§ 22. Тепловой эффект химической реакции

Определения и обозначения

Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции в соответствии с записанным уравнением. Иными словами, он показывает энергетический результат превращения для определённых количеств веществ. Это понятие нужно, чтобы сравнивать реакции и рассчитывать, сколько теплоты связано с заданным количеством реагентов.

Экзотермическая реакция — реакция, при которой теплота выделяется в окружающую среду. Поэтому продукты реакции и окружающая среда получают энергию, а сам процесс может сопровождаться нагреванием. Этот термин помогает сразу указать направление передачи теплоты.

Эндотермическая реакция — реакция, при которой теплота поглощается из окружающей среды. Энергия поступает к реагирующей системе, и без подвода энергии процесс может не идти. Различие между экзотермической и эндотермической реакциями важно для понимания того, откуда берётся энергия превращения.

Термохимическое уравнение — уравнение реакции, в котором указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект. Оно сообщает не только, какие вещества реагируют, но и сколько теплоты выделяется или поглощается для записанных количеств. Такое уравнение используют для расчётов и сравнения химических процессов.

Как это устроено

Вещества состоят из атомов, соединённых химическими связями. Во время реакции старые связи в исходных веществах должны разрушиться, а между атомами возникают новые связи в продуктах. На разрыв связей требуется энергия, потому что нужно преодолеть притяжение между связанными частицами; при образовании связей энергия, напротив, выделяется, поскольку атомы переходят в более устойчивое состояние. Поэтому химическая реакция сопровождается изменением энергии системы.

Итог зависит от того, какой из двух энергетических вкладов больше. Если при образовании новых связей выделяется больше энергии, чем было затрачено на разрыв исходных, избыток передаётся окружающей среде как теплота — реакция экзотермическая. Если же для разрыва старых связей требуется больше энергии, чем выделяется при образовании новых, недостающая энергия поступает извне, и реакция эндотермическая. Так объясняется, почему одни реакции нагревают окружение, а другим необходим подвод энергии.

Направление передачи теплоты можно заметить по изменению температуры системы и окружающей среды. При экзотермической реакции теплота уходит от реагирующей системы, поэтому окружающая среда обычно нагревается; при эндотермической она поступает из окружения, которое может охлаждаться. Для наблюдения важно сравнивать начальную и конечную температуру и учитывать, что на результат могут влиять теплообмен с воздухом и другие процессы. Одно лишь изменение температуры ещё не позволяет заключить, что возникли новые вещества.

В термохимическом уравнении тепловой эффект относится к веществам в количествах, заданных коэффициентами. Например, запись с коэффициентом 2 описывает вдвое большее количество вещества, чем запись с коэффициентом 1, и тепловой эффект при одинаковых условиях тоже будет вдвое больше. Поэтому, если коэффициенты умножают или делят на число, тепловой эффект нужно умножить или разделить на то же число. Иначе уравнение будет описывать несовместимые количества веществ и теплоты.

В уравнении указывают агрегатные состояния: газообразное, жидкое или твёрдое. Энергия вещества зависит не только от его химического состава, но и от того, как расположены и взаимодействуют его частицы в данном состоянии. Например, жидкая вода и водяной пар — одно и то же вещество, но их энергетические характеристики различаются. Поэтому для точного теплового эффекта важно записать состояние каждого вещества, для которого оно существенно.

Сравнение экзотермических и эндотермических реакций

Сначала определите, куда направлена теплота: от системы или к ней. Затем сверьте это с изменением температуры окружающей среды и тем, как тепловой эффект показан в уравнении. Примеры помогают закрепить различие, но тип реакции устанавливают по энергетическому эффекту, а не только по внешнему виду процесса.

Разбор задач

1. Определяем тип реакции по выделению теплоты

Условие. При реакции выделилось 120 кДж теплоты. Определите, является ли реакция экзотермической или эндотермической. Нужно связать слово «выделилось» с направлением передачи энергии. Количественное значение здесь не влияет на выбор типа.

1. Выделившаяся теплота передаётся от реагирующей системы в окружающую среду.
2. Такое направление передачи энергии соответствует экзотермической реакции.
3. Число 120 кДж показывает величину эффекта, но не меняет его классификацию.

Ответ: реакция экзотермическая.

2. Рассчитываем теплоту для другого количества вещества

Условие. При расходовании 2 моль вещества выделяется 400 кДж теплоты. Сколько теплоты выделится при расходовании 0,5 моль этого вещества? Считаем, что речь идёт о той же реакции и её условия не изменились. Поскольку тепловой эффект пропорционален количеству реагирующего вещества, можно составить пропорцию.

1. Определяем, во сколько раз 0,5 моль меньше 2 моль: 0,5 ÷ 2 = 0,25.
2. Во столько же раз уменьшается теплота: 400 × 0,25 = 100 кДж.
3. Проверяем смысл результата: вещества взяли в четыре раза меньше, значит, и теплоты должно выделиться в четыре раза меньше.

Ответ: выделится 100 кДж теплоты.

3. Составляем термохимическое уравнение

Условие. При взаимодействии 2 моль водорода с кислородом образуется вода и выделяется 572 кДж теплоты. Требуется записать термохимическое уравнение и указать агрегатное состояние воды. Сначала составляем и уравниваем химическую реакцию, а затем добавляем состояния веществ и тепловой эффект. Поскольку теплота выделяется, её записывают справа.

1. Записываем формулы веществ: H₂ + O₂ → H₂O.
2. Уравниваем атомы водорода и кислорода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Коэффициент 2 перед водородом показывает, что расходуется именно 2 моль H₂.
3. Указываем состояния: водород и кислород — газы, вода в условии не названа паром, поэтому записываем жидкость.
4. Добавляем теплоту, соответствующую указанным коэффициентам: 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(ж) + 572 кДж.

Ответ: 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(ж) + 572 кДж.

Типичные ошибки

Путать направление передачи теплоты. Иногда считают, что экзотермическая реакция поглощает тепло, потому что слово кажется связанным с энергией, поступающей в систему. Но при экзотермической реакции теплота выходит из системы, а при эндотермической поступает в неё. Проверьте себя вопросом: «Куда перемещается теплота?»

Оставлять тепловой эффект без изменения после изменения коэффициентов. Ошибка возникает, если воспринимать теплоту как свойство одной только реакции, не связанное с количеством вещества. На деле коэффициенты задают количество реагентов и продуктов, а эффект относится именно к этим количествам. Если коэффициенты изменили вдвое, проверьте, увеличили ли или уменьшили тепловой эффект во столько же раз.

Не указывать агрегатное состояние вещества. Можно решить, что достаточно формул, ведь состав вещества уже известен. Однако вода в жидком состоянии и в виде пара имеет разные энергетические характеристики, поэтому тепловой эффект для них может отличаться. Перед завершением записи проверьте, указаны ли состояния реагентов и продуктов.

Считать любой нагрев доказательством химической реакции. Температура может измениться и без образования новых веществ, например при нагревании смеси извне или при физическом процессе. Такую ошибку допускают, когда принимают наблюдаемый признак за достаточное доказательство превращения. Проверьте, есть ли другие признаки и подтверждается ли образование новых веществ: один нагрев этого не устанавливает.

Связь с другими темами

Для чтения термохимических уравнений нужно уметь распознавать химические реакции, записывать формулы веществ и расставлять коэффициенты. Тема связывает уравнения реакций с законом сохранения энергии: энергия не исчезает, а передаётся или превращается. Объяснение через разрыв и образование связей помогает понять энергетическую сторону превращений. Эти знания пригодятся при изучении скорости реакций, горения и энергетики химических процессов.

Что запомнить

• Экзотермическая реакция выделяет теплоту.
• Эндотермическая реакция поглощает теплоту.
• Тепловой эффект связан с энергией разрыва и образования химических связей.
• Тепловой эффект в уравнении относится к количествам веществ, заданным коэффициентами.
• В термохимическом уравнении указывают агрегатные состояния веществ.