Print bookPrint book

§ 19. Тепловые эффекты химических реакций

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 19. Тепловые эффекты химических реакций
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 8:21 AM

Протекание химических реакций всегда сопровождается выделением или поглощением энергии.

Тепловой эффект реакции — это количество теплоты Q, выделяющейся или поглощающейся в ходе превращения, если количества реагентов (моль) соответствуют стехиометрическим коэффициентам уравнения реакции.

От чего зависит величина теплового эффекта химической реакции?

В ходе химической реакции протекают два процесса — разрыв химических связей в исходных веществах и образование новых связей в продуктах реакции. Разрыв химических связей всегда идёт с затратой энергии, сопровождается поглощением теплоты Q1 и является эндотермическим процессом. Образование новых химических связей — экзотермический процесс, протекающий с выделением теплоты Q2. Алгебраическая сумма тепловых эффектов этих стадий представляет собой общий тепловой эффект реакции Q: Q = Q1 + Q2.

В качестве примера определим значение теплового эффекта реакции образования оксида азота(II) из простых веществ:

Уравнение реакции N2 + O2 = 2NO
Стехиометрическое количество 1 моль 1 моль 2 моль
Энергия связи 945 кДж/моль ∙ 1 моль 494 кДж/моль ∙ 1 моль 632 кДж/моль ∙ 2 моль
Изменение энергии Затрачено на разрыв связей 1443 кДж Выделилось при образовании связей 1264 кДж

Проанализируем записи.

При разрыве связей straight N identical to straight N в 1 моль азота и связей straight O equals straight O в 1 моль кислорода поглощается соответственно 945 кДж и 494 кДж теплоты, в сумме Q1 = –1439 кДж.

С другой стороны, при образовании связей в 1 моль NO выделяется 632 кДж, в расчёте на два моля оксида азота(II) 1264 кДж, то есть Q2 = 1264 кДж.

Общий тепловой эффект реакции Q равен сумме тепловых эффектов Q1 и Q2:

Q = Q1 + Q2 = –1439 кДж + 1264 кДж = –175 кДж.

Отрицательное значение теплового эффекта показывает, что данная реакция является эндотермической и протекает в соответствии с термохимическим уравнением:

N2(г) + O2(г) = 2NO(г) – 175 кДж.

Термохимическими называют уравнения, в которых указаны значения тепловых эффектов.

img

Величина теплового эффекта реакции зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов, поскольку при протекании процессов плавления или парообразования расходуется теплота внешней среды. При переходе из жидкого в твёрдое состояние, из пара в жидкость теплота, наоборот, выделяется. Поэтому в термохимических уравнениях обязательно указывают агрегатное состояние: вещество (г) — газ; (ж) — жидкость; (тв) или (к) — твёрдое или кристаллическое. Так, тепловой эффект реакции сгорания водорода в случае образования воды в жидком или газообразном состоянии различается на 88 кДж, так как теплота парообразования воды составляет 44 кДж/моль:

2H2(г) + O2(г) = 2H2O(ж) + 572 кДж;

2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г) + 484 кДж.

Для осуществления эндотермических реакций необходимо постоянно передавать системе энергию в виде теплоты, электромагнитного излучения (свет, ультрафиолетовое излучение), электричества и др. Так, эндотермические реакции либо протекают при высоких температурах (например, разложение карбонатов, нитратов и гидроксидов щёлочноземельных металлов), либо требуют подведения электрической энергии (электролиз, образование NO в грозовом разряде) или энергии света (образование озона в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения). Эндотермическим процессом является фотосинтез, в котором энергия солнечного света поглощается и запасается в виде химической энергии продуктов — кислорода и глюкозы:

6СО2(г) + 6Н2О(ж) = С6Н12О6(тв) + 6О2(г) – 2803 кДж.

Экзотермические реакции либо не требуют нагревания, либо для начала реакции нужно небольшое нагревание: например, водород со фтором реагирует мгновенно, а для взаимодействия водорода с кислородом смесь газов необходимо нагреть.

Величина теплового эффекта реакции определяется экспериментально в специальном приборе — калориметре, уже знакомом вам по урокам физики в 8-м классе. Результаты измерений приводят к определённым условиям. Обычно это давление 100 кПа и температура 25 °С (298,15 K), что необходимо для сравнения и обобщения экспериментальных данных.

Рассмотрим примеры термохимических расчётов.

Пример 1. Рассчитайте количество теплоты, выделяющейся в результате полного сгорания в кислороде метана объёмом 6,72 м3 (н. у.) в соответствии с термохимическим уравнением:

СH4(г) + 2O2(г) = CO2(г) + 2H2O(г) + 803 кДж.

Дано:

V(CH4) = 6,72 м3

Q = ?

Решение

1. Рассчитаем количество (моль) сгоревшего метана, принимая во внимание, что 6,72 м3 — это 6720 дм3:

n left parenthesis CH subscript 4 right parenthesis equals fraction numerator V left parenthesis CH subscript 4 right parenthesis over denominator V subscript straight m end fraction equals fraction numerator 6720 space дм cubed over denominator 22 comma 4 space дм cubed divided by моль end fraction equals 300 space моль.

2. На основании термохимического уравнения имеем:

stack CH subscript 4 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript with 1 space моль below and 300 space моль on top plus space 2 straight O subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space equals space CO subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space 2 straight H subscript 2 straight O subscript left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space stack 803 space кДж with 803 space кДж below and x space кДж on top comma

откуда:

Q equals fraction numerator 300 space моль space times space 803 space кДж over denominator 1 space моль end fraction equals 240 space 900 space кДж space equals space 240 comma 9 space МДж.

Ответ: Q = 240,9 МДж.

Пример 2. Рассчитайте массу натрия, сгоревшего в избытке кислорода в соответствии с термохимическим уравнением:

2 Na subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space straight O subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space equals space Na subscript 2 straight O subscript 2 left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space 510 space кДж comma

если в результате реакции выделилось 51 кДж теплоты.

Дано:

Q = 51 кДж

m(Na) = ?

Решение

1. Найдём количество натрия, используя термохимическое уравнение реакции:

stack 2 Na subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript with 2 space моль below and x space моль on top space plus space straight O subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space equals space Na subscript 2 straight O subscript 2 left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus stack space 510 space кДж with 510 space кДж below and 51 space кДж on top comma

откуда:

x equals fraction numerator 2 space моль space times space 51 space кДж over denominator 510 space кДж end fraction equals 0 comma 2 space моль.

2. Рассчитаем массу натрия:

m left parenthesis Na right parenthesis space equals space n left parenthesis Na right parenthesis space times space M left parenthesis Na right parenthesis space equals space 0 comma 2 space моль space times space 23 space straight г divided by моль space equals space 4 comma 6 space straight г.

Ответ: m(Na) = 4,6 г.

Методы калориметрии широко применяются для определения теплотворной способности (теплоты сгорания) топлива. Значения энергетической ценности пищи (калорийности) также основаны на измерении теплоты сгорания продукта в калориметре с учётом поправок, принятых в диетологии — науке о правильном питании.

Общепринятой практикой является приближённый расчёт калорийности продуктов. Так, для углеводов и белков калорийность считается равной примерно 4 ккал/г, а для жиров — 9 ккал/г (1 ккал = 4,184 кДж). На примере данных нескольких упаковок с продуктами питания убедитесь в этом самостоятельно (рис. 46).

img
Рис. 46. Этикетки с указанием калорийности

Термохимические уравнения позволяют:

  • а) определить количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в ходе реакции, если известны её тепловой эффект и количества (моль) участников реакции;
  • б) рассчитать количества (моль) веществ, вступивших в реакцию, если известно количество выделившейся или поглотившейся теплоты и тепловой эффект реакции.

Химические реакции протекают с выделением или поглощением теплоты.

Тепловым эффектом химической реакции называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается при протекании этой реакции.

В термохимическом уравнении реакции указывают агрегатное состояние всех веществ и величину теплового эффекта реакции.

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите уравнения экзотермических и эндотермических реакций:

  • а) 2 NaNO subscript 3 left parenthesis тв right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top 2 NaNO subscript 2 left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space straight O subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space – space 215 space кДж semicolon
  • б) CaCO subscript 3 left parenthesis тв right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top CaO subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript subscript blank plus space CO subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space – space 178 space кДж semicolon
  • в) stack straight С subscript 6 straight H subscript 6 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space with бензол below plus space 3 straight H subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript equals with Pt comma space 200 space degree straight C on top stack straight С subscript 6 straight H subscript 12 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript with циклогексан below plus space 206 space кДж semicolon
  • г) straight H subscript 2 straight C equals CH subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space straight H subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript stack space equals space with Pd on top straight H subscript 3 straight С minus CH subscript 3 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript space plus space 137 space кДж.

2. Рассчитайте количество теплоты, выделившейся при взаимодействии CaO количеством 0,2 моль с водой. Термохимическое уравнение имеет вид:

CaO(тв) + Н2O(ж) = Ca(OH)2(тв) + 65 кДж.

3. Реакции оксидов кальция, стронция и бария с водой описывают термохимическими уравнениями:

  • а) CaO(тв) + H2O(ж) = Ca(OH)2(тв) + 65 кДж;
  • б) SrO(тв) + H2O(ж) = Sr(OH)2(тв) + 83 кДж;
  • в) BaO(тв) + H2O(ж) = Ba(OH)2(тв) + 106 кДж.

Пусть масса каждого из оксидов равна 100 г. В случае какой из реакций выделится наибольшее количество теплоты?

4. Рассчитайте объём (н. у.) метана, сгоревшего в кислороде, в соответствии с термохимическим уравнением: СН4(г) + 2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(г) + 803 кДж, если в результате реакции выделилось 80,3 кДж теплоты.

5. При сгорании угля с образованием углекислого газа выделяется большое количество теплоты в соответствии с термохимическим уравнением:

С(тв) + O2(г) = СО2(г) + 394 кДж.

Рассчитайте количество теплоты, выделившейся при получении оксида объёмом 10 дм(н. у.).

6. Жидкий пентан С5Н12 количеством 0,1 моль сожгли в кислороде, в результате чего выделился 351 кДж теплоты. Рассчитайте тепловой эффект данной реакции и составьте её термохимическое уравнение, если известно, что вода получена в жидком состоянии.

7. Тепловой эффект реакции сгорания углерода до СО2 равен 394 кДж/моль, а теплота сгорания 1 моль пентана с образованием воды в виде пара составляет 3245 кДж. Сопоставьте количество теплоты, выделяемой при сгорании углерода и пентана одинаковой массы.

8. Реакция изомеризации н-пентана (газ) в 2-метилбутан (газ) протекает с выделением 7,1 кДж/моль теплоты. Составьте термохимическое уравнение реакции. Рассчитайте количество пентана, вступившего в реакцию, если известно, что в ходе эксперимента выделилось 2,0 кДж теплоты.

9. В результате полного термического разложения образца оксида серебра(I) выделился кислород объёмом 6,72 дм3 (н. у.и поглотилось 18,6 кДж теплоты. Рассчитайте тепловой эффект данной реакции и составьте её термохимическое уравнение.

10. Термохимическое уравнение реакции сгорания пропана имеет вид:

С3H8(г) + 5O2(г) = 3CO2(г) + 4H2O(ж) + 2220 кДж.

Сколько теплоты выделится при сгорании пропана количеством 0,1 моль, если продуктом реакции будет водяной пар? Теплота испарения воды составляет 44 кДж/моль.

Повышенный уровень

*Самоконтроль

1. Величина теплового эффекта в термохимическом уравнении реакции зависит от:

  • а) природы реагирующих веществ;
  • б) энергии химической связи в продуктах реакции;
  • в) массы исходных веществ;
  • г) агрегатного состояния участников реакции.

2. Для экзотермических реакций справедливы утверждения:

  • а) энергии на разрыв исходных связей в химических веществах затрачивается меньше, чем выделяется при образовании новых связей;
  • б) происходит поглощение теплоты;
  • в) Q > 0;
  • г) Q < 0.

3. Взаимодействие водорода и кислорода выражается уравнениями реакций:

2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 483,6 кДж,

2(г) + О2(г) = 2Н2О(ж) + 571,5 кДж.

Для обеих из них верно:

  • а) обе реакции являются эндотермическими;
  • б) реакции различаются тепловыми эффектами;
  • в) тепловой эффект второй реакции выше, так как конденсация паров воды сопровождается выделением теплоты;
  • г) энергии на разрыв исходных связей в химических веществах затрачивается больше, чем выделяется при образовании новых связей.

4. Окисление цинка характеризует следующее термохимическое уравнение:

2Zn(тв) + O2(г) = 2ZnO(тв) + 700 кДж.

При этом 35 кДж теплоты выделится, если в реакцию вступит:

  • а) 13 г цинка;
  • б) 2,24 дм3 кислорода;
  • в) 6,5 г цинка;
  • г) 112 дм3 кислорода.

Объёмы газов даны при н. у.

5. При сгорании углеводорода количеством 1 моль больше всего выделяется энергии в случае:

  • а) СН4(г) + 2О2(г) = СО2 + 2Н2О(г) + 802,3 кДж;
  • б) С2Н4(г) + 3О2(г) = 2СО2 + 2Н2О(ж) + 1400 кДж;
  • в) 2С2Н2(г) + 5О2(г) = 4СО2 + 2Н2О(ж) + 2610 кДж;
  • г) С3Н8(г) + 5О2(г) = 3СО2 + 4Н2О(ж) + 2220 кДж.