"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Лёвкин А.Н., Шаталов М.А.
Тепловой эффект химической реакции показывает, сколько теплоты выделяется или поглощается при превращении веществ. Он нужен, чтобы сравнивать энергетические изменения процессов и рассчитывать теплообмен. Его указывают вместе с уравнением, коэффициентами и агрегатными состояниями веществ: значение относится именно к записанным количествам реагентов и продуктов. При изменении направления реакции знак эффекта меняется.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при химическом превращении. Его относят не к реакции вообще, а к уравнению с определёнными коэффициентами и заданными условиями. Поэтому при чтении значения нужно учитывать, сколько вещества вступает в реакцию.
Экзотермическая реакция — реакция, протекающая с выделением теплоты. В термохимическом уравнении тепло можно записать справа, среди продуктов: например, C + O₂ = CO₂ + 394 кДж. Такая запись показывает, что при образовании указанного количества CO₂ теплота передаётся окружающей среде.
Эндотермическая реакция протекает с поглощением теплоты из окружающей среды. Если тепло записывают непосредственно в уравнении, его помещают слева: тепло вместе с исходными веществами требуется для процесса. Это противоположно экзотермической реакции, которая сама отдаёт теплоту.
Термохимическое уравнение — уравнение реакции, дополненное значением теплового эффекта. Его коэффициенты и число рядом с теплотой должны относиться к одним и тем же количествам веществ. Если все коэффициенты увеличить вдвое, указанное количество теплоты также увеличивают вдвое.
При химической реакции одни связи разрушаются, а другие образуются. На разрыв связей обычно требуется энергия, а при образовании связей энергия выделяется. Если образование новых связей сопровождается большим выделением энергии, чем потребовалось на разрыв прежних, избыток уходит в окружающую среду и реакция экзотермическая; если затраты превышают выделение, энергия поступает извне.
Один и тот же теплообмен можно показать разными способами, поэтому при чтении сначала выясняют принятую запись. Если теплоту включили в уравнение как вещество, для экзотермической реакции её помещают справа, а для эндотермической — слева. Если используют условную величину Q, здесь принимают Q > 0 для выделения и Q < 0 для поглощения теплоты; знак нельзя толковать без понимания обозначений.
Тепловой эффект относится к количествам, заданным коэффициентами: они показывают соотношение числа молей веществ. Например, если уравнение описывает превращение двух молей вещества и ему соответствует 100 кДж, то превращение одного моля при тех же условиях сопровождается эффектом 50 кДж. Поэтому изменение коэффициентов требует пропорционально изменить и число теплоты.
При обращении реакции продукты становятся исходными веществами, а исходные — продуктами. Если прямое превращение отдавало энергию, для обратного превращения её нужно подвести, чтобы вернуть систему в исходное состояние. Поэтому величина теплового эффекта остаётся той же при тех же условиях, а его знак меняется на противоположный.
Агрегатное состояние влияет на энергию вещества: частицы в газе, жидкости и твёрдом теле взаимодействуют по-разному. Например, образование жидкой воды и водяного пара из одних и тех же исходных веществ сопровождается разным теплообменом. При переходе из одного состояния в другое часть энергии расходуется или выделяется, поэтому состояние вещества указывают прямо в термохимическом уравнении.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Теплообмен с окружающей средой | Теплота переходит из системы в окружающую среду | Теплота поступает из окружающей среды в систему |
| Что происходит с теплотой | Выделяется | Поглощается |
| Знак теплового эффекта при записи Q | Q > 0 | Q < 0 |
| Расположение теплоты в термохимическом уравнении | Справа, среди продуктов | Слева, среди исходных веществ |
| Пример реакции | C + O₂ = CO₂ + 394 кДж | CaCO₃ + тепло = CaO + CO₂ |
Чтобы определить тип реакции, проверьте, куда направлена теплота: от системы или к ней. Затем сопоставьте это с обозначением Q или расположением теплоты в уравнении. В примерах указаны типы реакций; точный эффект зависит от агрегатных состояний и условий.
Задача 1. По уравнению C + O₂ = CO₂ + 394 кДж определите тип реакции. Смысл записи в том, что теплота помещена справа вместе с продуктом. Значит, при превращении углерода и кислорода тепло выходит из системы.
Ответ: реакция экзотермическая, выделяется 394 кДж теплоты на количества веществ, указанные коэффициентами уравнения.
Задача 2. По уравнению C + O₂ = CO₂ + 394 кДж найдите, сколько теплоты выделится при сгорании 3 моль углерода. Уравнение показывает, что один моль углерода соответствует 394 кДж. Предполагаем, что кислорода достаточно, а условия не меняются.
Ответ: выделится 1182 кДж теплоты. Пропорциональность работает потому, что количество продуктов и теплообмен растут вместе с количеством прореагировавшего углерода.
Задача 3. Запишите обратную реакцию к C + O₂ = CO₂ + 394 кДж и укажите её эффект. При обращении CO₂ разлагается на углерод и кислород, поэтому для процесса нужно вернуть энергию, выделившуюся в прямой реакции. Количество теплоты остаётся равным 394 кДж, но меняется направление обмена.
Ответ: CO₂ + 394 кДж = C + O₂; обратная реакция эндотермическая, её тепловой эффект по величине равен 394 кДж, а знак противоположен эффекту прямой реакции.
Ошибка — считать, что знак теплового эффекта всегда читается одинаково. Её допускают, забывая, что Q и теплота, записанная в составе уравнения, могут быть приняты по разным правилам. Проверьте, какая договорённость используется: при записи теплоты в правой части она выделяется, а при Q > 0 — выделяется только если именно так определён знак Q.
Ошибка — изменить коэффициенты реакции, но оставить прежнее значение теплоты. Так происходит, когда число рядом с уравнением воспринимают как независимую константу. Проверьте, во сколько раз изменились все коэффициенты, и во столько же измените эффект; например, при удвоении коэффициентов удваивается и теплота.
Ошибка — при обращении реакции сохранить прежний знак теплового эффекта. Это возможно, если заметить замену реагентов, но не учесть противоположное направление теплообмена. Для проверки поменяйте местами исходные вещества и продукты, а затем убедитесь, что выделение стало поглощением или наоборот.
Ошибка — не указывать агрегатные состояния веществ. Тогда уравнение может описывать не тот энергетический процесс, поскольку образование жидкости и газа сопровождается разным теплообменом. Уточните, в каком состоянии находятся вещества, и проверьте, совпадают ли эти обозначения с условием задачи.
Для работы с термохимическими уравнениями нужно уметь составлять и уравнивать реакции: коэффициенты задают соотношение количеств веществ. Тема связана с законом сохранения энергии и энергией химических связей, поскольку выделение или поглощение теплоты отражает энергетический баланс превращения. Позже эти знания используют при изучении энергетики химических процессов и расчёте теплового баланса, например для определения количества теплоты, необходимого для процесса или отданного им.
Чем экзотермическая реакция отличается от эндотермической?
Экзотермическая реакция отдаёт теплоту окружающей среде, а эндотермическая поглощает её. Поэтому при одинаковых условиях окружающая среда обычно нагревается в первом случае и охлаждается во втором.
Как понять по термохимическому уравнению, выделяется или поглощается теплота?
Если теплота записана справа среди продуктов, реакция выделяет её; если слева среди исходных веществ — поглощает. При использовании величины Q с принятой здесь договорённостью выделению соответствует Q > 0, поглощению — Q < 0.
Почему тепловой эффект меняется при изменении коэффициентов уравнения?
Коэффициенты задают количества веществ, участвующих в реакции. Если все коэффициенты умножить на одно число, во столько же раз изменится и количество теплоты; при делении коэффициентов эффект также делят.
Почему при обращении реакции меняется знак теплового эффекта?
При обратном превращении исходные вещества и продукты меняются местами, а направление теплообмена становится противоположным. Если прямая реакция выделяла определённое количество теплоты, обратная поглощает такое же количество при тех же условиях.
Зачем в термохимическом уравнении указывать агрегатные состояния веществ?
Одно и то же вещество в твёрдом, жидком и газообразном состоянии обладает разной энергией. Переход между состояниями сопровождается теплообменом, поэтому для разных агрегатных состояний могут различаться и значения теплового эффекта.
§ 12. Тепловой эффект химической реакции
