Тепловой эффект

Тепловой эффект химической реакции определяется разницей энергии в продуктах и исходных веществах. Для точного расчета этих значений важно знать молярную массу всех участвующих соединений, о чем подробнее рассказано в статье «Как найти молярную массу».

Определение теплового эффекта химической реакции

В процессе химической реакции связи в исходных веществах разрываются и образуются новые связи, благодаря чему образуются новые вещества — продукты реакции. Разрыв связи протекает с поглощением энергии, а образование — с выделением, то есть химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами.

Как правило, энергия выделяется или поглощается в виде теплоты, поэтому мы говорим, что протекание химической реакции сопровождается тепловым эффектом.

Тепловой эффект химической реакции — это количество теплоты, которое поглощается или выделяется в результате протекания химической реакции.

Если исходные вещества были менее устойчивыми (поглощается небольшое количество энергии), а образуются устойчивые (выделяется большое количество энергии), то в результате химической реакции выделяется тепловой эффект.

И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты.

Рассмотрим эти процессы на рисунке:

В зависимости от того, выделяется или поглощается теплота, различают два типа химических реакций: экзотермические и эндотермические.

Экзотермические реакции

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты.

В экзотермических реакциях количество выделившейся теплоты указывают со знаком «+».

Например, при сгорании угля:

C_(тв) + O₂ (г) = CO₂ (г) + Q.

Чтобы запустить эту и некоторые другие реакции, нужна инициация, или, проще говоря, пинок. В случае с реакцией горения угля это нагрев (поджигание).

К экзотермическим реакциям относятся реакции горения и реакции соединения.

Реакции горения

Пример — реакция горения метана в атмосфере кислорода:

CH₄ (г) + 2O₂ (г) = CO₂ (г) + 2H₂O (г) + 802 кДж.

Реакции соединения

Пример — образование воды из двух простых веществ, при этом выделяется 484 кДж:

2H₂ (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г) + 484 кДж.

178.1K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

• Подтяни оценки на курсах по химии.

• Выбирай из 550+ репетиторов по химии.

• Записывайся на бесплатные курсы для детей.

Эндотермические реакции

Эндотермические реакции протекают с поглощением теплоты. Количество поглощенной теплоты указывают со знаком «−».

К эндотермическим реакциям чаще всего относят реакции разложения.

Например, реакции разложения нитрата калия и карбоната кальция:

2KNO_3(тв) → 2KNO_2(тв) + O₂ (г) – Q;

CaCO_3(тв) = CaO_(тв) + CO₂ (г) − 170 кДж.

Термохимические уравнения

Уравнения реакций, в которых указано количество выделившейся теплоты, называют термохимическими.

В термохимических уравнениях всегда указывают агрегатные состояния веществ, так как от этого зависит значение теплового эффекта.

Рассмотрим термохимическое уравнение сгорания газа метана:

CH₄ (г) + 2O₂ (г) = CO₂ (г) + 2H₂O (г) + 802 кДж.

Глядя на уравнение, можно сделать вывод, что при сгорании 1 моля газообразного метана в 2 молях газообразного кислорода выделяется 802 кДж теплоты сгорания.

Теплота сгорания — это количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моля вещества.

Если в реакцию вступит в 5 раз больше метана, чем в представленном термохимическом уравнении, то есть не 1 моль метана, а 5, то тепловой эффект будет пропорционально больше, то есть не 802 кДж, а 802 ⨯ 5 = 4 010 кДж.

Практика

Рассмотрим несколько термохимических расчетов для типовых заданий.

Задача 1

Рассчитайте количество теплоты, выделившейся в результате реакции образования метана, термохимическое уравнение которой —

C_(тв) + 2H_{2 (г)} = CH_{4 (г)} + 76 кДж,

из: а) 0,3 моля углерода; б) 2,4 г углерода; в) 2,24 л водорода.

Решение.

Важно помнить, что количество теплоты, которая выделяется в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.

а) Из термохимического уравнения видно, что при взаимодействии 1 моля С выделяется 76 кДж, тогда при взаимодействии 0,3 моля С выделяется x кДж.

Составим уравнение и решим его:

1 моль × х = 76 кДж × 0,3 моля;

.

б) Для начала найдем количество вещества прореагировавшего углерода. Для этого разделим его массу m на молярную массу M:

.

Молярная масса углерода равна 12 г/моль (значение из таблицы Менделеева).

Тогда .

В соответствии с термохимическим уравнением при взаимодействии 1 моля С выделяется 76 кДж, тогда при взаимодействии 0,2 моля выделяется х кДж.

Данной пропорции соответствует уравнение:

1 моль × х = 76 кДж × 0,2 моля;

.

в) Для начала найдем количество вещества вступившего в реакцию водорода. Для этого разделим его объем V на молярный объем V_m:

.

Молярный объем любого вещества равен 22,4 л/моль.

Тогда .

В соответствии с термохимическим уравнением при взаимодействии 2 молей H выделяется 76 кДж, тогда при взаимодействии 0,1 моля выделяется х кДж.

Данной пропорции соответствует уравнение:

1 моль × х = 76 кДж × 0,1 моля;

.

Задача 2

В результате реакции, термохимическое уравнение которой —

2H₂ (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г) + 484 кДж,

выделилось 1 360 кДж. Вычислите: а) объем (н. у.) вступившего в реакцию кислорода; б) массу образовавшейся воды.

Решение.

а) В соответствии с термохимическим уравнением при взаимодействии 1 моля кислорода выделяется 484 кДж, тогда при взаимодействии х молей кислорода выделяется 1 360 кДж.

Этой пропорции соответствует уравнение:

1 моль × 1 360 кДж = 484 кДж × х молей;

.

Найдем объем вступившего в реакцию кислорода, воспользовавшись формулой:

V = n(H) × V_m, где V_m — молярный объем;

V(H) = 2,81 моля × 22,4 л/моль = 62,95 л.

б) В соответствии с термохимическим уравнением при взаимодействии 2 молей воды выделяется 484 кДж, тогда при взаимодействии х молей кислорода выделяется 1 360 кДж.

Этой пропорции соответствует уравнение:

2 моля × 1 360 кДж = 484 кДж × х молей;

.

Найдем объем вступившего в реакцию кислорода, воспользовавшись формулой:

m(H₂O) = n(H₂O) × M(H₂O), где M — молярная масса;

M(H₂O) = 1 × 2 + 16 × 1 = 18 г/моль;

m(H₂O) = 5,62 моля × 18 г/моль = 101,16 г.

Еще больше задач, да еще и в интерактивном формате — на онлайн-курсах по химии в школе Skysmart.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое тепловой эффект?

2. На какие типы делятся реакции по тепловому эффекту?

3. Приведите примеры реакций, которые протекают с выделением теплоты.

4. Какие уравнения называют термохимическими?

5. Рассчитайте количество теплоты, которая выделится при сгорании 0,7 моля метана. Термохимическое уравнение реакции:

   CH₄ (г) + 2O₂ (г) = CO₂ (г) + 2H₂O (г) + 802 кДж.