Что такое тепловой эффект химической реакции
Химические реакции почти всегда сопровождаются каким-либо тепловым явлением.
Так, горение, нейтрализация кислоты щелочью, реакция металла (например, магния) с хлором и так далее происходит с выделением достаточного количества тепла. Но чтобы гипс (карбонат кальция) разрушился, его нужно постоянно нагревать. Если нагрев (то есть подача тепла) прекратится, реакция также прекратится. Это говорит о том, что разложение карбоната кальция сопровождается поглощением тепла.
Как дела? Любое вещество — это продукт взаимодействия частиц (атомов или ионов). В процессе образования вещества энергия взаимодействия как бы скрывается в химических связях (ковалентных, ионных). Это так называемая внутренняя энергия, которая частично высвобождается при химическом взаимодействии. Это также тепловой эффект реакции. По его измерению можно судить, как изменилась внутренняя энергия вещества.
Тепловой эффект химической реакции обозначается буквой Q и измеряется в кДж (или в ккал в случае снабжения энергией живых организмов).
Если в результате химического взаимодействия выделяется тепло, это экзотермическая реакция (+ Q); если тепло поглощается, эндотермический (-Q).
Закон Гесса
В 1840 году русский ученый описал закон термохимии, который используется до сих пор. Это называется законом Гесса:
- Тепловой эффект зависит от агрегатного состояния исходного и конечного продуктов, промежуточные стадии не влияют.
Это правило помогает узнать тепловой эффект промежуточных ступеней. Он будет равен разнице между начальным и конечным значениями. Суммарный тепловой эффект определяется суммой переходных реакций.
Тепловой эффект химических реакций
Количество тепла, которое выделяется или поглощается в результате реакции, называется тепловым эффектом этой реакции.
- обычно обозначает QQp = Qfin. — Quoto.
- выражается в Дж или кДж2H2 (г) + O2 (г) = 2H2O (л) + 484 кДж
Расчёты по термохимическим уравнениям
Гораздо чаще в задачах термохимического исследования величина теплового эффекта уже известна, поскольку условие дает полное термохимическое уравнение.
В этом случае необходимо рассчитать количество выделяемого / поглощенного тепла с известным количеством реагента или продукта, или, наоборот, используя известное значение тепла, необходимо определить массу, объем или количество вещество любого участника реакции.
Пример 1
В соответствии с термохимическим уравнением реакции
3Fe3O4 (твердый) + 8Al (твердый) = 9Fe (твердый) + 4Al2O3 (твердый) + 3330 кДж
образовалось 68 г оксида алюминия. Сколько тепла при этом выделилось? (Запишите число до целых чисел.)
Решение
Рассчитаем количество вещества оксида алюминия:
n (Al2O3) = m (Al2O3) / M (Al2O3) = 68 г / 102 г / моль = 0,667 моль
Согласно термохимическому уравнению реакции, при образовании 4 моль оксида алюминия выделяется 3330 кДж. В нашем случае образуется 0,6667 моль оксида алюминия. Обозначив количество выделяемого при этом тепла, через x кДж составим пропорцию:
4 моль Al2O3 — 3330 кДж
0,667 моль Al2O3 — x кДж
Эта пропорция соответствует уравнению:
4 / 0,667 = 3330 / х
Решая это, находим, что x = 555 кДж
Те, у которых образуется 68 г оксида алюминия согласно термохимическому уравнению, в состоянии выделяется 555 кДж тепла.
Пример 2
В результате реакции термохимическое уравнение которой
4FeS2 (твердый) + 11O2 (г) = 8SO2 (г) + 2Fe2O3 (твердый) + 3310 кДж
выделено 1655 кДж тепла. Определите объем (л) образовавшейся двуокиси серы (na). (Запишите число до целых чисел.)
Примеры задач
Проблема 1
45 г глюкозы (C6H12O6) обрабатывали избыточным кислородом, в результате чего выделялось 700 кДж энергии. Узнайте значение теплового эффекта? Реакция протекала по следующей формуле:
С6Н12О6 (тв) + 6О2 (газ) = 6СО2 (газ) + 6Н2О (газ) + 700 кДж
Решение:
Находим химическое количество глюкозы:
n (C6H12O6) = m (C6H12O6): M (C6H12O6) = 45 г: 180 г / моль = 0,25 моль;
Оказывается, при взаимодействии 0,25 моль вещества образуется 700 кДж энергии. Эффект тепла приравнивается к величине 1 мол. Поэтому составляем пропорцию:
0,25 моль — 700 кДж
1 моль — Q кДж
Q = (1 * 700): 0,25 = 700: 0,25 = 2800 кДж
Задача 2
Представлено термохимическое уравнение, в ходе которого было выделено 3330 кДж энергии, образовалось 68 г Al2O3. Подсчитайте, сколько тепла было выделено, уравнение выглядит следующим образом:
3Fe3O4 (тв) + 8A (тв) l = 9 Fe (тв) + 4Al2O3 (тв) + 3300 Дж
Решение:
Находим химическое количество оксида алюминия (III):
n (Al2O3) = m (Al2O3: M (Al2O3) = 68 г: 102 г / моль = 0,677 моль;
Исходя из исходного уравнения, для получения 4 моль оксида алюминия (III) затрачивается 3330 кДж энергии, чтобы узнать, сколько тепла выделяется на 68 г, необходимо составить пропорцию:
4 моль — 3330 кДж
0,667 моль — Q кДж
Q = (0,667 * 3330): 4 = 2,221: 4 = 555 кДж;
Расчеты по термохимическим уравнениям
Термохимические уравнения записываются сразу с коэффициентами, представленными в виде энергии. Обычно цель задания — узнать массу прореагировавшего вещества или узнать затраченную энергию в десятых долях.
Для правильного расчета нужно знать правила расчета пропорции и формулу расчета химического количества вещества в 1 моль.
составить термохимическое уравнение
взаимодействие веществ принято отражать (записывать) с помощью химического уравнения. Если тепловой эффект указан в таком уравнении, уравнение будет называться термохимическим .
Например, обычное уравнение реакции:
А это термохимическое уравнение этой реакции:
Уравнение говорит, что когда 1 моль PbO взаимодействует с 1 моль CO, что приводит к образованию 1 моля Pb и 1 моля CO2, выделяется 64 кДж тепла.
Особенности термохимических уравнений:
1) указывается агрегатное состояние веществ (однако, если все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, то это может не указываться);
2) тепловой эффект реакции указывается в соответствии с ее стехиометрией (т.е в соответствии с правильно установленными коэффициентами);
3) тепловой эффект записан слева от уравнения;
4) если речь идет о горении вещества, уравнение составляется в отношении 1 моля этого вещества; тепловой эффект этой реакции называется теплотой сгорания :
5) если речь идет об образовании вещества, то уравнение также составляется в отношении 1 моля этого вещества; тепловой эффект этой реакции назовем теплотой образования:
А теперь разберем несколько задач, требованием которых является составление термохимического уравнения.
Что нужно сделать для решения таких задач?
1) запишите условие проблемы;
2) составить уравнение реакции;
3) рассчитать его тепловой эффект;
4) запишите полученное значение теплового эффекта в уравнение реакции.
Пример 1 Кальций массой 8 г горит, выделяя 127 кДж тепла. Напишите термохимическое уравнение реакции.
Пример 2 При разложении 6,86 г оксида ртути (II) расходуется 3,64 кДж тепловой энергии. Напишите термохимическое уравнение реакции.
Пример 3. Реакция 6 г углерода с водородом приводит к выделению 37,42 кДж тепла. Напишите термохимическое уравнение (thu) реакции образования метана.