§ 36. Тепловые эффекты химических реакц

Определения и обозначения

Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции в заданных условиях. Его обозначают через теплоту реакции или изменение энтальпии ΔH. Это понятие нужно, чтобы количественно описывать энергетическую сторону химических превращений.

Экзотермическая реакция — реакция, при которой теплота выделяется; при записи через изменение энтальпии ΔH < 0. Теплота переходит из реагирующей системы в окружающую среду, а энтальпия самой системы уменьшается. Знак помогает отличить такой процесс от поглощения теплоты.

Эндотермическая реакция — реакция, при которой теплота поглощается; для неё ΔH > 0. Энергия поступает из окружающей среды в систему, и её энтальпия возрастает. Это обозначение позволяет сразу понять направление передачи теплоты.

Термохимическое уравнение — уравнение реакции, дополненное значением теплового эффекта или изменением энтальпии и указанием агрегатных состояний веществ. Например, рядом с формулами указывают (тв), (ж) или (г). Такое уравнение задаёт не только состав реакции, но и количества веществ, которым соответствует указанное ΔH.

Как это устроено

При реакции одни химические связи разрушаются, а другие образуются. На разрыв связей требуется энергия, а при образовании связей энергия выделяется. Если образование связей в продуктах сопровождается большим выделением энергии, чем требуется на разрушение связей исходных веществ, разность передаётся окружающей среде в виде теплоты. Если на разрыв связей уходит больше энергии, чем выделяется при образовании новых, система получает недостающую энергию извне.

Изменение энтальпии ΔH показывает, насколько изменилась энтальпия системы в результате реакции: ΔH = Hпродуктов − Hисходных веществ. При экзотермическом процессе конечная энтальпия меньше начальной, поэтому ΔH отрицательно. При эндотермическом процессе конечная энтальпия больше, поэтому ΔH положительно. В условиях, для которых используют эту запись, знак ΔH показывает направление передачи теплоты: из системы или в систему.

Значение теплового эффекта всегда связано с определённым количеством вещества. В уравнении коэффициенты показывают молярные соотношения реагентов и продуктов, а записанное рядом ΔH относится именно к количествам, соответствующим этим коэффициентам. Если уравнение описывает реакцию двух молей вещества, нельзя приписывать тот же эффект одному молю без пересчёта. Для меньшего или большего количества теплота изменяется пропорционально, если условия реакции остаются теми же.

Агрегатное состояние важно, потому что у твёрдого, жидкого и газообразного вещества разная энергия. Например, чтобы превратить жидкость в пар, нужно затратить энергию; обратный переход сопровождается её выделением. Если в уравнении заменить жидкий продукт газообразным, к тепловому эффекту реакции добавится вклад перехода между состояниями. Поэтому одинаковые формулы веществ ещё не гарантируют одинакового ΔH: нужно учитывать, в каком состоянии находятся все участники реакции.

Тепловой эффект зависит от того, в каком масштабе записана реакция. Если все коэффициенты умножить на число, в столько же раз возрастут количества прореагировавших веществ, значит, во столько же раз изменится и ΔH. Например, при удвоении уравнения удваивают и значение энтальпии. Если уравнение делят на два, ΔH также делят на два; знак при этом сохраняется.

Сравнение экзотермических и эндотермических реакций

Сначала определите, куда направлена теплота, а затем сопоставьте это с изменением энтальпии. Проверяйте, что знак ΔH согласуется с описанием процесса: выделению отвечает минус, поглощению — плюс. В примерах также обращайте внимание на агрегатные состояния.

Разбор задач

Задача 1. При взаимодействии веществ выделяется теплота. Определите тип реакции и знак ΔH. Решение начинаем с направления передачи энергии: слово «выделяется» означает, что теплота уходит из системы. Следовательно, энтальпия системы в результате реакции уменьшается.

1. Выделение теплоты соответствует экзотермическому процессу.
2. Для экзотермической реакции энтальпия системы уменьшается, поэтому ΔH имеет отрицательный знак.

Ответ: реакция экзотермическая, ΔH < 0. Здесь не требуется вычислять численное значение эффекта: достаточно связать описание передачи теплоты с типом реакции и знаком энтальпии.

Задача 2. Согласно термохимическому уравнению выделяется 572 кДж. Сколько теплоты выделится, если прореагирует вдвое меньше вещества? Указанное значение относится к количеству вещества по уравнению, поэтому сначала сравним реальные количества. Если реагирующего вещества в два раза меньше, при тех же условиях и полном протекании реакции эффект также будет в два раза меньше.

1. Запишем отношение: количество вещества уменьшилось в 2 раза.
2. Разделим теплоту по уравнению на 2: 572 кДж ÷ 2 = 286 кДж.
3. Сохраним направление процесса: реакция по-прежнему выделяет теплоту.

Ответ: выделится 286 кДж теплоты. Такой пропорциональный пересчёт допустим, если состав реакции и условия не меняются, а реагента хватает для соблюдения стехиометрического соотношения.

Задача 3. Для реакции A + 2B → продукты известно ΔH = −100 кДж на один моль A. Найдите тепловой эффект для 10 г A, если M(A) = 20 г/моль, и укажите, выделяется или поглощается теплота. Сначала определим количество A, затем сравним его с количеством, на которое дано ΔH. Отрицательный знак сразу указывает, что речь идёт о выделении теплоты.

1. Найдём количество вещества: n(A) = m/M = 10 г ÷ 20 г/моль = 0,5 моль.
2. На 1 моль A приходится 100 кДж по модулю, значит, на 0,5 моль: 100 × 0,5 = 50 кДж.
3. Учтём знак: ΔH = −50 кДж. Для полной реакции также должно быть достаточно B в отношении 2 моль B на 1 моль A.

Ответ: ΔH = −50 кДж; выделится 50 кДж теплоты. В задаче важно не только пересчитать количество, но и сохранить знак исходного ΔH.

Типичные ошибки

• Считать, что отрицательное ΔH означает поглощение теплоты. Ошибка возникает, если воспринимать минус как характеристику самой теплоты, а не изменения энтальпии системы. Проверка: спросите, уменьшается или увеличивается энтальпия системы. При её уменьшении ΔH < 0, и теплота выделяется.
• Менять коэффициенты, но оставлять прежнее ΔH. Коэффициенты задают количества веществ, к которым относится эффект, поэтому их изменение меняет и масштаб ΔH. Ошибку допускают, рассматривая тепловое значение как неизменную подпись реакции. Проверяйте, во сколько раз изменены все коэффициенты, и умножайте ΔH на тот же множитель.
• Не указывать агрегатные состояния. Формулы веществ могут оставаться одинаковыми, но переход между твёрдым, жидким и газообразным состояниями сопровождается изменением энергии. Чтобы проверить запись, убедитесь, что возле каждого вещества обозначено состояние и оно соответствует условию.
• Путать тепловой эффект с температурой смеси. Тепловой эффект измеряют количеством энергии, а температура характеризует состояние вещества. Их связывают, но на температуру влияют также масса и теплоёмкость смеси. Перед выводом о нагревании или охлаждении проверьте, задан ли тепловой баланс, а не только ΔH реакции.

Связь с другими темами

Для работы с термохимическими уравнениями нужны навыки составления химических уравнений и понимание стехиометрических коэффициентов. При расчётах по массе используют количество вещества n = m/M, а обозначения (тв), (ж) и (г) связывают формулу с агрегатным состоянием. Тепловые эффекты применяют, чтобы оценивать энергетическую ценность топлива и пищи, сравнивать способы получения веществ и изучать химическую термодинамику. Знание ΔH помогает обсуждать не только состав реакции, но и её энергетический результат.

Что запомнить

• Экзотермическая реакция выделяет теплоту.
• Эндотермическая реакция поглощает теплоту.
• Для экзотермической реакции ΔH < 0, для эндотермической ΔH > 0.
• Тепловой эффект относится к количествам веществ, заданным уравнением реакции.
• При умножении коэффициентов уравнения на число тепловой эффект умножают на то же число.
• Агрегатные состояния веществ влияют на значение теплового эффекта.