王云生

摘要： 依据课程标准分析高中化学课程“化学能”“焓变”“熵变”的教学要求和认识价值;探讨“化学能”“焓变”“熵变”教学中存在的问题，并就教学中如何处理通俗性和科学性的关系提出建议。

关键词： 化学能; 焓变; 熵变; 教学要求; 认识价值

文章编号： 10056629（2020）12000305

中图分类号： G6338

文献标识码： B

1研究背景

普通高中化学课程标准（2017年版）在课程内容设置上，延续了2011年普通高中化学课程标准（实验）的规定，在必修课程主题3，选择性必修课程模块1“化学反应原理”主题1、主题2有关“化学反应与能量转化”“化学反应方向与限度”等教学内容中，引入了化学能、焓变、熵变的概念。要求“知道化学反应可以实现化学能与其他形式能量的转化，……”;“认识化学能可以与热能、电能等其他形式能量之间相互转化，能量的转化遵循能量守恒定律”，“认识化学能与热能的相互转化，恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示，了解盖斯定律及其简单应用”;“知道化学反应是有方向的，知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关”[1]。

与2011年颁布的普通高中化学课程标准（实验）相比，2017年版课程标准对这些概念的教学要求更为明确、合理。例如，2011年版标准涉及“化学能”概念的教学要求是：“通过生产、生活中的实例了解化学能与热能的相互转化”，“举例说明化学能与电能的转化关系及其应用”。2017年版标准修订为“知道”“认识”化学能与其他形式能量的转化。对焓变、熵变概念的教学，将2011年“能用焓变与熵变说明化学反应的方向”的要求降低为“知道化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关”。无论2011年还是2017年版课程标准，都没有要求学生理解、掌握化学能、焓变和熵变的定义，只要求学生知道研究化学反应中能量的转化、化学反应的方向、限度等问题，需要运用这些概念做分析说明。

上述这些内容的教学要求是2011年课程改革后新增加的。化学能、焓变、熵变、自发反应、反应方向这些概念比较抽象，限于高中学生的认识水平，理解有一定困难。各版本教材都没有对化学能、焓变和熵变等概念的含义做说明。在不要求学生理解、掌握化学能、焓变和熵变等概念含义的情况下，如何借助这些概念说明化学反应中能量的转化，化学反应的方向、限度等问题，现行各版本教材也未提出通俗而不失科学性的说明。不少一线教师由于缺乏相关的专业知识储备和教学经验，不太明白为什么要在高中化学课程中引入这些概念;如何在教学中做通俗、简明的讲解，觉得十分困难。因此，多数高中学生对这些问题的认识处于囫囵吞枣、一知半解的状态。针对中学教学实际中存在的问题，一些化学教学研究专家在论著中做了解释说明，提出了自己的见解。例如《中学化学学科理解疑难问题解析》[2]一书就“如何理解焓变与反应热？”“什么是化学能？”“什么是体系的熵核熵变？”等问题做了解答分析。2017年版化学课程标准对这些概念的学习要求也有了更明确，更适合学生认识水平的规定。但是，由于这些问题不是高考的热点问题，教学中存在的问题并没有引起足够的重视。为了提高教师的学科理解能力，落实课程标准的学习要求，帮助学生为后续学习打好基础，不应让这些问题“得过且过”。

2化学能的含义与教学要求

多数一线化学教师只是模模糊糊地知道“化学能”是和化学反应有关的能量。它和物质的内能是什么关系？和“化学反应”又有什么关系？也大多不甚明白。不同专家对要不要给“化学能”定义、怎么下定义，看法也不尽相同。现行各版本教科书也没有对化学能的含义做介绍、说明，这给教学带来一定的困扰。

物质中蕴含的全部能量就是物质的内能，包括微粒的动能、势能、电子能还有核能。化学能和机械能、风能、潮汐能一样，在称呼中点明了能的来源。化石燃料燃烧、炸药爆炸、食物在动物体内发生化学变化，这些在化学变化中释放出的能，表现形式上可以是热能、光能、电能等，都源于物质发生化学变化时内能的改变。绿色植物的光合作用，太阳光的光能通过光合反应，转化为碳水化合物的内能，这部分内能在碳水化合物发生氧化反应转化为水和二氧化碳时，可以释放出来。通俗地说，化学能是在化学反应中能发生改变的那部分物质的内能。核能也是物质的内能，但不属于化学能，因为在化学反应中核能不发生变化。

有人认为，化学能就是物质所蕴藏的一部分内能。化学能是物质内能的一部分，是化学变化中能发生改变的那一部分内能。不提化学反应，直接把化学能视为物质内能的组成部分，是不妥当的。例如，在一定条件下12kg碳单质含有确定数量的内能。只有当这些碳发生燃烧反应时，反应物（包括碳和参加反应的氧气）中的部分内能会以热能、光能的形式释放出来，反应物中还有一部分内能转化为生成物一氧化碳或二氧化碳的内能。在不同条件下发生的反应不同，以热能、光能等形式释放出来的化学能，在数量上也不相同。

有人主张要让学生真正理解、形成化学能的概念，要给化学能下科学的定义，要从定量视角来说明什么是化学能。例如，“化学能是化学反应前后生成物内能和反应物内能的差”;“在恒温恒压下，化学能就是该反应的焓变ΔH”。这一要求在高中化学课程中是否必要？化学能源于化学反应过程中反应体系内能的变化，可以从化学反应中生成物内能和反应物内能的差求得化学反应中释放的化学能的大小。也可以依据化学反应中反应物分子中化学键断裂吸收的总能量与形成生成物分子中的化学键放出的总能量之差来求得反应中的能量变化。还可以利用盖斯定律，在恒温恒压下，在反应不做非体積功的条件下，从已知反应的焓变去求未知反应的焓变。但是，要求学生把化学能与化学反应中键能的变化、焓变联系起来，定量认识化学能，学生的理解是否会更为困难？把化学能等同于“恒温恒压下反应的焓变”，“生成物内能和反应物内能的差”是否妥当？

在高中化学教学中不给化学能下定义，学生能理解、形成初浅的化学能的概念吗？以初中学生元素化合价概念的学习为例，可以说是不成问题的。2001年九年义务教育课程改革制定的义务教育化学课程标准，删除了要求学生理解、记忆元素化合价概念的定义的教学要求。教师、学生不再为难理解难记忆的化合价定义而苦恼。学生可以通过所认识的化合物的组成的分析，认识到元素彼此化合形成化合物需要按一定的原子数比相结合;知道了化学上借助元素的“化合价”可以了解元素以怎样的原子数比相结合;理解了化合物有确定组成的事实，能利用科学家从大量事实中归纳的化合价知识正确判断、书写常见化合物的化学式，达成学习目标。

进入高中阶段学习的学生接触到许多化学反应，都知道反应过程有能量的释放或吸收。知道化学反应中，反应体系或者从外部环境吸收热能、光能或电能，转化为体系中生成物的内能，或者以热能、光能或电能等形式向环境释放反应物中的部分内能。从中不难体会到化学能是在化学反应中可以改变的那部分内能。离开化学反应，就无所谓化学能。“化学能”概念的初步形成，可以帮助学生体会到化学反应中能量可以发生转化，反应物、生成物的内能可以通过化学能的释放或吸收而改变;可以体会到化学反应在实现能量转化和利用上的重要作用。例如，在一定条件下氢气与氧气反应生成水蒸气，发生反应的氢气和氧气的一部分内能以热能的形式释放出化学能。反之，在一定条件下水蒸气在高温或电解条件下，发生化学反应，分解为氢气和氧气，反应过程以热能或电能形式吸收外界的能量，转化为生成物的内能。当这些氢气氧气发生反应，化合生成水蒸气时，反应物的部分内能，又会以热能、光能等形式释放出来。

3焓变概念的初浅介绍与认识价值

选择性必修课程的化学反应原理模块要求学生知道，“化学能与热能的相互转化，恒温恒压下化学反应的反应热可以用焓变表示，了解盖斯定律及其简单与应用”[3]。达成这一教学要求，要帮助学生认识到化学反应体系，从始态转变为终态，体系的内能会发生变化，体系会向环境传递热或者从环境中吸收热，会对环境做功或者从环境中获得功。由于通常研究的化学反应是在恒温恒压下进行的，如果反应体系只做体积功，不做电功等其他非体积功，反应体系的内能变化与体系所做的体积功之和，就等于反应体系恢复到反应前温度时，化学反应吸收或放出的热量（科学家称之为恒压热效应Qp）。科学家还用反应体系的“焓（H）”的变化量（ΔH）来表示体系的内能的变化与体系在反应过程中对环境做功或者从环境中获得功之和。因此，在恒温恒压下进行的化学反应，如果体系只做体积功，反应的热效应Qp可以简单地用体系的焓变（ΔH）来表示。在热化学方程式中，用焓变表示反应热。例如氢气在氧气中燃烧生成水的热化学方程式可以表示为：

2H2（g）+O2（g）2H2O（l）ΔH=-571.6kJ·mol-1

在中学化学课程中引入焓变的概念，可以帮助学生初浅地了解通常研究的化学反应，在不做非体积功的情况下，反应热效应、反应体系内能变化、反应体系所做的功三者之间的关系，更科学地描述化学反应的热效应。

教师自己要了解如何依据热力学原理推导出焓与焓变的概念，才能深入浅出地讲解，帮助学生了解焓变的概念。任何变化过程都是由始态和终态决定的。反应体系中有一定种类、一定数量的反应物、生成物，各种物质有一定的聚集状态。体系有一定的体积，并处于一定的温度、压力下，蕴含着一定的能量。化学反应中，体系的内能变化、体系对环境做功（或环境对体系做功）、体系向环境传递的热（或从环境吸收的热），三者之间存在着严格的数量关系。通常讨论的化学反应体系是和环境有能量交换而无物质交换的封闭体系。体系与环境间的能量交换，表现为体系内能的变化、体系对环境做功或体系从环境中获得功、体系的反应热效应。根据热力学第一定律（在任何过程中，总能量是守恒的），体系内能的变化ΔU与体系从环境中吸收的热Q、体系对环境做的功W之间的关系可以表达为： ΔU=Q-W。在恒温恒压下进行的化学反应，当体系只做体积功（W体积）（如不做电功），反应的热效应（Qp）与内能的变化的关系可以表示为： ΔU=Qp-W体积=Qp-P（V2-V1）。

由此可知，反应的热效应Qp=ΔU+P（V2-V1）=U2-U1+P（V2-V1）=（U2+PV2）-（U1+PV1）。該关系式说明，通常讨论的在恒温恒压下进行的化学反应如果体系只做体积功，反应的热效应Qp等于反应体系的内能变化与体系所做功的和。科学家用反应体系的焓H代表反应体系的内能和体系的体积与压强的积。即H表示（U+PV）。可以得到：

Qp=（U2+PV2）-（U1+PV1）=H2-H1=ΔH

教学中，不要求学生从热力学原理来分析和推导焓和焓变的概念。教师可以通过实例帮助学生认识，通常研究的化学反应体系，例如容器中的酸碱溶液体系发生的中和反应，氢气氧气化合生成水蒸气，在化学反应过程中，体系的内能会发生变化、体系可以对环境做功或从环境中获得功（反应体系体积膨胀对环境做功，或者反应体系体积缩小，从环境中获得功）、体系和环境间会发生热的传递（向环境放热或从环境吸收热）。体系的内能的变化、体系对环境做功（或环境对体系做功）、体系向环境传递的热（或从环境吸收的热）三者之间存在着严格的数量关系。

教师可以直接告诉学生，

科学家依据能量守恒原理，经过一系列严密的推导，得到一个结论： 通常研究的化学反应在恒温恒压进行时，反应的热效应（Qp）等于反应中体系的内能变化、体系所做的功（或环境对体系所做的功）之和。把反应体系内能变化和体系所做的功（或环境对体系所做的功）的总和称为体系的焓变（ΔH），这样就可以简单地用体系的焓变（ΔH）来表示反应的热效应（Qp）。

4化学反应方向、熵概念与反应自发性判断的教学

依据2017年版化学课程标准对于化学反应方向和熵的学习要求，要帮助学生知道： 化学反应是有方向的;反应方向和焓变、熵变有关。不少化学教师在教学中感到焓和熵的概念抽象，教师难讲、学生难接受，而且上述教学要求，“欲言又止、吞吞吐吐”，难以把握。

帮助学生认识“化学反应是有方向的;反应方向和焓变、熵变有关”，要求教师通过通俗的启发式讲解帮助学生初浅了解（知道）什么是反应方向，什么是反应体系的焓变、熵变，知道它们之间有关联，要依据反应的焓变、熵变，有时还要考虑反应的温度条件做综合判断。但是，不要求知道它们之间是如何关联的，更不要求知道如何依据反应体系的熵变、焓变来确定反应的方向。

（1） 知道化学反应具有方向性。在教学中要运用实例帮助学生认识在一定条件下（即在一定的温度、压强下），不需要外界环境对反应体系做功，反应体系只能自动朝一个方向进行，而相反方向的反应是不能自动进行的。例如，常温常压下可燃物的燃烧、酸碱的中和反应，高温下CaCO3的分解反应、NH4Cl的热分解都不需要外界做功就能自动发生。与这些反应方向相反的反应（如，常温下燃烧产物自动还原为可燃物、盐自动转化为酸和碱，高温下氧化钙和二氧化碳、氨气和氯化氢气体分别自动化合生成碳酸钙、氯化铵）没有外界对反应体系做功，是不能发生的。有些学生不理解“环境对反应体系做功（提供能量）”的含义，往往把高温下发生的反应，视为外界对反应体系提供了能量。要用学生熟悉的实例纠正错误的前概念。例如，让学生思考，在温度达到可燃物的着火点时，燃烧才能发生，这是不是意味着可燃物燃烧需要外界提供能量，是非自发反应？水在电解条件下才能分解为氢气、氧气，为什么可以说明水的分解是非自发反应？此外，要帮助学生认识自发反应，指的是在一定条件下，不需要外界提供能量可以自动发生的反应，指的是反应发生的趋势，但并不意味着反应在该条件下一定有明显的反应速率。例如，在常温常压下氮气氢气化合生成氨，是自发反应，但反应速率极慢，实际上经过很长的时间，也难以觉察到有氨气生成。

（2） 知道一个体系总是趋向于处于较低的能量状态，使体系处于较为稳定的状态。可以列举实际例子，帮助学生认识通常研究的在恒温恒压下发生的化学反应，在不做非体积功时，体系焓减小[焓变ΔH小于零（ΔH<0），即体系的内能降低、体系做功的本领减小（或从环境获得功减少）]有利于反应的自发进行。

（3） 知道在一个与环境没有物质和能量交换的孤立系统中，微观粒子热运动混乱程度总是在增加的。

科学家用“熵”（S）来度量系统中微观粒子热运动的混乱程度。

熵是一个难以理解的热力学概念。不宜从定义出发作讲解。可以借助学生易于理解的例子，做启发式讲解。例如，一小粒高锰酸钾晶体在水中组成的体系，在和外界没有物质和能量交换的情况下，钾离子和高锰酸根离子总是会从有序排列的晶体中脱离，分散到水中，最终均匀地分散到水中，使体系达到最大的混乱度。相反一杯高锰酸钾溶液处于孤立体系中，钾离子和高锰酸根离子永远不可能集聚成具有一定内部结构的晶体。自然界中所有的孤立体系总是存在着由有序自发地转变为无序，使体系混乱度增加的倾向。科学家用“熵”（S）来度量一个系统中微观粒子热运动的混乱程度。体系的混乱度增大，即体系的熵不断增大。一个反应体系熵的增大，即体系的熵增（ΔS>0）有利于反应的自发进行。

（4） 知道反应体系的焓的变化（焓变）、熵的变化（熵变）都对反应的自发性有影响。要正确判断反应可否自发进行，要综合考虑反应的焓变与熵变。当反应体系焓的变化、熵的变化对反应自发性的影响不一致时（例如焓趨于增加，不利于反应的自发进行;熵趋于增加，有利于反应的自发进行），还要考虑反应体系的温度对反应自发性的影响，因为反应温度会影响体系熵的变化。例如，碳酸钙的分解反应： CaCO3（s）CaO（s）+CO2（g），ΔH大于0，不利于反应的进行;而ΔS大于0，有利于反应的进行。要考虑温度条件才能做出正确判断。事实上，在常温下该反应不能自发发生，而在1000℃时则可以自发进行。

高中化学教学帮助学生了解熵、认识孤立体系中熵总是趋于增大的，可以让学生初步认识到一个系统（无论是化学反应体系、有机体，还是社会），如果处于孤立状态，不与环境发生物质或能量的交换，熵会不断增加，混乱度不断增大，将从有序走向无序，最终体系将无法维持正常的运行。体系要维持有序的运动状态，不使混乱程度不断增加，必须与环境进行能量和物质交换，使系统的发展过程一定会增加的熵得以去除。因此，有机体的健康发展、有序运行，需要从环境中得到负熵，抵消系统运行产生的熵的增加。正如薛定谔指出的：“有机体赖以生存的东西就是负熵。”“新陈代谢在本质上就是有机体成功地去除所有因存活而不可避免地产生的熵。[4]”

参考文献：

[1][3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 28.

[2]吴星. 中学化学学科理解疑难问题解析[M]. 上海： 上海教育出版社， 2020： 149～161.

[4]薛定谔. 生命是什么[M]. 北京： 北京大学出版社， 2018.