Тепловий ефект хімічної реакції. Основні закони термохімії

У кожному речовині запасено певну кількість енергії. З цією властивістю речовин ми стикаємося вже за сніданком, обідом або вечерею, так як продукти харчування дозволяють нашому організму використовувати енергію найрізноманітніших хімічних сполук, що містяться в їжі. В організмі ця енергія перетворюється в рух, роботу, йде на підтримку постійної (і досить високою!) Температури тіла.

Енергія хімічних сполук зосереджена головним чином в хімічних зв’язках. Щоб зруйнувати зв’язок між двома атомами, потрібно затратити енергію. Коли хімічний зв’язок утворюється, енергія ВИДІЛЯЄТЬСЯ.

Згадаймо, що атоми не єдналися б між собою, якби це не вело до ” виграшу ” (тобто вивільненню) енергії. Цей виграш може бути великим чи малим, але він обов’язково є при утворенні молекул з атомів.

Вибух суміші метану з кіслородомЛюбая хімічна реакція полягає у розриві одних хімічних зв’язків та освіті інших.

Коли в результаті хімічної реакції при утворенні нових зв’язків виділяється енергії БІЛЬШЕ, ніж було потрібно для руйнування “старих” зв’язків у вихідних речовинах, то надлишок енергії вивільняється у вигляді тепла. Прикладом можуть служити реакції горіння. Наприклад, природний газ (метан CH4) згоряє в кисні повітря з виділенням великої кількості теплоти (рис. 1- 1а). Реакція навіть може йти з вибухом – так багато енергії укладено в цьому перетворенні. Такі реакції називаються екзотермічно від латинського ” екзо ” – назовні (маючи на увазі виділяється енергію).

В інших випадках на руйнування зв’язків у вихідних речовинах потрібно енергії більше, ніж може виділитися при утворенні нових зв’язків. Такі реакції відбуваються тільки при підводі енергії ззовні і називаються Ендотермічний (від латинського ” ендо ” – всередину). Прикладом є утворення оксиду вуглецю (II) CO і водню H2 з вугілля та води, яке відбувається тільки при нагріванні. Зображення хімічних реакцій за допомогою моделей молекул: а) екзотермічна реакція, б) ендотермічна реакція. Моделі наочно показують, як при незмінному числі атомів між ними руйнуються старі і виникають нові хімічні зв’язки.

Таким чином, будь-яка хімічна реакція супроводжується виділенням або поглинанням енергії. Найчастіше енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти (рідше – у вигляді світлової або механічної енергії). Цю теплоту можна виміряти. Результат вимірювання виражають у килоджоулях (кДж) для одного благаючи реагенту або (рідше) для моля продукту реакції. Така величина називається парниковий ефект реакції. Наприклад, тепловий ефект реакції згоряння водню в кисні можна виразити будь-яким з двох рівнянь:

2 H2 (г) + O2 (г) = 2 H2О (ж) + 572 кДж

або

H2 (г) + 1/2 O2 (г) = H2О (ж) + 286 кДж

Обидва рівняння однаково правильні і обидва висловлюють тепловий ефект екзотермічної реакції утворення води з водню і кисню. Перше – на 1 моль використаного кисню, а друге – на 1 моль згорілого водню або на 1 моль утворилася води.

Значки (г), (ж) позначають газоподібне та рідке стан речовин. Зустрічаються також позначення (тв) або (к) – тверда, кристалічна речовина, (водн) – розчинене у воді речовина і т.д.

Позначення агрегатного стану речовини має важливе значення. Наприклад, в реакції згоряння водню спочатку утворюється вода у вигляді пари (газоподібний стан), при конденсації якого може виділитися ще деяку кількість енергії. Отже, для утворення води у вигляді рідини виміряний тепловий ефект реакції буде трохи більше, ніж для утворення тільки пара, оскільки при конденсації пари виділиться ще порція теплоти.

Використовується також окремий випадок теплового ефекту реакції – теплота згоряння. З самої назви видно, що теплота згоряння служить для характеристики речовини, що застосовується в якості палива. Теплоту згоряння відносять до 1 молю речовини, що є паливом (відновлювачем в реакції окислення).

Запасені у молекулах енергію (Е) можна відкласти на енергетичній шкалі. У цьому випадку тепловий ефект реакції (ДЕ) можна показати графічно (рис. 1-2). Найпотужніша в світі російська ракета “Енергія ” перед стартом на космодромі Байконур. Двигуни одній з її ступенів працюють на зріджених газах – водні та кисні.

Припустимо, вам відома робота (у кДж), яку доведеться витратити для доставки ракети з вантажем з поверхні Землі до орбіти, відома також робота з подолання опору повітря та інші витрати енергії під час польоту. Як розрахувати необхідний запас водню і кисню, які (у зрідженому стані) використовуються в цій ракеті в якості палива і окислювача ?

Без допомоги теплового ефекту реакції утворення води з водню і кисню зробити це важко. Адже тепловий ефект – це і є та сама енергія, яка повинна вивести ракету на орбіту. У камерах згоряння ракети ця теплота перетворюється в кінетичну енергію молекул розпеченого газу (пара), який виривається з сопел і створює реактивну тягу.

У хімічній промисловості теплові ефекти потрібні для розрахунку кількості теплоти для нагрівання реакторів, в яких йдуть ендотермічні реакції. В енергетиці за допомогою теплот згоряння палива розраховують вироблення теплової енергії.

Лікарі -дієтологи використовують теплові ефекти окислення харчових продуктів в організмі для складання правильних раціонів харчування не тільки для хворих, але і для здорових людей – спортсменів, працівників різних професій. За традицією для розрахунків тут використовують не джоулі, а інші енергетичні одиниці – калорії (1 кал = 4,1868 Дж). Енергетичне зміст їжі відносять до якої-небудь масі харчових продуктів: до 1 г, до 100 г або навіть до стандартній упаковці продукту. Наприклад, на етикетці баночки зі згущеним молоком можна прочитати такий напис: ” калорійність 320 ккал/100 г”.

Рівняння хімічних реакцій, в яких разом з реагентами та продуктами записаний і тепловий ефект реакції, називаються термохімічне рівняння.

Особливість термохімічних рівнянь полягає в тому, що при роботі з ними можна переносити формули речовин і величини теплових ефектів з однієї частини рівняння в іншу. З звичайними рівняннями хімічних реакцій так чинити, як правило, не можна.

Допускається також почленное додавання і віднімання термохімічних рівнянь. Це буває потрібно для визначення теплових ефектів реакцій, які важко або неможливо виміряти в досвіді.

Наведемо приклад. У лабораторії надзвичайно важко здійснити ” в чистому вигляді ” реакцію отримання метану СH4 шляхом прямого з’єднання вуглецю з воднем:

С + 2 H2 = СH4

Але можна багато чого довідатися про цю реакції за допомогою обчислень. Наприклад, з’ясувати, буде ця реакція екзо – або ендотермічної, і навіть кількісно розрахувати величину теплового ефекту.

Відомі теплові ефекти реакцій горіння метану, вуглецю і водню (ці реакції йдуть легко):

а) СH4 (г) + 2 O2 (г) = СO2 (г) + 2 H2О (ж) + 890 кДж

б) С (тв) + O2 (г) = СO2 (г) + 394 кДж

в) 2 H2 (г) + O2 (г) = 2 H2О (ж) + 572 кДж

Віднімемо два останніх рівняння (б) і (в) з рівняння (а) Ліві частини рівнянь будемо віднімати з лівої, праві – з правої. При цьому скоротяться всі молекули O2, СO2 і H2О. отримаємо:

СH4 (г) – С (тв) – 2 H2 (г) = (890 – 394 – 572) кДж = -76 кДж

Це рівняння виглядає дещо незвично. Помножимо обидві частини рівняння на (-1) і перенесемо CH4 в праву частину з протилежним знаком. Одержимо потрібне нам рівняння освіти метану з вугілля і водню:

С (тв) + 2 H2 (г) = CH4 (г) + 76 кДж / моль

Отже, наші розрахунки показали, що тепловий ефект утворення метану з вуглецю і водню становить 76 кДж (на моль метану), причому цей процес має бути екзотермічним (енергія в цій реакції буде виділятися).

Зверніть увагу, що почленно складати, вичитати і скорочувати в термохімічних рівняннях можна тільки речовини, що знаходяться в однакових агрегатних станах, інакше ми помилимося у визначенні теплового ефекту на величину теплоти переходу з одного агрегатного стану в інший.

Посилання на основну публікацію