Тепловой эффект реакции
Тепловой эффект химической реакции — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции. Его обозначают Q и измеряют в килоджоулях (кДж). Реакции, идущие с выделением теплоты, называют экзотермическими, с поглощением — эндотермическими. Уравнение с указанием теплового эффекта называют термохимическим: C + O₂ → CO₂ + 394 кДж.
Тепловые химические реакции: экзо- и эндотермические
При реакции рвутся связи в исходных веществах и образуются новые связи в продуктах. На разрыв связей энергия тратится, при образовании — выделяется. Если новые связи в сумме прочнее старых, избыток энергии выделяется в виде теплоты, иногда и света — реакция экзотермическая. Если слабее — энергию приходится подводить, реакция эндотермическая.
| Экзотермические | Эндотермические | |
|---|---|---|
| Теплота | выделяется | поглощается |
| Запись Q | «+Q» в правой части | «−Q» в правой части |
| Знак ΔH | ΔH < 0 | ΔH > 0 |
| Типичные примеры | горение, нейтрализация, большинство реакций соединения, металлы с кислотами | большинство реакций разложения, образование NO из азота и кислорода, восстановление CO₂ углём до CO, фотосинтез |
Экзотермические реакции: горение метана CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, нейтрализация, гашение извести CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — смесь разогревается так, что вода может закипеть. Эндотермические: обжиг известняка CaCO₃ → CaO + CO₂↑ идёт только при сильном нагревании, C + CO₂ → 2CO — в доменной печи. Правило «разложение — эндотермично» не абсолютное: разложение пероксида водорода и дихромата аммония идёт с выделением теплоты.
Почему тогда горение приходится начинать с поджигания? Чтобы реакция пошла, частицы должны преодолеть энергетический барьер — энергию активации. Спичка даёт первым молекулам эту энергию, а дальше теплота самой реакции поддерживает горение.
Реакции горения — экзотермические
- 4Li + O₂ → 2Li₂OСоединенияОВРГорениеt°
- 2Mg + CO₂ → 2MgO + CЗамещенияОВРГорениеt°
- C₂₅H₅₂ + 38O₂ → 25CO₂ + 26H₂OДругого типаОрганическаяГорениеОВРВ природе и быту
- 2Na + O₂ → Na₂O₂СоединенияОВРГорениеt°
- 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂OДругого типаОВРГорениеt°
- 2Mg + O₂ → 2MgOСоединенияОВРГорениеt°
- 4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂OДругого типаОВРГорениеt°
- 2Ca + O₂ → 2CaOСоединенияОВРГорениеt°
- CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂OДругого типаОрганическаяГорениеОВРВ природе и бытуt°
- 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃СоединенияОВРГорениеt°
Термохимические уравнения: Q и ΔH
Термохимическое уравнение отличается от обычного тремя особенностями:
- указан тепловой эффект в кДж — на те количества веществ (моль), которые стоят в уравнении: «+ 394 кДж» в уравнении горения угля относится к 1 моль C и 1 моль O₂;
- указаны агрегатные состояния: (г) — газ, (ж) — жидкость, (тв) — твёрдое вещество, потому что от них зависит теплота;
- допускаются дробные коэффициенты, если теплоту относят к 1 моль продукта: H₂ + ½O₂ = H₂O + 286 кДж.
В школе используют две записи. В учебниках 8–9 класса тепловой эффект Q пишут в правой части уравнения: «+Q» — теплота выделилась, «−Q» — поглотилась. В 10–11 классе вводят изменение энтальпии ΔH — изменение энергии самой системы. Знаки у Q и ΔH противоположные: если система отдала теплоту, её энергия уменьшилась, ΔH = −Q.
CH₄ (г) + 2O₂ (г) → CO₂ (г) + 2H₂O (ж) + 890 кДж, то есть ΔH = −890 кДж.
CaCO₃ (тв) → CaO (тв) + CO₂ (г) − 178 кДж, то есть ΔH = +178 кДж.
Если вода при горении метана образуется в виде пара, теплоты выделяется меньше — около 802 кДж: часть энергии остаётся в парах воды. Вот почему агрегатные состояния нужно указывать.
В 11 классе изучают закон Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ, но не от пути. Уголь можно сжечь сразу до CO₂ (394 кДж на моль), а можно в две стадии: 2C + O₂ → 2CO + 221 кДж и 2CO + O₂ → 2CO₂ + 566 кДж. В сумме на 2 моль углерода выходит 787 кДж, то есть те же 394 кДж на моль (с точностью до округления).
Знак теплового эффекта нужен и в задачах на смещение равновесия: нагревание смещает обратимую реакцию в сторону поглощения теплоты — подробнее на странице химическое равновесие.
Расчёты по термохимическому уравнению: задачи с решением
Теплота пропорциональна количеству вещества, поэтому задачи решают через n = m / M, а для газов — n = V / Vm, где Vm = 22,4 л/моль при н. у. Больше примеров — в разделе задачи по химии с решениями.
Задача 1. Теплота по массе вещества
Сколько теплоты выделится при сгорании 60 г угля? C + O₂ → CO₂ + 394 кДж
Решение. n(C) = 60 г : 12 г/моль = 5 моль. По уравнению при сгорании 1 моль углерода выделяется 394 кДж, значит, при сгорании 5 моль — 5 · 394 = 1970 кДж.
Ответ: 1970 кДж.
Задача 2. Составить термохимическое уравнение
При сгорании 6 г магния выделилось 150,5 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение реакции.
Решение. n(Mg) = 6 г : 24 г/моль = 0,25 моль. В уравнении горения магния перед Mg стоит коэффициент 2, то есть 2 моль — в 8 раз больше: Q = 150,5 · 8 = 1204 кДж.
Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO + 1204 кДж.
Задача 3. Теплота для эндотермической реакции
Сколько теплоты нужно затратить на разложение 250 г карбоната кальция и какой объём CO₂ (н. у.) при этом выделится? CaCO₃ → CaO + CO₂↑ − 178 кДж
Решение. M(CaCO₃) = 40 + 12 + 3 · 16 = 100 г/моль, n(CaCO₃) = 250 : 100 = 2,5 моль. Теплота: Q = 2,5 · 178 = 445 кДж (поглощается). По уравнению n(CO₂) = n(CaCO₃) = 2,5 моль, V(CO₂) = 2,5 · 22,4 = 56 л.
Ответ: 445 кДж; 56 л.
Тепловой эффект в опытах лаборатории
Термометр в виртуальной лаборатории показывает, как меняется температура раствора во время реакции.
- В опыте «Нейтрализация» каждая порция соляной кислоты, прилитая к щёлочи, немного разогревает раствор: NaOH + HCl → NaCl + H₂O. Для любых сильных кислот и щелочей тепловой эффект нейтрализации почти одинаков — около 56–57 кДж на 1 моль образующейся воды, ведь во всех случаях идёт одна и та же реакция H⁺ + OH⁻ → H₂O.
- Заметно разогревается кислота, в которую бросили магний (опыт «Получение водорода»), и вода с кусочком натрия (опыт «Натрий и вода»).
- Пример эндотермической реакции — опыт «Оксид меди(II) из гидроксида»: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Голубой осадок чернеет, только пока его нагревают спиртовкой.
С выделением и поглощением теплоты идут и физико-химические процессы. Растворение нитрата аммония в воде сильно охлаждает раствор — на этом работают пакеты-охладители из аптечки, а растворение гидроксида натрия и разбавление серной кислоты, наоборот, сильно разогревают раствор. Поэтому кислоту всегда льют в воду, а не воду в кислоту (см. правила работы в лаборатории).
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Нейтрализация
Щёлочь с фенолфталеином титруют кислотой, пока малиновая окраска не исчезнет.
Натрий и вода
Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.
Оксид меди(II) из гидроксида
Голубой осадок Cu(OH)₂ при нагревании на спиртовке чернеет — образуется CuO.
Получение водорода
Металл в кислоте, сбор газа над водой в пробирку и проба горящей лучиной — хлопок.
Читайте также
Частые вопросы
Как определить, экзотермическая реакция или эндотермическая?
По знаку теплового эффекта: «+Q» в уравнении (или ΔH < 0) — экзотермическая, теплота выделяется; «−Q» (ΔH > 0) — эндотермическая. На опыте экзотермическая реакция разогревает смесь, а эндотермическая идёт только при постоянном нагревании или охлаждает смесь.
Чем Q отличается от ΔH?
Q — теплота, которую реакция отдаёт окружающей среде, ΔH — изменение энергии (энтальпии) самой системы. Численно они равны, а знаки противоположны: ΔH = −Q. Горение метана: Q = +890 кДж, ΔH = −890 кДж.
Что такое термохимическое уравнение?
Уравнение реакции, в котором указан тепловой эффект и агрегатные состояния веществ, например 2H₂ (г) + O₂ (г) → 2H₂O (ж) + 572 кДж. Теплота относится к тем количествам веществ, которые указаны коэффициентами.
Как решать задачи по термохимическим уравнениям?
Найдите количество вещества по массе или объёму, затем составьте пропорцию с коэффициентом из уравнения. Например, если по уравнению 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 572 кДж выделилось 1430 кДж, то сгорело 2 · 1430 / 572 = 5 моль водорода, или 5 · 22,4 = 112 л при н. у.
Почему горение экзотермическое, но его нужно поджигать?
Любой реакции нужно преодолеть энергетический барьер — энергию активации. Поджигание даёт первым частицам эту энергию, а дальше реакция сама выделяет достаточно теплоты, чтобы идти без внешнего нагрева.