§ 17. Тепловые эффекты реакций. Энтальпия. Термохимические уравнения

Определения и обозначения

Тепловой эффект реакции — количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при химическом превращении. При выделении теплоты реакция экзотермическая, при поглощении — эндотермическая. Эта величина помогает оценить энергетическое сопровождение реакции.

Энтальпия — функция состояния системы, то есть величина, зависящая только от начального и конечного состояний веществ. При постоянном давлении изменение энтальпии соответствует тепловому эффекту реакции. Поэтому энтальпию удобно использовать для термохимических расчётов.

Энтальпия реакции обозначается ΔH и равна разности между энтальпиями продуктов и исходных веществ с учётом их количеств. Записывают: ΔH = Hпрод − Hисх. Знак показывает, уменьшилась или увеличилась энтальпия системы.

Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект либо значение ΔH. Например, состояния обозначают так: (тв), (ж), (г). Такая запись связывает химическое превращение с определённым количеством энергии.

Как это устроено

Тепловой эффект определяется разностью энергетических состояний исходных веществ и продуктов. Если продукты имеют меньшую энергию, избыток энергии передаётся окружающей среде; если большую — система получает энергию извне. Поэтому результат зависит от начального и конечного состояний, а не от того, через какие промежуточные стадии прошла реакция.

Обмен энергией с окружающей средой позволяет различать два типа реакций. При экзотермической реакции система отдаёт теплоту, поэтому окружающая среда может нагреваться. При эндотермической реакции система забирает теплоту, и без подвода энергии превращение может замедлиться или прекратиться.

При постоянном давлении часть энергии может быть связана с расширением или сжатием системы. Энтальпия учитывает энергетическое состояние вещества и работу расширения, поэтому в таких условиях тепловой эффект удобно выражать через её изменение. Для принятого в теме обозначения используют связь Qp = ΔH.

Знак ΔH показывает направление теплового обмена именно для системы. При выделении теплоты энтальпия продуктов ниже энтальпии исходных веществ, поэтому ΔH < 0. При поглощении теплоты продукты энергетически выше исходных веществ и ΔH > 0.

Коэффициенты и агрегатные состояния в термохимическом уравнении задают конкретное количество реагирующих веществ. Если все коэффициенты умножить на один и тот же множитель, во столько же раз изменится ΔH. При обращении уравнения начальные и конечные вещества меняются местами, поэтому знак ΔH становится противоположным.

Тепловой эффект и энтальпия реакции

Сначала определите, получает система теплоту или отдаёт её, а затем выберите знак ΔH. После этого проверьте, для каких коэффициентов и агрегатных состояний приведено значение. Таблица особенно полезна при чтении готового термохимического уравнения и проверке ответа.

Разбор задач

Задача 1

Условие: N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH₃(г), ΔH = −92 кДж. Определим теплоту образования 1 моль аммиака.

1. По уравнению −92 кДж относятся к образованию 2 моль NH₃.
2. Для 1 моль делим значение на 2: 92 : 2 = 46 кДж.
3. Знак сохраняем отрицательным, потому что реакция экзотермическая.

Ответ: при образовании 1 моль NH₃ выделится 46 кДж теплоты, ΔH = −46 кДж.

Задача 2

Условие: A(тв) + B(г) → C(г), ΔH = +48 кДж. Нужно записать термохимическое уравнение и охарактеризовать эффект.

1. Агрегатные состояния уже указаны: A — твёрдое, B и C — газообразные.
2. Положительный знак ΔH означает поглощение теплоты системой.
3. Записываем значение после уравнения, сохраняя коэффициенты реакции.

Ответ: A(тв) + B(г) → C(г), ΔH = +48 кДж; реакция эндотермическая, поглощается 48 кДж.

Задача 3

Условие: при сгорании 0,50 моль вещества выделилось 140 кДж теплоты. Составим уравнение для 1 моль вещества.

1. 1 моль вдвое больше, чем 0,50 моль, поэтому тепловой эффект удваивается.
2. Вычисляем: 140 · 2 = 280 кДж.
3. При выделении теплоты знак изменения энтальпии отрицательный.

Ответ: в уравнении, рассчитанном на 1 моль сгорающего вещества, следует указать ΔH = −280 кДж. Коэффициенты остальных веществ нужно согласовать с этим количеством вещества.

Типичные ошибки

Положительный знак при выделении теплоты. Ошибка возникает, если смотреть на энергию окружающей среды, а не системы. Проверьте себя: выделение теплоты означает уменьшение энтальпии системы и ΔH < 0.

Тепловой эффект без связи с коэффициентами. Одно и то же вещество может участвовать в уравнении в разных количествах, поэтому число кДж нельзя переносить автоматически. Сверьте значение с коэффициентами и пересчитайте его пропорционально.

Сохранение знака при обращении уравнения. При обратном превращении исходные вещества и продукты меняются местами. Значит, ΔH нужно умножить на −1.

Отсутствие агрегатных состояний. Вещество в газообразном и жидком состоянии имеет разную энергию. Проверьте, указаны ли рядом с каждой формулой обозначения (тв), (ж) или (г).

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия химической реакции, количества вещества, коэффициентов уравнения и агрегатных состояний. Без них невозможно правильно сопоставить тепловой эффект с количеством реагентов и продуктов.

Термохимические уравнения используют при расчётах по количеству вещества, сравнении энергетической выгодности реакций и изучении закона Гесса. Позже эти знания помогают определять тепловые эффекты сложных процессов через несколько известных реакций.

Что запомнить

• Экзотермическая реакция сопровождается выделением теплоты и имеет ΔH < 0.
• Эндотермическая реакция сопровождается поглощением теплоты и имеет ΔH > 0.
• При постоянном давлении тепловой эффект связан с изменением энтальпии: Qp = ΔH.
• Энтальпия реакции равна энтальпии продуктов за вычетом энтальпии исходных веществ с учётом коэффициентов.
• Тепловой эффект относится к уравнению с конкретными коэффициентами и агрегатными состояниями.
• При умножении коэффициентов тепловой эффект умножается на то же число, а при обращении уравнения его знак меняется.