"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Химические реакции сопровождаются изменением энергии: одни выделяют теплоту, другие поглощают её. Тепловой эффект помогает сравнивать реакции и рассчитывать, сколько теплоты выделится или потребуется при превращении заданного количества веществ. Его записывают в термохимическом уравнении вместе с агрегатными состояниями веществ. Чтобы правильно прочитать такую запись, нужно учитывать знак теплового эффекта и соотношение коэффициентов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при превращении исходных веществ в продукты. Его обозначают Q; по принятому здесь соглашению Q > 0 означает выделение, а Q < 0 — поглощение теплоты. Это обозначение позволяет сравнивать, сколько энергии отдаёт или принимает реакция.
Экзотермическая реакция — реакция, протекающая с выделением теплоты. Её тепловой эффект положителен, если используют Q: Q > 0. Значит, при таком превращении продукты и окружающая среда получают теплоту, а реакцию можно узнать по её энергетическому результату.
Эндотермическая реакция — реакция, протекающая с поглощением теплоты из окружающей среды. Для неё Q < 0, если эффект записывают со знаком. В отличие от экзотермической реакции, такая реакция принимает энергию, поэтому её тепловой эффект направлен противоположно.
Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект. Например, обозначения (тв), (ж) и (г) показывают, что вещество твёрдое, жидкое или газообразное. Такая запись нужна, чтобы понимать, к каким именно веществам и их количествам относится указанная теплота.
Энергия реакции связана с химическими связями между атомами. Чтобы старые связи в исходных веществах разорвались, нужно затратить энергию, а когда атомы образуют новые связи в продуктах, энергия выделяется. Поэтому итог зависит от сравнения этих двух величин: если при образовании новых связей выделилось больше, чем ушло на разрыв старых, избыток энергии выходит в виде теплоты; при обратном соотношении теплота поглощается.
Знак теплового эффекта показывает направление обмена теплотой. При соглашении Q > 0 реакция отдаёт теплоту и является экзотермической, а при Q < 0 принимает теплоту и является эндотермической. Если знак не написан отдельно, смотри, где в термохимическом уравнении стоит теплота: среди продуктов — она выделяется, среди реагентов — поглощается.
В термохимическом уравнении указывают агрегатные состояния, потому что одно и то же вещество может существовать как твёрдое тело, жидкость или газ. При переходе из одного состояния в другое меняется энергия частиц, а значит, может измениться и тепловой эффект реакции. Поэтому запись с водяным паром не обязательно имеет тот же эффект, что запись с жидкой водой.
Тепловой эффект относится к количествам веществ, заданным коэффициентами уравнения. Если уравнение описывает реакцию двух молей одного вещества, указанное количество теплоты относится именно к этому соотношению. При умножении всех коэффициентов на число реакция в записи идёт в соответствующее число раз масштабнее, поэтому эффект умножают на то же число; при делении коэффициентов эффект делят.
Тепловой эффект — характеристика самого химического превращения, а не просто изменения температуры смеси. Например, при сгорании топлива может выделиться теплота, хотя для воспламенения сначала нужна искра или нагревание. И наоборот, температура смеси может меняться из-за охлаждения или нагрева извне, но это ещё не показывает тепловой эффект химической реакции.
| Характеристика | Экзотермическая реакция | Эндотермическая реакция |
|---|---|---|
| Изменение энергии | Энергия выделяется в избытке | Энергия поглощается |
| Что происходит с теплотой | Выделяется | Поглощается |
| Знак теплового эффекта | Q > 0 | Q < 0 |
| Пример реакции | Горение углерода | Разложение карбоната кальция при нагревании |
| Как отражается в термохимическом уравнении | Теплота записана среди продуктов | Теплота записана среди реагентов |
Сначала определите, куда направлен обмен теплотой, а затем проверьте знак и место записи в уравнении. Для расчётов отдельно сопоставьте коэффициенты: тепловой эффект соответствует именно указанному соотношению веществ.
Задача 1. В уравнении C + O₂ → CO₂ + 394 кДж определите, выделяется или поглощается теплота и к какому типу относится реакция.
Задача 2. При реакции 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(ж) выделяется 572 кДж. Запишите термохимическое уравнение.
Задача 3. По уравнению 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(ж) + 572 кДж найдите тепловой эффект при образовании 1 моль воды.
Ошибка — считать реакцию эндотермической только потому, что её нужно нагреть для начала. Нагревание может преодолеть начальный энергетический барьер, а после запуска реакция способна выделять теплоту. Чтобы проверить себя, выясните, что происходит с теплотой в ходе всего превращения, а не только при его запуске.
Ошибка — определять знак, не обращая внимания на способ записи уравнения. Теплота среди продуктов указывает на выделение, а среди реагентов — на поглощение; при обозначении Q также учитывайте принятое соглашение о знаках. Проверяйте одновременно и место записи, и смысл знака, а не делайте вывод по одному числу.
Ошибка — изменить коэффициенты, но оставить прежний тепловой эффект. Коэффициенты задают количества веществ, к которым относится эффект, поэтому при их умножении или делении на число эффект меняют так же. Для самопроверки сравните, во сколько раз изменилось количество вещества и во сколько раз изменена теплота.
Ошибка — не указывать агрегатные состояния и считать тепловой эффект одинаковым при любом состоянии вещества. Между состояниями различается энергия, поэтому запись с газом и запись с жидкостью могут иметь разные эффекты. Проверяйте, даны ли состояния в условии, и переносите их в термохимическое уравнение.
Для работы с тепловым эффектом нужно уметь составлять уравнения реакций и расставлять коэффициенты: именно они задают количества веществ. Знание агрегатных состояний помогает правильно оформить термохимическое уравнение, а закон сохранения массы — проверить число атомов до и после реакции. Позже эта тема пригодится при изучении энергетики химических процессов, горения и химического производства, где важно знать, сколько теплоты выделяется или требуется.
Почему при химической реакции может выделяться или поглощаться теплота?
На разрыв связей в исходных веществах энергия затрачивается, а при образовании связей в продуктах она выделяется. Если выделяется больше энергии, чем поглощается, реакция отдаёт теплоту; если требуется больше, чем выделяется, — поглощает.
Как по уравнению понять, экзотермическая реакция или эндотермическая?
Если теплота записана среди продуктов, реакция выделяет её и является экзотермической. Если теплота указана среди реагентов, она поглощается, а реакция эндотермическая. При записи через Q ориентируйся на знак: Q > 0 — выделение, Q < 0 — поглощение.
Зачем в термохимическом уравнении указывают агрегатные состояния веществ?
Тепловой эффект может зависеть от того, находится вещество в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Поэтому запись относится именно к указанным состояниям и количествам веществ, а не к любому варианту реакции.
Изменится ли тепловой эффект, если уравнение реакции умножить на два?
Да. Удвоение коэффициентов означает, что реагирует и образуется вдвое больше вещества, поэтому тепловой эффект также увеличивается в два раза. При делении коэффициентов на число на это же число делят и эффект.
Всегда ли реакция, которую нужно нагреть для запуска, является эндотермической?
Нет. Нагревание может быть нужно только для запуска реакции, например чтобы преодолеть начальный энергетический барьер. После начала процесс может выделять теплоту и быть экзотермическим.
6. Характеристика химической реакции
