化学课程中的能量与化学能量观

吴俊明+吴敏

摘要：在概述能量、能量观与化学能的基础上，讨论了化学能量观的界定、结构、特点和教育教学价值，化学课程中的能量和能量观以及化学课程中能量及能量观的教学；澄清了一些错误认识。

关键词：科学观念；科学教育；化学能量观；化学课程；能量

文章编号：1005–6629（2015）1–0007–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

能量常简称为“能”，是化学课程中常常要涉及的一个重要概念，跟化学能量观有关的问题日益受到人们的关注。然而，对于什么是能量观、化学课程中要关注哪些能量问题、怎样应用能量观搞好化学教学等基本问题，不少人若明若暗，也还有一些问题需要深入讨论。本文拟就这些基本问题以及为什么要重视化学能量观、怎样养育学生正确的能量观等做一些初步的探讨。

1 能量与能量观概述

1.1 能量概念形成简史

观察周围运动着的物体，可以看到它们中的大多数最终会停下来。但是，千百年来对天体运动的观测，并没有发现宇宙运动有减少的迹象。由此，16、17世纪的许多哲学家都认为，宇宙间运动的总量是不会减少的，只要能够找到一个合适的物理量来量度运动，就会看到运动的总量是守恒的。这个物理量是什么呢？法国哲学家、数学家和物理学家笛卡尔（Rene Descartes，1596～1650）根据弹性碰撞运动提出，质量和速率的乘积是一个合适的物理量。后来牛顿（Isaac Newton，1643～1727）对此作了重要的修改：不用质量和速率的乘积，改用质量和速度的乘积mv来量度运动。牛顿把mv叫做“运动量”，就是现在说的动量。1686年，莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646～1716）根据落体运动认为，mv2是能使物体活泼起来（动起来、热起来）的“活力”，是物体的真正运动量度；并认为静止物体的压力或拉力是“死力”，其量度是mv。他所说的“活力”实际上跟能量概念相似。

经过半个多世纪的争论，直到19世纪中期，恩格斯（Friedrich Von Engels，1820～1895）根据当时自然科学的最新成就，特别是能量转换与守恒定律的发现，从运动转换的观点，精辟地论述了动量和动能这两个概念。恩格斯指出：“如果已经存在的机械运动以保持机械运动的方式进行传送，那么它是按照质量和速度的乘积的比例进行传送的。但是，如果机械运动传送的方式是：它作为机械运动是消失掉了，而以位能、热、电等等形式重新出现，一句话，如果它转变为另一种形式的运动，那么这一新形式的运动的量就同原来运动着的质量和速度平方的乘积成正比。一句话，mv是在机械运动中量度的机械运动。 mv2是在机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力方面来量度的机械运动。我们已经看到，这两种量度因为是互不相同的，所以归根到底并不互相矛盾。[1]”

现代意义的能量一词是英国的托马斯·杨（Thomas Young，1773～1829）在1807年提出的，他把能量定义为“作了功的力”，把力与能量区分开来，并揭示了能量可以用功来测量。但是，杨的提议在相当长的时间里没有为人们所接受，直到19世纪50年代以后，“能”这个术语才逐渐被物理学界广泛承认和采用[2，3，4]。1905年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）创立了狭义相对论，进一步指出动量和动能原来是一个统一的“能量-动量矢量”的不同分量，揭示了两种量度的统一，从而在新的水平上平息了两种量度旷日持久的争论[5]。

在能量概念形成过程中，人们或多或少受到发现质量守恒定律的启示。例如，俄国的罗蒙诺索夫（Михаил Васильевич Ломоносов，1711～1765）在1748年就说过：“这个普遍的自然规律也可以引申到运动的规律上去，因为一个物体用自己的力去推动另一个物体时，它本身就失去了这个力，而把它传给另一个由此获得运动的物体。[6]”

总之，虽然能量是一个常用的和基础的物理概念，但由于它非常抽象、难以简明地定义，物理学家一直到19世纪中叶才真正理解能量这个概念，在此之前能量常常被与力、动量等概念相混。

1.2 对能量的一些认识

1.2.1 能量的形式

能量跟运动紧密联系着，任何运动都需要能量。对应于物质的多种运动形式，能量也有多种形式，例如机械能、热能、电能、光能、声能、化学能等等。不同形式的能量彼此可以互相转换，不会消失，只能转移。

1.2.2 内能

内能是体系内部能量的总和，跟内部的结构（如原子结构、分子结构、晶体结构等）位能和微粒运动产生的动能有关。具体地说，内能包括组成物质系统的分子的平动能、转动能、振动能、分子内部电子的动能和位能、原子核内质子和中子的动能和位能、分子间相互作用的位能，以及空间电磁辐射能等。内能是体系本身的性质，仅决定于体系内部运动状态。内能的改变只与起止状态有关，在定态下有一定的值，与变化过程无关。

对于一个系统的内能的改变来说，做功和传递热量具有相同的作用，它们都可以作为内能变化的量度。

1.2.3 热能

热能是物体之间因为温度不同而传递的能量，其本质是物体内部大量实物粒子（分子、原子等）无规则运动的动能（包括平动能、转动能和振动能）之和，是分子热运动的动能。热能是能量的一种形式，是内能的一部分，把热能与内能等同起来是错误的。

物体具有的热能是其构成微粒无规则运动并相互碰撞的表现。有作者坚持“不相互碰撞的分子或原子的无序运动产生的能量称为物质的热能”，这个说法是错误的。按照这个说法，只有在无限的空间里物质才会具有热能，因为在有限的空间里分子或原子无序运动一定要相互碰撞，而事实是：物体无论大小都是具有或多或少的热能的。而且，把能量说成是运动的结果也是不妥的。

在热的认识史中，为了解释燃烧过程总是伴随着发热、发光的现象，拉瓦锡（A. L. Lavoisier，1743～1794）曾提出空气是氧与热素、光素的混合物，物体在燃烧时夺走了其中的氧，剩下了热素和光素，所以就出现了发热、发光现象。他在1789年提出的元素表中就列有热素和光素。然而，1798年伦福德（Rumford，1753～1814）发现，在一个密封的水箱中用钻头钻炮筒时，炮筒的温度能升得很高，显然，这热不是来自于周围空气，也不可能来自于水，结论只能是来自于摩擦，否定了热素的存在。1799年戴维（Humphry Davy，1778～1829）在低温真空装置中使两块冰摩擦，得出了跟伦德福相同的结论。1857年，克劳修斯（Rudolf Clausius，1822～1888）在研究理想气体分子的热运动时，证明气体的绝对温度由其分子的平均动能决定。后来，麦克斯韦和波尔茨曼证明任何物体都是如此。1878年焦耳（James Prescott Joule，1818～1889）最后确定了热功当量，终于牢固地确立了热动说。

1.2.4 能量的转换

当能量是属于非热能的形式时，它转换成其他形式的能量的效率可以很高甚至是完美的转换。然而如果是热能的话，在转换成另一种形态时，总会有转换效率的限制。

在能量转换的过程中，系统的总能量保持不变，总系统的能量在各子系统间做能量的转移，当某个子系统损失能量时，必定会有其他子系统得到这损失的能量，所以总能量不改变。这个能量守恒定律，是在19世纪初所提出的，适用于任何孤立系统。

1.2.5 能量的耗散

能量以热的形式散发到周围空间而无法再继续做功的现象称之为能量的耗散。在能量的转换过程中，能量的耗散是不可避免的。这就是为什么能量守恒，能源是不守恒的原因所在。熵是不能再被转换做功的能量的量度，熵的大小是无效能量的大小。

关于能量，还有许多秘密有待于通过进一步探索来揭开，例如：宇宙中的能量从哪里来？宇宙中的能量总量究竟是多少？它是怎样产生的？能量是标量吗？有没有负能量存在？……

1.3 能量的本质与界定

能量与物质有着内在的联系。1905年，著名物理学家爱因斯坦在狭义相对论中导出了E=mc2这一质能关系式，表明质量和能量是同一的，是它们的统一体的两种表述，深刻地阐明了能量的物质性：质量就是内敛的能量，能量就是外显的质量。由于反物质与正物质发生碰撞将会完全湮灭、100%地转化成能量，有人认为：说“能量也属于物质”，倒不如说是“其实物质属于能量”。

世界万物是不断运动着的，运动是物质的存在方式。在物质的一切属性中，运动是最基本的属性，其他属性都是运动属性的具体表现。能量是物质的一种存在方式，并且反映着物质的运动属性。有人说“能量来源于运动”，这种说法实际上把能量与物质运动二元化，否定了能量是物质的一种存在方式，否定了能量是物质运动的反映，是欠妥的。

物理学和哲学都关注能量，它们分别从自己的视角对能量做出了不同的界定。

能量的物理学定义是：能量是描写系统或者过程的一个量。对于系统来说，一个系统的能量可以被定义为从一个被定义的零能量状态转换为该系统现状的功的总和；对于过程来说，能量是物质运动的表现和一般量度，是物质运动规模的单值函数。后一个定义说明了能量是什么，前一个定义只说明了量度能量变化的操作性思路。

能量的通俗定义是“做功的本领”，寓意通过量度物体所做的功即可确定其能量。实际上，能量不只是用来做功，还可能以热量形式表现出来，物体也不能竭尽其所有能量来做功。这个定义没有揭示能量的本质，但是以这个定义为基础，通过热功当量综合考虑做功和热量变化可以确定物体的能量变化。

能量的哲学定义是：能量是一种客观存在，自然界的万物都是它的表现形式。能量的哲学定义涉及了能量的本质问题。

1.4 能量观的定位与结构

根据上面的讨论，能量观应该跟物质观有着直接的、密切的联系，两者在观念体系中应该位于同一层级。有些作者把能量观划属于次级的物质结构观或者物质变化观（化学反应观），甚至划属于物质应用观之下，显然是欠妥的。

就人类现在居住的地球环境而言，目前人们关于能量的认识，大体上可以归结为对能量本质的认识；对能量形式及其分类的认识；对能量转换的认识；对能量耗散的认识以及对能量守恒的认识等。与此对应，能量观是由能量本质观、能量形式观、能量转换观、能量耗散观和能量守恒观等构成的认识体系。

2 化学能与化学能量观

为了深入认识物质及其化学变化，化学一方面接受并运用了物理学中的能量概念，同时也衍生形成了具有化学学科特点的能量概念，作为化学能量观核心概念的“化学能”就是这样的典型。

2.1 化学能

前面已经说到，能量跟运动紧密联系着，对应于物质的多种运动形式，能量也有多种形式。通常把物质在进行化学运动（即发生化学变化）时所吸收或者释放的能量叫做化学能。由此可以确定，化学能只有在发生化学变化时才释放出来，变成热能或者其他形式的能量。

化学反应是原子重新组合变成新的物质的过程。在化学反应过程中，总要发生一些化学键的消失（断裂）和另一些化学键的形成。不同的化学键一般具有不同的能级。因此，物质发生化学反应时，体系的能量同时要发生变化。化学键的断裂和形成跟电子运动状态的改变有关，这意味着化学键能的本质是电子在电磁场中的位能发生变化。

但是，发生化学变化时所吸收或者释放的能量（化学能）并不是只跟化学键能有关。根据热力学的研究，在恒温恒压条件下进行的任何过程，都有一个焓变ΔH（恒温恒压条件下的反应热），它包括两部分的能量，一部分是ΔG，能自由地转变为各种形式的功（即做有用功，包括体积功、电功、机械功、反抗地心引力功等），所以被叫做自由能变化；另一部分是ΔQ，不能用于做有用功，而是消耗于增大体系混乱度或增加熵变，是用于改变体系组织（有序性）的能量，通常表现为热量：ΔH=ΔG+ΔQ。

ΔQ跟温度T和熵变ΔS有如下关系：ΔQ=TΔS，因此，ΔH=ΔG+TΔS。

在恒温恒容条件下进行的过程，体系内能变化ΔU也可以分为两部分：一部分是恒温恒容条件下的自由能ΔF（赫姆霍茨自由能），另一部分是TΔS。其关系式为ΔU=ΔF+TΔS。

实际上，有限的物质体系都有达到最低位能状态和最大混乱度的倾向，一旦其混乱度（或有序性）发生变化，就要有能量的释放或吸收。

化学反应的发生，往往需要克服一个能量障碍：满足活化能（E）要求。根据玻尔兹曼分布因子e-E/kT（即分子在给定的温度T下，能量大于或等于活化能的概率），化学反应速度与活化能是相关的。化学反应所需要的活化能，可以热能的形式提供。

化学能是一种内能，是一种隐蔽的能量，需要经由化学反应释放出来，不能直接用来做功。

2.2 化学能量观

2.2.1 什么是化学能量观

所谓“化学能量观”只是泛指化学领域中跟能量关联的各种问题的概括性的、综合性的、总结性的认识（见解、看法），一般不针对某一个特定的问题，跟“化学能观”不是一回事。

化学能量观跟一般的能量观也不是一回事，后者视野更广，层次更高，不能把两者混为一谈。化学能量观是一般能量观在化学领域的映射，因而应服从于一般能量观。

有人认为，“化学能量观是指从能量角度认识化学反应的学科观念”，这种说法似乎把化学能量观窄化了，因为化学能量观不只是从能量角度认识化学反应问题，它也涉及研究分子轨道的能量以认识分子的性质等；另一方面，虽然能量是一个核心的科学概念，也是一个基础的物理概念，在化学中并不是基础的概念，把它说成（化学的）“学科观念”是否妥当还需深入思考。

有人说：“化学能量观包含下列4部分：（1）物质都具有能量，不同的物质或同一物质不同的状态具有不同的能量；（2）化学能是能量的一种存在形式，它可以跟其他形式的能量相互转换，化学变化不仅是物质发生变化，它总是伴随着能量的转移或者转换，而且遵循能量守恒定律；（3）能量是影响化学反应速率和化学平衡的重要因素；（4）能源是社会发展的基础，能源的开发和利用离不开化学。”其中的第1部分应该划归一般能量观；第2部分其实也可以划归一般能量观；第3部分将温度跟能量等同起来，是欠妥的；第4部分有将能源与能量混淆之嫌，不应划归化学能量观。

2.2.2 化学能量观的结构

参照一般能量观的结构，可以推论化学能量观包含着化学能量本质观、化学能量形式观、化学能量转换观、化学能量耗散观等组成部分。

所谓化学能量本质观的涵义主要是：化学变化总是伴随着能量现象，化学变化中的能量变化是有关物质系统化学运动的重要表现和一般量度。物质在发生化学变化时所吸收或者释放的能量（即化学能）跟物质系统内部电子的电磁场位能变化、内部电子的动能、原子核内质子和中子的动能和位能、结构微粒运动的动能（包括平动能、转动能、振动能等）、结构微粒间相互作用位能的变化，以及物质体系组织改变消耗的能量等有关。

化学能量形式观的涵义主要是：物质在发生化学变化时所吸收或者释放的能量形式，除了涉及化学能、热能和各种功（例如体积功、电功）之外，还可能涉及多种辐射能（光能、电磁能）、声能等等。

化学能量转换观的涵义主要是：物质在发生化学变化时可以发生能量由一种形式向另一种的转换、内能与外部能量的相互转换；化学变化时的能量转换遵守能量守恒规律。不同能量形式之间的转换是有条件的，例如，在涉及物质转化时，通常要发生能量的耗散；有时需要满足活化能、需要借助于特殊的技术装置。

化学能量耗散观的涵义主要是：物质在发生化学变化时总要有一部分用于改变体系组织状态（改变体系的熵或微观混乱度），形成以热为形式的能量耗散现象，导致化学能与自由能不相等。

2.2.3 化学能量观的特点

化学能量观有两个显著的学科性特点：

（1）化学能量现象一般都涉及物质（实物材料）的变化（包括可能的变化），即涉及化学变化；

（2）涉及物质的微观结构的变化，既涵盖跟化学变化相联系的电离能、键能、轨道能、晶格能等微观的能量概念，也涵盖反应热、燃烧热、中和热、结晶热等宏观的化学能量概念。

2.3 化学能量观的教育教学价值

化学能量观的教育教学价值主要在于：

（1）从化学学科角度丰富和深化对能量的认识。物质运动的多样性决定了能量形式的多样性。能量是一个核心的科学概念，只有从多种角度认识能量，才能更深入地了解它的本质、形式、转换及其规律等等，化学能量观的教育教学价值首先就在于此。

（2）促进对化学变化和物质结构等知识的认识。科学观念是具有方法论意义的，化学能量观也是如此。它可以帮助人们从特定角度解释和理解物质的化学性质和行为，确定化学变化的条件，发现化学运动的规律，拓展化学反应的应用等等。例如，没有化学能量观，很难教好、学好“化学键”、“热化学”、“电化学”、“化学反应速率和化学平衡”等重要内容。电离能、键能、晶格能等能量概念有助于学生形成原子、分子和晶体的稳定结构等认识。

（3）拓展化学的研究和化学知识的应用。化学能量观可以拓展化学的研究，例如根据键能、活化能等概念以及能量形式相互转换规律，辐照化学、超声化学得以形成。化学能量观还可以拓展化学知识的应用，例如化学能和其他形式能量的相互转换规律在能源化学等领域已经得到了广泛的应用。

（4）强化化学跟物理学、生物学等学科之间的联系，促进统一的科学概念形成和学科的融合，从而有利于提升学生的科学素养。

（5）深化和强化学生对辩证唯物主义的理解。

3 化学课程中的能量和能量观

要了解中学化学中涉及哪些化学能量观，需要先了解中学化学课程中涉及哪些跟能量有关的知识技能。

现行化学课程标准[7，8]中规定的有关能量的内容如表1所示。

由表1可以看出，现行课程标准中涉及能量的内容是不多的，深度是较浅的。而且，这些内容的分布有两个特点：（1）主要是对化学中的能量现象和某些特殊能量概念的介绍，以及对化学中的能量转换的介绍；（2）高中必修部分集中于《化学2》模块；高中选修部分集中于《化学反应原理》模块和《物质结构与性质》模块。

根据上述规定和分布特点，现行中学化学课程可以使学生在物理学课程中初步形成的能量意识得到强化；但是，由于不能使大多数高中生获得足够的能量知识以及对能量本质的认识，现行化学课程难以使学生形成比较全面的能量观；在有关内容的教学中，学生（甚至于教师）仍可能产生一些错误或模糊的认识，例如把焓变等同于反应热、把实测的一些能量数据绝对化，需要注意研究相应对策；等等。

4 化学课程中能量及能量观的教学

总的看来，中学化学课程中对化学能量观的教学要求不宜太高，在平时的教学中只要搞好有关的知识技能教学，掌握有关的能量概念、规律和计算、了解不同形式能量转换的典型实例，能够举例或者用于解释不太复杂的问题就可以了，不必加码提出过高的要求。在复习阶段，可以对同类能量现象作一点初步的、简单的概括。对能量的本质可以只做渗透，不做要求。

一般说来，在中学化学教学涉及能量和能量观的教学中应注意下列几点：

（1）搞好有关的能量概念的教学。要注意通过分析、综合来概括各种化学能量现象，明确其涵义和化学认知功能，在此基础上形成宏观的和微观的化学能量概念，以利于进一步概括、综合、总结形成有关的观念。

（2）注意形成和巩固能量形式及其转换规律的认识，引导学生明确能量变化跟化学变化的关系，渗透辩证唯物主义教育。

（3）注意有关知识的应用，能应用有关知识解释能量变化的原因，解释和举例说明某些能量现象、物质性质、实际意义等，让学生在应用中深化和拓展对能量的认识。

（4）宏观能量变化的测量和计算是能量研究的重要内容，但在中学化学中只安排中和热的简单测定和应用盖斯定律进行反应热的简单计算。在教学中应着重让学生了解测量和计算的基本思路，不宜提出过高的要求。

（5）介绍焓变、熵变和自由能等抽象的能量概念，是为“用焓变和熵变说明化学反应的方向”教学服务的，应结合“用焓变和熵变说明化学反应的方向”的教学进行。课程标准必修部分对这些内容并未安排，更未提出要求；选修部分要求也不高，并且不作为高考内容。

有些教师在教学中仿照大学的教学模式给中学生讲授这个内容，其效果很差，方法是欠妥的。在教学时不妨采用科普手法，应用实例通俗地说明。这是完全可能的，因为热力学第二定律概括了大量的事实，涉及生活和自然环境的方方面面，贴近学生生活寻找好例子完全可能。例如，人在进行体力劳动做功时身体总是要发热、出汗，这个例子对于帮助学生认识和理解化学能在自由地转化为其他形式的能或功（“自由能”）的同时总要有一部分以热的形式释放出来，是十分有效的[9]。

“用焓变和熵变说明化学反应的方向”涉及化学中的能量耗散，对学生了解化学反应的方向、全面地认识能量现象是有意义的。笔者认为，适当地扩大这个内容的科普范围，让更多的学生有所接触、有所了解是有益的，这样做不会增加学习负担。

（6）搞好化学能量观养育的整体设计，注意平时教学与专题复习的合理分工和相互配合。

参考文献：

[1]恩格斯著.于光远等译编.自然辩证法[M].北京：人民出版社，1984：173～184.

[2][美] G. Holton著.S. G. Brush增订.物理科学的概念与理论导论[M].北京：人民教育出版社，1983，367～414.

[3]林宏德著.科学思想史（第二版）[M].南京：江苏科技出版社，2004：161，124.

[4]江晓原主编.科学史十五讲[M].北京：北京大学出版社，2006：266.

[5]北京师范学院物理系中学物理教学研究编委会.中学物理教学研究第4集[M].北京：原子能出版社，1983：3～4.

[6]库德梁夫采夫.罗蒙诺索夫传略[M].北京：科学出版社，1962：47.

[7]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011.

[8]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验版）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[9]吴俊明.“化学反应的方向”教学设计与探索[J].化学教学，2014，（7）：47～49.