3-4 化學反應中的能量變化 3-4.1 放熱反應與吸熱反應 3-4.2 熱化學反應式 3-4.3 生成熱與燃燒熱 化學反應常伴隨著能量的變化，而以光、熱、電⋯ ⋯等形式呈現。熱化學是研究物質發生反應時，有關能量變化的科學。 反應熱常用單位有焦耳(J)及千焦(kJ)兩種。 3-4.1 放熱反應與吸熱反應 3-4.2 熱化學反應式 3-4.3 生成熱與燃燒熱 3-4.3 反應熱加成性定律

3-4 化學反應中的能量變化 學習目標： 了解熱化學反應式及反應熱的意義，並 利用反應熱加成性定律做定量的計算

3-4.1 放熱反應與吸熱反應 放熱反應：釋出能量的反應。 吸熱反應：需由外界供給能量的反應。 例如：活性極大的金屬鈉在氯氣中，發生劇烈 反應放出大量的光和熱。 吸熱反應：需由外界供給能量的反應。 例如：八水合氫氧化鋇和氯化銨反應時，會向 外界吸收熱量，以至於使木板上的水凝固成 冰，造成燒杯固著於木板上。

儲存於物質中的能量稱為 。 產物和反應物兩者之間的熱含量差稱為 。 熱含量 反應熱 儲存於物質中的能量稱為 。 熱含量的絕對值，無法測出，只有當物質發 生變化時，才可求得其熱含量變化量。 產物和反應物兩者之間的熱含量差稱為 。 以 ΔH 表示： 熱含量 反應熱 吸熱反應： ΔH 0， 放熱反應： ΔH 0。 ＞ ＜

放熱反應

吸熱反應

3-4.2 熱化學反應式 將反應熱標示出來的化學反應式，稱為熱化學反應式。 反應熱和反應種類、反應物的狀態及數量、反應的溫度及壓力、產物的狀態及數量等因素有關。 在25℃、1大氣壓時測得的反應熱，稱為標準反應熱，以ΔH°表示。

熱化學反應式 例如，在 0 ℃、1 atm 下，每莫耳冰熔化成水，吸收 6.01 千焦的能量，ΔH 為正值： 或

熱化學反應式 1 莫耳氫氣的燃燒反應， ΔH 為負值： 或

熱化學反應式的特性： 1.在熱化學反應式中，各物質的係數相當於莫耳數。例如： 表示為 1 莫耳氫氣與1/2莫耳氧氣反應，形成 1 莫耳水，同時釋出 285.8 千焦能量。

2.反應方向相反時，反應熱須變號。例如，電解水產生氫氣與氧氣是前一反應之逆反應，為吸熱反應：

3.反應熱與反應物的莫耳數成正比，當反應式係數乘 n 倍時， ΔH 亦變為 n 倍。例如， 2 莫耳氫氣燃燒的反應熱為－285.8×2千焦：

4.反應熱與物質的狀態有關，因此在熱化學反應式中，必須指明物質的物理狀態。例如， 以下兩反應式皆為甲烷燃燒的熱化學反應式，反應熱不同，是因為生成水的狀態不同：

範例 3-10 解答 丁烷(C4H10，分子量＝58.12)常被用作攜帶式瓦斯罐的燃料，其燃燒的熱化學反應式如下： 需燃燒丁烷若干克，才可提供 1.25×103 千焦熱量？ 解答

練習題 3-10 白磷(P4)為一種化性極活潑的白色蠟狀固體，在空氣中易自燃而形成氧化磷(P4O10)，其熱化學反應式如下： 求 1.55 克白磷(P4)在空氣中燃燒的反應熱。 (原子量：P＝31) 解答 ⇒ ΔH＝－37.66 kJ

3-4.3 生成熱與燃燒熱 一、生成熱： 習慣上以在標準狀態下，元素的生成熱定為零。 化學家將各元素在標準狀態下，其最穩定同素異形體之生成熱定為零。 例如氧氣、石墨、斜方硫，但磷例外： ⇒白磷之標準生成熱為零。

3-4.3 生成熱與燃燒熱 一、生成熱： 由成分元素反應生成 1 莫耳物質，所吸收或放出的熱量稱為該物質之莫耳生成熱(ΔHf)。 例如，甲烷生成之熱化學反應式：

一些常見物質的標準莫耳生成熱 物質 化學式 ΔHf°(kJ mol－1) 二氧化碳 CO2(g) －393.6 甲烷 CH4(g) －74.8 甲醇 CH3OH(l) －238.7 水蒸氣 H2O(g) －241.8 水 H2O(l) －285.8 一氧化氮 NO(g) 90.4 二氧化氮 NO2(g) 33.8 氨 NH3(g) －46.3

二、燃燒熱： 1莫耳物質在氧氣中完全燃燒的反應熱稱為莫耳燃燒熱(ΔHc)。 在標準狀態下的莫耳燃燒熱稱為標準莫燃燒熱(ΔHc°)。 燃燒反應必為放熱反應，即ΔHc＜0。 以C(s)之標準莫耳燃燒熱為例： ★其值等於 CO2(g)的標準莫耳生成熱

一些常見物質的標準莫燃燒熱(kJ mol－1) 燃燒反應 ΔHc° 碳 C(s) + O2(g) → CO2(g) －393.6 氫 H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(l) －285.8 鎂 Mg(s) + 1/2 O2(g) → MgO(s) －601.8 硫 S(s) + O2(g) → SO2(g) －296.1 一氧化碳 CO(g) + 1/2 O2(g) → CO2(g) －283.4 甲烷 CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+ 2H2O(l) －890.4

3-4.4 反應熱加成性定律 1840 年俄籍化學家赫斯在測定許多反應的反應熱後提出：若一反應的反應式，為其他數個反應的代數和，則此反應的反應熱亦為此數個反應熱的代數和， 稱為 ， 亦稱為 。 反應熱加成性定律 赫斯定律

以石墨與氧化合生成二氧化碳為例：

根據此定律，熱化學反應式可以彼此相加減，若無法直接測量的反應熱時，可以依此定律間接求得。例如，甲烷的標準生成熱可以由 C、H2 及 CH4 的燃燒反應求得：

由1+2－3 得：

結 論 一個反應的反應熱相當於產物的總生成熱與反應物的總生成熱差值

範例 3-11 已知： 3C(s)+2Fe2O3(s) → 4Fe(s)+3CO2(g) ΔH。 = 463.6 kJ， 且CO2(g) 的標準莫耳生成熱為－393.6 千焦， 求Fe2O3(s)之標準莫耳生成熱為何？

解答一： 由(1) × 3/2 －(2) × 1/2

解答二： 設 Fe2O3(s)之標準莫耳生成熱為 x 千焦 代入以下公式： x = －822.2

練習 3-11 已知C3H8(g)、CO2(g)及H2O(l)的標準莫耳生成熱分別為－96.6 千焦、－393.6 千焦及－285.8 千焦，回答下列問題： (1) 石墨的標準莫耳燃燒熱為多少千焦？ (2) 丙烷的標準莫耳燃燒熱為多少千焦？

ΔH=[ 3 × (－393.6 ) + 4 × (－285.8) ] －[ (－96.6) + 5 × 0 ]= －2227.4(kJ) 解答 (1) 石墨的標準莫耳燃燒熱即CO2(g)的標準莫耳生成熱 (2) 丙烷的燃燒反應方程式為： ΔH=[ 3 × (－393.6 ) + 4 × (－285.8) ] －[ (－96.6) + 5 × 0 ]= －2227.4(kJ)

學習成果評量 1. 依生成的意義，下列那些其生成熱為零？(多選) (A)石墨 (B)鑽石 (C)斜方硫 (D)單斜硫 (E)赤磷 2. 有如下所示三個熱化學方程式： (1) C(s) + 2H2(g) → CH4(g) ΔH1＝－74.8 kJ (2) C(s) + O2(g) → CO2(g) ΔH2＝－393.6 kJ (3) H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l) ΔH3＝－286 kJ 試求下式的反應熱

解答一： 解答二： 由(3) × 2 + (2)－(1) ΔH=產物的總生成熱－反應物的總生成熱 =－890.8 (kJ)

解答 3. 已知蔗糖、酒精的標準莫耳燃燒熱分別為 －1351 kJ/mol、－327 kJ/mol，求： C12H22O11(s) + H2O(l) → 4C2H5OH(l) + 4CO2(g) 之反應熱。 解答 代入公式： ΔH=[反應物燃燒熱總和]－[產物燃燒熱總和] ΔH=[(－1351 ) + 0 ]－[ 4 ×(－327) + 4 × 0 ] =－43 (kJ)

4. 利用下列熱化學反應式： C6H6(l)  15/2O2(g) → 6CO2(g)  3H2O(l)  782 4. 利用下列熱化學反應式： C6H6(l)  15/2O2(g) → 6CO2(g)  3H2O(l)  782.3 kcal C(s)  O2(g) → CO2(g)  94.0 kcal H2(g)  1/2O2(g) → H2O(l)  68.3 kcal 計算苯的生成熱H(kcal/mol) 解答 C6H6(l)  15/2O2(g) → 6CO2(g)  3H2O(l) H=－782.3 kcal 代入公式： ΔH= [產物生成熱總和]－[反應物生成熱總和] ΔH= －782.3 = [ 6 × (－94.0 ) + 3 × (－68.3) ]－[ (x) + 15/2 × 0 ] x = 13 (kcal mol-1)

本章摘要 化學式是以元素種類和數目來表示物質組成的式子，可分為實驗式、分子式、結構式及示性式等。 3-1 化學式及百分組成 3-1　化學式及百分組成 化學式是以元素種類和數目來表示物質組成的式子，可分為實驗式、分子式、結構式及示性式等。 (1)實驗式表示純物質中組成元素原子數目的最簡單整數比，又稱為簡式。 (2)分子式表示一分子中分子物質所含原子的種類和數目。 (3)結構式表示分子中原子的種類、數目和鍵結情形。 (4)示性式表示分子內所含特殊性質的原子團。

3-2　化學反應與平衡 利用符號及化學式來描述化學反應的式子，稱為化學反應式。 平衡化學反應式必須遵守原子不滅及電荷不滅。 3-3　化學計量 參與化學反應的物質間有一定的數量比，利用化學反應式中係數的比等於莫耳數比，計算出所欲求的量，稱為化學計量。 在多種反應物參與的化學反應中，若有反應物剩餘，產物的量將由用盡的反應物所決定，此用盡的反應物稱為限量試劑。

3-4　化學反應中的能量變化 當物質發生變化時，可測出其熱量變化； 產物和反應物兩者之間的熱含量差， 稱為反應熱(ΔH)，即 ΔH＝產物總熱含量－反應物總熱含量。 標準狀態(standard states)是指 1 atm，在此條 件下測得的反應熱稱為標準反應熱(ΔH。)，本書 以常見的 25 ℃為測定標準。 標準狀態下，由成分元素反應生成 1莫耳物質， 吸收或放出的熱量稱為該物質之標準莫耳生成 熱(ΔHf。)。

標準狀態下，1 莫耳物質完全燃燒所放出的熱 量，稱為該物質之標準莫耳燃燒熱(ΔHc。)。 反應熱的計算及赫斯定律： (1)反應熱和反應物的莫耳數成正比。 (2)反應進行的方向相反時，反應熱大小相等，符 號相反。 (3)反應熱具有加成性，即赫斯定律：當一個反應 能以兩個或兩個以上其他反應的代數和表示時， 其反應熱為此數個反應熱的代數和。

本章架構 化學式及百分組成 化學反應式及平衡 化 學 計 量 化學反應中之能量變化