"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Энтальпия H помогает описывать энергетические изменения в химических реакциях при постоянном давлении. Она учитывает внутреннюю энергию системы и работу, связанную с изменением её объёма. Разность энтальпий конечного и начального состояний обозначают ΔH; при постоянном давлении она равна теплоте, полученной или отданной системой. Поэтому знак ΔH показывает, выделяется теплота или поглощается, а значение зависит от записи уравнения реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энтальпия H — функция состояния, определяемая выражением H = U + pV. Здесь U — внутренняя энергия системы, p — давление, V — её объём. Энтальпия помогает описывать энергетическое состояние системы в условиях, когда важно учитывать не только внутреннюю энергию, но и изменение объёма.
Изменение энтальпии ΔH — разность энтальпий конечного и начального состояний: ΔH = H₂ − H₁. Индекс 1 обозначает начальное состояние, а 2 — конечное. По этой величине можно судить, изменилась ли энергия системы при переходе и в каком направлении.
Тепловой эффект реакции при постоянном давлении — количество теплоты, которым система обменивается с окружающей средой. Для такого процесса Qₚ = ΔH, где Qₚ — теплота, полученная системой при постоянном давлении. Это равенство позволяет находить тепловой эффект, если известно изменение энтальпии.
Экзотермическая реакция выделяет теплоту, а эндотермическая поглощает её. Если система отдаёт теплоту, её энтальпия уменьшается и ΔH < 0; при поглощении энтальпия увеличивается и ΔH > 0. Знак позволяет определить направление теплообмена со стороны системы.
При нагревании или охлаждении при постоянном давлении система может менять объём и совершать работу над окружающей средой либо испытывать её воздействие. Одной внутренней энергии U поэтому недостаточно, чтобы описать весь энергетический эффект такого процесса. Слагаемое pV учитывает энергию, связанную с давлением и объёмом, а H = U + pV объединяет оба вклада. Благодаря этому изменение энтальпии удобно использовать для описания тепловых процессов при постоянном давлении.
Энтальпия является функцией состояния: её значение задаётся состоянием системы, а не способом, которым это состояние было достигнуто. Поэтому для расчёта изменения достаточно сравнить конечное и начальное значения: ΔH = H₂ − H₁. Если реакция идёт в несколько этапов или напрямую, но приводит к тем же исходному и конечному состояниям, суммарное изменение энтальпии будет одинаковым. Это свойство лежит в основе термохимических расчётов.
При постоянном давлении теплота, поступающая в систему, расходуется на изменение её внутренней энергии и на работу, связанную с изменением объёма. Энтальпия объединяет эти изменения, поэтому для такого процесса переданная системе теплота равна ΔH: Qₚ = ΔH. Здесь важно считать теплообмен со стороны системы: полученная ею теплота положительна, отданная — отрицательна. При других условиях равенство Qₚ = ΔH применять без оговорок нельзя.
Если система отдаёт теплоту, её энергия уменьшается, и конечная энтальпия оказывается ниже начальной. Следовательно, ΔH отрицательно — это экзотермический процесс. При поглощении теплоты система получает энергию, энтальпия возрастает и ΔH положительно; процесс эндотермический. Знак относится именно к изменению системы, а не к тому, что происходит с окружающей средой.
Тепловой эффект относится к реакции, записанной с определёнными коэффициентами: они задают количества веществ, участвующих в превращении. Если все коэффициенты умножить на одно и то же число, реакция будет описывать пропорционально большее или меньшее количество вещества. Поэтому во столько же раз изменится и ΔH. При развороте уравнения меняется направление процесса, а знак теплового эффекта становится противоположным.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Теплообмен системы с окружающей средой | Система отдаёт теплоту | Система получает теплоту |
| Изменение энтальпии ΔH | ΔH < 0 | ΔH > 0 |
| Изменение энтальпии относительно исходного состояния | Энтальпия уменьшается | Энтальпия увеличивается |
| Как записывают тепловой эффект в термохимическом уравнении | ΔH указывают со знаком минус | ΔH указывают со знаком плюс |
Сначала определите, что происходит с теплотой именно в системе: она её отдаёт или получает. Затем соотнесите это с изменением энтальпии и знаком ΔH. При чтении термохимического уравнения учитывайте его коэффициенты: тепловой эффект относится к записанному количеству веществ.
Задача 1. При постоянном давлении система получила 12 кДж теплоты. Нужно определить изменение энтальпии и тип процесса. Поскольку теплота поступила в систему, её значение положительно. Используем связь Qₚ = ΔH.
Ответ: ΔH = +12 кДж; процесс эндотермический.
Задача 2. В термохимическом уравнении ΔH = −184 кДж соответствует образованию 1 моль продукта. Определим тепловой эффект образования 2 моль продукта. Количество вещества увеличилось в два раза, поэтому в два раза возрастает и модуль ΔH. Отрицательный знак сохранится, так как реакция по-прежнему выделяет теплоту.
Ответ: выделится 368 кДж теплоты; ΔH = −368 кДж для образования 2 моль продукта.
Задача 3. Рассчитаем ΔH по энтальпиям образования на примере реакции CO + ½ O₂ → CO₂. Пусть ΔH образования CO₂ равна −393,5 кДж/моль, CO — −110,5 кДж/моль, а O₂ — 0 кДж/моль. Эти значения здесь приведены для демонстрации расчёта. Сначала учитываем коэффициенты, затем определяем тип реакции по знаку результата.
Ответ: ΔH = −283,0 кДж на реакцию, записанную данным уравнением; реакция экзотермическая.
Энтальпию иногда считают теплотой, которой система обязательно обладает. Путаница возникает потому, что оба понятия связаны с энергией, но теплота — это передача энергии при теплообмене, а энтальпия — функция состояния. Проверка: спросите себя, описывает ли величина состояние системы или энергию, переданную между системой и средой.
При выделении теплоты некоторые ставят ΔH со знаком плюс. Ошибка связана с тем, что тепло, полученное окружающей средой, путают с изменением самой системы. Если система отдаёт теплоту, её энтальпия уменьшается, поэтому ΔH отрицательно. Проверяйте знак по записи ΔH = H₂ − H₁: при экзотермическом процессе H₂ < H₁.
Равенство Qₚ = ΔH применяют и тогда, когда давление не постоянно. Обычно запоминают формулу, но забывают условие, при котором она справедлива. Перед расчётом проверьте, сказано ли в условии о постоянном давлении. Если это условие не указано, нельзя автоматически использовать данное равенство.
При изменении коэффициентов термохимического уравнения иногда оставляют прежнее значение ΔH. Так происходит, если воспринимать ΔH как неизменное свойство названия реакции, а не как эффект для заданных количеств веществ. Проверьте, не изменились ли количества в уравнении: при умножении всех коэффициентов на число на него же умножают и ΔH.
Для понимания энтальпии нужны понятия внутренней энергии, теплоты и работы, а также давление и объём. Они помогают понять, почему в определение H входят U и pV и почему важно условие постоянного давления. Умение читать уравнения реакций и учитывать коэффициенты необходимо для сопоставления количества веществ с тепловым эффектом.
Энтальпия понадобится в термохимических расчётах, где находят тепловой эффект реакции. Она также связана с законом Гесса: изменение энтальпии зависит от начального и конечного состояний, а не от пути между ними. Эти знания помогают оценивать энергетические изменения химических реакций.
Чем энтальпия отличается от теплоты?
Энтальпия — функция состояния: её значение характеризует систему и определяется её состоянием. Теплота — энергия, переданная при теплообмене, а не запас, которым система обязательно обладает. При постоянном давлении количество теплоты, полученное системой, равно изменению её энтальпии.
Почему тепловой эффект реакции при постоянном давлении равен ΔH?
Энтальпия включает внутреннюю энергию и слагаемое pV, связанное с работой расширения или сжатия. Поэтому при постоянном давлении теплота, переданная системе, учитывает изменение этих составляющих. Для такого процесса Qₚ = ΔH.
Почему у экзотермической реакции изменение энтальпии отрицательно?
При экзотермической реакции система отдаёт теплоту окружающей среде. Её энтальпия после реакции становится меньше, чем до неё, поэтому ΔH = H₂ − H₁ < 0.
Как изменится ΔH, если умножить коэффициенты уравнения реакции на два?
ΔH тоже умножится на два. Уравнение будет описывать вдвое большее количество реагирующих и образующихся веществ, а значит, и вдвое больший тепловой эффект.
Можно ли вычислить тепловой эффект реакции, зная энтальпии образования веществ?
Да. Из суммы энтальпий образования продуктов вычитают сумму энтальпий образования исходных веществ, учитывая стехиометрические коэффициенты. Знак результата показывает, экзотермическая реакция или эндотермическая.
§ 18. Энтальпия
