§ 19. Цеплавыя эфекты хімічных рэакцый

Працяканне хімічных рэакцый заўсёды суправаджаецца вылучэннем або паглынаннем энергіі.

Цеплавы эфект рэакцыі — гэта колькасць цеплаты Q, якая вылучыцца або будзе паглынута ў ходзе ператварэння, калі колькасці рэагентаў (моль) адпаведныя стэхіяметрычным каэфіцыентам ураўнення рэакцыі.

Ад чаго залежыць велічыня цеплавога эфекту хімічнай рэакцыі?

У ходзе хімічнай рэакцыі працякаюць два працэсы — разрыў хімічных сувязей у зыходных рэчывах і ўтварэнне новых сувязей у прадуктах рэакцыі. Разрыў хімічных сувязей заўсёды ідзе з затратай энергіі, суправаджаецца паглынаннем цеплаты Q₁ і з’яўляецца эндатэрмічным працэсам. Утварэнне новых хімічных сувязей — экзатэрмічны працэс, што працякае з вылучэннем цеплаты Q₂. Алгебраічная сума цеплавых эфектаў гэтых стадый уяўляе сабой агульны цеплавы эфект рэакцыі Q: Q = Q₁ + Q₂.

У якасці прыкладу вызначым значэнне цеплавога эфекту рэакцыі ўтварэння аксіду азоту(II) з простых рэчываў:

Ураўненне рэакцыі	N2	+	O2	=	2NO
Стэхіяметрычная колькасць	1 моль		1 моль		2 моль
Энергія сувязі	945 кДж/моль ∙ 1 моль		494 кДж/моль ∙ 1 моль		632 кДж/моль ∙ 2 моль
Змяненне энергіі	Затрачана на разрыў сувязей 1439 кДж				Вылучылася пры ўтварэнні сувязей 1264 кДж

Прааналізуем запісы.

Пры разрыве сувязей у 1 моль азоту і сувязей у 1 моль кіслароду паглынаецца адпаведна 945 кДж і 494 кДж цеплаты, у суме Q₁ = –1439 кДж.

Пры ўтварэнні сувязей у 1 моль NO вылучаецца 632 кДж, у разліку на 2 моль аксіду азоту(II) 1264 кДж, гэта значыць Q₂ = 1264 кДж.

Агульны цеплавы эфект рэакцыі Q роўны суме цеплавых эфектаў Q₁ і Q₂:

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

Адмоўнае значэнне цеплавога эфекту паказвае, што дадзеная рэакцыя з’яўляецца эндатэрмічнай і працякае ў адпаведнасці з тэрмахімічным ураўненнем:

N_2(г) + O_2(г) = 2NO_(г) – 175 кДж.

Тэрмахімічнымі называюць ураўненні, у якіх указаны значэнні цеплавых эфектаў.

Для ажыццяўлення эндатэрмічных рэакцый неабходна пастаянна перадаваць сістэме энергію ў выглядзе цеплаты, электрамагнітнага выпраменьвання (святло, ультрафіялетавае выпраменьванне), электрычнасці і інш. Так, эндатэрмічныя рэакцыі або працякаюць пры высокіх тэмпературах (напрыклад, раскладанне карбанатаў, нітратаў і гідраксідаў шчолачназямельных металаў), або патрабуюць падвядзення электрычнай энергіі (электроліз, утварэнне NO ў разрадзе навальніцы) ці энергіі святла (утварэнне азону ў атмасферы пад дзеяннем ультрафіялетавага выпраменьвання). Эндатэрмічным працэсам з’яўляецца фотасінтэз, у якім энергія сонечнага святла паглынаецца і назапашваецца ў выглядзе хімічнай энергіі прадуктаў — кіслароду і глюкозы:

6СО_2(г) + 6Н₂О_(в) = С₆Н₁₂О_6(цв) + 6О_2(г) – 2803 кДж.

Экзатэрмічныя рэакцыі або не патрабуюць награвання, або для пачатку рэакцыі неабходна невялікае награванне: напрыклад, вадарод з фторам рэагуе імгненна, а для ўзаемадзеяння вадароду з кіслародам сумесь газаў трэба нагрэць.

Велічыня цеплавога эфекту рэакцыі вызначаецца эксперыментальна ў спецыяльным прыборы — каларыметры, ужо знаёмым вам па ўроках фізікі ў 8-м класе. Вынікі вымярэнняў прыводзяць да пэўных умоў. Звычайна гэта ціск 100 кПа і тэмпература 25 °С (298,15 K), што неабходна для параўнання і абагульнення эксперыментальных даных.

Разгледзім прыклады тэрмахімічных разлікаў.

Метады каларыметрыі шырока прымяняюцца для вызначэння цеплатворнай здольнасці (цеплаты згарання) паліва. Значэнні энергетычнай каштоўнасці ежы (каларыйнасці) таксама заснаваны на вымярэнні цеплаты згарання прадукту ў каларыметры з улікам паправак, прынятых у дыеталогіі — навуцы аб правільным харчаванні.

Агульнапрынятай практыкай з’яўляецца прыблізны разлік каларыйнасці прадуктаў. Так, для вугляводаў і бялкоў каларыйнасць лічыцца роўнай прыкладна 4 ккал/г, а для тлушчаў — 9 ккал/г (1 ккал = 4,184 кДж). На прыкладзе даных некалькіх упаковак з прадуктамі харчавання пераканайцеся ў гэтым самастойна (мал. 46).

Тэрмахімічныя ўраўненні дазваляюць:

• а) вызначыць колькасць цеплаты, якая вылучаецца або паглынаецца ў ходзе рэакцыі, калі вядомыя яе цеплавы эфект і колькасці (моль) удзельнікаў рэакцыі;
• б) разлічыць колькасці (моль) рэчываў, якія ўступілі ў рэакцыю, калі вядома колькасць цеплаты, што вылучылася або паглынулася, і цеплавы эфект рэакцыі.

Пытанні, заданні, задачы

1. Укажыце ўраўненні экзатэрмічных і эндатэрмічных рэакцый:

• а)
• б)
• в)
• г)

2. Разлічыце колькасць цеплаты, якая вылучылася пры ўзаемадзеянні CaO колькасцю 0,2 моль з вадой. Тэрмахімічнае ўраўненне мае выгляд:

CaO_(цв) + Н₂O_(в) = Ca(OH)_2(цв) + 65 кДж.

3. Рэакцыі аксідаў кальцыю, стронцыю і барыю з вадой апісваюць тэрмахімічнымі ўраўненнямі:

• а) CaO_(цв) + H₂O_(в) = Ca(OH)_2(цв) + 65 кДж;
• б) SrO_(цв) + H₂O_(в) = Sr(OH)_2(цв) + 83 кДж;
• в) BaO_(цв) + H₂O_(в) = Ba(OH)_2(цв) + 106 кДж.

Няхай маса кожнага з аксідаў роўная 100 г. У выпадку якой з рэакцый вылучыцца найбольшая колькасць цеплаты?

4. Разлічыце аб’ём (н. у.) метану, які згарэў у кіслародзе, у адпаведнасці з тэрмахімічным ураўненнем: СН_4(г) + 2О_2(г) = СО_2(г) + 2Н₂О_(г) + 803 кДж, калі ў выніку рэакцыі вылучылася 80,3 кДж цеплаты.

5. Пры згаранні вугалю з утварэннем вуглякіслага газу вылучаецца вялікая колькасць цеплаты ў адпаведнасці з тэрмахімічным ураўненнем:

С_(цв) + O_2(г) = СО_2(г) + 394 кДж.

Разлічыце колькасць цеплаты, якая вылучылася пры атрыманні аксіду аб’ёмам 10 дм³ (н. у.).

6. Вадкі пентан С₅Н₁₂ колькасцю 0,1 моль спалілі ў кіслародзе, у выніку чаго вылучылася 351 кДж цеплаты. Разлічыце цеплавы эфект дадзенай рэакцыі і складзіце яе тэрмахімічнае ўраўненне, калі вядома, што вада атрымана ў вадкім стане.

7. Цеплавы эфект рэакцыі згарання вугляроду да СО₂ роўны 394 кДж/моль, а цеплата згарання 1 моль пентану з утварэннем вады ў выглядзе пары складае 3245 кДж. Супастаўце колькасць цеплаты, якая вылучаецца пры згаранні вугляроду і пентану аднолькавай масы.

8. Рэакцыя ізамерызацыі н-пентану (газ) у 2-метылбутан (газ) працякае з вылучэннем 7,1 кДж/моль цеплаты. Складзіце тэрмахімічнае ўраўненне рэакцыі. Разлічыце колькасць пентану, які ўступіў у рэакцыю, калі вядома, што ў ходзе эксперыменту вылучылася 2,0 кДж цеплаты.

9. У выніку поўнага тэрмічнага раскладання ўзору аксіду серабра(I) вылучыўся кісларод аб’ёмам  6,72 дм³ (н. у.) і паглынулася 18,6 кДж цеплаты. Разлічыце цеплавы эфект дадзенай рэакцыі і складзіце яе тэрмахімічнае ўраўненне.

10. Тэрмахімічнае ўраўненне рэакцыі згарання прапану мае выгляд:

С₃H_8(г) + 5O_2(г) = 3CO_2(г) + 4H₂O_(в) + 2220 кДж.

Колькі цеплаты вылучыцца пры згаранні прапану колькасцю 0,1 моль, калі прадуктам рэакцыі будзе вадзяная пара? Цеплата выпарэння вады складае 44 кДж/моль.

*Самакантроль

1. Значэнне цеплавога эфекту ў тэрмахімічным ураўненні рэакцыі залежыць ад:

• а) прыроды рэагуючых рэчываў;
• б) энергіі хімічнай сувязі ў прадуктах рэакцыі;
• в) масы зыходных рэчываў;
• г) агрэгатнага стану ўдзельнікаў рэакцыі.

2. Для экзатэрмічных рэакцый справядлівыя сцвярджэнні:

• а) энергіі на разрыў зыходных сувязей у хімічных рэчывах затрачваецца менш, чым вылучаецца пры ўтварэнні новых сувязей;
• б) адбываецца паглынанне цеплаты;
• в) Q > 0;
• г) Q < 0.

3. Узаемадзеянне вадароду і кіслароду выражаецца ўраўненнямі рэакцый:

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

2Н_2(г) + О_2(г) = 2Н₂О_(в) + 571,5 кДж.

Для абедзвюх з іх справядліва:

• а) абедзве рэакцыі з’яўляюцца эндатэрмічнымі;
• б) рэакцыі адрозніваюцца цеплавымі эфектамі;
• в) цеплавы эфект другой рэакцыі вышэйшы, бо кандэнсацыя пароў вады суправаджаецца вылучэннем цеплаты;
• г) энергіі на разрыў зыходных сувязей у хімічных рэчывах затрачваецца больш, чым вылучаецца пры ўтварэнні новых сувязей.

4. Акісленне цынку характарызуецца наступным тэрмахімічным ураўненнем:

2Zn_(цв) + O_2(г) = 2ZnO_(цв) + 700 кДж.

Пры гэтым 35 кДж цеплаты вылучыцца, калі ў рэакцыю уступіць:

• а) 13 г цынку;
• б) 2,24 дм³ кіслароду;
• в) 6,5 г цынку;
• г) 112 дм³ кіслароду.
• Аб’ёмы газаў дадзены пры н. у.

5. Пры згаранні вуглевадароду колькасцю 1 моль больш за ўсё вылучаецца энергіі ў выпадку:

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