Хімія. 9 клас. Гранкіна

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 17. ЕКЗОТЕРМІЧНІ ТА ЕНДОТЕРМІЧНІ РЕАКЦІЇ. ТЕРМОХІМІЧНІ РІВНЯННЯ

— Я чула таке визначення: «хімія — це фізика, тільки в іншому кабінеті».

— Так, справді, й фізики й хіміки займаються вивченням речовини, і хіміки повинні знати фізику. От, наприклад, термохімія тісно пов'язана з фізикою.

— А що таке термохімія?

— Це розділ хімії, який вивчає хімічні процеси з точки зору поглинання або виділення теплоти.

Екзотермічні й ендотермічні процеси

Однією з ознак хімічної реакції є поглинання або виділення теплоти.

Із виділенням тепла відбуваються всі реакції горіння, наприклад деревини, вугілля, газу. Ці реакції люди здавна використовують для обігріву й освітлення приміщень, приготування їжі. Ті самі реакції горіння використовують у роботі автомобільних двигунів внутрішнього згоряння, для руху ракет і навіть у космічних човнах.

Це все окисно-відновні реакції. Ось іще приклад. Під час реакції відновлення заліза з його оксиду алюмінієм (алюмотермії) виділяється така велика кількість теплоти, що залізо утворюється в розплавленому стані, а температура плавлення заліза — 1538 °С (рис. 36). Щоправда, тут, як і в деяких інших реакціях, які відбуваються з виділенням теплоти, спочатку потрібно нагріти реагенти (рис. 37).

— Так само ми нагріваємо сірником папір, перед тим як він займеться.

Рис. 36. Алюмотермія

Рис. 37. Реакція горіння

Ми вже знаємо, що під час розведення сульфатної кислоти виділяється велика кількість теплоти. Вона виділяється й під час розчинення у воді лугів, і під час реакції нейтралізації.

Реакції, під час яких теплота виділяється, можуть відбуватися й самовільно, наприклад гниття органічних речовин.

Як приклади реакцій, що відбуваються з поглинанням теплоти, можна навести багато реакцій розкладу:

У цьому випадку енергія необхідна для руйнування кристалічних ґраток і молекул. Ці реакції відбуваються за постійного нагрівання. Самовільно процеси, які відбуваються з поглинанням теплоти, перебігати не можуть, їм увесь час потрібне надходження енергії ззовні.

Реакції, які відбуваються з виділенням теплоти, називають екзотермічними, а ті, що відбуваються з поглинанням теплоти, — ендотермічними.

Часто потрібно точно знати, скільки теплоти поглинається або виділяється під час проведення хімічної реакції.

Наприклад, під час виробництва будь-яких хімічних речовин відбуваються екзо- або ендотермічні процеси. Відтак необхідно знати, скільки тепла необхідно підвести або як остудити зону проведення хімічних реакцій. Ця інформація також необхідна для наукових досліджень. Такі розрахунки проводять з використанням термохімічних рівнянь реакцій.

Префікси екзо- і ендо- походять від грецьк. exo — поза, зовні; endon — усередині.

Термохімічні рівняння реакцій

У будь-якій речовині є певний запас внутрішньої енергії.

• Внутрішня енергія визначається сумою енергії руху молекул, атомів, енергії руху електронів у атомах, хімічних зв'язків, внутрішньоядерної енергії.

Під час перебігу хімічних реакцій, коли утворюються нові речовини, змінюється й кількість внутрішньої енергії. Якщо внутрішня енергія продуктів реакції менше, ніж реагентів, то зайва енергія виділяється назовні — реакція екзотермічна (рис. 38).

Рис. 38. Екзотермічна реакція

Якщо внутрішня енергія продуктів реакції більше, ніж реагентів, то енергія буде поглинатися із зовнішнього середовища — реакція ендотермічна (рис. 39).

Рис. 39. Ендотермічна реакція

Для математичного визначення виділеної або поглиненої енергії використовують таке поняття, як ентальпія — тепловміст речовини.

У хімії зазвичай ототожнюють внутрішню енергію й ентальпію.

Ентальпію позначають літерою H. Зміну її в процесі реакції записують так: ΔΗ, значок Δ (дельта) означає «зміна». Читають як «дельта аш». Значення ΔH реакції прийнято записувати справа, зі знаком «+» або «-», відокремлюючи від рівняння комою або крапкою з комою.

S + O₂ = SO₂, ΔΗ < O — реакція екзотермічна, енергія виділяється в навколишнє середовище, а внутрішня енергія зменшується (тому ΔΗ менше 0).

CaCO₃ = CaO + CO₂, ΔΗ > O — реакція ендотермічна, енергія поглинається в реакційне середовище, внутрішня енергія збільшується (тому ΔΗ більше 0).

• Зміну ентальпії ΔΗ використовують для характеристики теплового ефекту реакцій, тобто для визначення кількості виділеної або поглиненої енергії.

Кількість теплоти, що поглинається або виділяється під час хімічної реакції, називають тепловим ефектом хімічної реакції та вимірюють у кДж.

Зазвичай тепловий ефект реакції відносять до 1 моль продуктів або реагентів. Наприклад: CaCO₃ = CaO + CO₂, ΔΗ = +178 кДж/моль.

У рівняннях указують ще й агрегатний стан речовин, які беруть участь у реакції: (г.) — газоподібна, (р.) — рідка, (тв.), або (крист.) — тверда, або кристалічна, тому що агрегатний стан речовин також впливає на тепловий ефект реакції.

Рівняння реакцій, в яких указано чисельне значення теплового ефекту реакції, а також агрегатний стан речовин, називають термохімічними.

Cl₂ (г.) + H₂ (г.) = 2HCl(г.); ΔH = -184,6 кДж/моль

Це рівняння показує, що під час взаємодії 1 моль Cl₂з 1 моль Н₂ виділяється 184,6 кДж теплоти, а продукти й реагенти газоподібні.

N₂(г.) + 2O₂(г.) = 2NO₂ (г.);

ΔH = +180,8 кДж/моль

Це рівняння показує, що під час взаємодії 1 моль N₂ з киснем поглинається 180,8 кДж теплоти, продукти й реагенти газоподібні.

Дізнайтеся більше

Крім величини ΔH у термохімічних рівняннях, за традицією, теплові ефекти позначають літерою Q. Якщо реакція екзотермічна, то Q записують зі знаком «+», і зі знаком «-» — якщо реакція ендотермічна, тобто +ΔH = -Q.

Тоді термохімічне рівняння буде виглядати так:

Cl₂(г.) + H₂(г.) = 2HCl(г.) + Q

або так:

Cl₂(г.) + H₂(г.) = 2HCl(г.) + 184,6 кДж

Зварювання термітом

Що робити, якщо потрібно швидко з'єднати металеві деталі, та ще й у польових умовах? Відмінним рішенням стане термітне зварювання. Такий спосіб з'єднання металів дістав застосування в ремонті залізничних колій (рис. 40), кабелів зв'язку або електричних дротів.

Рис. 40. Алюмотермітне зварювання рейок — єдиний спосіб швидко провести ремонт за мінімальних витрат

Термітне зварювання деталей застосовують у виробництві. Особливо такий спосіб з'єднання актуальний у виготовленні великих за габаритами деталей: лопаті в річкових і морських судах, колінчаті вали автомобілів та ін.

Також широко застосовують терміт у ремонті великого устаткування в металургії та металообробці: прокатних станів, роторних валів, ковальських пресів та інших.

Є різні способи термітного зварювання. Наприклад, встик. Для цього в зазорі між деталями встановлюють термітну плівку. Окремо від деталей у тиглях готують розплав, який заливають встик, самі заготовки при цьому стискаються для якісного з'єднання. Можна готувати розплав шляхом спалювання терміту в окремій формі й потім його залити в зазори між деталями.

Звичайно, використовувати таке зварювання в побутових умовах просто недоцільно. Адже в домашньому господарстві немає таких великих конструкцій, а дрібний ремонт можна провести за рахунок звичайної зварки. Часто можна побачити відео в YouTube про самостійне виготовлення терміту з метою різання металу. Це не просто непрактично (адже звичайна «болгарка» з відрізним кругом спрощує всі операції), а й навіть небезпечно.

Застосування термітних сумішей на війні

Терміт і термітні запальні речовини найбільш широко застосовувалися в запалювальних бомбах, снарядах і кулях у період Другої світової війни. Не втратили вони свого значення і в наші дні. Для спорядження запальних боєприпасів застосовують головним чином термітні склади ТН2, ТНЗ та інші, які містять, крім терміту (50-80%), порошкоподібний магній, алюміній і ряд добавок, багатих киснем (барій нітрат, перекис Плюмбуму), а також сірку. Ці добавки, крім полегшення запалення терміту, сприяють збільшенню полум'я і посиленню запальної дії (рис. 41). Температура спалаху термітних запалювальних складів становить 1300 °С, а температура горіння досягає 3000 °С. Термітні суміші пропалюють броню.

Рис. 41. Застосування термітних сумішей на війні

Отже:

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

231. Що таке «внутрішня енергія» речовини?
232. Для чого використовують поняття «ентальпія»?
233. Дайте визначення тепловому ефекту реакцій.
234. Чим термохімічне рівняння реакції відрізняється від звичайного молекулярного?
235. Охарактеризуйте екзотермічні реакції. Наведіть приклади.
236. Охарактеризуйте ендотермічні реакції. Наведіть приклади.

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

237. Ендотермічними називають реакції, які відбуваються:

а) з виділенням тепла;
б) з поглинанням тепла;
в) у процесі реакції теплота не виділяється й не поглинається.

238. Ендотермічною реакцією є:

а) розклад KMnO₄;
б) горіння бензину;
в) гниття листя;
г) іржавіння заліза.

Для допитливих

239. Існує багато рецептів «хімічних грілок», у яких нагрівання відбувається за рахунок хімічних реакцій. Наприклад, такий рецепт. У півлітрову банку вміщують шматок алюмінієвого дроту, скрученого спіраллю. Потім у банку засипають суміш деревної тирси, кухонної солі й мідного купоросу приблизно в такому співвідношенні: 70 % тирси, 20 % мідного купоросу і 10 % кухонної солі. Ця суміш повинна повністю закривати алюмінієвий дріт. Потім заливають водою так, щоб тільки покрити тирсу. Через кілька хвилин банка почне розігріватися і залишатиметься гарячою близько двох годин.

Питання

1. Запишіть рівняння хімічних реакцій, які, на вашу думку, тут перебігають.
2. Поясніть причини нагрівання банки.
3. Чи можна замінити алюмінієвий дріт на магнієву стрічку? на мідний дріт? на сталевий?
4. Запропонуйте рецепти інших таких грілок. Які з них можна використовувати в побуті, а які — ні й чому?

240. Склад термітних сумішей. Замість алюмінію в поєднанні із залізною окалиною в термітних сумішах можуть застосовуватися й інші метали, у тому числі в таких співвідношеннях: