"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Тепловой эффект показывает, сколько теплоты выделяется или поглощается во время химической реакции. Он зависит от количества и агрегатного состояния реагентов и продуктов. Реакции с выделением теплоты называют экзотермическими, а с поглощением — эндотермическими. Эти сведения записывают в термохимическом уравнении, которое помогает сравнивать реакции и рассчитывать количество теплоты для разных масс и количеств веществ.
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 протекании реакции. Его указывают для определённого количества веществ, потому что при сжигании, например, 1 моль вещества теплоты выделится меньше, чем при сжигании 2 моль. Тепловой эффект нужен для расчётов и сравнения реакций.
Экзотермическая реакция — реакция, протекающая с выделением теплоты. Примером служит горение метана: CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + теплота. Такие реакции могут нагревать окружающие тела.
Эндотермическая реакция — реакция, протекающая с поглощением теплоты из окружающей среды. Характерный пример — разложение карбоната кальция: CaCO₃ = CaO + CO₂, для которого требуется нагревание. Это понятие помогает понять, почему без подвода энергии некоторые реакции не идут.
Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указаны тепловой эффект и агрегатные состояния веществ. Состояния обозначают так: (тв), (ж), (г), (р-р). Такая запись связывает состав и количество веществ с конкретным количеством теплоты.
Химические связи исходных веществ и продуктов имеют разную энергию. На разрыв старых связей энергия затрачивается, а при образовании новых выделяется. Если при образовании связей выделяется больше энергии, чем тратится на их разрыв, избыток выходит в виде теплоты и реакция становится экзотермической. Если затрат больше, недостающая энергия поступает извне, поэтому реакция эндотермическая.
При экзотермической реакции система, то есть реагирующие вещества и продукты, отдаёт часть своей энергии окружающей среде. Поэтому нагреваются сосуд, воздух или другие тела рядом с реакцией. При эндотермической реакции система получает энергию извне, и окружающая среда может охлаждаться. Направление передачи теплоты определяет тип реакции, а не само по себе ощущение горячего или холодного сосуда.
Тепловой эффект записывают рядом с уравнением реакции, а агрегатные состояния включают в формулы веществ. Например: C(тв) + O₂(г) = CO₂(г) + 394 кДж. Если теплота поглощается, её можно записать среди исходных веществ: CaCO₃(тв) + 178 кДж = CaO(тв) + CO₂(г). Состояния важны потому, что нагревание, плавление и испарение требуют или выделяют дополнительную энергию.
Коэффициенты термохимического уравнения задают не только соотношение веществ, но и количество теплоты. Поэтому при умножении всех коэффициентов на 2 тепловой эффект также умножают на 2. По записи можно сразу определить направление процесса: теплота справа означает выделение, а теплота слева — поглощение. Если используют изменение энтальпии ΔH, то для экзотермической реакции ΔH < 0, а для эндотермической ΔH > 0.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Направление передачи теплоты | Из системы в окружающую среду | Из окружающей среды в систему |
| Изменение энергии системы | Энергия системы уменьшается | Энергия системы увеличивается |
| Как записан тепловой эффект в термохимическом уравнении | Теплота записана справа; ΔH < 0 | Теплота записана слева; ΔH > 0 |
| Пример реакции | C(тв) + O₂(г) = CO₂(г) + 394 кДж | CaCO₃(тв) + 178 кДж = CaO(тв) + CO₂(г) |
Сначала определите, где находится теплота: среди продуктов или среди реагентов. Затем проверьте знак ΔH, если он указан, и только после этого определяйте тип реакции. Коэффициенты и агрегатные состояния позволяют понять, к каким именно количествам веществ относится приведённое значение.
Условие: Дано уравнение 2H₂(г) + O₂(г) = 2H₂O(ж) + 572 кДж. Определите тип реакции и количество теплоты.
Ответ: реакция экзотермическая, выделяется 572 кДж теплоты.
Условие: При сгорании 1 моль углерода образуются углекислый газ и выделяется 394 кДж теплоты. Запишите термохимическое уравнение.
Ответ: C(тв) + O₂(г) = CO₂(г) + 394 кДж.
Условие: По уравнению C(тв) + O₂(г) = CO₂(г) + 394 кДж при сгорании 1 моль углерода выделяется 394 кДж. Сколько теплоты выделится при сгорании 3 моль углерода?
Ответ: при сгорании 3 моль углерода выделится 1182 кДж теплоты.
Ошибка 1. Считать, что экзотермическая реакция поглощает теплоту, потому что при ней иногда нагревается сосуд. Путают направление передачи энергии и изменение температуры окружающей среды. Проверьте: у экзотермической реакции теплота уходит из системы наружу.
Ошибка 2. Менять знак теплового эффекта без изменения смысла уравнения. Знак связан с выбранной записью: при использовании ΔH для экзотермической реакции он отрицателен, а теплота в школьной записи обычно стоит справа. Сверьте знак с направлением передачи теплоты.
Ошибка 3. Считать тепловой эффект постоянным независимо от коэффициентов. Значение относится к количествам веществ, указанным в уравнении, поэтому при умножении коэффициентов его тоже умножают. Проверьте, во сколько раз изменилось количество каждого вещества.
Ошибка 4. Не указывать агрегатные состояния веществ. Из-за этого теряется информация о тепловом обмене при плавлении или испарении, и значение может оказаться неверным. Перед расчётом убедитесь, что состояния всех веществ записаны.
До изучения темы нужно знать, что такое химическая реакция, формула и уравнение реакции, коэффициенты и агрегатные состояния веществ. Без этого нельзя правильно определить количества реагентов и записать термохимическое уравнение.
Тепловые эффекты связаны со скоростью химических реакций и энергетическими превращениями веществ. Эти знания нужны для понимания горения топлива, работы нагревательных устройств и практического использования химических источников энергии.
Чем экзотермическая реакция отличается от эндотермической?
Экзотермическая реакция сопровождается выделением теплоты в окружающую среду. Эндотермическая реакция, наоборот, поглощает теплоту из окружающей среды.
Что показывает тепловой эффект реакции?
Он показывает количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции. Это значение относится к определённым количествам веществ, заданным коэффициентами уравнения.
Почему в термохимическом уравнении указывают агрегатные состояния веществ?
При переходе вещества из твёрдого состояния в жидкое или газообразное меняется его энергия. Поэтому одна и та же реакция для разных агрегатных состояний может иметь разные тепловые эффекты.
Как изменится тепловой эффект, если коэффициенты уравнения увеличить вдвое?
Тепловой эффект также увеличится вдвое. Коэффициенты показывают количества веществ, поэтому изменение всех коэффициентов меняет и количество теплоты в той же пропорции.
Как по термохимическому уравнению определить, выделяется или поглощается теплота?
Если теплота записана среди продуктов или указано положительное количество выделившейся теплоты, реакция экзотермическая. Если теплота записана среди реагентов либо стоит знак поглощения, реакция эндотермическая.
§ 2. Тепловые эффекты химических реакций
