对能量本质的探究和猜想(5)

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*3物态变化

物态变化是物理变化,并不会改变分子的构成,只是改变分子的排列

前面已经讨论过,分子(包括单原子分子)构成物质。人们认为之所以物质会分为常见的固态,液态,气态,原因在于分子是不停运动的,具有动能;而分子之间还有吸引力叫分子间力。既然分子间力维持着分子之间的相互位置,那么这种分子间力包含着势能。分子间力越强,分子的势能就越大。在固体和液体里,分子的动能不足以克服分子间力。在气体中,分子的动能足以克服分子间力所以分子分离开来。对于物质来说,它所包含的分子(以及分子间)的能量决定了它的物态。但实际上能量是不是唯一决定物质的状态的因素呢?

这里可以做一个定量的试验:加热36g的冰直至全部变为水蒸气,再将水蒸气凝结成冰。测量在这过程中的能量变化可得:

0c的冰+能量100c的水蒸气

36g108864J36g

100c的水蒸气+能量0c的冰

36g108864J36g

这个试验在这里便可以说明能量在物态变化中所起到的作用了:似乎只有能量在物态的转变中起着决定xing的作用。

(2)化学变化

化学变化会通过改变原子排列来改变分子的构成。结果导致一种新的物质产生,化学变化也伴随能量的变化。

*1释放能量的反应

任何以热的形式释放能量的化学反应是放热的。

例如氢在氧气里燃烧:

2h2+o22h2o+能量

这个反应其实是2个氢气分子被拆分为4个氢原子,一个氧气分子拆分成的2个氧原子,重新排列成为2个水分子并放出能量。更确切的说是氢分子和氧分子的化学键破碎而氢氧原子之间形成新的化学键,新的化学键和原来的化学键是不同的。既然原子本身并没有变化那么有没有可能能量是因为化学键的变化而放出的呢?那么到底什么是化学键,是什么在维系着分子的结构和原子的结构?

*2吸收能量的反应

2h2o+能量2h2+02

这个反应实际上是在能量的作用下,2个水分子中的化学键都破碎然后4个氢原子和2个氧原子分别形成新的化学键。如果假定反应前后化学键的变化是吸收、释放能量的原因,就可以得出2个水分子中的化学键能量小于2个氢分子中化学键能量与1个氧分子中化学键能量的和。这样方程两边的能量才是平衡的。

在化学反应中,许多能量都是用来打破分子中的键,并在原子间形成新的键。在物理变化中,需要较小的能量来克服分子相互吸引的分子间力。打破分子中的键所需要的能量比克服在分子间的力大得多。对应不同能量稳定度的物质可以在不同得反应中划分出一个能量级别来。

前面的想法毕竟是猜想,就一般而言人们是这样解释化学反应中能量的变化的:能量可以作为化学能储存在原子里和分子里。在释放热量的反应中,化学能只是简单地转化成为热能放出;在吸收能量的反应中,热能转化成为生成物的化学能储存起来

有些反应只有在物质已经升高到一定的温度后才开始。比如,需要一定的能量来加热炭,使它能够着火。但是一旦点着,炭在燃烧时放出的能量就比加热炭所需要的能量更多。化学家能够测量升高每种物质的温度带到开始发生化学变化所需要的能量。他们也能够测量在这个反应进行中放出的能量。如果这个反应是放热的,释放的能量总大于这个反应所需要的能量。另一方面,如果在反应开始后继续吸收能量,那么这个反应就是吸热的反应。可以发现,对于不同的物质,有一个不同的临界能量值分隔开它的物理变化和化学变化。

(3)原子核反应

*1天然放shèxing

由于从原子核里自发放shè粒子,而使一种元素变为另一种元素的过程,被称为放shèxing衰变。

铀的放shèxing衰变

铀238(质量数为238的铀的同位素)衰变时,它的原子核放出一个阿尔法粒子,这种粒子由2个质子和2个中子组成,同时放出热能和伽玛辐shè,形成钍234的原子核。

铀238阿尔法粒子+钍234+能量

92P2P90P

146n2n144n(P代表质子,n代表中子。质量数等于质子数加中子数。)

注意原子核的粒子怎样重新安排,铀238的原子核损失2个质子和2个中子形成一个阿尔法粒子,剩下的形成钍234的原子核,它是由90个质子和144个中子形成的。方程两边质子数核中子数都没变,看起来这里的能量来自把阿尔法粒子束缚在原子核上的2个单位的质子束缚能和2个单位的中子束缚能,它一起被释放出来。