A-level 应用科学/物质探究/燃烧
甲烷燃烧生成二氧化碳和水的示意图。
计算反应焓变的一种简单方法是测量反应引起的温度变化。温度下降，ΔT 取决于
- ΔH，反应的焓变。
- m，发生温度变化的样品的质量。
- cp，发生温度变化的物质的热容。
热容衡量改变 1 g 物质的温度 1 oC 所需的能量。
ΔH = m cp ΔT
这将给出反应释放的能量，即 kJ。要计算摩尔焓变，kJ mol−1，我们必须除以反应中使用的摩尔数。
考虑断开分子中特定键时发生的反应所伴随的焓变：例如，在甲烷分子中，有四个碳 - 氢键，每个键可以依次断裂。每个阶段所需的能量都不同，因为 C-H 键处于不同的分子物种中，即不同的原子环境。
- CH4(g) → CH3(g) + H(g) ΔH = 435 kJ mol-1
- CH3(g) → CH2(g) + H(g) ΔH = 444 kJ mol-1
- CH2(g) → CH(g) + H(g) ΔH = 440 kJ mol-1
- CH(g) → C(g) + H(g) ΔH = 343 kJ mol-1
由于键焓定义为断开键所需的焓变，所有值都将为正。
现在，C-H 键焓在特定分子中会略有不同，例如甲烷、乙烷、苯、乙醇等。但是，这些差异并不大，我们可以使用键能项来进行有用的预测。
平均键焓是在各种“代表性”分子中测量的特定键的键焓的平均值。它也称为键能项。（见下表）。
| 键类型 | 能量 | 键类型 | 能量 | 键类型 | 能量 | 键类型 | 能量 | 键类型 | 能量 |
| H–H | 436 | D–D | 442 | C–C | 348 | C=C | 612 | C≡C | 837 |
| C–C（苯） | 518 | Si–Si | 226 | Ge–Ge | 188 | Sn–Sn | 151 | N–N | 163 |
| N=N | 409 | N≡N | 944 | P–P | 172 | O–O | 146 | O=O | 496 |
| S–S | 264 | F–F | 158 | Cl–Cl | 242 | Br–Br | 193 | I–I | 151 |
| C–H | 412 | Si–H | 318 | N–H | 388 | P–H | 322 | O–H | 463 |
| S–H | 338 | F–H | 562 | Cl–H | 431 | Br–H | 366 | I–H | 299 |
| C–O | 360 | C=O | 743 | C–N | 305 | C=N | 613 | C≡N | 890 |
| C–F | 484 | C–Cl | 338 | C–Br | 276 | C–I | 238 | Si–O | 374 |
为了根据键焓估计反应焓：i) 将断裂反应物中所有键所需的能量加起来。这是一个吸热过程。ii) 减去生成物键形成时释放的能量。键形成是放热的。
例如 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l)
- 断裂 2 个 H-H 键和 1 个 O=O 键
- 2 x 436 + 496 = + 1368 kJ mol−1
- 形成 4 个 O-H 键
- 4 x –463 = -1858 kJ mol−1
将这两个过程加起来：1368-1858 = -490 kJ mol−1
这是对两摩尔水的形成焓的良好估计。水的实验形成焓为 –285.9 kJ mol−1，即两摩尔水的形成焓为 -571.8 kJ mol−1。
- 估计过氧化氢的形成焓。O-O 键能为 146 kJ mol−1。
HI 形成的键焓如下
- H-H 436 kJ mol-1
- I-I 151 kJ mol-1
- H-I 299 kJ mol-1
H2 + I2 → 2 HI
- 断裂键：436 + 151 = 587 kJ mol−1
- 形成键：-2 x 299 = 598 kJ mol−1
- 根据这个计算，该反应的总焓变为 –11 kJ mol−1。这与实验值 +26.5 kJ mol−1 相吻合（由于反应中生成了 2 摩尔 HI，因此该值必须乘以 2）。在实验值中还包括升华能：I2(g) -> I2(v) -63 kJmol−1。考虑到这一点，将显示计算值与实验值之间的差异很小。但预计会存在几十 kJ mol−1 的误差，因为键焓是平均值。
一个键由两个分子组成，例如碳或氢，整个反应的焓变为 11。
1. (i) 使用平均键焓值，计算下列反应的焓变值。[5]
CH3OH + HBr → CH3Br + H2O
(ii) 实验测定了该反应的值。发现它与你在 (i) 中计算的值存在显著差异。显著差异是指差异大于实验误差（精度/容差）。提出导致这种情况的两个不同原因。[2] (iii) 你认为哪个值是正确的 - (i) 中计算的值还是 (ii) 中给出的值？[1] 2. 丙烷 C3H8 的燃烧：（i）描述该反应过程中发生的键合变化。[4] (ii) 写出该反应的平衡方程式，并使用以下键焓计算焓变。[6]
燃烧反应一直是人类历史上热量和光源。火也用于战争，清理森林地区，冶金和作为烟雾来源。自从工业革命以来，燃烧反应也被用于为机器和车辆提供动力。电力是通过燃烧天然气、石油和煤炭等燃料产生的。[1]
在高炉反应中，燃烧会产生一氧化碳和热量。CO 是还原剂，它将铁矿石转化为铁。[2]
四冲程汽油发动机的动画。1. 进气 2. 压缩 3. 点火/膨胀 4. 排气
1800-2004 年期间，按各种燃料类型划分的二氧化碳排放量年度变化。显示了消耗化石燃料的速度不断增加。