Енергетика хімічних реакцій

Оберіть тему для вивчення

  •  

    Однією з ознак хімічної реакції є виділення або поглинання енергії (найчастіше теплової).

    Хімічні реакції, що супроводжуються виділенням енергії, називаються екзотермічними, а реакції, що протікають з поглинанням енергії — ендотермічними.

     

    Прикладом екзотермічної реакції може бути будь-яка реакція горіння, наприклад, горіння магнію в кисні (Мал. 1)

    2Mg + O2 = 2MgO.

    До ендотермічних реакцій відноситься значна кількість реакцій розкладання, наприклад, реакція розкладання кальцій карбонату при нагріванні (Мал. 2 ).

    Мал. 2. Термічне розкладання натрій гідрогенкарбонату.

    Мал. 1. Горіння магнію в кисні.

    СаСО3 = СаО↑ + СО2.

    Кожна речовина має запас внутрішньої енергії (U), яка включає енергію руху та енергію взаємодії атомів, молекул, йіонів, а також енергію, пов’язану з існуванням складових частин атомів і ядерну енергію. (Мал. 3.)

    Енергетичні зміни, які відбуваються в процесі хімічних реакцій, підлягають закону збереження і перетворення енергії:

    енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, а тільки переходить з однієї форми в іншу.

    Під час  хімічних реакцій одні хімічні зв’язки руйнуються, а інші утворюються; змінюється електронний стан атомів, їх взаємне розташування, а тому і внутрішня енергія продуктів реакції відрізняється від внутрішньої енергії реагентів.

    При цьому можливі два випадки.

    1. Uреагентів > Uпродуктів реакції.

    Згідно закону збереження енергії в результаті такої реакції енергія  виділяється в навколишнє середовище: продукти реакції, хімічний посуд, повітря  нагріваються.  Тобто в цьому випадку здійснюються екзотермічні реакції.

    2. Uреагентів < Uпродуктів реакції

    Відповідно до закону збереження енергії в цьому випадку речовини поглинають енергію з навколишнього середовища і реакційна суміш охолоджується. В цьому випадку проходять ендотермічні реакції.

    Різниця між внутрішньою енергією вихідних речовин і продуктів реакції є тепловим ефектом реакції.

    Тобто тепловий ефект реакції — це енергія, яка виділяється або поглинається під час хімічної реакції.

    Якщо хімічні реакції проходять при сталому тиску, то користуються фізичною величиною ентальпія (енергія, яка доступна для перетворення в теплоту при певному постійному тиску), яку позначають латинською літерою Н. Зміна ентальпії (ΔН ) — це тепловий ефект реакції при сталому тиску:

    ΔНреакціїНпродуктів реакції — Нреагентів.

    Якщо ентальпія продуктів реакції менша за ентальпію реагентів (ΔН<0), то під час реакції теплота виділяється і відбувається екзотермічна реакція.

    Якщо ентальпія продуктів реакції більша за ентальпію реагентів (ΔН>0), то під час реакції теплота поглинається і відбувається ендотермічна реакція.

     

    Зазвичай теловой ефект реакції відносять до тих кількостей речовин, які визначені рівнянням, і виражають його в одиницях енергії: джоулях (Дж) або кілоджоулях (кДж).

    Рівняння реакцій, в яких враховуються їх теплові ефекти, називаються термохімічними.

    Розглянемо термохімічне рівняння екзотермічної реакції горіння магнію:

    2Mg + O2 = 2MgO, ΔН=-1203 кДж.

    Відповідно до цього рівняння реакції при згорянні 2 моль магнію виділяється 1203 кДж енергії.
    Для ендотермічної реакції розкладання кальцій карбонату отримаємо:

    СаСО3 = СаО↑ + СО2, ΔН=+180 кДж.

    Відповідно до цього рівняння реакції при розкладанні 1 моль кальцій карбонату поглинається 180 кДж енергії.

    Перший закон термохімії

    Тепловий ефект (ентальпія) прямої реакції  дорівнює за величиною та протилежний за знаком тепловому ефекту (ентальпії) зворотної реакції.

    Наприклад,

    CaO + CO2= CaCO3, ΔH=- 178 кДж

    CaCO3 =CaO + CO2, ΔH=+ 178 кДж.

    Висновки

    Усі хімічні реакції супроводжуються  тепловим ефектом.
    Тепловий ефект реакції — це енергія, яка виділяється або поглинається під час хімічної реакції.
    Хімічні реакції, що супроводжуються виділенням енергії, називаються екзотермічними, а реакції, що протікають з поглинанням енергії — ендотермічними.
    Мірою теплового ефекту є зміна ентальпії (ΔН), яка відповідає теплообміну при постійному тиску.
    У разі екзотермічної реакції система втрачає тепло Δ Н — величина негативна. У разі ендотермічних реакцій система поглинає тепло і ΔН — величина позитивна.

    Питання для закріплення знань.

    1. Що показує тепловий ефект реакції? На які типи поділяються реакції за його значенням?

    2.Що таке ентальпія? Що можна визначити за значенням зміни ентальпії речовин під час реакції?

    3. За термохімічними  рівняннями реакцій визначте:

    а) екзотермічні; б) ендотермічні реакцій.

    1) С + О2 = СО2; ΔН= — 394 кДж

    2) 2NH3 = N2 + 3H2; ΔН= + 46,2 кДж

    3) C + H2O = CO + H2; ΔН= + 131,4 кДж

    4) Сu + Cl2=CuCl2; ΔН= — 206 кДж

  • Герман Іванович Гесс

    У 1840 р. Г. І. Гесс відкрив закон термохімії:

    тепловий ефект хімічної реакції при постійному об’ємі або тиску не залежить від шляху реакції, а визначається лише  початковим й кінцевим станами системи.

    На малюнку 1 схематично зображено процес перетворення деяких вихідних речовин А, В, С у продукти D, F, L, який може бути здійснений різними шляхами:

    • прямим  перетворенням із тепловим ефектом ΔН1.
    • проходженням п’яти послідовних реакцій  із тепловими  ефектами ΔН2, ΔН3, ΔН4, ΔН5, ΔН6.
    • перетворенням, що відбувається у дві стаді  з тепловими ефектами ΔН7 і ΔН8.

    Мал. 1

    Згідно закону Гесса,

    ΔН1 = ΔН2 + ΔН3 + ΔН4 + ΔН5 + ΔН6 = ΔН7+ ΔН8

    Закон Гесса дозволяє поводитися з термохімічними рівняннями як з алгебраїчними, тобто складати і віднімати їх.

    Тому можна обчислити теплові ефекти будь-яких проміжних, навіть гіпотетичних, реакцій на шляху перетворення одних речовин в інші.

    Наприклад, тепловий ефект окиснення графіту до карбон(ІІ) оксиду виміряти неможливо, оскільки одночасно з цією реакцією завжди проходить реакція утворення карбон(ІV) оксиду.

    Мал. 2.

    Для визначення  теплового ефекту окиснення графіту до карбон(ІІ) оксиду (ΔН3) використаємо теплові ефекти реакцій окиснення графіту до карбон(ІV) оксиду(ΔН1) та окиснення карбон(ІІ) оксиду до карбон(ІV) оксиду(ΔН2) (Мал.2):

    С  + О2=СО;    ΔН1= -393 кДж

    СО+ ½ О2=СО2;  ΔН2= -283 кДж

    За законом Гесса

    ΔН1= ΔН3 + ΔН2

    ΔН3=ΔН1 — ΔН2=-393 кДж —  (-283 кДж) = -110 кДж

    Тобто термохімічне рівняння окиснення графіту до карбон(ІІ) оксиду має вигляд

    С+ ½ О2=СО;  ΔН= -110 кДж

    Для термохімічних розрахунків часто використовують тепловий ефект (ентальпію) реакцій утворення складних речовин з простих.

    Тепловий ефект реакції утворення  1 моль складної речовини з простих називають теплотою утворення речовини. 

    Величина зміни ентальпії залежить від  агрегатного стану  реагентів та продуктів реакції. Тому в термохімічних рівняннях вказують агрегатний стан речовин.

    Наприклад, ΔHутв (CuCl2(т))= −216 кДж/моль є тепловим ефектом реакції

    Cu(т) +Cl2(г)=CuCl2(т); ΔH= −216 кДж.

    Стандартні ентальпії простих речовин для тих агрегатних станів, в яких вони стійкі за стандартних умов (Т=298,15 К і Р=101,3 кПа ), дорівнюють нулю.

    Аналіз закону Гесса дозволяє сформулювати наслідок.

    Тепловий ефект (ентальпія) хімічної реакції дорівнює різниці суми теплот (ентальпій) утворення продуктів реакції та суми теплот (ентальпій) утворення вихідних речовин із урахуванням стехіометричних коефіцієнтів.

    Наприклад, обчислимо тепловий ефект реакції 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 за теплотами утворення вихідних речовин і продуктів реакції:

    ΔHутв(Fe2O3)= −824 кДж/моль,

    ΔHутв(Fe3O4)= −1118 кДж/моль,

    ΔHутв(CO)= −110 кДж/моль,

    ΔHутв(СО2)= −393 кДж/моль.

    ΔHреакц=2∙ΔHутв(Fe3O4)+ΔHутв(СО2)−3∙ΔHутв(Fe2O3)−ΔHутв(CO)=

    =2∙(−1118)+(−393)−3∙(−824)−(−110)=541 (кДж)

    Висновки

    Теплові ефекти реакцій можна обчислити з використанням закону Гесса та його наслідків.
    Тепловий ефект хімічної реакції при постійному об’ємі або тиску не залежить від шляху реакції, а визначається лише  початковим й кінцевим станами системи.
    Тепловий ефект (ентальпія) прямої реакції  дорівнює за величиною та протилежний за знаком тепловому ефекту (ентальпії) зворотної реакції..
    Тепловий ефект (ентальпія) хімічної реакції дорівнює різниці суми теплот (ентальпій) утворення продуктів реакції та суми теплот (ентальпій) утворення вихідних речовин із урахуванням стехіометричних коефіцієнтів.

    Питання для закріплення знань.

    1. Сформулюйте закон Гесса.

    2.Що таке ентальпія утворення речовин? Чи може  ентальпія утворення  речовин дорівнювати нулю?

    3. Які наслідки закону Гесса Ви знаєте?

    4. Які алгебраїчні дії можна виконувати з термохімічними рівняннями реакцій?

    5. Тепловий ефект якої реакції відповідає теплоті утворення сульфур(VІ) оксиду?

    a)H2SO4  = SO3 + H2O;
    б)S + 1,5O2 = SO3;
    в)SO2 +0,5O2 = SO3;
    г)SO2 + O3 = SO3+ O2.

Оберіть завдання з  теми

  • Задача 1.

    За термохімічним рівнянням горіння фосфору

    (т) + 5О2(г) = 2Р2О5 (т); ΔН= -3010 кДж

    визначте масу фосфору, що згорів, якщо виділилось 6,02 кДж теплоти.

     

    Відповідь: m(P) = 0,248 г.

    Задача 2.

    Для одержання цинк оксиду, що входить до складу цинкового білила, спалюють цинковий пил у струмені кисню. Обчисліть тепловий ефект хімічної реакції, якщо відомо, що під час згоряння цинку масою 6,5 г виділяється 34,9 кДж теплоти.

    Відповідь: ΔН = — 698 кДж.

    Задача 3.

    За термохімічним рівнянням

    2KNO3(к) = 2KNO2(к) + O2(г); ΔН= + 255 кДж

    обчисліть кількість теплоти, яка поглинеться при отриманні кисню об’ємом 6,72 л (н.у.).

    Відповідь: ΔН1 = 76,5 кДж.

  • Задача 1.

    За термохімічними рівняннями

    FeO(т)+CO(г)=Fe(т)+CO2(г) ; ΔH= −13,2 кДж    (1)

    CO(г) + 1⁄2O2(г) = CO2(г) ; ΔH= −283 кДж       (2)

    Н2(г) + 1⁄2O2(г) = Н2O(г) ; ΔH= −241,8 кДж    (3)

    визначте тепловий ефект реакції відновлення ферум(ІІ) оксиду воднем та складіть термохімічне рівняння.

    Розв’язання

    Якщо скласти термохімічні рівняння 1 і 3 та відняти рівняння 2:

    FeO(т)+CO(г)=Fe(т)+CO2(г); ΔH1= −13,2 кДж
    CO(г) + 1⁄2O2(г) = CO2(г) ; ΔH2= −283 кДж
    +
    Н2(г) + 1⁄2O2(г) = Н2O(г) ; ΔH3= −241,8 кДж

    FeO(т)+CO(г)-(CO(г)+1⁄2O2(г))+Н2(г)+1⁄2O2(г)=Fe(т)+CO2(г)-CO2(г)2O(г),

    то отримаємо  рівняння реакції відновлення ферум(ІІ) оксиду воднем

    FeO(т)2(г) =Fe(т)2O(г); ΔH=ΔH1−ΔH2+ΔH3.

    Підставивимо числове значення теплових ефектів з умови задачі та отримаємо значення теплового ефекту реакції відновлення ферум(ІІ) оксиду воднем

    ΔH=−13,2 кДж-(−283 кДж)+(−241,8 кДж)=+28 кДж.

    Відповідь: FeO(т)2(г) =Fe(т)2O(г); ΔH=28 кДж.

    Задача 2.

    Обчисліть тепловий ефект реакції отримання кристалічного натрій гідроксиду з натрій оксиду та води  за значеннями стандартних теплот утворення речовин:

    ΔHутв(Na2O(т))= −416 кДж/моль,

    ΔHутв(H2O(р))= –286 кДж/моль,

    ΔHутв(NaOH(т))= − 428 кДж/моль.

    Розв’язання

    Складемо рівняння реакції взаємодії натрій оксиду з водою

    Na2O(т) + H2O(р) = 2NaOH(т)

    Використовуючи наслідок із закону Гесса, розраховуємо тепловий ефект реакції:

    ΔH = 2ΔHутв(NaOH(т)) – [ΔHутв(Na2O(т)) +ΔHутв(H2O(р))] =

    =2·(– 428) – [–416 + (–286)] = –154 (кДж).

    Відповідь: ΔH = –154 кДж, реакція екзотермічна.

Виконайте завдання з теми

  • 1. За термохімічним рівнянням розкладу малахіту:

    (CuOH)2CO3 = 2CuO + H2O + CO2; ΔH = 47 кДж

    обчисліть кількість теплоти, що поглинеться при отриманні вуглекислого газу об’ємом 112 л (н.у.).

    2. Обчисліть тепловий ефект реакції повної нейтралізації сульфатної кислоти натрій гідроксидом, якщо під час взаємодії 10 г лугу виділяється 16,25 кДж теплоти.

    3. Визначте кількість теплоти, що виділилась при розчиненні сульфур(VІ) оксиду масою 280 г у воді, якщо тепловий ефект гідратації сульфур(VІ) оксиду ΔН= − 73 кДж.

  • 1.  Визначити тепловий ефект реакції

    а)  Cr(т) + F2(г) = CrF2(т),
    використовуючи термохімічні рівняння

    2Cr(т) + 3F2(г) = 2CrF3(т); ΔH= −2224 кДж,

    2CrF3(т) + Cr(т) = 3CrF2(т); ΔH= -38 кДж;

    б)  2Cu(т)+Cl2(г)=2CuCl),

    використовуючи термохімічні рівняння

    CuCl2(т)+Cu(т)=2CuCl(т); ΔH= −56 кДж,

    Cu(т) +Cl2(г)=CuCl2(т); ΔH= −216 кДж.

    2. Обчисліть теплоту утворення  нітроген(V) оксиду за стандартних умов на підставі таких даних:

    2 NO(г) + O2(г) = 2 NO2(г); ΔH=-114,2 кДж;

    4 NO2(г) + O2(г) = 2 N2O5(г); ΔH=-110,2 кДж;

    N2(г) + O2(г) = 2 NO; ΔH=182,6 кДж.

    3. Підібрати коефіцієнти і  визначити тепловий ефект реакцій використовуючи значення теплот утворення речовин

    а) TaCl5(т) +Na(т) →Тa(т) +NaCl (т);

    б) AgNO3(т) → Ag(т) + NO2(г)+ O2(г);

    в) PbS(т) + O2(г) →PbO(т) + SO2(г).

Тест самоконтролю за темою «Тепловий ефект реакції»

Тест складається з 12 завдань, за допомогою яких можна перевірити і оцінити свої знання з теми “Тепловий ефект реакції”.

Тест містить

8 завдань з вибором однієї правильної відповіді із чотирьох запропонованих, кожне таке завдання оцінюється в 0 або 2 тестових бали: 2 бали, якщо вказано правильну відповідь, 0 балів, якщо вказано неправильну відповідь;
1 завдання з вибором кількох правильних відповідей із п’яти запропонованих, яке оцінюється в 0 або 2 тестові бали: 2 бали, якщо завдання виконане правильно, 0 балів, якщо правильної відповіді не надано, або надані не всі правильні відповіді;
1 завдання на встановлення відповідності, яке оцінюється в 2, 4, 6 або 8 тестових балів: 2 бали за кожну правильно встановлену відповідність; 0 балів, якщо не вказано жодної правильної логічної пари;
2 завдання відкритої форми з короткою відповіддю, під час розв’язання яких треба вписати числовий результат. За виконання завдання цієї форми можна отримати 0 або 4 бали.
Максимально можливий бал за правильно виконаний тест – 34 бали.

Після проходження тесту Ви побачите частку вашого балу від максимально можливого.

Необходимо указать текст.
Необходимо указать текст.