共价键的键能

化学键是两个相邻原子间的强烈相互作用力，要断开化学键，需要吸收能量，而生成化学键时，则将释放能量，这种能量用键能表示。现行化学键键能的定义是：在 298K（25℃）和 100kPa 条件下，气态分子断开 1mol 化学键所需的能量叫键能。不同的原子形成不同的化学键，它们的结合力不同，也就是键能不同。表 3－2 列举一些常见共价键的键能数据，它们的能量单位用 kJ·mol-1 表示，都是 102 数量级的。

键能数据不是直接测定的实验值，而是根据大量实验数据综合所得的一种平均近似值。如在 H2O 分子中有 2 个 O－H 键，要断开第 1 个 O－H 键所需能量为 502kJ·mol-1，而断开第 2 个 O－H 键只需 426kJ·mol-1，表中所列 O

－H 键的键能为 465kJ·mol-1，这是根据多种化合物的 O－H 键的断键能量选定的。

化学变化过程的实质是原子外层电子的重排，或者说是化学键的改组。化学变化的热效应就来源于化学键改组时的键能变化。例如天然气的主要 成 分 甲 烷 （ CH4 ） 燃 烧 生 成 CO2 和 H2O ：

表 3 － 2 常见共价键的键能（ 298K ， 100kPa ）

CH 4 + 2O 2 = CO2 + 2H 2 O

可用结构简式表明上述反应的化学键改组情况，并参考表 3－2 数据注明各物质的键能：

由此可见，当 1mol CH4 燃烧时，反应物断键共需吸收的能量为

1660kJ+996kJ=2656kJ ， 而 生 成 物 成 键 共 释 放 能 量 为

1596kJ+1860kJ=3456kJ。即随着 1mol CH4 气体燃烧时，从键能估算，肯定是一个放热反应，可获得的化学能约为（3456－2656）kJ=800kJ。这是一个大约值，因为键能本来就是近似平均值，并且按照定义，它只适用于指定在 298K 和 100kPa 条件以及反应物和生成物都处于气体状态的情况。实验直接测定1mol CH4 完全燃烧时可以放热 800 多千焦。同理可知，辛烷（C8H18，汽油的主要成分）、氢气等在燃烧时释放的热量也都很高。

科学家们认为“氢能”将是未来的理想能源，地球表面的 70％为水覆盖， 所以 H2O 是丰富的天然资源。若能由 H2O 制得 H2，它的燃烧产物又是 H2O，这样 H2O→H2→H2O 的循环过程既无污染又可再生，氢气的热值又相当高（见表3－3），所以氢能是很理想的优质能源，问题在于寻找合理的、成本低廉的制备H2 的方法。从理论上说分解1mol H 2O 所需的能量等于由1mol H 2 和1/2mol O2 生成 1mol H 2O 所放出的能量（245kJ）。由键能数据可知分解 1mol H 2O 需要吸收的能量约为 245kJ，反之 H2 和 O2 起反应生成 1mol H2O 时，则可放热约 245kJ。

表 3 － 3 几种燃料的热值比较

H2 O =

H − O − H =

H 2

H − H

1

+ 2 O2

• 1 O = O 2

断 开 2mol H − O 键 生 成 1 mol H − H 需吸收的能量为 放出能量为436kJ 2 × 465kJ = 930kJ

生成0.5 mol O = O 键放出能量为0.5 × 498kJ = 249kJ

氢能的利用，首先要有足够的能量打开 H－O 键。例如利用电能进行水的电解是可以获得 H2 气体，制备 1m3 的 H2 约需耗电 4.0～4.5kW。电能本身就是高效、清洁的能源，消耗电力获得氢能似乎是得不偿失，何况 H2 的储藏和运输都比电力困难得多，这种方法没有实际应用价值。又如利用化学能使 H2O 分解的水煤气法，在高温下 C 作还原剂，它可以和 H2O 起反应生成 CO 和 H2：

C+H2O=CO+H2

这也是一个吸热反应，所得产物 CO 和 H2 都是可燃气体。制造水煤气虽然耗费一定的能量，但还是值得的。煤直接作为能源的缺点是污染环境，运输量大、热效不能充分利用，煤里其他宝贵成分白白烧掉。所以建造煤气工

厂，将煤制成煤气，煤气再作燃料是值得推广使用的方法，这是利用化学变化获得氢能的实用方法。

最为理想的方法当然是利用太阳能分解水，但是水不能直接被太阳能所分解（否则江河湖海将不堪设想），必须设计一种装置，借助一些能吸收太阳能并能有效地将其转化为电能或能使 H2O 还原的物质来实现这个目标。目前虽然困难重重，但光合作用的范例充分说明这个目标一定可以达到，不过要假以时日罢了。

科学家们在这个领域内所做的种种努力再次证明了能量守恒和质量守恒定律是普遍适用的基本定律。但是 20 世纪以来，有些人利用人类对能源的需要和对能源危机的恐慌心理，违背和抛弃了科学的基本定律，在国内外不止一次地出现了“化水为油”的闹剧。这些假发明家宣称发明了神药，只要加几滴或几克神秘药液，普通的水就变成了可燃的油！这种违背科学的神话曾欺骗了不少科盲。如 1916 年在美国，埃里克特在记者招待会上表演了他发明的少量绿色液体，掺入水中可以代油发动汽车，一时成为新闻热点，有汽车商和银行家愿出巨资作为购买专利的预订金，但最终并未买到专利，而埃里克特却因欺骗罪被判 7 年徒刑。近十年我国也出现了“水变油”的新闻，在社会上造成思想混乱。1995 年 3 月，41 位科技界的全国政协委员提出呼吁， 请有关领导单位组织调查“水变油”的投资情况及其对经济建设的破坏后果

（中国科学报，1995 年 8 月 4 日），这说明了这一事件的严重性。它不禁使人们联想到当年曾风行于世界很多国家的点金术，炼丹术的历史。由此可见， 时代不会自动赋与人们以科学素养，而科学素养的普遍提高对于社会生产与生活的正常发展都是十分重要的。