Хімія. 9 клас. Березан

§ 20. Термохімічні рівняння. Тепловий ефект хімічної реакції

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

  • дізнаєтесь, як реакції класифікують за тепловим ефектом;
  • навчитесь розрізняти екзо- й ендотермічні реакції;
  • навчитесь складати термохімічні рівняння.

Хімічні реакції відбуваються з поглинанням чи виділенням енергії. Зазвичай ця енергія поглинається чи виділяється у вигляді теплоти, а іноді й світла.

Реакції, під час яких теплота виділяється, називають екзотермічними.

Частина таких реакцій відбувається без створення особливих умов для їх перебігу. До початку реакції приводить лише контакт речовин-реагентів, зокрема:

  • а) взаємодія активних металів з водою:

2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н2

  • б) взаємодія оксидів з водою:

СаО + Н2О = Са(ОН)2

  • в) взаємодія металів з кислотами:

Mg + H2SO4 (розв.) = MgSO4+ Η2

  • г) сполучення металів з галогенами:

Zn + Сl2 = ZnCl2

Теплота також виділяється під час взаємодії сильних кислот з лугами. Реакції нейтралізації супроводжуються виділенням теплоти. Так, якщо в пробірку із 2-3 мл хлоридної кислоти додати 2-3 мл розчину калій гідроксиду:

KOH + HCl = КСl + Η2Ο,

то навіть на дотик можна відчути, що нижня частина пробірки стане теплою.

З виділенням теплоти відбуваються всі реакції горіння (вугілля, природного газу, сірки, магнію тощо), але для їх проведення (принаймні для початку) зазвичай речовини потрібно нагріти. Згадайте, що ви робите, щоб розпалити вогнище чи підпалити вугілля або дрова в каміні. Ви ініціюєте реакцію горіння:

С + О2 = СО2;

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О;

S + О2 = SO2;

2Mg + О2 = 2MgO.

Теплоту хімічних реакцій горіння люди з давніх-давен використовують для обігрівання своїх помешкань, приготування їжі. Для цього вони спалюють деревину, рослинні рештки, вугілля, природний газ. Нині реакції горіння також використовують на металургійних заводах, коксохімічних, теплоенергетичних підприємствах, для роботи двигунів літаків, автомобілів, для запуску ракет, виготовлення феєрверків:

Рис. 20.1. Різнокольорові феєрверки

Є реакції, які відбуваються з поглинання теплоти. Це зазвичай реакції:

1) відновлення:

2) розкладання:

  • а) оксидів:

  • б) гідроксидів:

  • в) оксигеновмісних солей:

  • г) кристалогідратів:

Для здійснення таких реакцій речовини потрібно нагрівати постійно. Якщо нагрівання припинити, то зупиняється й перебіг хімічного перетворення.

Тепловий ефект хімічної реакції

Реакції, під час яких теплота поглинається, називають ендотермічними.

Виділення або поглинання теплоти під час хімічної реакції називають тепловим ефектом реакції.

Тепловий ефект — один з можливих зовнішніх ефектів, що супроводжують процес перетворення одних речовин на інші.

З курсу фізики вам відомо, що енергію руху та взаємодії частинок, з яких складається речовина, називають внутрішньою енергією.

Вона складається з енергії всіх частинок речовини (атомів, молекул, йонів) та енергії хімічних зв'язків між ними. Хімічна реакція завжди супроводжується зміною не лише складу й будови речовини, а й зміною внутрішньої енергії. Перебіг реакції пов'язаний з розривом одних зв'язків і виникненням інших. Звісно, при цьому змінюється внутрішня енергія реагентів і продуктів.

Якщо під час реакції сумарна внутрішня енергія реагентів більша за внутрішню енергію продуктів, то відбувається виділення теплоти.

Така реакція є екзотермічною.

Якщо загальна внутрішня енергія реагентів менша за внутрішню енергію продуктів, то відбувається поглинання теплоти.

Така реакція є ендотермічною.

Зміну внутрішньої енергії речовин позначають спеціальним символом — ΔΗ (читають «дельта аш»). Якщо ΔΗ < 0, то це означає, що реакція екзотермічна. Якщо ΔΗ > 0 — реакція ендотермічна. Наведемо кілька прикладів екзо- та ендотермічних реакцій:

Теплові ефекти визначають експериментально за допомогою калориметрів.

Іноді виникає потреба не лише зафіксувати сам факт поглинання чи виділення енергії під час хімічної реакції, а й визначити її кількісно.

Хімічне рівняння, у якому вказано кількість теплоти, що виділяється або поглинається, називають термохімічним.

Оскільки тепловий ефект реакцій залежить від агрегатного стану речовин, то в термохімічних рівняннях його, як правило, зазначають. Для цього використовують позначення: т — тверда речовина, р — рідина, г — газоподібна речовина.

Зміну внутрішньої енергії (ΔΗ) записують у рівнянні окремо після коми з крапкою. Наприклад:

2(г) + О2(г) = 2Н2О(г); ΔΗ = -483,6 кДж І

Цей запис означає, що під час взаємодії 2 моль водню і 1 моль кисню утворюється 2 моль водяної пари (газоподібна вода) і виділяється 483,6 кДж теплоти. Знак «мінус» означає, що реакція екзотермічна. Так можна прокоментувати будь-яке термохімічне рівняння.

2(г) + О2(г) = 2Н2О(р); ΔΗ = -564,6 кДж II

Зауважмо, зміна агрегатного стану води (реакції I, II) зумовила зміну теплового ефекту реакції сполучення водню з киснем.

2О2(р) = 2Н2О(р) + О2(г); ΔΗ = -101,4 кДж III

Інший приклад: рівняння реакції перетворення азоту на нітроген(ІІ) оксид:

Ν2(г) + О2(г) = 2NO(г); ΔΗ = +180,8 кДж

Під час сполучення 1 моль азоту з 1 моль кисню утворюється 2 моль нітроген(ІІ) оксиду і поглинається 180,8 кДж теплоти.

Як видно з наведених термохімічних рівнянь, перші три реакції є екзотермічними тому, що ΔΗ <0, а реакція IV — ендотермічна, оскільки ΔΗ > 0.

Потрібно пам'ятати, що тепловий ефект відповідає тій кількості речовини (моль), яка визначена коефіцієнтами рівняння. Це стосується всіх речовин, які є реагентами і продуктами реакцій.

Практичне значення теплового ефекту

Теплові ефекти реакцій обчислюють для визначення енергетичної цінності харчових продуктів, теплоти згоряння речовин, теплотворної здатності палива. Такі корисні копалини, як вугілля, торф, природний газ, використовують для одержання тепла в промислових умовах і побуті. Під час згоряння однакової кількості палива одні речовини даватимуть більшу кількість теплоти, інші — меншу.

Вивчаючи фізику, ви ознайомились із фізичною величиною питомою теплотою згоряння палива. Пригадаймо, що це кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива. Це дає можливість порівнювати, який вид палива дає більше теплоти.

Підсумки

  • 1. Реакції, під час яких теплота виділяється, називають екзотермічними, а реакції, під час яких теплота поглинається, — ендотермічними.
  • 2. Реакції горіння речовин, взаємодії кислот з основами, оксидів металічних елементів з водою та кислот з металами є екзотермічними.
  • 3. Реакції розкладу, відновлення належать до ендотермічних.
  • 4. Виділення або поглинання теплоти під час хімічної реакції називають тепловим ефектом реакції.
  • 5. Зміну внутрішньої енергії позначають ΔΗ. Якщо ΔΗ <0 — реакція екзотермічна, якщо ΔΗ >0 — ендотермічна.
  • 6. Хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект, називають термохімічним.

Контрольні запитання

  • 1. Дайте визначення екзотермічних та ендотермічних реакцій. Наведіть приклади.
  • 2. Поясніть, що таке внутрішня енергія речовини.
  • 3. Чому одні реакції відбуваються з виділенням теплоти, а інші — з поглинанням?
  • 4. Дайте визначення теплового ефекту реакцій.
  • 5. Чи буде відбуватися реакція розкладу купрум(ІІ) гідроксиду, якщо припинити нагрівання?
  • 6. Відомо, що для певної реакції ΔΗ < 0. Що це означає?
  • 7. Укажіть, які з наведених рівнянь належать до екзотермічних реакцій, а які — до ендотермічних. Відповідь поясніть:

а) MgCO3 =t° MgO + СО2↑;

б) Р2О5 + 3Н2О = 3Н3РО4;

в) СОСl2 = CO↑ + Сl2↑;

г) 4НСl + О2 = 2Сl2↑ + 2Н2О.

  • 8. Чим відрізняється термохімічне рівняння від молекулярного?
  • 9. Що означає знак «мінус» перед числовим значенням теплового ефекту?
  • 10. Що означає знак «плюс» перед числовим значенням теплового ефекту?

Вправи та задачі

1. Уперше перебіг реакцій цинку і сірки описав шведський хімік Георг Брандт. Він змішав подрібнені сірку (1 г) та цинк (2 г), а потім доторкнувся до суміші розпеченим сталевим шпателем. Спалахнуло полум'я, з'явився густий білий дим.

Напишіть рівняння реакції. Яка — екзо- чи ендотермічна — ця реакція?

2. Перетворіть наведені схеми на рівняння реакцій та вкажіть, які з них є екзотермічними (відповідь обґрунтуйте):

  • 1) СН4 С + Н2↑;
  • 2) CS2 + O2 → CO2 + SO2;
  • 3) K + Н2O → КОН + Н2↑;
  • 4) НgO → Hg + О2↑;
  • 5) KNO3 KNO2 + O2↑;
  • 6) Cu(OH)2 → CuO + Н2О;
  • 7) AgNO3 Ag + NO2↑ + O2↑;
  • 8) Ca + O2→ CaO;
  • 9) Н3РО4 + KOH → К3РО4 + Н2О;
  • 10) CuSO4 · 5H2O → CuO + SO3 + H2O.

3. Поясніть, якою — екзо- чи ендотермічною — є реакція

2NO + Cl2 = 2NOCl; ΔΗ < 0

4. Реакція

СО2 + С = 2СО

є ендотермічною. Що це означає? Яке значення (>0 чи <0) має ΔΗ для цієї реакції?

5. Прокоментуйте термохімічне рівняння:

4Р(т) + 5О2(г) = 2Р2О5(т); ΔΗ = -2984 кДж

6. Укажіть, які з наведених рівнянь описують екзотермічні реакції, а які — ендотермічні:

  • а) SO3(г) + Н2О(г) = H2SO4(p); ΔΗ = -89 кДж;
  • б) 2SO3(p) = 2SO2(г) + О2(г); ΔΗ = +284 кДж;
  • в) Н2(г) + Вr2(г) = 2НВr(г); ΔΗ = -68 кДж;
  • г) СаО(т) + СО2(г) = СаСО3(т); ΔΗ = -1770 кДж;
  • д) N2(г) + 3Н2(г) = 2NH3(г); ΔΗ = -92 кДж.

Поясніть ваш вибір.

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

7. Якщо за допомогою спеціального запалу підпалили суміш порошку алюмінію і магнітного залізняку Fe3O4, то далі реакція буде відбуватися самовільно з розігріванням суміші до 3500 °С. Термохімічне рівняння цієї реакції:

3Fe3O4(т) + 8Аl(т) = 9Fe(т) + 4Аl2О3(т); ΔΗ = -3347 кДж

Чи може мати практичне значення ця реакція?

До яких (екзо- чи ендотермічних) реакцій вона належить?

8. Питому теплоту згоряння деяких видів палива наведено в таблиці.

Назва палива

Питома теплота згоряння (МДж/кг)

Деревина

12,4

Торф

12,1

Буре вугілля

13,0

Кам'яне вугілля

27,0

Антрацит

28,0

Кокс

29,3

Бензин

44,0

Природний газ

33,5

Зріджений газ

45,2

Використавши цю інформацію, побудуйте діаграму. Порівняйте питому теплоту згоряння й оцініть, який із трьох видів вугілля найбільш вигідно використовувати як паливо.