Хімія. 9 клас. Лашевська

§ 19. Екзотермічні та ендотермічні реакції

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • класифікувати реакції за тепловим ефектом;
  • наводити приклади екзо- та ендотермічних реакцій, розрізняти їх, оцінювати їхнє значення;
  • складати термохімічні рівняння.

Тепловий ефект хімічної реакції - один із численних зовнішніх ефектів, що супроводжують перетворення одних речовин на інші (назвіть інші зовнішні ефекти, які свідчать про перебіг хімічних реакцій).

Унаслідок хімічних реакцій руйнуються зв’язки в речовинах-реагентах, утворюються нові зв’язки, і, як наслідок, - нові речовини (як їх називають?). Ці процеси супроводжуються виділенням або поглинанням енергії. (Наведіть приклади виділення або поглинання теплоти під час розчинення речовин у воді).

Чи можна стверджувати, що речовини ще до реакції мають певну енергію у «прихованій» формі? Спробуймо відповісти на це запитання. Під час вивчення фізики ви дізналися про хімічну, електричну, механічну, ядерну, сонячну форми існування енергії. Відповідно до різних форм енергії по-різному виявляються й енергетичні ефекти хімічних реакцій.

Пригадаймо, розкласти воду на водень і кисень можна дією електричного струму - електролізом. Потрібна для цього електрична енергія виділяється внаслідок перебігу окисно-відновних реакцій під час роботи акумулятора. Згоряння магнію супроводжується виділенням тепла та світла.

Фотосинтез, розкладання хлориду й броміду Аргентуму(І) у фотографічному процесі відбувається з поглинанням квантів світла. Також унаслідок перебігу хімічних реакцій може виконуватися механічна робота - наприклад, під час вибуху або роботи двигуна внутрішнього згоряння.

Усі ці факти доводять існування внутрішньої енергії, яка «прихована» у речовинах і вивільняється під час хімічних процесів. Тобто хімічні реакції супроводжуються зміною не лише складу й будови речовин, а й зміною їхньої внутрішньої енергії.

Енергію, виділену або поглинуту системою під час перебігу в ній хімічної реакції, називають тепловим ефектом реакції. Це різниця між внутрішньою енергією продуктів реакції і реагентів (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Енергетичні ефекти екзо- (1) та ендотермічної (2) реакцій

Його позначають ΔΗ, вимірюють у Дж, кДж тощо. Тепловий ефект хімічної реакції залежить від природи реагентів, їхньої кількості та агрегатного стану, тиску тощо. Тому з метою стандартизації теплові ефекти зазначають для температури 25 °С і тиску 105 Па.

Теплові ефекти визначають експериментально за допомогою спеціальних приладів (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Прилади для вимірювання теплового ефекту хімічних реакцій. 1. Електротермометр і комп’ютерні датчики. 2. Бомбовий калориметр - це міцна посудина-бомба (1), що заповнена чистим киснем, герметично закривається й оточена «водяною сорочкою» (4). Зразок горючої речовини відомої маси поміщають у тигель (2) всередині бомби й підпалюють електричною іскрою. Цифрою 3 позначено електричні дроти для підпалу зразка, 5 - теплоізоляційний корпус, 6 - мішалка, 7 - термометр

На практиці обчислюють теплові ефекти для оцінювання теплоти згоряння речовин, теплотворної здатності палива, енергетичної цінності харчових продуктів.

Екзотермічні та ендотермічні реакції розрізняють саме за їхніми тепловими ефектами (рис. 19.1). Наприклад, згоряння вугілля, нейтралізація кислот лугами, сполучення цинку із сіркою супроводжуються виділенням значної кількості теплоти. Такі реакції називають екзотермічними. Екзо (грец. έζώ) означає «назовні». До екзотермічних належать усі реакції горіння.

Цікаво і пізнавально

Уперше перебіг реакції цинку із сіркою дослідив і описав шведський хімік Георг Брандт. Він змішав тонко подрібнені сірку масою 1 г та цинк масою 2 г, а потім торкнувся суміші розпеченим сталевим шпателем. Спалахнуло полум’я, з’явився густий білий дим (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Реакція сірки із цинком

Перебіг реакцій термічного розкладання кальцій карбонату, калій перманганату, малахіту потребує безперервного надходження теплоти ззовні. Без нагрівання ці реакції негайно припиняються. Їх називають ендотермічними (грец. ένδό - назовні).

Ендотермічна реакція: реагенти + теплота → продукти.

Екзотермічна реакція: реагенти → продукти + теплота.

Чимало реакцій розкладу - ендотермічні, однак поміж них трапляються й екзотермічні. Визначмо, екзо- чи ендотермічною реакцією є розкладання амоній дихромату (про це йшлося в § 17) - так званий вулкан Беттгера. Щоб розпочалася реакція, сполуку нагрівають - торкаються запаленою скіпкою чи розпеченою скляною паличкою. Подальший інтенсивний перебіг реакції не потребує нагрівання й супроводжується виділенням чималої кількості теплової й світлової енергії. Ця реакція - екзотермічна.

Термохімічне рівняння - рівняння хімічної реакції, у якому зазначають агрегатні стани речовин і для якого наводять числове значення теплового ефекту. Наприклад, термохімічне рівняння реакції горіння метану - головного складника природного газу - таке:

СН4(г) + 2О2(г) = О2(г) + 2Н2О (р), ΔΗ = -890 кДж,

де (г) - газ, (р) - рідина. Тверду речовину позначають (т).

Тепловий ефект відповідає тій кількості метану, яка визначена рівнянням реакції, - 1 моль. А тепловий ефект неповного згоряння графіту зазначено для речовини кількістю 2 моль:

2С (графіт) + О2(г) = 2СO(г), ΔΗ = -221 кДж.

• Прокоментуйте термохімічне рівняння окиснення нітроген(ІІ) оксиду:

Ν2(г) + О2(г) = 2ΝО(г), ΔΗ = 280 кДж.

Якщо агрегатні стани учасників реакції очевидні й не потребують уточнення, то ці відомості в термохімічному рівнянні можна не зазначати. Тож трапляються й спрощені записи термохімічних рівнянь:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, ΔΗ < 0

За ними також можна класифікувати хімічні реакції на екзо- та ендотермічні, але вони не дають уявлення про числове значення теплового ефекту.

Значення теплових ефектів, якими супроводжуються хімічні реакції, важко переоцінити. Горіння водню, деревини, вугілля, мазуту, природного газу - приклади екзотермічних реакцій, які використовують у промисловості та побуті для вироблення енергії, одержання високотемпературного полум’я (рис. 19.4).

Рис. 19.4. Застосування екзотермічних реакцій. 1. Твердопаливний котел - якісне, надійне, перевірене часом опалювальне обладнання. Паливо - деревина, деревні, торфо- та тирсобрикети, брикетована солома тощо. 2. Головне - правильно організувати облік тепла в оселі... 3. Зварювання й різання металу за допомогою воднево-кисневого пальника

Видобування металів методом металотермії - екзотермічний процес. Наприклад, у реакції ферум(ІІІ) оксиду з алюмінієм

Fe2O3 + 2Аl = 2Fe + Аl2О3, ΔΗ < 0

(так званий термітний процес) унаслідок виділення великої кількості теплової енергії температура сягає 2400 °С, тому залізо плавиться (рис. 19.5).

Рис. 19.5. Термітний процес, який винайшов у 1898 р. німецький інженер Ганс Гольдшмідт, супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Тому його застосовують для зварювання й різання металів.

Завдання. Схарактеризуйте термітний процес з погляду окиснення-відновлення, класифікуйте цю реакцію за числом і складом реагентів і продуктів

Цікаво і пізнавально

Термітні суміші використовують у запалювальних бомбах з оболонкою з магнієвого сплаву. Унаслідок горіння утворюються розплавлені вогненно-рідкі шлаки, які запалюють магнієвий сплав оболонки бомби. Температура спалаху термітних сумішей становить близько 1300 °С, а температура горіння сягає 3000 °С. Під час горіння терміт може пропалити розплавленими шлаками металеву поверхню без утворення великого відкритого полум’я.

Окиснення жирів, вуглеводів, білків в організмах - екзотермічні реакції - джерело енергії, яке забезпечує їхню життєдіяльність.

На ендотермічних процесах ґрунтуються промислові й лабораторні способи добування неорганічних і органічних сполук. Наприклад, випалювання вапняку для одержання негашеного вапна - ендотермічна реакція. Так само ендотермічним процесом є розкладання метану СН4 для добування сажі й водню. Ендотермічні реакції використовують у лабораторній практиці, побуті, медицині для швидкого охолодження. Важливу роль відіграють ендотермічні реакції у природі, наприклад, фотосинтез, утворення озону з кисню, окиснення азоту до нітроген(ІІ) оксиду внаслідок електричного розряду блискавки - супроводжуються поглинанням енергії.

Цікаво і пізнавально

Основним матеріалом у давньоруському будівництві було вапно. Отримували його випалюванням вапняку в спеціальних печах. У Києві під час земляних робіт на Іринінській вулиці виявлено кола обпаленої до червоного кольору материкової глини. Дослідження показало, що це залишки печей для випалювання вапна.

Чи залежить від теплового ефекту реакції її швидкість, які чинники впливають на неї, ви дізнаєтеся з наступного параграфа.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Хімічні реакції супроводжуються не лише зміною складу та будови речовин, а й зміною їхньої внутрішньої енергії.

• Тепловий ефект реакції - це енергія, виділена або поглинута системою під час перебігу в ній хімічної реакції.

• Екзотермічні реакції супроводжуються виділенням теплоти, а ендотермічні - її поглинанням.

• Термохімічне рівняння - рівняння хімічної реакції, у якому зазначають агрегатні стани речовин і для якого наводять числове значення теплового ефекту.

• Тепловий ефект відповідає тій кількості речовини, яка визначена рівнянням реакції.

• Екзо- та ендотермічні реакції широко використовують у промисловості та побуті, вони відіграють велику роль у життєдіяльності організмів.

Перевірте себе

1. Що таке тепловий ефект хімічної реакції? 2. Які реакції називають екзотермічними? Ендотермічними? 3. Чому під час одних реакцій енергія виділяється, а під час інших - поглинається? 4. Чому дорівнює тепловий ефект хімічної реакції? 5. Від яких чинників залежить тепловий ефект хімічної реакції? 6. Наведіть приклади екзо- та ендотермічних реакцій, опишіть їхнє застосування.

Застосуйте свої знання й уміння

7. Класифікуйте хімічні реакції за тепловим ефектом:

  • а) Н2 + Сl2 = 2НСl, ΔΗ = 184,6 кДж;
  • б) (CuOH)2CO3 = 2СuО + СО2 + Н2О, ΔΗ > 0;
  • в) СаСО3(т) = СаО(т) + СО2(г), ΔΗ = 279 кДж;
  • г) 2СО + О2 = 2СО2, ΔΗ = -566,02 кДж;
  • д) 2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(р), ΔΗ = 571,6 кДж;
  • е) Н+ + ОН- = Н2О, ΔΗ < 0;
  • ж) Fe + S = FeS, ΔΗ = -100,26 кДж;
  • з) СН4 + Н2О = CO + 3Н2, ΔΗ > 0;
  • і) 2СН4(г) + О2(г) = 2СО(г) + 4Н2(г),ΔΗ = -71,2 кДж;
  • к) СаСО3(т) = СаО(т) + СО2(г), ΔΗ = 178,5 кДж.

8. Перша упаковка, що сама розігріває їжу, розроблена для кави. Вона складається з двох алюмінієвих шарів, у зовнішній камері - вода, у внутрішній - кальцій оксид (негашене вапно). Споживач натискає на кнопку в нижній частині банки, вода змішується з негашеним вапном і починається екзотермічна реакція. У результаті менш ніж за три хвилини вміст банки нагрівається до температури 50-55 °С. Класифікуйте цю реакцію за тепловим ефектом, запишіть її термохімічне рівняння.

9. Щоб виготовити хімічну грілку, у мішечок з водонепроникного матеріалу вміщують суміш купрум(ІІ) хлориду, порошку алюмінію та наповнювача (деревних ошурок). Після добавляння води відбувається хімічна реакція, яка супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Поясніть, чому реакція відбувається лише після добавляння води. Класифікуйте цю реакцію за тепловим ефектом, запишіть її термохімічне рівняння. Розгляньте реакцію між металом і сіллю в розчині з погляду окиснення-відновлення та електролітичної дисоціації. Визначте, у чому полягає суть цієї реакції.

10. Запишіть два рівняння реакції нейтралізації в повній і скороченій йонних формах. Поясніть, у чому полягає суть реакції нейтралізації. Висловіть припущення, чому всі реакції нейтралізації мають приблизно однаковий тепловий ефект.

11. Проаналізуйте зміст третьої колонки таблиці 17.1 і визначте, про що ви дізналися і чого навчилися, опрацювавши параграф.

Дізнайтеся більше

  • http://www.hotcan.com/how-it-works.html
  • https://www.youtube.com/watch?v=Gg2Dt8gwRng
  • https://www.youtube.com/watch?v=31v1UNxqwq8