的ATP质量可达体重的一半化学电池与储能技术锂离子电池原理锂离子电池工作原理基于锂离子在电极间的嵌入与脱嵌过程充电时，锂离子从正极如LiCoO₂脱嵌，通过电解质迁移并嵌入负极通常是石墨；放电时过程相反同时，电子通过外电路从负极流向正极，形成电流锂离子电池具有高能量密度、无记忆效应、自放电率低等优点电池能量密度比较不同类型电池的能量密度差异显著铅酸电池30-50Wh/kg、镍镉电池45-80Wh/kg、镍氢电池60-120Wh/kg、锂离子电池150-250Wh/kg、锂硫电池可达500Wh/kg、锂空气电池理论值超过1000Wh/kg能量密度是评价电池性能的重要指标，直接影响设备的续航能力和重量电池技术挑战当前电池技术面临的主要挑战包括提高能量密度、延长循环寿命、缩短充电时间、降低成本、提高安全性和减少环境影响新型电池材料如硅基负极、固态电解质、金属空气电池等正在研究中未来的发展方向是开发更高能量密度、更安全、更环保的电池系统，以满足电动交通和可再生能源储存的需求工业过程中的能量优化工艺集成与系统优化整体系统效率最大化能量回收与交换2余热利用与热量重复使用过程强化与催化优化反应条件优化与选择性提高基础能量效率设备隔热与基本能源管理化工生产中的能量回收是提高能效的关键常见方法包括废热锅炉回收高温烟气热量；热交换器网络优化，使高温流体加热低温流体；压缩机余热回收；反应热利用等通过能量回收，某些工艺能耗可降低30-50%，同时减少冷却用水和温室气体排放以合成氨工艺为例，能量优化措施包括利用反应热预热原料气；采用高效催化剂降低反应温度；利用膨胀机回收压差能；多级压缩中间冷却回收热量等现代合成氨工艺能耗已从20世纪50年代的80-100GJ/t降至现在的28-30GJ/t，显著提高了能源利用效率绿色化学理念进一步推动工业过程向低能耗、低污染方向发展实验测定中和热数据处理与分析实验装置与步骤中和热计算公式Q=m·c·ΔT，其中m为溶液总实验原理主要仪器包括简易量热器保温杯、精密温度质量，c为溶液比热容近似为

4.18J/g·℃，中和反应是强酸与强碱反应生成水和盐的过计、酸碱溶液、天平等实验步骤1测量一ΔT为温度变化摩尔中和热ΔH=-Q/n，n为参程H⁺aq+OH⁻aq→H₂Ol，标准状定体积浓度已知的酸溶液，注入量热器；2记与反应的H⁺或OH⁻的物质的量实验中需要态下ΔH°=-

57.1kJ/mol中和热的测定基于量录初始温度；3加入等物质的量的碱溶液并迅考虑热损失校正、量热器热容等因素通过与热法原理在绝热条件下，反应释放的热量全速搅拌均匀；4记录最高温度；5根据温度理论值比较，分析误差来源，如热损失、测量部用于升高溶液温度通过测量温度变化，结变化计算中和热注意控制酸碱溶液初始温度不准确、溶液浓度误差等合溶液的比热容和质量，可以计算出反应热相近，减少热损失实验燃烧热的测定氧弹量热计原理实验操作与注意事项数据处理与分析氧弹量热计是测定有机物燃烧热的专用实验主要步骤包括1称量样品并放入燃烧热计算公式Q=C·ΔT，其中C为量仪器，它由内置样品的高压钢制燃烧坩埚中；2安装点火丝并与样品接触；热计热容通过标准苯甲酸校准获得，弹、水浴、绝热外套、温度计和点火系3密封燃烧弹并充入纯氧气至25-30个ΔT为校正后的温度变化摩尔燃烧热等统组成测量原理是在高压氧气中完全大气压；4将燃烧弹放入装有精确量水于单位物质的量释放的热量实验数据燃烧一定质量的样品，燃烧释放的热量的量热器中；5记录初始温度；6点火需要进行多项校正，包括点火能、氮转被水吸收，通过测量水温升高计算燃烧并记录温度变化直至稳定；7计算温度化为硝酸的能量、温度漂移、热交换热变化等燃烧反应在恒容条件下进行，测得的是实验中需注意样品必须完全燃烧；防通过比较不同物质的燃烧热，可以研究内能变化ΔU若要计算标准燃烧焓止热量损失；确保氧气纯度和压力适分子结构与能量关系，为燃料设计和能ΔH°，需要通过关系式ΔH=ΔU+当；对量热计进行热容校准；点火能和源研究提供基础数据精确的燃烧热测ΔPV进行修正对于液体或固体燃料，辅助材料燃烧热需扣除安全方面需密定是热化学研究的重要实验手段这一修正通常较小切注意高压操作规程案例分析食物热量案例分析化学暖宝宝热量分析一个典型的暖宝宝含有约15-20g铁粉，理论上完全氧化可释放约6-7kJ热量实际使用中热量释放速率随温度、氧气供应等条件变化暖宝宝温度可达50-60℃，持续发热8-12小时发热原理2发热过程符合阿伦尼乌斯方程温度升高会加速反应，导致更多热量释放，形成正反馈；但化学暖宝宝的主要成分是铁粉、活性炭、蛭同时氧气消耗也加快，当氧气成为限制因素石、食盐和水其发热原理是铁的缓慢氧化时，反应速率降低反应4Fes+3O₂g→2Fe₂O₃s，ΔH°=-1648kJ/mol这一反应在室温下自发影响因素进行，但速率很慢活性炭作为催化剂和吸附剂，加速氧气吸附；食盐作为电解质促进影响暖宝宝持续时间的主要因素包括铁粉的电子传递；蛭石防止局部过热并保持水分颗粒大小和纯度越细越活泼；氧气供应通气性好的包装使用时间短但温度高；水分含量适量水分促进反应；添加剂比例活性炭、盐含量影响反应速率；环境温度低温环境下反应速率降低通过控制这些因素，可以设计不同温度和持续时间的暖宝宝产品能量转换与环境保护碳排放与温室效应清洁能源化学原理碳排放主要来自化石燃料的燃烧，燃清洁能源技术基于多种化学原理太烧过程中碳与氧气结合生成二氧化阳能电池利用光生伏特效应将光能直碳C+O₂→CO₂，ΔH°=-

393.5接转化为电能；燃料电池通过电化学kJ/mol二氧化碳是主要的温室气反应将化学能高效转化为电能；氢能体，可吸收地表辐射的红外线而不影作为能源载体，可通过水电解制取并响太阳入射短波辐射，导致地球表面在使用时只产生水；生物质能利用生温度升高工业革命以来，大气中物质中的化学能，在碳循环范围内运CO₂浓度从约280ppm上升至现在行这些技术的共同点是减少或避免的410ppm以上，全球平均温度上升不可再生资源消耗和有害物质排放约

1.1℃绿色化学与可持续发展绿色化学促进可持续发展的原则包括废物预防优于治理；设计安全高效的合成路线；使用可再生原料；避免使用有毒试剂；提高能量效率；优先使用催化剂而非计量试剂这些原则引导化学工业向资源节约、能源高效、低污染的方向发展例如，开发低温催化剂降低反应能耗；利用生物质替代石油基原料；设计可降解材料减少环境负担氢能源与未来能源氢能生产氢气生产方法多样，主要包括水电解法2H₂O→2H₂+O₂，需电能；天然气重整CH₄+2H₂O→CO₂+4H₂，目前最主要的商业化方法；煤气化C+H₂O→CO+H₂，后续水气变换产生更多H₂；生物制氢利用微生物、酶或光解水从能源清洁性角度，可分为灰氢化石来源、蓝氢化石来源+碳捕集和绿氢可再生能源电解水氢能储存氢气储存面临能量密度低、易泄漏等挑战主要储存方式包括高压气态储存350-700bar压缩氢气；低温液态储存-253℃液化氢；固态储存金属氢化物、有机液态载体、化学氢化物这些方法各有优缺点高压储存技术成熟但能量密度低；液氢能量密度高但液化耗能大；固态储存安全但释放氢气条件苛刻氢能基础设施建设是推广应用的关键挑战燃料电池应用氢燃料电池将氢能转化为电能，最终产物只有水2H₂+O₂→2H₂O，理论效率可达83%，实际系统效率约40-60%，远高于内燃机质子交换膜燃料电池PEMFC是目前最成熟的类型，适用于交通和便携设备固体氧化物燃料电池SOFC适合大型发电氢燃料电池汽车已商业化，但普及仍受限于成本、氢气供应和基础设施等因素能量转换中的尖端研究人工光合作用太阳能转化新突破新型催化材料人工光合作用研究旨在模仿植物将太阳能转化钙钛矿太阳能电池是近年来光伏领域的重大突纳米催化材料在能源转换中发挥重要作用通为化学能的过程，但效率更高核心是开发能破，效率从2009年的

3.8%迅速提高到现在的过精确控制催化剂纳米结构，可大幅提高活性够高效吸收光能并催化水分解生成氢气和氧气25%以上，接近传统硅电池的极限钙钛矿材和选择性单原子催化剂将金属利用率提高到的材料系统研究重点包括新型光敏材料设料一般为CH₃NH₃PbI₃具有优异的光吸收100%，同时展现独特的催化性能；MOF金属计；稳定高效的氧化还原催化剂开发；电荷分系数和载流子迁移率，制备工艺简单此外，有机框架材料提供高度可调的催化环境；仿生离和传输优化；系统集成与放大目前实验室多结太阳能电池通过叠加不同带隙的吸光层，催化剂模仿酶的精确结构实现高效催化这些原型已实现太阳能转化效率10-15%，远高于自实现了超过47%的实验室效率，突破了单结电材料在燃料电池、电催化CO₂还原、水分解、然光合作用的1-3%池的理论极限氨合成等能源反应中展现出巨大潜力课堂练习焓变计算基于赫斯定律的计算多步反应焓变分析不同条件焓变比较利用以下热化学方程式，计算Cs+2H₂g计算丙烷完全燃烧的标准焓变C₃H₈g+比较下列反应在298K时的标准焓变→CH₄g的标准焓变5O₂g→3CO₂g+4H₂Ol1乙烷燃烧C₂H₆g+

3.5O₂g→Cs+O₂g→CO₂gΔH°=-

393.52CO₂g+3H₂Ol解利用标准生成焓法，ΔrH°=Σ[n×ΔfH°生kJ/mol2乙烷燃烧C₂H₆g+

3.5O₂g→成物]-Σ[m×ΔfH°反应物]H₂g+½O₂g→H₂OlΔH°=-

285.82CO₂g+3H₂OgΔrH°=[3×ΔfH°CO₂g+kJ/mol4×ΔfH°H₂Ol]-[ΔfH°C₃H₈g+解反应1中，ΔrH°₁=[2×-

393.5+3×-CH₄g+2O₂g→CO₂g+2H₂Ol5×ΔfH°O₂g]

285.8]-[-

84.7+

3.5×0]=-

1560.5kJ/molΔH°=-

890.3kJ/mol解根据赫斯定律，将已知热化学方程式重新ΔrH°=[3×-

393.5+4×-

285.8]-[-

103.8反应2中，水生成为气态，每摩尔H₂O的焓组合，得到目标反应的焓变+5×0]变差为气化焓ΔvapH°=

44.0kJ/molCs+O₂g→CO₂gΔH°=-

393.5ΔrH°=[-

1180.5+-

1143.2]-[-

103.8]ΔrH°₂=ΔrH°₁+3×

44.0=-

1560.5+

132.0=kJ/molΔrH°=-

2219.9kJ/mol-

1428.5kJ/mol2[H₂g+½O₂g→H₂Ol]ΔH°=2×-反应2的放热量比反应1少，因为部分能量

285.8kJ/mol用于水的气化CO₂g+2H₂Ol→CH₄g+2O₂gΔH°=--

890.3kJ/mol总反应Cs+2H₂g→CH₄gΔH°=-

74.8kJ/mol课堂练习反应自发性判断基于ΔG计算的自发性判断问题判断下列反应在298K时是否自发N₂g+3H₂g→2NH₃g已知ΔfG°NH₃,g=-

16.5kJ/mol2温度对反应自发性的影响解ΔrG°=2×ΔfG°NH₃,g-[ΔfG°N₂,g+3×ΔfG°H₂,g]=2×-

16.5-[0+3×0]=-

33.0kJ/mol0问题CaCO₃s→CaOs+CO₂g反应的ΔH°=

178.3kJ/mol，ΔS°因此，该反应在标准状态下自发进行=

160.2J/mol·K计算该反应在何温度下开始自发进行解反应自发的条件是ΔG0，即ΔH-TΔS0综合案例分析当ΔG=0时，T=ΔH/ΔS=

178.3×10³/

160.2=1113K=840°C问题某反应ΔH°=-90kJ/mol，ΔS°=-180J/mol·K判断该反应在不当T840°C时，ΔG0，反应自发进行；当T840°C时，ΔG0，反应不能自发进行同温度下的自发性，并解释原因解由ΔG=ΔH-TΔS当T=298K时，ΔG=-90000-298×-180=-90000+53640=-36360J/mol0，反应自发当T=600K时，ΔG=-90000-600×-180=-90000+108000=18000J/mol0，反应不自发反应临界温度T=ΔH/ΔS=-90000/-180=500K=227°C分析此反应ΔH0放热，ΔS0熵减，在低温下焓变占主导地位，反应自发；随温度升高，熵项TΔS的不利影响增大，当T500K时，反应变为不自发课程总结核心概念回顾熵变ΔS吉布斯自由能ΔG熵变衡量反应前后系统无序度的变化，吉布斯自由能整合了焓变和熵变的影与分子排列的概率相关ΔS0表示无序响，是预测化学反应自发性的综合指度增加，ΔS0表示无序度减少气体生标ΔG=ΔH-TΔS，当ΔG0时，反应焓变ΔH成、物质熔化和气化通常导致熵增加；在恒温恒压条件下自发进行吉布斯自能量转换规律结晶、凝固和气体吸附则导致熵减少由能也与反应的平衡常数和电池电动势焓变反映化学反应中热量的吸收或释化学反应中的能量转换遵循热力学定熵变是判断反应自发性的第二个关键因有定量关系，是化学热力学理论的核心放，是热化学研究的核心参数ΔH0表律能量守恒不创造不消灭；自发过素概念示放热反应，ΔH0表示吸热反应焓变程使系统与环境总熵增加；能量转换效可通过量热法直接测量，也可利用赫斯率不能达到100%这些规律不仅适用于定律或标准生成焓计算焓变决定了反化学反应，也适用于物理过程和生命系应的热效应，但不足以判断反应的自发统，是理解自然界能量流动的基本框性架24学习拓展推荐阅读资料前沿研究动态研究性学习课题建议为深入学习化学热力学和能量转换，推化学能源领域的前沿研究包括高效光建议以下研究性学习课题1测定不同荐以下资料《物理化学》P.W.阿特金催化分解水制氢技术，中国科学家已实食物的燃烧热并分析营养成分关系；2斯著提供系统的热力学理论；《化学热现10%以上的太阳能转化效率；全固态电研究影响化学暖宝宝持续时间的因素并力学》刘俊吉著详细介绍热力学应用；池研究，新型固态电解质材料提高了离优化配方；3设计简易装置测量太阳能《能源科学导论》余谋昌著从化学角度子电导率和界面稳定性；CO₂电催化还转化效率；4比较不同植物光合作用效解析能源问题原技术，实现温和条件下将CO₂转化为率；5构建微型燃料电池并测试性能高价值化学品网络资源方面，中国化学会官网这些研究可培养实验设计、数据分析和www.chemsoc.org.cn提供最新研究动此外，氢能制储技术、人工光合作用、科学探究能力，同时加深对能量转换原态；能源研究网太阳能热化学循环、生物质能高效转化理的理解鼓励学生组成小组，运用课www.energyresearch.org.cn汇集能源等方向也取得显著进展这些研究为实堂所学知识解决实际问题，培养创新精转换技术信息；国家自然科学基金委能现碳达峰、碳中和目标提供重要技术支神和实践能力源化学专栏展示前沿研究成果撑结语与思考创新与未来化学视角引领能源革命与可持续未来研究探索深入探究能量转换机制，开发高效清洁技术理论应用将热力学原理应用于实际问题解决基础掌握扎实掌握化学反应能量转换的基本规律通过本课程的学习，我们从分子和能量的角度审视了化学反应的本质，理解了能量转换的基本规律化学反应与能量转换密不可分，无论是自然界的生命活动，还是人类的工业生产，都离不开能量的流动与转化掌握这些规律，不仅有助于我们理解世界运行的机制，也为解决能源、环境等全球性挑战提供了科学指导我们鼓励同学们保持对科学的好奇心，将课堂所学知识与日常生活和社会发展相结合，关注能源和环境问题，积极参与科学研究和创新实践作为新时代的化学工作者，你们肩负着发展绿色化学、推动能源革命和实现可持续发展的重要使命希望你们能够运用所学知识，为建设美丽中国和人类命运共同体贡献智慧和力量。