§16. Тепловий ефект хімічних реакцій

Реакції екзотермічні та ендотермічні

Відомо, що одні хімічні реакції для свого перебігу потребують нагрівання, а інші відбуваються навіть при глибокому охолодженні. Інколи хімічні перетворення спричиняються опроміненням реагентів світлом, а інколи супроводжуються виділенням великої кількості світла й тепла. Вам відомі реакції горіння, які супроводжуються виділенням теплоти і світла, наприклад, горіння вугілля. Існує чимало інших реакцій, під час яких виділяється теплота. Так, під час взаємодії кальцій оксиду з водою (гашення вапна) виділяється значна кількість теплоти:
CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + Q;
C + O₂ = CO₂ + Q.

В екзо-термічних реакціях теплота виділяється. В ендотермічних реакціях теплота поглинається.

Теплота виділяється також під час реакцій між кислотою і лугом.

Хімічні реакції, які відбуваються з виділенням теплоти, називають екзотермічними (від грецького «екзо» – «назовні»).

Існують реакції, під час яких теплота поглинається. Для виникнення та перебігу таких реакцій потрібне нагрівання. Наприклад, вапняк перетворюється в палене вапно у процесі безперервного нагрівання, розклад калій перманганату, в результаті якого добувають кисень, теж відбувається під час нагрівання:
2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ – Q.

Хімічні реакції, які відбуваються з поглинанням теплоти, називають ендотермічними (від грецького «ендо» – «всередину»).

Щоб показати виділення або поглинання теплоти, в хімічному рівнянні після формул продуктів реакції дописують Q:

• «+ Q» (якщо теплота виділяється);
• «– Q» (якщо теплота поглинається).

Тепловий ефект реакцій

Нерідко хімічні реакції використовують на практиці не заради речовин, які утворюються при цьому, а заради енергії, що утворюється під час її перебігу. З давніх давен люди почали обігрівати своє житло, спалюючи деревину, рослинні залишки та інше. В останні десятиліття для цього використовують вугілля, нафту, природний газ.

Кількість теплоти, яка поглинається або виділяється під час хімічних реакцій, називають тепловим ефектом реакції (позначається: ΔH («дельта-аш»)).

Хімічні рівняння, в яких вказується тепловий ефект, називають термохімічними.

З курсу фізики вам відомо, що одиницею вимірювання кількості теплоти служить джоуль (Дж) і вимірюють її калориметром. Якщо спалити в калориметрі 1 г вуглецю і виміряти кількість теплоти, що виділилась, то отримаємо 34,17 кДж. В перерахунку на молярну масу вуглецю (12 г) отримаємо:
34,17 кДж/г • 12 г/моль ≈ 410кДж/моль.

Припишемо цю величину як доданок до правої частини рівняння:
С + О₂ = СО₂ + 410 кДж.

Знак «+» перед величиною теплового ефекту означає, що теплота виділяється (реакція екзотермічна). Якщо реакція ендотермічна, величину теплового ефекту вводять в ліву частину рівняння або переносять у праву його частину зі знаком «–». Так, рівняння реакції розкладу води запишемо:
2Н₂О + 671,6 кДж = 2Н₂ + О₂, або 2Н₂О = 2Н₂ + О₂ – 671,6 кДж.

У чому ж причина виділення або поглинання теплоти під час хімічної реакції?

Суть хімічних реакцій зводиться до розриву хімічних зв’язків у реагентах і утворення їх у продуктах реакцій. При цьому загальна кількість атомів кожного елемента до і після реакції не змінюється. Утворення хімічних зв’язків супроводжується виділенням певної кількості енергії, а розрив – її поглинанням. Якщо зв’язки між атомами у вихідних речовинах слабкіші, ніж між атомами у продуктах реакції, то енергія виділяється, і навпаки.

Наприклад, реакція синтезу гідроген хлориду екзотермічна:
Н–Н + Н–Сl = 2Н–Сl + 184,6 кДж.

Під час утворення 2 моль НСl виділяється 862,8 кДж енергії. На розрив зв’язку Н–Н витрачається 435,9 кДж/моль, а на розрив зв’язку Н–Сl – 242,3 кДж/моль. Різниця становить 862,8 – (435,9 + 242,3) = 184,6 (кДж), яка виділяється у вигляді тепла. Цю різницю називають тепловим ефектом реакції (ΔH).

Якщо реакція екзотермічна (супроводжується виділенням теплоти), то вміст енергії у вихідних речовинах більший, ніж у продуктах реакції, теплота виділяється в навколишнє середовище й енергія реакційної системи зменшується, тоді тепловий ефект ΔH буде негативним.

Для ендотермічних реакцій вміст енергії у вихідних речовинах менший, ніж у добутих продуктах, теплота надходить іззовні у систему, енергія системи збільшується, тепловий ефект ΔH буде позитивний.

Рис. 39. Класифікація термохімічних реакцій.

Тепловий ефект реакції (ΔH) – це різниця між вмістом енергії у вихідних реагентах і кінцевих продуктах реакції.

Тепловий ефект реакції записують окремо від хімічного рівняння, після крапки з комою:
2Mg + O₂ = 2MgO; ΔH = –1205 кДж (екзотермічна);
C + H₂O = CO + H₂; ΔH = +131,4 кДж (ендотермічна).

Тепловий ефект реакції визначають для речовини кількістю 1 моль, тому в термохімічному рівнянні допускається і дробовий коефіцієнт:
H₂ + 0,5O₂ → H₂O + 285,8 кДж.

Енергію, яка виділяється або поглинається під час хімічної реакції, називають хімічною енергією. Хімічна енергія реакції може перетворюватися на теплову, променеву, механічну або електричну і навпаки. Виділення або поглинання теплоти під час реакції узгоджується з принципом збереження енергії: енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, а лише перетворюється з одного виду в інший. Користуючись термохімічними рівняннями, можна проводити різні обчислення.

Підсумок:

• Реакції, під час яких теплота виділяється, називають екзотермічними, а реакції, під час яких теплота поглинається, називають ендотермічними.
• Галузь хімії, яка досліджує теплові ефекти під час хімічних реакцій, називається термохімією.
• Кількість теплоти, яка поглинається або виділяється під час хімічних реакцій, називають тепловим ефектом реакції (позначається: ΔH («дельта-аш»)).
• Усі реакції проходять з певним тепловим ефектом: або з виділенням теплоти, або з її поглинанням. Якщо кількість теплоти є незначною, то помітити тепловий ефект реакції досить важко.

?

1. Які рівняння називають термохімічними?
2. Що таке тепловий ефект реакції?
3. Які реакції називають екзотермічними?
4. Які реакції називають ендотермічними?
5. Що позначає величина ΔH? Як ви розумієте її фізичний зміст?
6. Поясніть, чому одні хімічні реакції супроводжуються виділенням теплоти, а інші – поглинанням?

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

За термохімічним рівнянням можна визначити, яка кількість теплоти виділиться в тій чи іншій реакції, а також скласти термохімічне рівняння реакції.

Визначення кількості теплоти за термохімічним рівнянням

Приклад 1. За термохімічним рівнянням: S+ O₂ = SO₂ + 297 кДж, обчисліть кількість теплоти, яка виділиться у процесі згоряння сірки, маса якої 1 кг.

Під час згоряння 1 моль сірки виділяється 297 кДж енергії, а під час згоряння 1000 г – х кДж. Звідси:

Відповідь: у процесі згоряння 1 кг сірки виділиться 9281 кДж енергії.

Складання термохімічних рівнянь

Приклад 2. Під час взаємодії заліза масою 7 г із сіркою виділилось 12,15 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння.

 
Відповідь: термохімічне рівняння Fe + S = FeS + 97,2 кДж.

Тепловий ефект прямої реакції дорівнює тепловому ефекту зворотної реакції, але з протилежним знаком.

Приклад 3. У результаті реакції сульфур (IV) оксиду кількістю речовини 3 моль з достатньою кількістю кисню утворюється сульфур (VI) оксид і виділяється 297 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння розкладу сульфур (VI) оксиду на сульфур (IV) оксид і кисень. Екзотермічною чи ендотермічною є друга реакція?

Дано: ν(SO2) = 3 моль Q= 297 кДж	Розв’язання: 1. Записуємо рівняння першої реакції і обчислюємо тепловий ефект цієї реакції: 2. Термохімічне рівняння реакції сульфур (IV) оксиду з киснем має вигляд: 2SO2 + O2 = 2SO3 + 198 кДж 3. Записуємо термохімічне рівняння зворотної реакції: 2SO3 = O2 + 2SO3 -198 кДж
Термохімічне рівняння – ?

Відповідь: 2SO₃ = O₂ + 2SO₃ –198 кДж, реакція ендотермічна.

Пов'язані публікації:

§13. Класифікація хімічних реакцій §19. Узагальнення й систематизація вивченого матеріалу §17. Швидкість хімічних реакцій §50. Значення хімічних процесів у природі §21. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях 4.7. Розрахунки за хімічними рівняннями