Тепловые эффекты реакций. Термохимические уравнения

Цели урока

• Различать экзо- и эндотермические реакции
• Записывать термохимические уравнения
• Использовать закон Гесса для простых расчётов теплового эффекта

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 27 — расчётная задача на термохимию. Вам дают термохимическое уравнение и просят найти массу, объём или количество вещества по известному тепловому эффекту, или наоборот — тепловой эффект по массе. Иногда встречается задача с использованием закона Гесса. Ошибки чаще всего связаны с неправильным учётом коэффициентов или единиц измерения.

Теория

Тепловой эффект реакции

Каждая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Тепловой эффект реакции ($Q$) — количество теплоты, которое выделяется или поглощается при протекании реакции между количествами веществ, указанными в уравнении.

Энтальпия реакции ($\Delta H$) — термодинамическая величина, характеризующая тепловой эффект при постоянном давлении. Связь: $Q = -\Delta H$.

Экзотермическая реакция — реакция с выделением теплоты ($Q > 0$, $\Delta H < 0$). Энергия продуктов ниже энергии реагентов. Примеры: горение ($C + O_2 \rightarrow CO_2$, $Q = +393,5$ кДж), нейтрализация, реакции соединения.

Эндотермическая реакция — реакция с поглощением теплоты ($Q < 0$, $\Delta H > 0$). Энергия продуктов выше энергии реагентов. Примеры: разложение ($CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$, $\Delta H = +178$ кДж), электролиз, фотосинтез.

Термохимические уравнения

Термохимическое уравнение — химическое уравнение с указанием агрегатных состояний веществ и теплового эффекта.

Правила записи:

1. Указываются агрегатные состояния: (г) — газ, (ж) — жидкость, (тв) — твёрдое, (р-р) — раствор
2. Тепловой эффект записывается после уравнения
3. Коэффициенты могут быть дробными (чтобы тепловой эффект соответствовал определённому количеству вещества)

Примеры:

$$2H_2(\text{г}) + O_2(\text{г}) \rightarrow 2H_2O(\text{ж}) + 572\ \text{кДж}$$

или:

$$2H_2(\text{г}) + O_2(\text{г}) \rightarrow 2H_2O(\text{ж}), \quad \Delta H = -572\ \text{кДж}$$

Из этого уравнения следует: при сгорании 2 моль $H_2$ выделяется 572 кДж, а при сгорании 1 моль — 286 кДж.

Стандартные условия

Тепловые эффекты обычно приводятся для стандартных условий: $T = 298$ K (25 °C), $p = 1$ атм (101,325 кПа). Стандартная энтальпия обозначается $\Delta H^\circ_{298}$.

Стандартная энтальпия образования $\Delta H^\circ_f$ — тепловой эффект образования 1 моль вещества из простых веществ в их стандартных состояниях. Для простых веществ в стандартном состоянии $\Delta H^\circ_f = 0$.

Закон Гесса

Закон Гесса (1840): тепловой эффект реакции зависит только от природы и состояния исходных веществ и продуктов и не зависит от пути (промежуточных стадий).

Следствие: тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов минус сумма энтальпий образования реагентов (с учётом стехиометрических коэффициентов):

$$\Delta H^\circ_{\text{реакции}} = \sum \Delta H^\circ_f(\text{продуктов}) - \sum \Delta H^\circ_f(\text{реагентов})$$

Практическое применение: если нельзя измерить тепловой эффект реакции напрямую, его можно вычислить по известным тепловым эффектам других реакций, комбинируя их алгебраически.

Расчёты по термохимическим уравнениям

Расчёты ведутся так же, как обычные стехиометрические, но с добавлением теплового эффекта как «участника» реакции:

Соотношение: количества веществ и $Q$ пропорциональны коэффициентам.

Примеры

Пример 1. Расчёт теплоты по массе

Задача: По термохимическому уравнению $2Mg(\text{тв}) + O_2(\text{г}) \rightarrow 2MgO(\text{тв}) + 1204\ \text{кДж}$. Сколько теплоты выделится при сгорании 6 г магния?

Решение:

1. $n(Mg) = \dfrac{m}{M} = \dfrac{6}{24} = 0,25$ моль
2. По уравнению: 2 моль $Mg$ → 1204 кДж
3. $Q = \dfrac{0,25}{2} \cdot 1204 = 150,5$ кДж

Ответ: 150,5 кДж.

Пример 2. Определение массы по теплоте

Задача: $C(\text{тв}) + O_2(\text{г}) \rightarrow CO_2(\text{г}) + 393,5\ \text{кДж}$. Какая масса углерода сгорела, если выделилось 1967,5 кДж?

Решение:

1. По уравнению: 1 моль C (12 г) → 393,5 кДж
2. $n(C) = \dfrac{1967,5}{393,5} = 5$ моль
3. $m(C) = 5 \cdot 12 = 60$ г

Ответ: 60 г.

Пример 3. Закон Гесса

Задача: Вычислите тепловой эффект реакции $C(\text{тв}) + \frac{1}{2}O_2(\text{г}) \rightarrow CO(\text{г})$, если известно:

• $C(\text{тв}) + O_2(\text{г}) \rightarrow CO_2(\text{г})$, $\Delta H_1 = -393,5$ кДж
• $CO(\text{г}) + \frac{1}{2}O_2(\text{г}) \rightarrow CO_2(\text{г})$, $\Delta H_2 = -283$ кДж

Решение: Целевая реакция = Реакция 1 − Реакция 2:

$$\Delta H = \Delta H_1 - \Delta H_2 = -393,5 - (-283) = -110,5\ \text{кДж}$$

Ответ: $\Delta H = -110,5$ кДж (экзотермическая).

Вопросы для самопроверки

1. Как отличить экзотермическую реакцию от эндотермической по знаку $\Delta H$?
2. По уравнению $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + 572\ \text{кДж}$. Сколько теплоты выделится при сгорании 4,48 л (н.у.) водорода?
3. Почему при растворении серной кислоты в воде раствор нагревается? Экзо- или эндотермический это процесс?
4. Сформулируйте закон Гесса и объясните его практическое значение.
5. Можно ли по термохимическому уравнению определить тепловой эффект для произвольного количества реагента?

Краткий конспект

• Экзотермическая реакция: $Q > 0$, $\Delta H < 0$ (тепло выделяется) — горение, нейтрализация
• Эндотермическая: $Q < 0$, $\Delta H > 0$ (тепло поглощается) — разложение, электролиз
• Термохимическое уравнение: уравнение + агрегатные состояния + $Q$ (или $\Delta H$)
• Расчёты: количества веществ и $Q$ пропорциональны коэффициентам
• Закон Гесса: $\Delta H$ не зависит от пути реакции, а только от начального и конечного состояний
• $\Delta H^\circ_{\text{реакции}} = \sum \Delta H^\circ_f(\text{продуктов}) - \sum \Delta H^\circ_f(\text{реагентов})$

Что изучать дальше

Термохимические расчёты понадобятся в уроке 61 «Расчёт теплового эффекта реакции. Термохимические уравнения». Тема теплового эффекта тесно связана с уроком 12 «Химическое равновесие»: знание о том, является ли реакция экзо- или эндотермической, позволяет предсказать смещение равновесия при изменении температуры.