化学反应中的核反应

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催化剂在化学反应中的应用

作者：朱梦娜

来源：《世界家苑·学术》2017年第04期

摘 要：在化学反应中，催化剂虽不参与化学反应，但它会与反应物发生作用，加快化学反应速率，使化学反应变得更为剧烈。基于笔者的好奇，本人对工业中催化剂的类型和作用进行了了解，对催化的应用进行了分析，希望通过本文可使大家产生对催化剂的了解兴趣，从而促进化学的有效学习。

关键词：催化剂；化学反应；作用

据了解，催化过程生产的新型催化剂起到的催化工艺效果引起了化学工业革命的创新，这也是大多数现代化学工业产品研制成功的重要关键所在，同时催化剂不仅激发了笔者本身对其的好奇，也促使无数化学研究者对其产生了无限兴趣，而在化学学习中，加强催化剂的应用探讨，也有助于我们了解化学反应，促进知识面的拓展。

1 催化剂的概述

1.1 催化剂类型

在化学反应中，大家都知道化学反应前后催化剂的质量、物质结构不会发生任何的改变，但催化剂会改变反应的速率，甚至可使反应的速率提高上万亿倍，提高了单位时间内产品的产量。其次催化剂类型多样，按催化过程可分为均相催化剂和多项催化剂；按反应类型可分为氧化还原催化剂、酸碱催化剂和配位催化剂；按物质类型可分为过度金属催化剂、金属氧化物催化剂、酸碱催化剂和金属络物催化剂。而后随着经济的发展及人类环保意识的增强，产生了从环保角度出发的绿色化学，如燃煤中加入生石灰反应，减少了煤燃烧过程中二氧化硫的排放，所以在绿色化学中很大一部分是通过催化剂的合理利用，来减少和排除工业生产对环境的污染、破坏，由此也就相应产生了绿色催化剂。

1.2 催化剂的作用

（1）催化剂的使用可降低工业生产的成本；一方面，催化剂的使用可使工业生产中的化学反应更为充分，降低了工业生产的原料损耗，提高了生产效率，另一方面催化剂加快了化学反应的速度，提高了单位时间内工业生产的生产量，节约了人力等成本，同时一些催化剂的应用，还简化了所需产品的加工工艺，使员工通过廉价的手段提取了高效益的能源、产品，创造了极大的社会效益，如在工业合成氨的过程中，相关人员告诉我，他们通过使用催化剂，可使合成氨的化学反应速率提升，从而提高了企业的生产能力。（2）催化剂能控制化学反应生成的产物；笔者在工厂中了解到，在乙烯与氧气的反应中，使用PdCl-CuCl2做催化剂可以生成龙源期刊网

核反应中的“质量守恒”与“质量亏损”

核反应、核反应方程以及核能的计算是在高中物理第二十二章《原子核》中的主要内容。在讲该部分时教师都会向学生介绍核反应须遵循四大“守恒”,即电荷数守恒、质量守恒、动量守恒、能量守恒.而在计算核能时是利用反应前后亏损的质量△m和爱因斯坦的质能方程E=mc2来计算核反应过程中释放的核能△E=△mc2。一方面说核反应过程中质量守恒，另一方面又说核反应过程质量亏损，二者岂不矛盾？其实不然，原因是二者所指“质量”不同。

一、核反应过程中质量守恒，其“质量"是指总质量,即静质量和动质量之和。

爱因斯坦在狭义相对论中提出质能方程E=mc2，并指出物质的质量与其运动有关.若物体静止时的质量为m（静质量），则该物体所蕴含的静止能量为mc2，即是说能量mc2包含除动能之外．．．．．的其它能量（如内能、势能等）之和。爱因斯坦的质能方程不仅对单一粒子适用，对多个粒子组成的物体甚至宏观物体也适用。下面利用爱因斯坦质能方程和能量守恒定律来看核反应过程中的质量守恒。

设原子核A和粒子B发生核反应，生成C、D，各粒子的静止质量和动能分别为mi和Eki （i=1、2、3、4）

Ａ＋Ｂ→Ｃ＋Ｄ

静质量 m1 m2m3m4

动能 Ek1 Ek2 Ek3 EK4

根据爱因斯坦的质能方程各粒子所蕴含的除动能之外的能量为mic2，那么各粒子总能量Ｅi＝mic2＋Ｅki

能的转化和守恒定律是自然界最基本规律之一，当然适用于原子核反应。由能量守恒，反应前总能量等于反应后总能量。即

(m 1c2+Ek1）+（m2c2+Ek2）=(m3 c2+Ek3）+( m4 c2+Ek4)

将上式两边除c2：

（m 1+ ）＋（m2+）＝(m3+）＋（m4+） （※）

由上式于是引出mi¹=mi+，mi¹是总质量，包括两部分mi和，其中是因运动才具有，故称为动质量，那么总质量=静质量+动质量，（※）式可写成：

＼２０１３年第６期　。学＞Ｊ障仔分析　

核反应、核能跟化学反应、反应热的区别　

一丁占超　核能、核反应方程式是“原子核”一章的重点，是高考的热　点．在学习这部分知识时，往往容易联想起化学上的反应热、　化学方程式，其实，不同学科中的这两部分知识并不相同．下　文就通过几个实际例子的对比，一同总结这两部分知识的一　些区别．　实例一：方程式　（１）核反应方程式和核能：　：Ｂｅ＋；Ｈｅ一　Ｃ＋　ｎ＋５．６ＭｅＶ（原子核人工转变）　ｎ＋ｉ　Ｈ一｝Ｈ＋２．２ＭｅＶ　琵Ｕ＋　ｎ一　Ｂａ＋；ｊＫｒ＋３　ｎ＋２０１ＭｅＶ（裂变）　｝Ｈ＋ｆＨ一；Ｈｅ＋　ｎ－Ｉ－１７．６ＭｅＶ（聚变）　琵Ｕ一。　Ｈ＋　Ｈｅ＋７（ａ衰变，　为光子，代表能量）　提示：衰变和原子核的人工转变不同．衰变是元素的原子　核自发进行的核转变，与所处的周围环境无关，人工无法控　制；其核反应方程式左边只有一个放射性元素的原子核．人工　核转变是通过人工手段（一般是用某种粒子作为“炮弹”轰击）　促使原子核发生转变，人们可控制它的转变，其核反应方程式　左边除其他元素的原子核外还有作为“炮弹”的粒子，如“射　线、Ｂ射线、中子和７光子等．　（２）化学方程式和反应热：　１　Ｈ２（ｇ）＋÷Ｏ２（ｇ）——Ｈ２Ｏ（Ｌ）＋２８５．８ＫＪ（无机反应）　Ｃ６Ｈ１　２Ｏ６（ｓ）＋６０２（ｇ）一６ＣＯ２（ｇ）＋６Ｈ　２０（Ｌ）＋２８７０ＫＪ　（有机反应）　实例二：核能、反应热的计算　（１）核能的计算　示例１：裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子　核　Ｕ为燃料的反应堆中，当　Ｕ俘获一个慢中子后发生的　裂变反应有多种形式，其中一种可表示为：　。；ｉ　Ｕ＋　ｎ一　ｉ：Ｘｅ＋；３　ｓｒ＋３３ｎ　２３５．０４３９　１．００８７　１３８．９１７８　９３．９１５４　反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量（以　原子质量单位ｕ为单位）．已知１ｕ的质量对应的能量为９．３×　１０　ＭｅＶ，此裂变反应释放出的能量是　ＭｅＶ．　解析：核反应过程中的质量亏损Ａｍ一（２３５．０４３９＋　１．００８７）ｕ一（１３８．９ｌ７８＋９３．９１５４＋３×１．００８７）Ｕ一０．１９３３Ｕ．　释放的核能ＡＥ—ＡｍＣ。一０．１９３３×９．３×１０　ＭｅＶ一　１．８×１０　ＭｅＶ．　（２）反应热的计算　示例２短跑运动员的动能是由体内葡萄糖氧化所释放　的能量转化来的，其热化学方程式为：Ｃ６Ｈ　ｚＯｓ（Ｓ）＋６０。（ｇ）　６ｃ（）２（ｇ）＋６Ｈ　ｚＯ（Ｌ）＋２８７０ｋｊ（其中１２５５ｋＪ储存在ＡＴＰ　中），试问运动员在起跑的瞬间要得到６．８６８ｋｊ的动能需消耗　体内葡萄糖的质量为多少？　解析：运动员的动能是由体内葡萄糖氧化所释放的能量　转化来的，因知１ｍｏｌ葡萄糖（１８０ｇ／ｔｏｏＬ）氧化释放２８７０ｋＪ的　能量，其中１２５５ｋＪ储存在ＡＴＰ中，只有１６１５ｋＪ的能量转化　为运动员的动能，故运动员在起跑瞬间需消耗葡萄糖的质量　为　×１８０ｇ：０．７６５ｇ．　１ｕ１　经过上面实例的对比，可以看出化学反应和核反应（在核　物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，　称为核反应．原子核的人工转变、轻核聚变、重核裂变都属于　核反应）都可以用反应方程式表示，且它们的书写形式很相　像，但它们有本质的区别．区别如下：　（１）反应方程式的书写不同．化学反应方程式反应前后应　用等号或箭头连接（无机反应用等号、有机反应用箭头）；参加　反应的原子，在书写时不书写原子量和电子数，但要注明反应　物、生成物的状态（固态、液态或气态）及反应时的条件（温度、　压力等）．核反应方程式反应前后用箭头连接；参加反应的原　子核须写上质量数和核的电荷数．　（２）参加反应的物质不同．对核反应，参加反应的物质为　原子核，与核外电子无关，在反应中有新元素生成．对化学反　应，参加反应的物质为原子中的电子，与原子核无关，在反应　中无新元素生成，只不过是各种原子相互组合．　（３）反应遵循的规律不同．核反应遵循电荷数守恒和质量　数守恒；化学反应遵循电子数守恒和质量守恒．　（４）方程式中注明的能量的意义不同．核反应中的能量都　是一个核参与反应时释放的能量；化学反应中的能量都是摩　尔反应物或生成物的摩尔反应热．　反应热：化学反应所伴随的能量变化称为反应热，用△Ｈ　表示．反应热△Ｈ等于生成物之热含量（在物理上，它叫内能）　之和与反应物之热含量之和的差．热含量是指在定温定压下，　一物质生成时所储于其中的能量．热含量与温度、压力及状态　有关，且只能测其变化值（反应热），而无法测其绝对值．如　ｌｇｌ℃的水的热含量比ｌｇ０℃的水多４．１８Ｊ，但无法测知ｌｇｌ℃　的水究竟有多少热含量．反应热的大小与反应物量的多寡、反　应物或生成物的状态、压力和温度有关．根据反应热ＡＨ的　正、负，化学反应分为吸热反应和放热反应．在化学反应方程　式中标明的反应热多为摩尔反应热．在上面的例子中，　２８５．８ｋＪ是Ｈ２或Ｈ：０的摩尔反应热，２８７０ｋＪ是Ｃ　Ｈ　Ｏ。（Ｓ）　的摩尔反应热．　（５）能量的计算方法不同．　核能（核反应中放出的能量称为核能）的计算依据是爱因　斯坦质能方程ＡＥ＝Ａｍｃ。．其中△ｍ是质量亏损，是组成原子　核的核子总质量与原子核的质量之差．质量亏损并不是质量　损失（消失），不违背质量守恒定律，而是亏损的质量以能量的　形式辐射出去，尽管光子没有静质量，但光子有动质量．质量　亏损不能误解为这部分质量转变成了能量．质量或能量是物　质的属性之一，绝不能把物质和它的某一属性（质量和能量）　等同起来；质能方程揭示了质量和能量不可分割性，方程建立　了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵循质量守恒　和能量守恒，质量和能量在量值上的联系决不等于这两个量　可以相互转化．核反应中用到的是核子的质量和原子核的质　量（因电子质量很小，有时用原子的质量代替原子核的质量）．　作者单位：河南省孟津县老城高中　甲掌｛ｌ

化学反应中的质量守恒

【学习目标】

1.熟练掌握质量守恒定律的内容；记住化学反应前后“六不变、两变、两可能变”。

2.学会运用质量守恒定律解释和解决一些化学现象和问题。

【要点梳理】

要点一、质量守恒定律

参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。这个规律就叫做质量守恒定律。

【要点诠释】

1.质量守恒定律适用于一切化学反应。运用这一定律时，特别要注意“参加化学反应”、“反应后生成”、“质量总和”等关键字词，不能遗漏任一反应物或生成物，尤其是气体。

2.在验证质量守恒定律时，对于有气体参加或有气体生成的反应，都必须在密闭容器中进行。

要点二、质量守恒定律的微观解释及运用（高清课堂《质量守恒定律》）

1.质量守恒定律的微观解释：化学反应的实质就是参加反应的各物质中的原子重新组合生成新物质分子的过程，在化学反应前后，原子的种类没有改变、原子的数目没有增减、原子的质量也没有改变。因此参加化学反应的各物质的质量总和与反应后生成的各物质的质量总和必然相等。

如下图所示：通电后水分子分解生成氢气分子和氧气分子，但是氢原子和氧原子的种类没变、数目没变、每个原子的质量也没变，因此物质的总质量也不变。

2.质量守恒定律的运用：

（1）解释常见化学现象中的质量关系，如：铁生锈质量增加，木炭燃烧成灰质量减少等。

（2）利用质量守恒定律，根据化学方程式确定物质的化学式。

（3）利用质量守恒定律，根据化学方程式确定物质的相对分子质量。

（4）利用质量守恒定律，根据化学方程式求反应中某元素的质量。

（5）利用质量守恒定律，根据化学方程式求反应中某物质的质量。

【要点诠释】

化学反应前后“六不变、两变、两可能变”：

1.六个不变：宏观上①元素的种类不变，②元素的质量不变，③物质的总质量不变；

微观上①原子的种类不变，②原子的数目不变，③原子的质量不变。

2.两个改变：宏观上物质的种类改变；微观上分子的种类改变。 3.两个可能变：宏观上元素的化合价可能改变；微观上分子的总数可能改变。