"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
При химической реакции одни связи разрываются, а другие образуются, поэтому энергия системы меняется. Тепловой эффект показывает, сколько теплоты при этом выделилось или поглотилось. Он помогает отличать экзотермические реакции от эндотермических и рассчитывать теплоту для заданных количеств веществ. Главное правило записи: знак ΔH показывает направление теплообмена, а его величина относится к коэффициентам термохимического уравнения.
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 реакции. Он связан с изменением энергии системы: часть энергии может перейти в окружающую среду или поступить из неё. Это понятие нужно, чтобы описывать энергетическую сторону химического превращения.
Экзотермическая реакция — реакция, при которой теплота выделяется в окружающую среду. Изменение энтальпии обозначают ΔH, и для такой реакции ΔH < 0. По знаку можно понять, что система отдаёт энергию в виде теплоты.
Эндотермическая реакция — реакция, при которой теплота поглощается из окружающей среды. Для неё ΔH > 0, потому что энергия поступает в систему. Это обозначение помогает отличить поглощение теплоты от её выделения.
Термохимическое уравнение — уравнение реакции, дополненное указанием её теплового эффекта. Значение ΔH относится к количествам веществ, заданным коэффициентами уравнения. Поэтому запись позволяет не только описать превращение, но и рассчитывать теплоту для других количеств реагентов или продуктов.
Чтобы произошла реакция, старые химические связи должны разорваться, а атомы — соединиться по-новому. На разрыв связей требуется энергия, а при образовании новых связей энергия выделяется. Поэтому итоговый тепловой эффект зависит от того, какой вклад больше: затраты на разрыв или выделение при образовании связей. Эти процессы происходят одновременно, а не обязательно один за другим.
Если образование новых связей высвобождает больше энергии, чем понадобилось на разрыв старых, избыток энергии передаётся окружающей среде. Она нагревается, и реакцию называют экзотермической. Если на разрыв связей требуется больше энергии, чем выделяется при образовании новых, недостающая энергия поступает из окружающей среды. Такая реакция эндотермическая, и окружающая среда может охлаждаться.
Тепловой эффект записывают рядом с химическим уравнением, получая термохимическое уравнение. В обозначении через ΔH знак минус показывает, что система отдаёт теплоту, а знак плюс — что она её получает. Например, ΔH = −100 кДж указывает на выделение 100 кДж для количеств веществ, заданных уравнением. Сам знак не говорит о температуре системы: он описывает направление обмена теплотой.
Коэффициенты уравнения задают соотношение количеств веществ, поэтому тепловой эффект привязан именно к ним. Если все коэффициенты умножить на одно число, количество реагирующих веществ изменится во столько же раз. Соответственно, изменится и количество выделенной или поглощённой теплоты. При делении коэффициентов на число тепловой эффект тоже делят на это число.
Для расчёта сначала выясняют, какое количество вещества соответствует коэффициенту в уравнении, а затем сравнивают его с количеством из задачи. Например, если по уравнению образуется 2 моль продукта, а требуется найти эффект для 1 моль, искомое количество вдвое меньше. Значит, и тепловой эффект будет вдвое меньше указанного в уравнении. Знак при этом сохраняют: он по-прежнему показывает выделение или поглощение теплоты.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Обмен теплотой с окружающей средой | Теплота выделяется в окружающую среду | Теплота поглощается из окружающей среды |
| Изменение температуры окружающей среды | Обычно температура повышается | Обычно температура понижается |
| Знак ΔH | ΔH < 0 | ΔH > 0 |
| Расположение теплоты в термохимическом уравнении | Теплоту можно записать среди продуктов | Теплоту можно записать среди реагентов |
Пользуйтесь таблицей, сначала определив, куда переходит теплота: в окружающую среду или из неё. Затем проверьте вывод по знаку ΔH и ожидаемому изменению температуры окружающей среды. В записи теплотой справа условно показывают её выделение, а слева — поглощение.
Даны два значения: ΔH = −286 кДж и ΔH = +92 кДж. Нужно определить тип каждой реакции. Сравним каждое значение с нулём, не пытаясь угадывать тип по числу кДж.
Ответ: реакция с ΔH = −286 кДж экзотермическая, а реакция с ΔH = +92 кДж эндотермическая. Определяющим оказался знак, а не величина числа. Единицы кДж показывают количество энергии.
Дано термохимическое уравнение: 2H₂ + O₂ → 2H₂O, ΔH = −572 кДж. Оно показывает, что при образовании 2 моль воды выделяется 572 кДж. Требуется найти теплоту для 1 моль, то есть для количества вдвое меньшего.
Ответ: при образовании 1 моль воды выделится 286 кДж теплоты. Отрицательное значение ΔH относится к изменению энтальпии системы. Если спрашивают именно количество выделившейся теплоты, его указывают как положительную величину 286 кДж.
При разложении 4 моль вещества поглощается 360 кДж. В уравнении реакции должно разлагаться 2 моль вещества. Нужно пересчитать количество теплоты на это количество и выбрать знак ΔH по направлению теплообмена.
Ответ: в термохимическом уравнении для 2 моль разлагающегося вещества указывают ΔH = +180 кДж. Конкретную формулу вещества из условия определить нельзя, поэтому общее уравнение записывают как 2A → продукты, ΔH = +180 кДж, где A — исходное вещество. Положительный знак показывает поглощение теплоты.
Ошибка — считать, что отрицательное ΔH означает поглощение теплоты. Так ошибаются, если переносят привычное представление о «минусе» на направление теплообмена, не сверяясь с принятым обозначением. Проверьте себя: при ΔH < 0 система отдаёт теплоту, значит, реакция экзотермическая.
Иногда тип реакции определяют по нагреванию или охлаждению самой системы, а не окружающей среды. Но экзотермический процесс выделяет теплоту наружу, а эндотермический получает её извне; температура конкретной системы может зависеть и от других условий. Для проверки сначала установите направление теплообмена и знак ΔH.
При изменении коэффициентов некоторые оставляют тепловой эффект прежним. Это происходит, когда забывают, что коэффициенты задают количество вещества, которому соответствует ΔH. Проверьте, во сколько раз изменились все коэффициенты, и умножьте тепловой эффект на тот же множитель.
Ещё одна ошибка — записывать тепловой эффект без учёта коэффициентов и считать его постоянным для любого количества вещества. Значение относится только к количествам, указанным в термохимическом уравнении. Сверьте коэффициент нужного вещества с количеством из условия и пересчитайте теплоту пропорционально.
Для этой темы нужно уметь составлять и уравнивать химические реакции, а также читать коэффициенты: они показывают соотношение количеств реагентов и продуктов. Это умение позволяет понять, к какому количеству вещества относится записанный тепловой эффект. Дальше тепловые эффекты используют при изучении скорости и условий протекания реакций и энергетики химических процессов. Они также нужны для расчётов по уравнениям реакций, где количество теплоты находят пропорционально количеству вещества.
Почему при экзотермической реакции температура окружающей среды повышается?
При экзотермической реакции система передаёт теплоту окружающей среде. Получив энергию, окружающие вещества обычно нагреваются, поэтому их температура повышается.
Что означает знак ΔH в термохимическом уравнении?
ΔH — изменение энтальпии системы, то есть характеристика её энергетического изменения при реакции. Отрицательное значение соответствует выделению теплоты, положительное — её поглощению.
Почему при изменении коэффициентов нужно менять и тепловой эффект?
Коэффициенты задают количества веществ, участвующих в реакции. Если все коэффициенты увеличить, например, вдвое, вдвое больше вещества прореагирует и тепловой эффект тоже увеличится вдвое.
Как определить тип реакции по значению ΔH?
Сравните значение с нулём. Если ΔH < 0, реакция экзотермическая и выделяет теплоту; если ΔH > 0, она эндотермическая и поглощает теплоту.
Как рассчитать количество теплоты для количества вещества, отличного от указанного в уравнении?
Сначала сравните заданное количество вещества с количеством по коэффициенту в термохимическом уравнении. Затем умножьте тепловой эффект на найденное отношение; при меньшем количестве теплоты будет выделено или поглощено во столько же раз меньше.
§ 19. Тепловые эффекты химических реакций
