§ 19. Тепловые эффекты химических реакций

Определения и обозначения

Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при протекании реакции. Его обозначают Q и указывают в единицах энергии, например в килоджоулях (кДж). Знание теплового эффекта помогает понять, как реакция обменивается энергией с окружающей средой.

Экзотермическая реакция — реакция, сопровождающаяся выделением теплоты в окружающую среду. При принятом здесь обозначении для неё Q > 0. Это понятие позволяет отличить реакции, которые нагревают окружение, от тех, которым требуется подводить теплоту.

Эндотермическая реакция — реакция, протекающая с поглощением теплоты из окружающей среды. При выбранном обозначении Q < 0, поскольку теплота не выделяется, а поступает в реагирующую систему. Знак помогает сразу определить направление передачи энергии.

Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указывают тепловой эффект и агрегатные состояния веществ. Например, обозначения (тв.), (ж.) и (г.) означают твёрдое, жидкое и газообразное состояние. Такая запись нужна для расчётов: она уточняет, какие именно вещества и в каких количествах участвуют в процессе.

Как это устроено

При реакции атомы не исчезают, но меняется способ их соединения. Чтобы разорвать исходные химические связи, нужно затратить энергию, а при образовании новых связей энергия выделяется. Если на образование связей её выделяется больше, чем было затрачено на разрыв, избыток уходит в окружающую среду; если затраты больше, реакция забирает теплоту извне.

При экзотермической реакции теплота переходит от реагирующих веществ к окружению, поэтому окружающие предметы могут нагреваться. При эндотермической реакции направление передачи противоположное: теплота поступает из окружения к реагирующим веществам, и окружение может охладиться. В принятой здесь записи Q > 0 соответствует выделению теплоты, а Q < 0 — её поглощению. Судить о типе реакции нужно по направлению обмена с окружением, а не только по температуре смеси.

Тепловой эффект относится к определённому количеству вещества, которое задано коэффициентами уравнения. Например, если уравнение показывает, что при реакции 1 моль углерода выделяется 394 кДж, то для 2 моль при тех же условиях выделится вдвое больше. Поэтому при умножении всех коэффициентов уравнения на одно число во столько же раз умножают и Q. Если уравнение разделить на два, тепловой эффект также уменьшают вдвое.

Агрегатное состояние важно потому, что одно и то же вещество в виде газа, жидкости или твёрдого тела обладает разной энергией. Например, при переходе воды из жидкого состояния в пар требуется теплота, поэтому реакции с участием H₂O(ж.) и H₂O(г.) могут иметь разные тепловые эффекты. В уравнении также могут указывать условия проведения реакции, если от них зависит её запись или результат. Без этих уточнений сравнить значения Q и выполнить точный расчёт нельзя.

Теплоту записывают рядом с уравнением или включают в его запись: при выделении её можно указать среди продуктов, а при поглощении — как необходимую для процесса. Например, C(тв.) + O₂(г.) = CO₂(г.) + 394 кДж означает выделение 394 кДж при реакции количеств веществ, заданных коэффициентами. Для расчёта сначала устанавливают, какое количество вещества соответствует указанному Q, а затем составляют пропорцию для заданного количества. При использовании знаковой записи для этой реакции Q = +394 кДж.

Сравнение экзотермических и эндотермических реакций

Сначала найдите в таблице направление передачи теплоты, затем сопоставьте его со знаком Q. Схема энергетических уровней показывает тот же смысл: при экзотермической реакции у продуктов энергии меньше, а при эндотермической — больше. Примеры в таблице записаны так, что теплота явно показана среди продуктов или реагентов.

Разбор задач

1. Определяем тип реакции по термохимическому уравнению

Условие: по уравнению C(тв.) + O₂(г.) = CO₂(г.) + 394 кДж определите, является ли реакция экзотермической или эндотермической. Нужно проследить, где находится теплота: среди продуктов или среди реагентов. Важно связать эту запись с тем, в какую сторону энергия передаётся.

1. В уравнении теплота указана справа, вместе с продуктами реакции.
2. Значит, при образовании CO₂ теплота выделяется во внешнюю среду.
3. Выделение теплоты соответствует экзотермической реакции; при знаковой записи Q = +394 кДж.

Ответ: реакция экзотермическая. Если записать её в обратном направлении, знак теплового эффекта изменится и теплота будет поглощаться.

2. Находим теплоту для другой массы углерода

Условие: при сгорании 12 г углерода выделяется 394 кДж. Сколько теплоты выделится при сгорании 30 г углерода? Считаем, что реакция проходит полностью и условия не меняются. Поскольку при большем количестве углерода сгорает больше вещества, количество теплоты пропорционально массе.

1. Записываем отношение: 12 г углерода соответствуют 394 кДж, а 30 г — искомому Q.
2. Составляем пропорцию Q/394 = 30/12.
3. Вычисляем: Q = 394 · 30/12 = 985 кДж.

Ответ: выделится 985 кДж теплоты. Проверка смысла: масса выросла в 2,5 раза, поэтому и тепловой эффект вырос в 2,5 раза.

3. Составляем уравнение и находим массу вещества

Условие: при реакции CaCO₃(тв.) = CaO(тв.) + CO₂(г.) поглощается 178 кДж на 1 моль карбоната кальция. Найдите массу CaCO₃, необходимую для поглощения 89 кДж. Сначала надо связать теплоту с количеством вещества по уравнению, а затем перевести моли в граммы. Поглощение теплоты означает, что реакция эндотермическая.

1. Записываем термохимическое уравнение: CaCO₃(тв.) + 178 кДж = CaO(тв.) + CO₂(г.).
2. По уравнению 1 моль CaCO₃ соответствует 178 кДж, а 89 кДж — вдвое меньше. Поэтому n(CaCO₃) = 89/178 = 0,5 моль.
3. Вычисляем молярную массу: M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль.
4. Находим массу: m = nM = 0,5 · 100 = 50 г.

Ответ: для поглощения 89 кДж должен прореагировать 50 г CaCO₃. Результат разумен: теплота вдвое меньше указанной для уравнения, значит, требуется вдвое меньше вещества.

Типичные ошибки

Путают выделение и поглощение теплоты. Иногда ориентируются только на нагревание реакционной смеси, хотя нужно выяснить, куда переходит теплота относительно окружающей среды. Проверка: сформулируйте, какая часть системы отдаёт энергию, а какая получает; отдача окружению означает экзотермическую реакцию.

Не меняют знак теплового эффекта при обращении уравнения. Это происходит, когда уравнение переворачивают, но забывают, что направление передачи теплоты тоже стало обратным. Проверка: если исходная реакция выделяла 50 кДж, обратная должна поглощать те же 50 кДж, то есть знак Q меняется.

Оставляют тепловой эффект прежним после изменения коэффициентов. Коэффициенты задают количества веществ, поэтому их изменение меняет и количество выделившейся или поглощённой теплоты. Проверка: если все коэффициенты умножены на 3, умножьте на 3 и Q; если разделены на 2, разделите на 2.

Не учитывают агрегатное состояние вещества. Полагают, что состояния не имеют значения, хотя переход между твёрдым, жидким и газообразным веществом связан с изменением энергии. Проверка: сверяйте пометки (тв.), (ж.) и (г.) с условием задачи и не переносите тепловой эффект на другое состояние вещества без дополнительных данных.

Связь с другими темами

Для расчётов тепловых эффектов нужны закон сохранения энергии, понятия количества вещества и молярной массы, а также умение выполнять вычисления по химическим уравнениям. Позже эта тема пригодится при изучении горения, топлива, энергетики химических процессов и практических расчётов расхода веществ. Тепловые эффекты связаны и со скоростью реакций: температура и условия проведения процесса влияют на то, как он протекает, а энергетика обмена веществ важна и для биологических процессов.

Что запомнить

• Экзотермические реакции идут с выделением теплоты, эндотермические — с поглощением.
• Тепловой эффект характеризует обмен энергией между реакцией и окружающей средой.
• Термохимическое уравнение содержит коэффициенты, агрегатные состояния веществ и тепловой эффект.
• При обращении химического уравнения знак теплового эффекта меняется.
• При изменении коэффициентов тепловой эффект изменяется пропорционально.
• Для расчётов количество теплоты связывают с количеством вещества по термохимическому уравнению.