Тепловой эффект химической реакции
Любая химическая реакция протекает либо с выделением, либо с поглощением тепла.
- Экзотермические реакции - реакции, в процессе которых выделяется энергия:
- C+O2 = CO2 - горение угля;
- H2SO4+2KOH = K2SO4+2H2O - реакция кислоты со щелочью
- Эндотермические реакции - реакции, в процессе которых поглощается энергия (указанные ниже реакции протекают только при нагревании):
- CaCO3 = CaO+CO2 - разложение карбоната кальция;
- N2+O2 = 2NO - образование оксида азота.
|
Тепловой эффект реакции (Q) - кол-во теплоты, выделяемой или поглощаемой в ходе химической реакции |
Тепловой эффект реакции выражается в килоджоулях (кДж) и обозначается буквой Q.
- Q>0 - для экзотермических реакций;
- Q<0 - для эндотермических реакций.
Суть теплового эффекта химической реакции напрямую связана с законом сохранения энергии, согласно которому, энергия не возникает из ничего и никуда не девается бесследно, а всего лишь переходит из одного состояния в другое.
Если в процессе химической реакции происходит выделение энергии, значит, эта энергия была заключена ранее в веществе, вступившем в реакцию, в ходе которой произошло высвобождение этой энергии, которую принято называть внутренней энергией вещества (обозначается U).
И наоборот, если в ходе реакции энергия была поглощена извне, значит она аккумулировалась в продукте эндотермической реакции в виде внутренней энергии вновь образовавшегося вещества.
Таким образом, если при образовании вещества было затрачено определенное кол-во энергии, то при его разложении это же кол-во энергии будет выделено. Отсюда можно сделать очень важный вывод - чем больше энергии выделяется при образовании вещества, столько же ее надо затратить и на его разложение. Поэтому, те вещества, при образовании которых было выделено много энергии, трудно поддаются разложению и являются очень устойчивыми (например, многие полимеры).
Как известно из курса физики, энергия тела складывается из потенциальной и кинетической энергии. В химии кинетическая энергия вещества обусловлена энергией движения его частиц (чем быстрее движутся частицы, тем выше кинетическая энергия вещества); потенциальная энергия определяется силами притяжения и отталкивания между частицами.
Поскольку любое вещество состоит из некоторого кол-ва частиц, которые находятся в постоянном движении, следовательно, оно обладает неким запасом внутренней энергии. В ходе химических реакций происходит превращение веществ с изменением их внутренней энергии в ту или иную сторону, что сопровождается выделением или поглощением теплоты.
В ходе химической реакции в молекулах исходных веществ происходит разрыв внутренних связей, что требует определенного кол-ва энергии (поглощение тепла), одновременно с этими процессами, в молекулах продуктов реакции происходит образование новых связей, что сопровождается выделением тепла. Соотношение поглощенного и выделенного тепла в процессе химической реакции и определяет тип всей реакции в целом, является она экзотермической или эндотермической.
Схематически это можно выразить следующим образом:
(A-A)+(B-B) = 2(A-B) EA+EB = 2EAB
- A-A - химическая связь в молекуле А2;
- В-В - химическая связь в молекуле В2;
- А-В - химическая свзяь в образованной молекуле АВ;
- EA - энергия, поглощаемая при разрыве связи в молекуле А2;
- EВ - энергия, поглощаемая при разрыве связи в молекуле В2;
- EAB - энергия, выделившаяся при образовании новой связи в молекуле АВ;
- Если (EA+EB) < 2EAB - реакция экзотермическая;
- Если (EA+EB) > 2EAB - реакция эндотермическая;
Обоначим через U1 кол-во внутренней энергии начального состояния системы (сумму внутренних энергий исходных компонентов реакции), через U2 обозначим кол-во внутренней энергии конечного состояния системы (сумму внутренних энергий продуктов реакции). Разность внутренних энергий конечного и начального состояния системы обозначим ΔU.
По закону сохранения энергии, если к системе подводится некое кол-во теплоты Q, она будет расходоваться на изменение внутренней энергии системы (ΔU) и на выполнение работы (А):
Q=ΔU+A, где ΔU=U2-U1
Говоря о работе (A) применительно к химическим реакциям, имеют ввиду работу против внешнего давления земной атмосферы (p). Большинство химических реакций протекают в условиях постоянного давления (p=const), поэтому, работу можно записать, как произведение давления на изменение объёма исходных веществ (V1) и продуктов реакции (V2):
A=p(V2-V1)=pΔV
Исходя из принятых обозначений, тепловой эффект химической реакции, которая протекает при постоянном давлении, можно выразить следующим образом:
Q=(U2-U1)+p(V2-V1)
Раскрываем скобки и проводим группировку:
Q=U2-U1+pV2-pV1 Q=(U2+pV2)-(U1+pV1)
Сумму в скобках обозначим через букву H, тогда равенство примет следующий вид:
Q=H2-H1 H1=U1+pV1 H2=U2+pV2
Сумма внутренней энергии вещества и произведения давления на его объем называется энтальпией (H).
Энтальпия характеризует теплосодержание вещества (его внутреннюю энергию и энергию, затраченную на преодоление сопротивления внешнего давления).
Исходя из выведенной формулы теплоты через энтальпию, можно сказать, что кол-во выделившегося или поглощенного тепла в ходе химической реакции равно изменению энтальпии полученных продуктов реакции по сравнению с энтальпией исходных веществ.
Применительно к энтальпии, изменения, происходящие в ходе химической реакции, можно охарактеризовать следующим образом: изменение энтальпии (ΔH) реакции равно разности сумм энтальпий продуктов реакции (ΣH2) и сумм энтальпий ее исходных веществ (ΣH1):
ΔH=ΣH2-ΣH1
- ΔH<0 - для экзотермических реакций;
- ΔH>0 - для эндотермических реакций;
Для реакции двух веществ А и В, рассмотренной выше, можно записать:
ΔH=HАВ-(HА2+HВ2)
- HАВ - энтальпия 1 моль вещества АВ;
- HА2 - энтальпия 1 моль вещества А2;
- HВ2 - энтальпия 1 моль вещества В2.
Поскольку тепловой эффект (Q) экзотермических реакций положителен, а эндотермических - отрицателен, то:
-Q=ΔH ΔH=-Q
Из приведенных равенств понятно, что ΔH также измеряется в кДж.
- Q>0; ΔH<0 - для экзотермических реакций;
- Q<0; ΔH>0 - для эндотермических реакций.
Тепловой эффект химической реакции (ΔH) зависит от условий (давление и температура), при которых протекает реакция. Поэтому, тепловые эффекты, как правило, приводятся для нормальных условий (н.у.):
- p=1 атмосфера или 101,325 кПа;
- t=25°C или 298 К.
Молекулярное уравнение химической реакции, в котором указана величина его теплового эффекта, называется термохимическим уравнением.
S(т)+O2(г)=SO2(г)+297 кДж ΔH°=-297 кДж
Если величина теплового эффекта указана со знаком "плюс" - реакция экзотермическая; если "минус" - эндотермическая.
В термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции:
- г - газообразное состояние;
- ж - жидкое состояние;
- т - твердое состояние.
ВАЖНО! Тепловой эффект реакции, указанный в термохимическом уравнении, относится к мольным кол-вам исходных веществ и продуктов реакции.
Напомним, что стехиометрические коэффициенты, стоящие перед формулами веществ в уравнении, показывают кол-во их молей. Поскольку, расчет Q принято производить для 1 моля продукта реакции, то в термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты.
См. далее: Закон Гесса.
