§ 36. Поняття про енергетику хімічних реакцій

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

чому в ході хімічної реакції виділяється або поглинається теплова енергія;
чи можна її виміряти;
що таке тепловий ефект реакції.

Усі хімічні перетворення одних речовин на інші завжди супроводжуються виділенням або поглинанням теплової енергії. Це пояснюють тим, що вихідні речовини та продукти реакції мають різний запас внутрішньої енергії:

2H₂ (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г) + 484 кДж

N₂ (г) + O₂ (г) = 2NO (г) - 181 кДж

Закон збереження енергії для будь-якого хімічного процесу має вигляд:

Q = (U₂ - U₁) + A = ΔU + A,

де Q — теплота;

U₂ та U₁ — внутрішня енергія відповідно кінцевого та вихідного стану системи;

А — робота проти всіх сил, що діють на систему (зовнішній тиск, сили поверхневого натягу тощо).

Отже, підведена до системи (будь-якої хімічної речовини або сукупності речовин) теплота витрачатиметься на зміну її внутрішньої енергії та виконання роботи.

Внутрішня енергія — це енергія поступального та обертального руху молекул, коливального руху атомів усередині молекул, руху електронів в атомах.

У хімічних реакціях виконувана робота за постійного тиску дорівнює:

A = p (V₂ - V₁),

де V₂ і V₁ — кінцевий і вихідний об'єм речовини відповідно.

У такому разі теплота Q_p, підведена до системи в ізобарному процесі (тобто такому, що відбувається за постійного тиску), становить:

Q_p = (U₂ - U₁) + p (V₂ - V₁) = (U₂ + pV₂) - (U₁ + pV₁).

Якщо U + pV позначити H, то отримаємо:

Q_p = H₂ - H₁ = ΔΗ

Величину H називають ентальпією, або тепловмістом.

Отже, ΔΗ — зміна ентальпії продуктів реакції порівняно з ентальпією вихідних речовин в ізобарному процесі — чисельно дорівнює підведеній або виділеній теплоті.

Тепловий ефект реакції — це кількість теплоти, яка виділяється під час екзотермічної реакції або поглинається під час ендотермічної реакції.

Демонстраційний дослід

Ендо- та екзотермічні реакції на прикладі реакції нейтралізації

Досліди проводять у калориметрі — пристрої для вимірювання теплового ефекту реакції (рис. 30).

Рис. 30. Калориметр: 1 — зовнішній стакан місткістю 500 мл; 2 — внутрішній стакан реакційною місткістю 250 мл; 3 — підставка з корка; 4 — кришка з оргскла з трьома отворами для лійки, мішалки та термометра; 5 — лійка; 6 — мішалка; 7 — термометр із ціною поділки шкали 0,1 °С. Мішалка може бути ручною або під'єднаною через автотрансформатор до електромотора, що працює від електромережі

У сухий реакційний стакан калориметра наливають 25 мл розчину натрій гідроксиду молярною концентрацією 1 моль/л. Занурюють у розчин лугу (не торкаючись дна стакана) термометр і вимірюють температуру розчину. У невеликий стакан наливають 25 мл хлоридної кислоти та вимірюють її температуру, оскільки температури лугу і кислоти мають бути однаковими. Швидко, але обережно виливають хлоридну кислоту крізь скляну лійку в реакційний стакан із лугом і, перемішуючи розчин мішалкою, спостерігають за зміною температури.

Залежно від того, знижується чи підвищується температура розчину, роблять висновок, якою є проведена реакція нейтралізації — ендо- чи екзотермічною. Для проведення ендотермічної реакції в пробірку з газовідвідною трубкою насипають малахіт — речовину світло-зеленого кольору. Її склад виражають формулою Cu₂CO₃(OH)₂або (CuOH)₂CO₃ — це купрум(ІІ) дигідроксидкарбонат, основна сіль. Закріплюють пробірку в штативі та прожарюють у полум'ї газового пальника (180-200 °С). Газоподібні продукти, що при цьому утворюються:

відводять у стакан з вапняною водою — розчином Ca(OH)₂. Через деякий час у стакані випадає осад білого кольору:

У пробірці утворюється речовина чорно-коричневого кольору — купрум(ІІ) оксид. Через те що реакція його утворення відбувається з поглинанням теплової енергії, її відносять до ендотермічних.

Основні поняття. Внутрішня енергія. Робота. Ентальпія. Тепловий ефект реакції.

Запитання та завдання

°1. Чому перебіг будь-якої хімічної реакції супроводжується виділенням або поглинанням теплової енергії?
°2. Як формулюють закон збереження енергії?
°3. Що таке внутрішня енергія? Тепловий ефект реакції?
4. Яку величину називають ентальпією? Як її позначають та в яких одиницях вимірюють?
5. До екзотермічних реакцій відносять: а) горіння сірки; б) взаємодію заліза з киснем; в) розчинення концентрованої сульфатної кислоти у воді; г) розкладання амоній дихромату (NH₄)₂Cr₂O₇; ґ) горіння азоту; д) реакцію хлору з киснем. Скільки помилок у цьому судженні? Які з них хибні?

а) 2;

б) 1;

в) 4;

г) 3.