§ 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:
| 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 «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:
N2(г) + O2(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:
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:
«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«msub»«mi»CH«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»V«/mi»«mo»(«/mo»«msub»«mi»CH«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/mrow»«msub»«mi»V«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»m«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»6720«/mn»«mo»§#160;«/mo»«msup»«mi»§#1076;§#1084;«/mi»«mn»3«/mn»«/msup»«/mrow»«mrow»«mn»22«/mn»«mo»,«/mo»«mn»4«/mn»«mo»§#160;«/mo»«msup»«mi»§#1076;§#1084;«/mi»«mn»3«/mn»«/msup»«mo»/«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mn»300«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo».«/mo»«/math»
2. На основании термохимического уравнения имеем:
«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«munderover»«msub»«mi»CH«/mi»«mrow»«mn»4«/mn»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»300«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«/munderover»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«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»=«/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»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mo»(«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«munderover»«mrow»«mn»803«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»803«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«mrow»«mi»x«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«/munderover»«mo»,«/mo»«/math»
откуда:
«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»Q«/mi»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»300«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»803«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mn»240«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mn»900«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»240«/mn»«mo»,«/mo»«mn»9«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1052;§#1044;§#1078;«/mi»«mo».«/mo»«/math»
Ответ: Q = 240,9 МДж.
Пример 2. Рассчитайте массу натрия, сгоревшего в избытке кислорода в соответствии с термохимическим уравнением:
«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»2«/mn»«msub»«mi»Na«/mi»«mrow»«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»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»510«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«mo»,«/mo»«/math»
если в результате реакции выделилось 51 кДж теплоты.
Дано:
Q = 51 кДж
m(Na) = ?
Решение
1. Найдём количество натрия, используя термохимическое уравнение реакции:
«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«munderover»«mrow»«mn»2«/mn»«msub»«mi»Na«/mi»«mrow»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«/mrow»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«mrow»«mi»x«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«/mrow»«/munderover»«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»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»Na«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»(«/mo»«mi»§#1090;§#1074;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«munderover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mn»510«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»510«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»51«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«/munderover»«mo»,«/mo»«/math»
откуда:
«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»=«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»51«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«mrow»«mn»510«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1044;§#1078;«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo»=«/mo»«mn»0«/mn»«mo»,«/mo»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo».«/mo»«/math»
2. Рассчитаем массу натрия:
«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»m«/mi»«mo»(«/mo»«mi»Na«/mi»«mo»)«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»n«/mi»«mo»(«/mo»«mi»Na«/mi»«mo»)«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»M«/mi»«mo»(«/mo»«mi»Na«/mi»«mo»)«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»0«/mn»«mo»,«/mo»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»23«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo»/«/mo»«mi»§#1084;§#1086;§#1083;§#1100;«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»4«/mn»«mo»,«/mo»«mn»6«/mn»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1075;«/mi»«mo».«/mo»«/math»
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).
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.