Хімія. 9 клас. Ярошенко

§ 21. Тепловий ефект реакції. Екзотермічні та ендотермічні реакції

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • усвідомити суть теплового ефекту хімічних реакцій;
  • класифікувати хімічні реакції за їхнім тепловим ефектом;
  • зрозуміти відмінність між хімічними й термохімічними рівняннями реакцій;
  • розрізняти та наводити приклади екзо- й ендотермічних реакцій;
  • складати термохімічні рівняння.

Кожна речовина за постійних температури й тиску має певний запас енергії, яку називають внутрішньою енергією. Вона складається з енергії взаємодії структурних частинок речовини (атомів, молекул, йонів тощо), акумульованої в хімічних зв'язках, та енергії всіх видів їхнього руху. Ми не можемо виміряти абсолютну величину внутрішньої енергії, але її зміну в процесі хімічної реакції можемо й обчислити, й виміряти експериментально, а досить часто навіть виявити за допомогою дотику.

ТЕПЛОВІ ЯВИЩА, ЩО СУПРОВОДЖУЮТЬ ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ. Ознайомимось на конкретних дослідах з тепловими явищами, що супроводжують хімічні реакції.

Демонстраційний дослід 1. Реакція нейтралізації.

У прозорій скляній посудині нейтралізуємо калій гідроксид (розчин) хлоридною кислотою. Реакція відбувається дуже швидко й описується таким рівнянням:

КОН + НСl = КСl + Н2О.

Доторкнувшись долонею до стінки посудини, відчуємо, що вона стала теплою. Отже, реакція супроводжується виділенням теплової енергії. Це можна підтвердити вимірюванням температури в посудинах з лугом та кислотою до реакції та в посудині, де відбувалася взаємодія цих речовин.

Поміркуйте, якими будуть показники останнього вимірювання порівняно з попередніми двома. Чи є різниця між зафіксованими термометром показниками в посудині з лугом та кислотою?

Демонстраційний дослід 2. Горіння вуглецю.

У заповненій киснем колбі спалимо вуглинку, розжарену на повітрі (мал. 25).

С + О2 = СО2

Мал. 25. Горіння вугілля в кисні

Після припинення горіння наблизимо долоню до посудини й уже на відстані, не торкаючись її, виявимо, що посудина нагрілася. Тобто й ця реакція відбулася зі зміною внутрішньої енергії речовин, наслідком чого стало виділення теплоти в навколишнє середовище. На відміну від першої реакції спостерігалося виділення ще й світлової енергії.

Демонстраційний дослід 3. Термічне розкладання купрум(ІІ) гідроксиду.

Проведемо термічне розкладання купрум(ІІ) гідроксиду — нерозчинної у воді твердої речовини блакитного кольору (це речовина має блакитний колір, якщо вона щойно осаджена). Пробірку закріпимо в лапці штатива (мал. 26) та почнемо нагрівати. Досить швидко блакитний колір осаду змінюватиметься на чорний, а ближче до отвору пробірки конденсуватиметься водяна пара.

Мал. 26. Розкладання купрум(ІІ) гідроксиду

Зміни є результатом розкладу нерозчинної основи купрум(ІІ) гідроксиду на купрум(ІІ) оксид, що має чорний колір, і воду.

Як бачимо, для цієї реакції знадобилося нагрівання. Самочинно, без надходження теплоти ззовні, купрум(ІІ) гідроксид не розклався б. Цей дослід є прикладом реакцій, що супроводжуються поглинанням теплоти з навколишнього середовища.

З'ясуємо, чому в одних реакціях теплота виділяється, а в інших — поглинається.

СУТЬ ТЕПЛОВИХ ЯВИЩ, ЩО СУПРОВОДЖУЮТЬ ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ. У ході хімічних реакцій зв'язки між структурними частинками реагентів руйнуються. Цей процес завжди супроводжується поглинанням енергії. Натомість утворення нових зв'язків у продуктах реакції супроводжується виділенням енергії. Розглянуті процеси взаємопов'язані — без першого не відбувається другий. Якщо на руйнування хімічних зв'язків у реагентах енергії витрачається менше, ніж її виділяється під час утворення хімічних зв'язків у продуктах реакції, то її «надлишок» виділяється в навколишнє середовище у вигляді теплової, а іноді й світлової енергії. Це ми спостерігали під час перших двох демонстраційних дослідів.

У деяких реакціях ця різниця істотна, як під час горіння різних видів палива, в інших — незначна, наприклад, у реакціях нейтралізації лугу кислотою.

У разі переважання кількості енергії, що поглинається у процесі руйнування хімічних зв'язків у реагентах, над кількістю енергії, що виділяється під час утворення хімічних зв'язків у продуктах реакції, виникає необхідність у її додатковому надходженні з довкілля. Без цього взаємодія речовин не відбудеться (це підтверджують результати досліду 3).

Під час руйнування хімічних зв'язків у речовинах теплота поглинається, при утворенні хімічних зв'язків — виділяється.

Різниця між кількістю теплоти, витраченої на руйнування хімічних зв'язків у реагентах, і кількістю теплоти, що виділяється під час утворення нових хімічних зв'язків у продуктах хімічної реакції, називається тепловим ефектом хімічної реакції. Його позначають ΔΗ (читається «дельта-аш»).

Тепловий ефект хімічної реакції — це кількість теплоти, що виділяється або поглинається під час хімічної реакції.

Теплота вимірюється в джоулях (Дж). Тож одиницями вимірювання теплового ефекту реакцій є джоулі.

КЛАСИФІКАЦІЯ РЕАКЦІЙ ЗА ТЕПЛОВИМ ЕФЕКТОМ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. Зміна внутрішньої енергії речовин у процесі реакцій є їхньою важливою ознакою, за якою реакції поділяють на ендотермічні й екзотермічні.

Ендотермічні реакції (від грец. ендо — всередині) — це реакції, що відбуваються з поглинанням теплоти.

В описаних демонстраційних дослідах такою реакцією було термічне розкладання купрум(ІІ) гідроксиду. До ендотермічних реакцій належать розкладання при нагріванні інших нерозчинних основ, амфотерних гідроксидів, нерозчинних карбонатів. Доменний процес виробництва чавуну з руд-оксидів ґрунтується на ендотермічних окисно-відновних реакціях.

Екзотермічні реакції (від грец. екзо — назовні) — це реакції, що відбуваються з виділенням теплоти.

Екзотермічними реакціями є всі реакції горіння та багато інших.

Тепловий ефект реакції ΔΗ може набувати додатного або від'ємного значення. Якщо ΔΗ є додатним числом, це означає, що внутрішня енергія продуктів реакції є більшою порівняно з внутрішньою енергією реагентів. Це можливо лише за умови поглинання теплоти, тобто під час ендотермічної реакції. Якщо ж ΔΗ є від'ємним числом, то навпаки, внутрішня енергія речовин, утворених у результаті реакції, порівняно з внутрішньою енергією реагентів зменшилася. Відтак певна кількість теплоти виділилась у навколишнє середовище, що властиво екзотермічним реакціям.

Отже, робимо загальний висновок.

Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці між внутрішньою енергією продуктів реакції та внутрішньою енергією реагентів і має додатне числове значення для ендотермічних і від'ємне — для екзотермічних реакцій.

ТЕРМОХІМІЧНЕ РІВНЯННЯ РЕАКЦІЇ. Від хімічного воно відрізняється записом числового значення теплового ефекту хімічної реакції.

Наприклад,

S + O2 = SO2; ΔΗ = -297 кДж; енергія виділяється;

СаСО3 = СаО + СО2; ΔΗ = +157 кДж; енергія поглинається.

Таким чином тепловий ефект розглядають з позиції збільшення чи зменшення внутрішньої енергії речовин унаслідок реакції.

Попрацюйте групами

1. Розгляньте й проаналізуйте подані приклади термохімічних реакцій.

Приклад 1. Термічне розкладання малахіту.

Малахіт — це мінерал, склад якого описується хімічною формулою Cu2(OH)2CO3. Аби реакція відбулася, пробірку з речовиною злегка нагрівають. (Явища, які супроводжують цю реакцію, розглянуто в параграфі 18.)

Сu2(ОН)2СО3 = 2CuO + H2O + CO2; ΔΗ = +47 кДж

Проаналізувавши термохімічне рівняння, зробіть висновок про зміну внутрішньої енергії продуктів реакції. До яких типів реакцій вона належить?

Приклад 2. Горіння метану в кисні.

Складіть термохімічне рівняння цієї реакції, якщо ΔΗ = -891 кДж.

Екзотермічною чи ендотермічною є ця реакція?

2. На основі розглянутих прикладів зробіть узагальнення:

  • у яких випадках під час хімічних реакцій теплота виділяється в довкілля, а в яких — поглинається;
  • про поглинання чи виділення теплоти свідчить знак «+» перед числовим значенням теплового ефекту реакції?

ДЛЯ ЧОГО РОЗРАХОВУЮТЬ ТЕПЛОВИЙ ЕФЕКТ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ. Інформацію про теплові ефекти хімічних реакцій використовують не лише в наукових цілях, а й для правильного та безпечного практичного використання різних хімічних процесів. Зокрема, паливо спалюють у великих кількостях з різною метою — для одержання тепла, перетворення його на електричну енергію, виконання механічної роботи тощо (мал. 27). Для керування багатьма процесами й забезпечення їх безпечного перебігу здійснюють точні розрахунки на основі теплових ефектів хімічних реакцій.

Мал. 27. Практичне використання екзотермічних реакцій

При проведенні в промислових масштабах ендотермічних реакцій (добування негашеного вапна термічним розкладанням вапняку, відновлення металів з руд тощо) знання теплового ефекту реакцій дає змогу стежити за тим, аби не трапилося небажаного охолодження реакційної суміші й реакція не припинилася, бо це призведе до зниження якості продуктів реакції.

Стисло про основне

• Усі речовини наділені внутрішньою енергією, що складається з енергії теплового руху й енергії взаємодії частинок речовини.

• Різниця між внутрішньою енергією продуктів реакції та реагентів називається тепловим ефектом хімічної реакції (позначається ΔΗ) і вимірюється в джоулях.

• За тепловим ефектом хімічні реакції класифікують на екзотермічні й ендотермічні. Екзотермічні реакції супроводжуються виділенням теплоти в навколишнє середовище, ендотермічні — поглинанням теплоти з довкілля.

• Рівняння реакції, у якому зазначено тепловий ефект, називається термохімічним рівнянням. Додатне числове значення теплового ефекту реакції свідчить про збільшення внутрішньої енергії продуктів реакції порівняно з реагентами, від'ємне — про зменшення.

Сторінка ерудита

За термохімічними рівняннями реакцій можна проводити обчислення теплового ефекту реакції, маси, об'єму, кількості речовини аналогічно до обчислень за хімічними рівняннями. Розглянемо приклади.

Приклад. У промисловості негашене вапно СаО добувають термічним розкладанням вапняку, основною складовою якого є кальцій карбонат СаСО3. За термохімічним рівнянням цієї реакції

СаСО3 = СаО + СО2; ΔΗ = -157 кДж

обчисліть масу одержаного кальцій оксиду, якщо в зовнішнє середовище виділилося 3140 кДж теплової енергії.

Працюємо з медійними джерелами

Виконайте в групі чи індивідуально один з навчальних проектів.

• Ендотермічні реакції на службі людині.

• Екзотермічні реакції в життєдіяльності організмів.

Презентуйте та обговоріть результати виконання проекту з однокласниками на уроці.

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення теплового ефекту хімічної реакції. Яким чином класифікують реакції за тепловим ефектом?

2. Яку назву мають рівняння хімічних реакцій із зазначеним у них тепловим ефектом?

3. Поясніть, у яких випадках відбувається екзотермічна, а в яких — ендотермічна реакція.

4. Яке з рівнянь описує екзотермічну, а яке — ендотермічну реакції:

  • а) 8Al + 3Fe3O4 = 9Fe + 4Al2O3; ΔΗ = -3347 кДж;
  • б) СаСО3 = СаО + СО2; ΔΗ = +157 Кдж?

5. Яким чином змінюється внутрішня енергія продуктів реакції в ході ендотермічних та екзотермічних процесів?

Застосовуємо

88. За поданими термохімічними рівняннями визначте екзотермічні й ендотермічні реакції:

  • а) S + O2= SO2; ΔН = -297 кДж;
  • б) 2CO + O2= 2CO2; ΔН = -566 кДж;
  • в) 2H2O = 2H2 + O2; ΔН = +286 кДж.

89. У результаті взаємодії водню кількістю речовини 1 моль і хлору кількістю речовини 1 моль утворюється 2 моль гідроген хлориду й виділяється 183,6 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.

90*. Кінцевими продуктами обміну речовин (білків, жирів, вуглеводів) в організмі людини є вода, вуглекислий газ та деякі інші речовини. Обмін речовин в організмі людини супроводжується також виділенням теплоти. Оцініть значення теплової енергії, що виділяється в ході цих перетворень, для організму людини.