§ 19. Цеплавыя эфекты хімічных рэакцый: Цеплавыя эфекты хімічных рэакцый

§ 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 $straight N identical to straight N$ у 1 моль азоту і сувязей $straight O equals straight O$ 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.

Велічыня цеплавога эфекту рэакцыі залежыць ад агрэгатнага стану рэагентаў і прадуктаў, паколькі пры працяканні працэсаў плаўлення або параўтварэння траціцца цеплата навакольнага асяроддзя. Пры пераходзе з вадкага ў цвёрды стан, з пары ў вадкасць цеплата, наадварот, вылучаецца. Таму ў тэрмахімічных ураўненнях абавязкова паказваюць агрэгатны стан: рэчыва (г) — газ; (в) — вадкасць; (цв) або (к) — цвёрдае або крышталічнае. Так, цеплавы эфект рэакцыі згарання вадароду ў выпадку ўтварэння вады ў вадкім або газападобным стане адрозніваецца на 88 кДж, бо цеплата параўтварэння вады складае 44 кДж/моль:

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

2H_2(г) + O_2(г) = 2H₂O_(г) + 484 кДж.

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.

Прыклад 1. Разлічыце колькасць цеплаты, якая вылучаецца ў выніку поўнага згарання ў кіслародзе метану аб’ёмам 6,72 м³ (н. у.) у адпаведнасці з тэрмахімічным ураўненнем:

СH_4(г) + 2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(г) + 803 кДж.

Дадзена:

V(CH₄) = 6,72 м³

Q = ?

Рашэнне

1. Вылічым колькасць (моль) метану, які згарэў, прымаючы пад увагу, што 6,72 м³ — гэта 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 аснове тэрмахімічнага ўраўнення маем:

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

адкуль:

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

Адказ: Q = 240,9 МДж.

Прыклад 2. Разлічыце масу натрыю, які згарэў у лішку кіслароду ў адпаведнасці з тэрмахімічным ураўненнем:

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

калі ў выніку рэакцыі вылучылася 51 кДж цеплаты.

Дадзена:

Q = 51 кДж

m(Na) = ?

Рашэнне

1. Знойдзем колькасць натрыю, выкарыстоўваючы тэрмахімічнае ўраўненне рэакцыі:

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

адкуль:

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

2. Вылічым масу натрыю:

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

Адказ: m(Na) = 4,6 г.

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.