Енергетика хімічних реакцій

Оберіть тему для вивчення

  •  

    Одним из признаков химической реакции является выделение или поглощение энергии (чаще всего тепловой).

    Химические реакции, сопровождающиеся выделением энергии, называются экзотермическими, а реакции, протекающие с поглощением энергии – эндотермическими.

    Примером экзотермической реакции может служить любая реакция горения, например, горение магния в кислороде (Рис. 1)

    2Mg + O2 = 2MgO.

    К ендотермическим реакциям относятся многие реакции разложения, например, реакция разложения кальций карбоната (Рис. 2)

    Мал. 2. Термічне розкладання натрій гідрогенкарбонату.

    Мал. 1. Горіння магнію в кисні.

    СаСО3 = СаО↑ + СО2.

    Каждое вещество обладает запасом внутренней энергии (U), которая включает  энергию движения  и энергию взаимодействия атомов, молекул, ионов, а также энергию , связанную с существованием составных частей атомов и ядерную энергию. (Рис. 3.)

    Энергетические изменения, которые происходят в процессе химических реакций, подчиняются закону сохранения и превращения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую.

    Поскольку в процессе реакции происходит разрушение одних химических связей и образование других, претерпевают изменение электронные оболочки атомов, то суммарная внутренняя энергия продуктов реакции отличается от суммарной внутренней энергии реагентов.

    При этом возможны два случая.

    1. Uреагентов > Uпродуктов реакции.  Согласно закону сохранения энергии в результате такой реакции энергия выделяется в окружающую среду: продукты реакции,  посуда, воздух нагреваются. То есть в этом случае осуществляются экзотермические реакции.

    2. Uреагентов < Uпродуктов реакции.  Согласно закону сохранения энергии в этом случае вещества  поглощают энергию из окружающей среды и реакционная смесь охлаждается. В этом случае проходят эндотермические реакции.

    Разница между внутренней энергией исходных веществ и продуктов реакции –  тепловой эффект реакции.

    То есть тепловой эффект реакции – это энергия, которая выделяется или поглощается в химической реакции.

    Если химические реакции проходят при постоянном давлении, то пользуются физической величиной энтальпия (энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении), которую обозначают латинской буквой НИзменение энтальпии (ΔН) – это тепловой эффект реакции при постоянном давлении:

    ΔНреакции = Нпродуктов реакции – Нреагентов.

    Если энтальпия продуктов реакции меньше энтальпии реагентов (ΔН <0), то во время реакции теплота выделяется и происходит экзотермическая реакция.

    Если энтальпия продуктов реакции больше энтальпию реагентов (ΔН>0), то во время реакции теплота поглощается и происходит эндотермическая реакция.

     

    Обычно теловой эффект реакции относят к тем количествам веществ, которые определены уравнением и выражают его в единицах энергии: джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж). Уравнения реакций, в которых учитываются их тепловые эффекты, называют термохимическими.

    Рассмотрим термохимическое уравнение экзотермической реакции горения магния:

    2Mg + O2 = 2MgO, ΔН=-1203 кДж.

    Согласно этому уравнению реакции при сгорании 2 моль магния выделяется 1203 кДж энергии.

    Для эндотермической реакции разложения кальций карбоната получим:

    СаСО3 = СаО↑ + СО2, ΔН=+180 кДж.

    Согласно этому уравнению реакции при разложении 1 моль кальций карбоната поглощается 180 кДж энергии.

    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.

    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.

    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.