放热反应与吸热反应
CIE IGCSE 化学· 5.1 Chemical Energetics· 45 分钟阅读
1. 核心：定义与关键特征★★☆☆☆⏱ 10 min
放热反应
一种将热能从反应体系转移到周围环境的化学反应，会导致周围环境的温度出现可测量的升高。
例:
稀盐酸与氢氧化钠的中和反应
吸热反应则相反：它们从周围环境吸收热能，因此反应过程中周围环境的温度会下降。在所有化学反应中，能量都是守恒的：体系和周围环境的总能量保持不变。
一名学生将硝酸铵晶体加入聚苯乙烯杯中的水中，混合物的温度从22°C下降到11°C。判断该过程是放热还是吸热，并说明理由。
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首先，观察周围环境（杯中混合水溶液）的温度变化。
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温度下降，说明溶解过程从周围环境中吸收了热量。
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因此，该过程为吸热过程。
2. 核心：常见示例与实操鉴别★★☆☆☆⏱ 8 min
大纲指定放热反应示例： 燃料燃烧、酸碱中和、有氧呼吸、活泼金属与稀酸的反应
大纲指定吸热反应示例： 碳酸钙的热分解、光合作用、柠檬酸与碳酸氢钠的反应
将以下每个过程归类为放热或吸热反应：a) 燃烧天然气为住宅供暖，b) 硝酸铅的热分解，c) 肌肉细胞中的呼吸作用。
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a) 燃烧属于放热反应，会向周围环境释放热量 → 放热。
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b) 热分解需要持续输入热量才能进行，因此它会从周围环境吸收热量 → 吸热。
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c) 呼吸作用分解葡萄糖为细胞释放能量 → 放热。
以下哪个反应属于吸热反应？
A: 盐酸与氢氧化钠的中和反应
B: 乙醇的燃烧反应
C: 碳酸钙的热分解反应
D: 镁与稀硫酸的反应
显示答案
C —中和反应、燃烧反应和金属-酸反应均为放热反应。所有热分解反应都需要输入热量，因此属于吸热反应。
3. 核心：能级图★★★☆☆⏱ 12 min
能级图
反应的图形化表示，x轴为反应进程，y轴为化学物质的总能量。它展示了反应物和产物的相对能量大小。
对于放热反应，产物的总能量低于反应物。反应物和产物能级之间的垂直差值就是释放到周围环境的总热量。对于吸热反应，产物的总能量高于反应物，因此该垂直差值代表从周围环境吸收的总热量。
描述光合作用这一吸热反应的能级图关键特征，该反应中二氧化碳和水反应生成葡萄糖和氧气。
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绘制水平x轴，标注为「反应进程」，垂直y轴标注为「能量」。
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在左侧绘制代表反应物（CO₂ + H₂O）的水平线，其能级要低于右侧代表产物（葡萄糖 + O₂）的水平线。
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在两条水平线之间绘制向上的箭头，标注为「从周围环境吸收的能量」。
4. 拓展内容专属：由键能计算焓变★★★★☆Extended 专属⏱ 15 min
键能
将1摩尔气态下的特定共价键断裂所需的能量，单位为kJ/mol。断键是吸热过程（需要输入能量），成键是放热过程（释放能量）。
计算总焓变（ΔH）：计算断裂反应物中所有化学键所需的总能量（正值，吸热）
计算形成产物中所有新化学键所释放的总能量（负值，放热）
将两个数值相加：ΔH = 总断键能量 + 总成键能量。ΔH为负代表放热，ΔH为正代表吸热
使用给定的键能计算反应 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O 的ΔH。键能（单位kJ/mol）：C-H = 414，O=O = 498，C=O = 803，O-H = 464。
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统计反应物中的所有化学键：1分子CH₄含4个C-H键，2分子O₂含2个O=O键。
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统计产物中的所有化学键：1分子CO₂含2个C=O键，2分子H₂O含4个O-H键。
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ΔH为负值，因此甲烷的燃烧反应正如预期是放热反应。
5. 常见陷阱
错误做法:
混淆热量传递方向，声称放热反应从环境中吸收热量。
原因:
学生混淆了前缀exo-和endo-的含义。exo-表示'向外'（热量从反应体系流出），endo-表示'向内'（热量进入体系）。
正确做法:
使用助记口诀：EXO = EXIT（热量离开反应体系），ENDO = ENTER（热量进入反应体系）。
错误做法:
假设所有需要初始加热的反应都是吸热反应。
原因:
放热反应通常需要初始加热以达到活化能，但启动后无需外部热源就会持续释放热量（例如木材燃烧）。
正确做法:
移除热源后检查反应是否继续释放热量，以此确认反应是否为放热反应。
错误做法:
在吸热反应示意图中将产物能级绘制得比反应物能级更低。
原因:
学生经常直接照搬放热反应示意图的模式来绘制两种反应类型的图。
正确做法:
记住吸热反应会吸收能量，因此产物储存的能量比反应物更多，在示意图中产物的能级位置更高。
错误做法:
根据键能计算ΔH时，忘记统计每种分子的摩尔数。
原因:
例如，计算2摩尔O₂时仅使用1个O=O键，会导致ΔH数值计算错误。
正确做法:
将每个键的键能乘以每个分子中该键的数量，再乘以配平方程式中该分子的摩尔数。
错误做法:
将熔化、沸腾这类物理变化归类为吸热化学反应。
原因:
这些过程会吸收热量，但没有新的化学物质生成，因此不属于化学反应。
正确做法:
仅将生成新化学物质的过程归类为化学反应；如果考试题目要求，请明确标注物理变化。
6. 速查表
性质 | 放热反应 | 吸热反应 |
|---|---|---|
热量传递方向 | 释放到环境中 | 从环境中吸收 |
环境温度变化 | 升高 | 降低 |
ΔH数值（拓展内容） | 负值 | 正值 |
产物与反应物的能级对比 | 产物 < 反应物 | 产物 > 反应物 |
考纲关键实例 | 燃烧、中和作用、呼吸作用 | 热分解、光合作用、柠檬酸 + 碳酸氢钠 |
7. 常见问题
熔化、沸腾这类物理变化是否属于吸热反应？
熔化和沸腾属于吸热过程（它们吸收热量），但不属于化学反应，因为没有新的化学物质生成。考官可能会要求你同时对反应和物理变化进行分类，因此请仔细读题。
所有吸热反应都需要持续加热吗？
大多数吸热反应需要持续热源才能进行，因为它们要从环境中吸收热量来生成能量更高的产物。放热反应可能需要初始加热以达到活化能，但一旦启动就会释放热量，无需外部热源。
深入阅读
下一步
在掌握放热反应和吸热反应后，你可以以此为基础学习CIE IGCSE 化学0620的其他主题。接下来你将学习活化能，它可以解释为什么部分反应即使是放热反应也需要初始热量输入才能启动。对于学习拓展内容的学生，你可以多练习键能计算题目，提升答题速度和准确率，应对第4卷考试。这些知识在你下一单元学习反应速率时也至关重要，因为反应的能量变化直接关系到反应进行的快慢。之后你还可以将这些概念应用到有机燃料燃烧和金属碳酸盐热分解的相关学习中。