§ 19. Тепловые эффекты химических реакций

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:

Проанализируем записи.

При разрыве связей «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mo»§#8801;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«/math» в 1 моль азота и связей «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mo»=«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«/math» 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:

N_2(г) + O_2(г) = 2NO_(г) – 175 кДж.

Термохимическими называют уравнения, в которых указаны значения тепловых эффектов.

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:

2H_2(г) + O_2(г) = 2H₂O_(ж) + 572 кДж;

2H_2(г) + O_2(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:

6СО_2(г) + 6Н₂О_(ж) = С₆Н₁₂О_6(тв) + 6О_2(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.

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).

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.

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите уравнения экзотермических и эндотермических реакций:

• а) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«msub»«mi»NaNO«/mi»«mrow»«mn»3«/mn»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mn»2«/mn»«msub»«mi»NaNO«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#8211;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»215«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«mo»;«/mo»«/math»
• б) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»CaCO«/mi»«mrow»«mn»3«/mn»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«msub»«msub»«mi»CaO«/mi»«mrow»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mrow/»«/msub»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»CO«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#8211;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»178«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«mo»;«/mo»«/math»
• в) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«munder»«mrow»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1057;«/mi»«mn»6«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mn»6«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»§#1073;§#1077;§#1085;§#1079;§#1086;§#1083;«/mi»«/munder»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mo»=«/mo»«mrow»«mi»Pt«/mi»«mo»,«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»200«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#176;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»C«/mi»«/mrow»«/mover»«munder»«mrow»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1057;«/mi»«mn»6«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mn»12«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«/mrow»«mi»§#1094;§#1080;§#1082;§#1083;§#1086;§#1075;§#1077;§#1082;§#1089;§#1072;§#1085;«/mi»«/munder»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»206«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«mo»;«/mo»«/math»
• г) «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»C«/mi»«mo»=«/mo»«msub»«mi»CH«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»Pd«/mi»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1057;«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»CH«/mi»«mrow»«mn»3«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»137«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«mo».«/mo»«/math»

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: СН_4(г) + 2О_2(г) = СО_2(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) + O_2(г) = СО_2(г) + 394 кДж.

Рассчитайте количество теплоты, выделившейся при получении оксида объёмом 10 дм³ (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:

С₃H_8(г) + 5O_2(г) = 3CO_2(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.

*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:

2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(г) + 483,6 кДж,

2Н_2(г) + О_2(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) + O_2(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) СН_4(г) + 2О_2(г) = СО₂ + 2Н₂О_(г) + 802,3 кДж;
• б) С₂Н_4(г) + 3О_2(г) = 2СО₂ + 2Н₂О_(ж) + 1400 кДж;
• в) 2С₂Н_2(г) + 5О_2(г) = 4СО₂ + 2Н₂О_(ж) + 2610 кДж;
• г) С₃Н_8(г) + 5О_2(г) = 3СО₂ + 4Н₂О_(ж) + 2220 кДж.