一枚钻石戒指可以从奶奶传到孙女,传上几百年,还是老样子。可化学家会告诉你,钻石”本该”变成石墨,也就是铅笔芯里的那种东西,因为石墨更稳定。可它就是不变。

这一课的傻问题是:钻石为什么不会变成石墨? 答案和下面这几件事是同一个道理:灶上的燃气为什么不会自己烧起来,食物为什么放在冰箱里更耐放,氢气为什么能像电池一样存能量。每个反应都有一笔账,也就是它放出或需要的能量;还有一座开始之前必须翻过的小山。

选一张牌:♣ 从零开始,♦ 不怕简单的公式,♠ 想看符号。随时可以换。

讲解难度

拆开要花能量,连上会放出能量

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新手

拿两块吸在一起的磁铁,把它们拆开:要费点力气。再把它们靠近,它们会啪地一下合上:合上的时候放出了能量。

分子里的原子靠化学键连在一起,道理差不多:拆开一个化学键要花能量,形成一个化学键会把能量还回来。化学反应就是拆掉一些键,再形成另一些键。如果新的键比旧的抓得更紧,还回来的就比拆开花掉的多,多出来的部分变成热。灶上的燃气就是这样发热的。

如果反过来,反应就需要能量,得有人给它,比如用电。最后讲水的时候你会看到。

进阶

化学键是分子里两个原子之间的连接。它的键能就是拆开 1 摩尔这种键要花的能量(OpenStax)。几个平均值:

化学键键能
H–H(氢气)436 kJ/mol
O=O(氧气)498 kJ/mol
O–H(水)464 kJ/mol

氢气和氧气生成水蒸气:2 H₂ + O₂ → 2 H₂O。要断开 2 个 H–H 和 1 个 O=O,花掉 2 × 436 + 498 = 1370 kJ;要形成 4 个 O–H,放出 4 × 464 = 1856 kJ。多出 486 kJ,每摩尔水约 243 kJ。实测是 242 kJ(OpenStax;NIST-JANAF 给出 241.8)。

能量有多余、以热的形式放出来的反应叫放热反应;需要往里加能量的叫吸热反应。这份多出来或缺少的能量叫作反应热。

键能是很多分子的平均值,所以这样算只是近似。要精确的数字,可以查表里每种物质由单质生成时的能量,用它们来算,就不用管化学键了。

技术

♦ → ♠ 从进阶到技术
♦ 里的说法♠ 里的写法
键能D(X–Y):气相中化学键的解离焓,单位 kJ/mol
反应热反应焓 ΔᵣH(恒压下的热);H 是状态函数
多出 486 kJΔᵣH ≈ ΣD(断开) − ΣD(形成) = 1370 − 1856 = −486 kJ
放热反应ΔᵣH < 0
吸热反应ΔᵣH > 0
平均值D̄,对很多分子取平均:误差可达几十 kJ/mol
每种物质由单质生成时的能量标准生成焓 ΔfH°(单质在最稳定形态下为 0)
就不用管化学键了盖斯定律:ΔᵣH° = Σν ΔfH°(产物) − Σν ΔfH°(反应物),ν 为计量系数

反应焓可以用 ΔᵣH ≈ ΣD(断开) − ΣD(形成) 来估算(OpenStax,Chemistry 2e,7.5)。表里的 D 是平均值,估算通常会差几十 kJ:在 OpenStax 的例子里,CO + 2 H₂ → CH₃OH(g) 用键能算是 −107 kJ,用生成焓算是 −90.5 kJ。

水的估算之所以准,是因为 H–H 和 O=O 不是平均值:它们各自就是一种具体的分子。用 298.15 K 的 NIST-JANAF 表,D(H–H) = 2 ΔfH°(H, g) = 2 × 217.999 = 436.0 kJ/mol,D(O=O) = 2 ΔfH°(O, g) = 498.3 kJ/mol,水中 O–H 的平均值是 [2 ΔfH°(H) + ΔfH°(O) − ΔfH°(H₂O, g)] / 2 = 463.5 kJ/mol。

用这些 D,估算结果正好等于 ΔfH°(H₂O, g) = −241.826 kJ/mol:同一笔账,换了一条路算而已。这由盖斯定律保证:H 是状态函数,所以 ΔᵣH° = Σν ΔfH°(产物) − Σν ΔfH°(反应物) 与中间步骤无关(OpenStax,5.3)。

小山:为什么几乎什么反应都不会自己开始

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新手

想象坑里有一个球。旁边是一段很长很长的下坡,可坑和下坡之间隔着一座小山。虽然滚到最底下会更舒服,但只要没人把它推过小山,球就哪儿也去不了。推过去以后,它会自己滚下去。

反应也是这样。灶上的燃气和空气里的氧气可以整天待在一起而不燃烧,直到一个火花推它一把。一旦烧起来,火焰的热又会去推旁边的分子,反应就自己进行下去了。

推得最狠的是温度。温度高的时候,分子跑得更快,撞得更猛,于是有更多次碰撞能翻过小山。所以食物放在冰箱里更耐放:天冷时,让食物变坏的反应进行得更慢。

进阶

两个分子要发生反应,必须带着足够的能量相撞,才能开始拆开各自的化学键。这个最低能量就是活化能(OpenStax)。在能量曲线上,它就是小山的高度:从反应物出发,爬到山顶,再下到生成物。起点和终点之间的落差就是上一部分讲的反应热。小山说的是另一回事:不是能赚多少,而是开头要花多少。

每次碰撞的能量都不一样:几乎所有碰撞都很弱,只有少数很猛。能到达山顶的碰撞所占的比例,山越高就越小得惊人,而且随温度升高增加得惊人。假设小山高 50 kJ/mol(这只是个示例值):

  • 在 25 °C,大约每 5.75 亿次碰撞中有 1 次能到达山顶;
  • 在冰箱里,4 °C 时,反应慢 4.6 倍;
  • 在 35 °C,快 1.9 倍。

这些是我们自己算的。“每升高 10 度,速度翻一倍”的说法就是这么来的,但它只对这么高的小山成立:小山如果是 100 kJ/mol,同样升高 10 度,速度会乘以 3.7。

催化剂开辟了另一条路,山更低。反应变快了,而起点和终点不变(OpenStax)。汽车的催化转化器和人体里的酶做的就是这件事。

技术

♦ → ♠ 从进阶到技术
♦ 里的说法♠ 里的写法
活化能Eₐ,单位 kJ/mol
能量曲线能量对反应坐标作图;山顶是过渡态(‡)
能到达山顶的碰撞所占的比例e^(−Eₐ/RT),R = 8.314 J/(mol·K),T 用开尔文
慢 4.6 倍速率常数 k = A·e^(−Eₐ/RT)(阿伦尼乌斯公式),A 为指前因子
随温度升高增加得惊人ln k = ln A − (Eₐ/R)(1/T):斜率为 −Eₐ/R 的直线
每升高 10 度,速度翻一倍k₂/k₁ = exp[(Eₐ/R)(1/T₁ − 1/T₂)];Eₐ = 50 kJ/mol,从 298 K 到 308 K 为 1.92
催化剂另一种反应机理,Eₐ′ < Eₐ,ΔᵣH 不变

阿伦尼乌斯公式是 k = A·e^(−Eₐ/RT)(OpenStax,12.5)。因子 e^(−Eₐ/RT) 衡量有多大比例的碰撞带着足够的能量;A 叫指前因子(频率因子),与碰撞的频率和分子的取向有关。两边取对数,ln k = ln A − (Eₐ/R)(1/T):在几个温度下测出 k,以 ln k 对 1/T 作图,会得到一条直线,由斜率就能求出 Eₐ。OpenStax 用 2 HI → H₂ + I₂ 做了这件事,得到 Eₐ = 180 kJ/mol。

两个温度之间,k₂/k₁ = exp[(Eₐ/R)(1/T₁ − 1/T₂)]。Eₐ = 50 kJ/mol 时,从 298.15 K 到 308.15 K 得 1.92;100 kJ/mol 时得 3.70(自行计算,假设 A 不变)。“每 10 °C 翻一倍”不是定律,要看 Eₐ。

催化剂提供另一种机理,过渡态更低。H 是状态函数,所以起点和终点不动:在 OpenStax 有无催化剂的图里,两条曲线”起点和终点的能量相同”(12.7,自译)。

反应光是”划算”还不够:得先翻过小山。所以书架上的纸不会自己烧起来。

动手试试:翻过小山

调一调小山的高度和温度。蓝色阴影带标出每 1000 次碰撞中有 1 次能到达的高度:阴影带一越过山顶,反应就很快。试试 190 kJ/mol,它接近在钻石粉末里测到的那座小山,然后把温度调高:即使到 1500 °C,阴影带也到不了山顶,但看看反应快了多少。

反应的小山一个反应的能量曲线:左边是反应物,中间是一座小山,右边低一些的是生成物。阴影带标出每 1000 次碰撞中有 1 次能到达的高度。初始状态:25 °C 下 50 kJ/mol 的小山,阴影带远低于山顶。能量千分之一50 kJ/mol反应物生成物
50 kJ/mol
25 °C (室温)
到达山顶的碰撞
每 5.7×10⁸ 次中有 1 次
与 25 °C 相比
一样
如果在 25 °C 要一分钟,这里要
1 分钟

25 °C (室温) 下 50 kJ/mol 的小山:到达山顶的碰撞是每 5.7×10⁸ 次中有 1 次。

钻石:稳定不等于快

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新手

现在想象两个山谷。一个高一点,里面是钻石;另一个只低一点点,里面是石墨。两者都是纯碳,只是排列方式不同:原子那一课讲过。

下到石墨那个山谷会放出一丁点能量,所以化学家说石墨更稳定。可两个山谷之间隔着一座大山:要变成石墨,每个碳原子都得先从钻石里挣脱出来,而挣脱要花非常多的能量。在室温下,几乎没有原子能做到。

钻石安然无恙,不是因为它最稳定,而是因为那座山太高了。把它放在没有空气的容器里加热到大约 1500 °C 以上,它就开始变成石墨。

进阶

要判断一个反应能不能自己进行,光看热不够。化学家用吉布斯自由能,它把热和混乱程度合在一起考虑。如果吉布斯自由能下降,反应就能自己进行。金刚石变成石墨,在 25 °C 时下降 2.9 kJ/mol(OpenStax;UW–Madison)。这非常少,而放出的热还要更少:每 12 克碳放出 1.9 kJ,只能让一杯水升温不到 2 °C(自行计算)。

但”能”不等于”会发生”。OpenStax 的说法是:“一个过程是否自发,与它的快慢无关”(自译)。要重新排列碳原子,每个原子都得先从金刚石里挣脱出来,这要花非常多的能量。

这座山有人测过:在极细的金刚石粉末中是 188 kJ/mol(Butenko 等,2000),在天然金刚石的一个晶面上约 730 kJ/mol(Davies 和 Evans,1972)。每个数字都只来自一项研究。按 188 的那个,在 1600 °C 时,金刚石和石墨之间的分界面每小时前进 1.5 纳米;在 25 °C 时,前进 1 纳米要超过 10²⁰ 年(自行计算,把他们的公式外推到远远超出测量范围的地方)。宇宙的年龄大约是 10¹⁰ 年。

金刚石在热力学上不稳定,在动力学上却稳定:这叫亚稳态(OpenStax)。这里也有催化剂:表面镀一层镍,极细金刚石组成的薄膜在 500 °C 左右就开始变成石墨,单晶金刚石的表面要 800 °C 以上(Sedelnikova 等,2025,转引其他研究)。

技术

♦ → ♠ 从进阶到技术
♦ 里的说法♠ 里的写法
吉布斯自由能G = H − TS;恒温恒压下 ΔG = ΔH − TΔS
混乱程度熵 S,单位 J/(K·mol)
如果吉布斯自由能下降,反应就能自己进行ΔᵣG < 0:自发过程
下降 2.9 kJ/molΔᵣG° = −2.90 kJ/mol(标准状态,298.15 K)
放出的热ΔᵣH° = −1.89 kJ/mol:因为 ΔᵣS° > 0,|ΔᵣH°| < |ΔᵣG°|
极细的金刚石粉末超分散金刚石(UDD):纳米金刚石
一个晶面{110} 和 {111} 晶面:晶体的平面(米勒指数)
金刚石和石墨之间的分界面界面推进速度 v = A·e^(−E/RT)(Butenko 等)
在热力学上不稳定,在动力学上却稳定ΔᵣG° < 0,但 298 K 时 k ≈ 0
亚稳态G 的局部极小值,与全局极小值之间隔着能垒

根据 OpenStax 附录 G,金刚石 → 石墨的 ΔᵣH° = −1.89 kJ/mol,ΔᵣS° = 5.740 − 2.38 = +3.36 J/(K·mol)。于是 ΔᵣG° = ΔᵣH° − TΔᵣS° = −1.89 − 298.15 × 0.00336 = −2.89 kJ/mol,和表里的 −2.90 一致。注意:放出的热是 ΔᵣH,即 −1.89;决定方向的是 ΔᵣG。

动力学是 Davies 和 Evans 测的(Proc. R. Soc. Lond. A 328, 413, 1972),温度 1850–2000 °C,零压力:110 晶面的 Eₐ = 728 ± 50 kJ/mol。对 111 晶面,他们的摘要给了两个彼此对不上的数:253 kcal/mol 和 1159 kJ/mol,而 253 kcal 是 1059 kJ。他们认为最慢的一步是从表面拉下单个原子:110 晶面上是有两个键的原子,111 晶面上是有三个键的原子。

Butenko 等(J. Appl. Phys. 88, 4380, 2000)用纳米金刚石在 1370–1870 K 之间测量,拟合出 v = A·e^(−E/RT),E = 45 ± 4 kcal/mol(188 kJ/mol),A = 74 nm/s。他们说这个公式适用于”所测温度范围内及其附近”(自译),并把与 Davies 和 Evans 的差别归因于较低温度下的另一种机理。

把他们的公式外推,v(298 K) ≈ 8×10⁻³² nm/s:前进 1 纳米大约要 4×10²³ 年,考虑 ±4 kcal/mol 的误差,在 5×10²⁰ 到 4×10²⁶ 年之间。用 Davies 和 Evans 的 Eₐ,25 °C 时的指数因子比 1900 °C 时小 10¹¹⁰ 倍。这些外推远远超出了测量范围,只有数量级有意义。在常压下,金刚石是 G 的一个局部极小值,与石墨之间隔着能垒;在极高的压力下,稳定的反而是金刚石(OpenStax,16.1)。

氧化和还原:把水当电池

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新手

生锈的铁钉和燃烧的木头做的是同一件事:某种东西和氧结合了。区别在于速度:生锈要几个月,火焰只要几秒。所以这类反应叫氧化反应。

水可以拿来做电池。通上电,水会被拆成氢气和氧气:这是在爬坡,要花能量。拆开 1 升水至少要 4.4 千瓦时,相当于一个电水壶连续烧两个多小时。

之后再把这些氢气烧掉,就是下坡,以热的形式还回同样多的能量。一焦耳也不会多:氢气不是能源,而是一种储存能量的方式,就像电池。

进阶

在化学里,氧化是失去电子,还原是得到电子(OpenStax)。两者总是同时发生,因为一方失去的电子正是另一方得到的。氢气燃烧时,氢被氧化,氧被还原。

用电把水拆开叫电解:2 H₂O → 2 H₂ + O₂,正好是燃烧反过来。两个电极之间至少要加 1.23 伏(OpenStax)。能量和第 1 部分的一样,只是换成液态水:每摩尔 285.8 kJ(NIST-JANAF;OpenStax)。在 1.23 伏下,其中约 237 kJ 以电的形式输入,其余的是从环境吸收的热。1 升水是 55.5 摩尔:15.9 MJ,也就是 4.4 千瓦时(自行计算)。

烧掉氢气,这些能量会以热的形式还回来。燃料电池进行的是同一个反应,但没有火焰,发出的是电,电压约 1.2 伏。它的效率约为 50–75%,而发动机只有 20–25%(OpenStax)。

技术

♦ → ♠ 从进阶到技术
♦ 里的说法♠ 里的写法
氧化失去 e⁻:氧化数升高
还原得到 e⁻:氧化数降低
电解电解池:外加 |E| > |E°池|,驱动 ΔᵣG > 0 的反应
至少要加 1.23 伏E° = ΔᵣG°/(nF) = 1.229 V,每个 H₂O 对应 n = 2 个 e⁻,F = 96485 C/mol(法拉第常数)
每摩尔 285.8 kJΔfH°(H₂O, l) = −285.83 kJ/mol;ΔᵣH/(nF) = 1.481 V,热中性电压
其余的是从环境吸收的热TΔᵣS° = ΔᵣH° − ΔᵣG° = 285.8 − 237.1 = 48.7 kJ/mol
燃料电池原电池:阳极 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻;阴极 O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
效率最大电功为 −ΔᵣG;其余部分 TΔᵣS 以热的形式放出

电解时(OpenStax,17.7),阳极把水氧化:2 H₂O(l) → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻,氧从 −2 价变成 0 价;阴极发生还原:2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂,氢从 +1 价变成 0 价。E°池 = −1.229 V:外加电压必须比它大。

用 ΔᵣG° = −nFE° 检验:ΔfG°(H₂O, l) = −237.141 kJ/mol(NIST-JANAF),n = 2,所以 E° = 237141 / (2 × 96485.332) = 1.2289 V。用 ΔᵣH 代替 ΔᵣG,得 1.481 V,即热中性电压:高于它,电解池就不需要外界供热。两个电压之差,就是电解池能从环境吸收的热,TΔᵣS = 48.7 kJ/mol,与附录 G 的 ΔᵣS° = 163.3 J/(K·mol) 一致。

反过来,在燃料电池里,最大电功是 −ΔᵣG = 237.1 kJ/mol,相当于把氢气烧掉所得热量的 83%(自行计算)。OpenStax 给出每个电池约 1.2 V,实际效率 50–75%。得到的能量永远不会超过拆开水所花的能量:这是化学电池,不是能源。

氢气不是能量矿,是电池。烧它得到的能量,都是之前拆开水时放进去的。

最后挑战

灶上的燃气和空气里的氧气待在一起,你不点火它们就不烧。为什么?
石墨比钻石更稳定。为什么钻石戒指不会变成石墨?
你先用电把水拆开,再把得到的氢气烧掉。能得到多少能量?

三句话总结

  1. 反应会拆开化学键(要花能量),再形成新的化学键(放出能量):有多余就以热的形式放出(放热反应),不够就得往里加(吸热反应)。
  2. 几乎没有反应会自己开始,因为得先翻过一座小山,也就是活化能:升高温度和催化剂都能帮忙翻过去。
  3. 所以石墨虽然更稳定,钻石却能长存;也所以拆开水再烧掉氢气,就是给电池充电再放电,永远不会多出能量。

参考资料

**这一课是怎么做的:**在 Claude 的帮助下,根据上面的资料调研和撰写,2026 年 10 月 16 日核对过,并用第二个来源交叉验证,10 月 17 日又复核了一遍。没有单独链接的数字,是根据这些资料以及原子和能量两课算出来的。插图都是原创的。