Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 9 клас. Бутенко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 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.

Однією з ознак хімічної реакції є виділення або поглинання енергії, найчастіше у вигляді теплоти. Виділення енергії внаслідок взаємодії речовин доводить, що в них ця енергія існувала в прихованій формі ще до початку реакції. Така прихована енергія, яка вивільнюється під час хімічних реакцій і деяких фізичних явищ (конденсація пари, кристалізація рідин), є внутрішньою енергією. Енергія виділяється чи поглинається тому, що речовини-реагенти та речовини-продукти реакції мають різний запас внутрішньої енергії.

Внутрішня енергія — це кінетична та потенціальна енергія молекул, йонів, атомів, ядер і електронів. Вона включає енергію поступального, обертального та коливального рухів частинок речовини, а також енергію, обумовлену силами притягання й відштовхування, що діють між молекулами, йонами, атомами, електронами та ядрами.

Енергетичні зміни, які відбуваються в процесі хімічних реакцій, підлягають закону збереження та перетворення енергії:

енергія не виникає з нічого й не зникає безслідно, а тільки переходить з однієї форми в іншу.

Про перетворення одного виду енергії на інший було згадано в § 31.

Під час хімічної реакції руйнуються хімічні зв’язки в реагентах і утворюються нові зв’язки в продуктах реакції. Перетворення речовин спричиняє зміну їхньої внутрішньої енергії.

Залежно від співвідношення цих величин у результаті реакції спостерігають виділення або поглинання енергії.

Якщо кількість енергії, що виділяється під час утворення хімічних зв’язків у продуктах реакції, є більшою, ніж енергія, що витрачається на розрив хімічних зв’язків у реагентах (тобто внутрішня енергія реагентів більша за внутрішню енергію продуктів реакції), то відповідно до закону збереження енергії в результаті такої реакції виділяється теплота. У такому разі відбувається екзотермічна реакція.

Прикладом екзотермічної реакції є будь-яка реакція горіння, наприклад горіння метану.

Якщо кількість енергії, що виділяється під час утворення хімічних зв’язків у продуктах реакції, є меншою, ніж енергія, що витрачається на розрив хімічних зв’язків у реагентах (тобто внутрішня енергія реагентів менша за внутрішню енергію продуктів реакції), то відповідно до закону збереження енергії речовини поглинають теплоту. У цьому випадку відбувається ендотермічна реакція.

До ендотермічних реакцій належить значна кількість реакцій розкладу, наприклад розкладання кальцій карбонату внаслідок нагрівання.

Різницю між внутрішньою енергією реагентів і продуктів реакції називають тепловим ефектом реакції.

Тепловий ефект реакції — це кількість теплоти, яка виділяється або поглинається під час хімічної реакції. Позначають латинською літерою Q.

Якщо хімічні реакції відбуваються за сталого тиску, то користуються фізичною величиною «ентальпія».

Ентальпія — це термодинамічна властивість речовини, яка вказує на рівень енергії, збереженої в її структурі. Це кількість енергії, яка доступна для перетворення на теплоту за певної температури й тиску. Її позначають латинською літерою Н.

Зміна ентальпії (ΔΗ) — це тепловий ефект реакції за сталого тиску:

ΔНреакції = Hпродуктів реакції - Hреагентів

Якщо ентальпія продуктів реакції менша за ентальпію реагентів, то під час реакції теплота виділяється, тобто відбувається екзотермічна реакція, ΔΗ < 0. Якщо ентальпія продуктів реакції більша за ентальпію реагентів, то під час реакції теплота поглинається, тобто відбувається ендотермічна реакція, ΔΗ > 0.

Одиницею виміру теплового ефекту й ентальпії є джоуль (Дж) або кілоджоуль (кДж).

Реакцію можна схарактеризувати як величиною Q, так і величиною ΔΗ. Величину Q використовують для характеристики зміни температури в зовнішньому середовищі, а величину ΔΗ — для характеристики зміни енергії, яка відбувається в самій реакційній системі.

Оскільки в екзотермічних реакціях теплота виділяється в зовнішнє середовище, то Q > 0, а от у реакційній системі запас енергії зменшується, і тому зміна ентальпії ΔΗ < 0.

Чисельно величини Q і ΔΗ за значенням однакові: скільки назовні виділилося теплоти, стільки енергії в реакції витратилося, Q = -ΔΗ.

У разі ендотермічної реакції, навпаки, зовнішнє середовище втрачає певну кількість теплоти (Q < 0), оскільки ця енергія витрачається на хімічне перетворення речовин. Отже, запас енергії в реакційній системі стає більшим (ΔΗ > 0).

Теплоту, що виділяється під час згоряння палива (деревини, вугілля), людство використовує з давніх-давен. Кількість теплоти, що виділяється під час повного згоряння палива масою 1 кг, називають теплотворною здатністю палива (див. табл. 9 на с. 190).

Таблиця 9

Паливо

Теплотвірна здатність, кДж/кг

Паливо

Теплотвірна здатність, кДж/кг

Деревина

13 000

Нафта

44 000

Торф

14 000

Природний газ

44 000

Кам’яне вугілля

27 000

Гас

46 000

Для живих організмів, зокрема людини, основним джерелом енергії є хімічна енергія, що міститься в харчових продуктах. Реакції, які відбуваються з речовинами, які містяться в цих продуктах, переважно екзотермічні. Енергію, одержану внаслідок таких реакцій, організм витрачає на рух, виконання роботи, підтримання сталої температури тіла.

Кількість енергії, що виділяється під час повного окиснення харчового продукту, визначає калорійність продукту. Калорійність прийнято подавати в кілокалоріях на 100 г продукту харчування (ккал/100 г). Слід пам’ятати, що 1 кал дорівнює 4,18 Дж.

Дізнатися про калорійність харчових продуктів можна з етикетки або з відповідних таблиць, наведених у різних джерелах інформації. Для збереження здоров’я дуже важливо дотримуватися балансу між спожитою та витраченою енергією.

Демонстраційний дослід

Дотримуйтесь правил безпеки під час дослідів!

Ендо- та екзотермічні реакції

Досліди проводять у калориметрі — пристрої для вимірювання теплового ефекту реакції (рис. 39, а).

1. У суху реакційну посудину калориметра наливаємо 25 мл розчину молярною концентрацією натрій гідроксиду 1 моль/л. Занурюємо у розчин лугу (не торкаючись дна посудини) термометр і вимірюємо температуру розчину (рис. 39, б).

2. У склянку наливаємо 25 мл хлоридної кислоти та вимірюємо її температуру, оскільки температури лугу і кислоти мають бути однаковими. Швидко, але обережно виливаємо хлоридну кислоту крізь скляну лійку в реакційну посудину з лугом і, перемішуючи розчин перемішувачем, спостерігаємо за зміною температури (рис. 39, в). Залежно від того, знижується чи підвищується температура розчину, робимо висновок, якою є реакція нейтралізації — ендо- чи екзотермічною.

3. Для проведення ендотермічної реакції в пробірку з газовідвідною трубкою вносимо малахіт — речовину світло-зеленого кольору. Її склад виражаємо формулою Сu2СО3(ОН)2 або (СuОН)2СО3 — це купрум(ІІ) дигідроксикарбонат, основна сіль. Закріплюємо пробірку в штативі та прожарюємо в полум’ї газового пальника (180-200 °С). Газуваті продукти, що при цьому утворюються:

відводимо у склянку з вапняною водою — розчином Са(ОН)2. Через деякий час у склянці випадає осад білого кольору:

Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3↓ + Н2О

У пробірці утворюється речовина чорного кольору — купрум(ІІ) оксид. Реакція його утворення відбувається з поглинанням теплової енергії (рис. 39, г), тому вона належить до ендотермічних.

Рис. 39. Обладнання для досліду: а — калориметр: 1 — зовнішня посудина місткістю 500 мл; 2 — внутрішня посудина реакційною місткістю 250 мл; 3 — підставка з корка; 4 — кришка з оргскла з трьома отворами для лійки, перемішувача та термометра; 5 — лійка; 6 — перемішувач; 7 — термометр із ціною поділки шкали 0,1 °С; б-г — термометр (зміна температури залежно від типу реакції)

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 належать: 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) реакція хлору з киснем. Скільки помилок у цьому судженні? Назвіть їх.

  • а) 2;
  • б) 1;
  • в) 4;
  • г) 3.

6. З-поміж наведених рівнянь виберіть те, що відповідає ендотермічній реакції:

  • а) 2Н2О = 2Н2 + О2, ΔН > 0;
  • б) Na2O + Н2О = 2NaOH, ΔН < 0;
  • в) SO3 + Н2О = H2SO4, ΔН < 0;
  • г) Fe + CuSO4 (p) = FeSO4 + Cu↓, ΔH < 0.

7. Робота в парах. Знайдіть на етикетці шоколаду відомості про його калорійність. Обчисліть масу шоколаду, який необхідно з’їсти, щоб забезпечити організм такою самою енергією, що надходить до нього в разі споживання 50 г сала.