"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Тепловой эффект реакции показывает, сколько теплоты выделяется или поглощается при превращении веществ. Он помогает сравнивать химические процессы, рассчитывать их энергетические затраты и находить тепловой эффект сложной реакции через несколько стадий. Для экзотермической реакции теплота выходит в окружающую среду, а изменение энтальпии отрицательно; для эндотермической — наоборот. Значение эффекта зависит от количеств и агрегатных состояний веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловой эффект реакции — количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции. В принятой здесь системе знак Q положительный, если теплота выделяется, и отрицательный, если поглощается. Это обозначение позволяет записать не только направление обмена энергией, но и его величину.
Экзотермическая реакция протекает с выделением теплоты в окружающую среду. Изменение энтальпии системы при этом отрицательно: ΔH < 0. Такая запись показывает, что после реакции система имеет меньшую энтальпию, чем до неё.
Эндотермическая реакция протекает с поглощением теплоты из окружающей среды. Её изменение энтальпии положительно: ΔH > 0. Это обозначение помогает отличить процесс, которому требуется поступление энергии, от процесса, отдающего энергию.
Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указывают агрегатные состояния веществ и тепловой эффект либо изменение энтальпии. Состояния обозначают, например, как (г) — газ, (ж) — жидкость, (тв) — твёрдое вещество. Такая запись нужна, чтобы точно задать реакцию и относящийся к ней энергетический эффект.
Во время реакции старые химические связи разрываются, а новые образуются. На разрыв связей энергия расходуется, а при образовании связей энергия выделяется. Если образование новых связей отдаёт больше энергии, чем потребовалось на разрыв старых, избыток переходит в окружающую среду в виде теплоты; если затраты больше, система поглощает теплоту.
Знаки Q и ΔH описывают один и тот же обмен энергией, но с разных точек зрения. Положительный Q означает, что теплота выделилась наружу, а энтальпия самой системы уменьшилась, поэтому ΔH отрицательно. При поглощении теплоты Q отрицательно, система получает энергию, а ΔH положительно. Для этих обозначений связь выражается формулой ΔH = −Q.
В термохимическом уравнении тепловой эффект можно записать рядом с уравнением или включить теплоту в его состав. Например, для экзотермического процесса тепло условно указывают среди продуктов, а для эндотермического — среди реагентов. Агрегатные состояния важны потому, что одно и то же вещество в твёрдом, жидком или газообразном виде имеет разную энергию; переход между состояниями тоже требует или выделяет теплоту.
Тепловой эффект относится к количествам веществ, заданным коэффициентами уравнения, а не является свойством реакции «вообще». Если все коэффициенты умножить на одно число, описываемые количества веществ и тепловой эффект возрастут во столько же раз. Если уравнение записать в обратном направлении, выделение теплоты превратится в поглощение и наоборот, поэтому знак эффекта изменится на противоположный.
Закон Гесса утверждает, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояний системы, а не от пути превращения. Поэтому эффект прямой реакции можно найти, сложив эффекты промежуточных стадий. Для этого складывают уравнения стадий, сокращают вещества, которые образовались на одном этапе и израсходовались на другом, а затем складывают их тепловые эффекты с учётом знаков.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Обмен энергией с окружающей средой | Теплота выходит из системы | Теплота поступает в систему |
| Знак теплового эффекта Q | Q > 0 | Q < 0 |
| Знак изменения энтальпии ΔH | ΔH < 0 | ΔH > 0 |
| Где условно записывают теплоту в термохимическом уравнении | Среди продуктов | Среди реагентов |
| Пример реакции | Сгорание метана | Разложение карбоната кальция при нагревании |
Пользуйтесь таблицей, чтобы определить тип реакции по тому, куда направлена теплота, а затем проверить знаки Q и ΔH. Не смешивайте эти знаки: при выделении теплоты Q положительно, но ΔH отрицательно. В примерах состояния веществ и условия реакции тоже нужно учитывать.
Задача 1. При сгорании 1 моль вещества выделяется 890 кДж теплоты. Определите тепловой эффект реакции и укажите, экзотермическая ли она. Слова «выделяется теплота» указывают, что энергия уходит из системы. Поэтому в принятой системе знаков Q положителен.
Ответ: Q = +890 кДж; реакция экзотермическая, ΔH = −890 кДж.
Задача 2. По термохимическому уравнению при взаимодействии 2 моль реагента выделяется 600 кДж теплоты. Найдите количество теплоты при взаимодействии 5 моль этого реагента. Считаем, что остальные условия реакции не меняются и тепловой эффект прямо пропорционален количеству вещества. Если вещества взято больше, то и теплоты выделится больше.
Ответ: при взаимодействии 5 моль выделится 1500 кДж теплоты, Q = +1500 кДж.
Задача 3. Даны стадии A → B с эффектом +120 кДж и B → C с эффектом −40 кДж. Найдите эффект суммарной реакции A → C. Промежуточное вещество B сначала образуется, затем расходуется, поэтому при сложении уравнений оно сокращается. Знаки эффектов сохраняются такими, как заданы для каждой стадии.
Ответ: тепловой эффект реакции A → C равен +80 кДж; выделяется 80 кДж теплоты.
Положительное ΔH иногда приписывают экзотермической реакции, потому что выделение теплоты ошибочно связывают с ростом энергии системы. Но при выделении энергии энтальпия системы уменьшается, поэтому ΔH < 0. Проверьте себя вопросом: энергия покинула систему или поступила в неё? Если покинула, изменение энтальпии отрицательное.
При обращении уравнения можно забыть поменять знак теплового эффекта. Это происходит, когда внимание сосредоточено на коэффициентах, а направление процесса не проверяется. В обратной реакции обмен теплотой идёт в противоположную сторону; значит, эффект должен иметь тот же модуль, но противоположный знак.
Если коэффициенты изменились, а тепловой эффект оставили прежним, уравнение и число теплоты перестают соответствовать друг другу. Эффект относится именно к тем количествам реагентов и продуктов, которые записаны в уравнении. Проверьте, во сколько раз изменились все коэффициенты, и умножьте или разделите эффект во столько же раз.
Ещё одна ошибка — не указывать агрегатное состояние вещества. Один и тот же химический состав в разных состояниях имеет разную энергию, поэтому может отличаться и тепловой эффект реакции. Перед сравнением или сложением уравнений сверяйте пометки (г), (ж), (тв) и (р-р).
Чтобы работать с термохимическими уравнениями, нужно уметь составлять обычные уравнения реакций, расставлять коэффициенты и выполнять расчёты по количеству вещества. Именно коэффициенты задают соотношение реагентов и продуктов, к которому привязан тепловой эффект. При вычислениях важно согласовывать единицы количества вещества и теплоты.
Тема опирается на представления о химических связях и превращении энергии при их разрыве и образовании. Эти представления объясняют, почему одна реакция отдаёт энергию, а другая требует её поступления. Знание тепловых эффектов пригодится при применении закона Гесса, сравнении топлива и изучении энергетики химических процессов.
Почему при выделении теплоты изменение энтальпии отрицательно?
При выделении теплоты система передаёт энергию окружающей среде, поэтому её энтальпия уменьшается. По этой причине для экзотермической реакции ΔH < 0.
Чем тепловой эффект реакции отличается от температуры смеси?
Тепловой эффект — это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции в заданных количествах веществ. Температура показывает, насколько нагрето тело, и зависит также от массы, теплоёмкости и условий теплообмена.
Почему в термохимическом уравнении указывают агрегатные состояния веществ?
Тепловой эффект зависит от состояния вещества: например, жидкая вода и водяной пар обладают разной энергией. Поэтому без обозначений (тв), (ж), (г) или (р-р) значение эффекта может быть неоднозначным.
Как изменится тепловой эффект, если уравнение реакции умножить на два?
Он тоже увеличится в два раза, потому что уравнение будет описывать вдвое большее количество реагентов и продуктов. При делении коэффициентов на два тепловой эффект также делят на два.
Как применять закон Гесса, если реакция проходит в несколько стадий?
Сложите термохимические уравнения стадий так, чтобы после сокращения промежуточных веществ осталось уравнение нужной реакции. Затем сложите тепловые эффекты стадий с учётом их знаков; если уравнение стадии обращали, знак её эффекта нужно поменять.
§ 13. Тепловые эффекты реакций
