化學反應和能量 / 子課題
化學反應中的能量變化
Energy Changes in Chemical Reactions
能量守恆、放熱與吸熱反應、焓變 ΔH、鍵斷裂與鍵形成的能量
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 焓變與放熱/吸熱反應
考評提示：焓變為恆壓下熱變；符號為 ΔH；放熱為負吸熱為正
- 能量守恆：化學反應中能量不會消失或產生，只會在體系與環境間轉換（通常以熱形式）。
- 焓變 ΔH：在恆壓（通常為大氣壓）下反應吸入或放出的熱量。單位：kJ mol⁻¹。
- 放熱反應 (exothermic)：ΔH < 0，體系放熱到環境，溫度上升；例：燃燒、酸鹼中和、某些氧化還原。
- 吸熱反應 (endothermic)：ΔH > 0，體系從環境吸熱，溫度下降；例：光合作用、碳酸鈣分解、NH₄NO₃ 溶於水。
2. 鍵斷裂與鍵形成的能量
考評提示：斷鍵吸熱（+）、成鍵放熱（−）；ΔH = Σ(斷鍵) − Σ(成鍵)
- 斷鍵為吸熱過程（需提供能量以克服原子間吸引力），成鍵為放熱過程（原子形成鍵時釋出能量）。
- ΔH = Σ(斷鍵能量) − Σ(成鍵能量)；若斷鍵能量 > 成鍵能量則 ΔH > 0（吸熱），反之則 ΔH < 0（放熱）。
- 焓變圖（能量剖面圖）：放熱反應——生成物能量低於反應物；吸熱反應——生成物能量高於反應物；活化能 Ea 為反應物到過渡態的能量差。
常見題型 · scoring points
解釋能量守恆定律如何應用於化學反應
- 能量不會消失或產生，只會在不同形式間轉換。
- 在化學反應中，斷鍵所需能量由外界提供；成鍵時釋放的能量則以熱、光或電等形式流向環境或體系中其他部分。
- 體系與環境間能量總和保持不變：ΔH (體系) + 熱流 (環境) = 0（於絕熱體系）。
- 實際測量：量熱法以水吸收／釋放的熱量 Q = mcΔT 來間接量度反應焓變。
認識焓變 ΔH 為恆壓下的熱變
- 焓 (H) 是體系的總能量（包括內能及壓強體積能）的一種熱力學量。
- 在恆壓（通常為大氣壓 101.3 kPa）下，體系吸收或釋放的熱量等於焓變 ΔH。
- ΔH = H(生成物) − H(反應物)；單位為 kJ mol⁻¹。
- 符號約定：放熱 ΔH 為負；吸熱 ΔH 為正。
繪畫放熱反應和吸熱反應的焓變圖並說明差異
- 放熱反應焓變圖：反應物能階高於生成物，ΔH 為負值；例：CH₄ 燃燒 ΔH ≈ −890 kJ mol⁻¹。
- 吸熱反應焓變圖：反應物能階低於生成物，ΔH 為正值；例：CaCO₃ 熱分解 ΔH ≈ +178 kJ mol⁻¹。
- 兩圖均應顯示：能量坐標（y 軸）、反應進程（x 軸）、活化能 Ea 的「能量障壁」。
- 差異：能量流向相反——放熱反應熱由體系流出到環境；吸熱反應熱由環境流入體系。
運用化學鍵斷裂和形成解釋反應的放熱/吸熱本質
- 反應第一步：反應物鍵斷裂，吸收能量。
- 第二步：生成物形成新鍵，釋放能量。
- 若成鍵能量 > 斷鍵能量，淨釋放能量 → 放熱反應，ΔH 為負。
- 若成鍵能量 < 斷鍵能量，淨吸收能量 → 吸熱反應，ΔH 為正。
計算 H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g) 的 ΔH [鍵能: H-H 436, Cl-Cl 242, H-Cl 431 kJ/mol]
- 斷鍵能量：H-H (436) + Cl-Cl (242) = +678 kJ。
- 成鍵能量：2 × H-Cl (431) = −862 kJ。
- ΔH = Σ(斷鍵) − Σ(成鍵) = +678 − 862 = −184 kJ mol⁻¹。
- 結論：放熱反應（ΔH 為負）；此結果與實驗值 −184 kJ/mol 相符。
區別物理變化與化學變化中的焓變
- 物理變化（如熔化、沸騰、溶解）：涉及分子間作用力變化，ΔH 較小（通常 < 50 kJ/mol）。
- 化學變化：涉及共價鍵斷裂與形成，ΔH 較大（通常 > 100 kJ/mol，燃燒可達 1000+ kJ/mol）。
- 例：H₂O(l) → H₂O(g) 蒸發 ΔH ≈ +44 kJ/mol；H₂O 分解為 H₂ + ½O₂ ΔH ≈ +286 kJ/mol。
- 兩種變化均遵循能量守恆和焓變規律。
設計簡單實驗量度鹽酸與氫氧化鈉中和反應的焓變
- 器材：聚苯乙烯杯（隔熱）、溫度計、量筒、量熱計或保溫器。
- 步驟：分別量取 50 cm³ 1 M HCl 和 50 cm³ 1 M NaOH，記錄初始溫度；混合後攪拌並記錄最高溫度。
- 計算：Q = m × c × ΔT，m = 100 g（水的總質量），c = 4.18 J g⁻¹ K⁻¹。
- 結果：n(H⁺) = 0.05 mol → ΔH(neut) = −Q / n ≈ −57 kJ mol⁻¹（放熱）。
解釋暖手器和冰墊如何利用化學反應的能量變化
- 暖手器（放熱）：常用鐵粉氧化——Fe + O₂ + H₂O → Fe(OH)₃，ΔH 為負，釋放的熱量使手部溫暖。
- 冰墊（吸熱）：常含 NH₄NO₃ 與水分隔包裝，使用時擠壓使兩者混合，溶解過程 ΔH 為正，吸收熱量使周圍降溫。
- 設計考量：反應速率需適中（暖手器持續 8–12 小時），反應物須安全無毒。
- 遵循能量守恆：暖手器放出的熱來自鍵能差；冰墊吸收的熱用於打斷離子晶格和水合作用的能量差。
化學反應和能量 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
