"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Химические реакции сопровождаются изменением энергии. Одни реакции выделяют теплоту и нагревают окружающую среду, другие поглощают её и требуют подвода энергии. По этому признаку реакции называют экзотермическими и эндотермическими. Тепловой эффект показывает, сколько теплоты выделяется или поглощается, а термохимическое уравнение связывает это количество с конкретными веществами и их количеством.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Экзотермическая реакция — реакция, при которой энергия выделяется в форме теплоты. К характерным примерам относятся горение угля, природного газа и водорода. Этот термин помогает сразу понять, что при реакции нагреваются продукты, сосуд или окружающий воздух.
Эндотермическая реакция — реакция, при которой энергия поглощается в форме теплоты. Так протекают, например, разложение карбоната кальция при нагревании и фотосинтез. Понятие нужно, чтобы отличать процессы, которым требуется постоянный подвод энергии.
Тепловой эффект реакции — количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции в соответствии с записанным уравнением. Его измеряют, например, в килоджоулях. По тепловому эффекту можно сравнивать реакции и рассчитывать, сколько энергии выделится для заданного количества вещества.
Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором рядом с формулами веществ указывают тепловой эффект. Например: C + O₂ → CO₂ + 394 кДж. Такая запись показывает не только состав веществ, но и энергетический результат реакции.
При химической реакции одни связи между атомами разрываются, а другие образуются, поэтому энергия системы изменяется. На разрыв связей энергия затрачивается, а при образовании новых связей она выделяется. Если в целом выделилось больше энергии, чем было поглощено, избыток передаётся окружающей среде в виде теплоты; при обратном соотношении энергия поступает из окружающей среды.
В экзотермической реакции теплота выходит из реагирующей системы, поэтому воздух, сосуд или другие тела рядом нагреваются. Горение топлива — пример такого процесса: углерод и водород топлива соединяются с кислородом, а продукты имеют меньшую химическую энергию. Разность энергий превращается главным образом в теплоту, а иногда ещё и в свет.
В эндотермической реакции на образование продуктов требуется больше энергии, чем освобождается при перестройке связей. Недостающая энергия поступает извне, чаще всего в виде нагревания или света. Поэтому при прекращении подвода энергии разложение карбоната кальция может остановиться, а фотосинтез невозможен без энергии солнечного излучения.
В термохимическом уравнении выделение теплоты можно показать записью её справа: C + O₂ → CO₂ + 394 кДж. Поглощение показывают записью теплоты слева: CaCO₃ + 178 кДж → CaO + CO₂. Если используют знак теплового эффекта, положительный или отрицательный знак нужно читать по принятому соглашению, поэтому надёжнее смотреть, с какой стороны уравнения стоит теплота. Тепловой эффект относится ко всей реакции в тех количествах, которые заданы коэффициентами.
| Признак | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Направление передачи теплоты | Теплота передаётся от системы окружающей среде | Теплота поступает из окружающей среды в систему |
| Изменение температуры окружающей среды | Окружающая среда обычно нагревается | Окружающая среда обычно охлаждается, если энергия не подводится отдельно |
| Как обозначают тепловой эффект в термохимическом уравнении | Теплоту записывают среди продуктов, например + 394 кДж | Теплоту записывают среди исходных веществ, например 178 кДж + CaCO₃ |
| Примеры | Горение угля, газа, водорода | Разложение карбоната кальция, фотосинтез |
Сначала определите направление передачи энергии, а затем найдите соответствующую колонку. После этого проверьте положение теплоты в уравнении и сопоставьте реакцию с примером.
Таблица удобна для быстрого сравнения, но само по себе начальное нагревание ещё не доказывает эндотермичность. Нужно выяснить общий результат реакции после её запуска.
Условие: определите, является ли реакция горения угля экзотермической или эндотермической.
Ответ: горение угля — экзотермическая реакция.
Условие: в термохимическом уравнении указано, что при реакции выделяется 286 кДж теплоты. Определите тип реакции и объясните смысл значения.
Ответ: реакция экзотермическая; при её протекании в указанных уравнением количествах выделяется 286 кДж теплоты.
Условие: по термохимическому уравнению при образовании 2 моль вещества выделяется 572 кДж теплоты. Сколько теплоты выделится при образовании 1 моль?
Ответ: при образовании 1 моль вещества выделится 286 кДж теплоты.
Ошибка: считать любую реакцию, для начала которой нужно нагревание, эндотермической. Нагревание может быть лишь способом запустить процесс, например горение сначала поджигают. Проверяйте не старт, а общий итог: выделилась теплота или поглотилась.
Ошибка: путать выделение теплоты с поглощением. Такое происходит, если не определить, куда направлена передача энергии. Представьте систему и окружающую среду: энергия выходит наружу — реакция экзотермическая, входит внутрь — эндотермическая.
Ошибка: считать тепловой эффект неизменным при изменении коэффициентов. Коэффициенты задают количество реагирующих веществ, поэтому при умножении их на два тепловой эффект тоже умножают на два. Всегда сравнивайте новые коэффициенты с исходными.
Ошибка: не учитывать, к каким количествам веществ относится теплота. Значение из уравнения нельзя автоматически относить к 1 моль вещества, если коэффициент равен 2 или 3. Сначала прочитайте все коэффициенты, затем составьте пропорцию.
Для понимания темы нужно знать, что химические реакции сопровождаются превращением одних веществ в другие, и уметь читать коэффициенты уравнений. Без этого нельзя определить, к каким количествам веществ относится тепловой эффект.
Тема связана с законом сохранения энергии и передачей теплоты между телами. Энергия не исчезает: она переходит из химической формы в теплоту, свет или другие формы либо поступает к системе извне.
Понятия применяются при изучении горения и топлива. Они помогают оценивать, сколько энергии можно получить при сгорании вещества и почему химические реакции используют для отопления, работы двигателей и производства.
Чем экзотермическая реакция отличается от эндотермической?
Экзотермическая реакция протекает с выделением теплоты, поэтому окружающая среда обычно нагревается. Эндотермическая реакция поглощает теплоту, и для её протекания требуется подвод энергии.
Почему горение относят к экзотермическим реакциям?
При горении химическая энергия топлива превращается в другие формы энергии, в том числе в теплоту и свет. Теплоты выделяется больше, чем требуется для поддержания реакции, поэтому горение является экзотермическим процессом.
Что показывает тепловой эффект в термохимическом уравнении?
Он показывает количество теплоты, которое выделяется или поглощается при превращении веществ в количествах, указанных коэффициентами уравнения. Например, запись 286 кДж относится не к одной частице, а к соответствующему количеству вещества.
Как понять по записи уравнения, выделяется теплота или поглощается?
Если теплота записана среди продуктов реакции или обозначена как выделившаяся, реакция экзотермическая. Если теплота записана среди исходных веществ, её поглощают, и реакция эндотермическая.
Как изменится тепловой эффект, если коэффициенты уравнения увеличить в два раза?
Тепловой эффект также увеличится в два раза, потому что он относится ко всему количеству веществ, указанному в уравнении. При уменьшении коэффициентов в два раза тепловой эффект уменьшится во столько же раз.
§ 23. Химические реакции могут протекать с выделением или поглащением энергии в форме теплоты*
