Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 59. Розрахунки за термохімічними рівняннями

Пригадайте: реакції, що відбуваються з виділенням теплоти, називають екзотермічними, а з поглинанням теплоти — ендотермічними.

Термохімічні реакції

Реагенти і продукти реакції мають різний запас енергії, тому під час здійснення кожної реакції відбувається поглинання або виділення енергії. Для кількісного опису запасу енергії використовують величину ентальпії Н. Коли під час реакцій енергетичний запас речовин змінюється, то змінюється їхня ентальпія. Зміну ентальпії позначають ΔΗ, і саме вона характеризує теплові ефекти, що спостерігаються під час реакцій.

Різниця між енергетичним запасом реагентів і продуктів реакції (ΔH) становить тепловий ефект реакції.

Рівняння хімічних реакцій, у яких наведено тепловий ефект, називають термохімічними рівняннями. Тепловий ефект наводять як значення зміни ентальпії реакції.

2Na(тв.) + 2Н₂О(рід.) = 2NаОН(тв.) + Н₂(г.);

ΔH < 0 (екзотермічна реакція)

СаСО₃(тв.) = СаО(тв.) + СО₂(г.);

ΔH > 0 (ендотермічна реакція)

або:

2Nа(тв.) + 2Н₂О(р.) = 2NаОН(тв.) + Н₂(г.);

ΔH = -281 кДж/моль

СаСО₃(тв.) = СаО(тв.) + СО₂(г.);

ΔH = 177 кДж/моль

Тепловий ефект певної хімічної реакції стосується тих кількостей речовини, які відповідають коефіцієнтам у рівнянні реакції. Наприклад, у взаємодії натрію з водою виділяється 281кДж теплоти, якщо в реакцію вступає 2 моль натрію і 2 моль води. Кількість теплоти прямо пропорційна кількості речовини: якщо в цю реакцію вступає 1 моль натрію, то теплоти виділиться у 2 рази менше, а якщо 10 моль натрію — у 5 разів більше. Те саме стосується й інших реагентів, а також продуктів реакції.

Використання теплового ефекту для розрахунків

Оскільки хімічні реакції відбуваються з виділенням або поглинанням теплоти, то реакційна суміш, відповідно, нагрівається або охолоджується. Для підтримування належних умов взаємодій необхідно ураховувати теплові ефекти всіх реакцій, щоб передбачити необхідність додаткового нагрівання чи охолодження. Визначити, скільки теплоти виділяється чи поглинається у ході реакції, можна розрахунками за термохімічними реакціями.

Під час аналізу умов задач і табличних даних слід брати до уваги, що залежно від формулювання тепловий ефект може стосуватися рівнянь хоча й однієї реакції, але записаної по-різному. Наприклад, тепловий ефект (ентальпія) реакції горіння етану 2856 кДж відноситься до реакції:

2С₂Н₆(г.) + 7О₂(г.) = 4СО₂(г.) + 6Н₂О(г.);

ΔΗ = -2856 кДж/моль

А теплота (ентальпія) згоряння етану 1428 кДж стосується тієї самої реакції, але в якій бере участь 1 моль етану. У цьому випадку коефіцієнти в рівнянні можуть бути дробовими:

С₂Н₆(г.) + 7/2 О₂(г.) = 2СО₂(г.) + 3Н₂О(г.);

ΔΗ_згор. = -1428 кДж/моль

Теплота (ентальпія) утворення (ΔΗ_f) води із простих речовин 242 кДж стосується реакції горіння водню, в якій утворюється 1 моль води:

Н₂(г.) + 1/2О₂(г.) = Н₂О(г.);

ΔΗ = -242 кДж/моль

Під час обчислень за термохімічними рівняннями можна користуватися таким самим прийомом, як і для розрахунків маси чи об’єму за звичайними рівняннями реакцій. Для реакції зі зміною ентальпії ΔΗ, що відбувається за рівнянням:

аА + bВ = сС; ΔΗ

справедливе співвідношення:

де n — кількість речовини, q — кількість теплоти, що виділяється або поглинається, якщо в реакцію вступає n моль речовини.

Задача 1. За термохімічним рівнянням згоряння метану

СН₄(г.) + 2О₂(г.) = СО₂(г.) + 2Н₂О(г.); ΔΗ = -802 кДж/моль

обчисліть кількість теплоти, що виділиться під час згоряння метану кількістю речовини 2 моль. Який об’єм метану (н. у.) потрібно спалити, щоб скип’ятити 1 л води, якщо для цього необхідно витратити 335 кДж?

Задача 2. Обчисліть масу алюмінію, який має вступити в реакцію з ферум(ІІІ) оксидом, щоб виділилося 2550 кДж теплоти. Зміна ентальпії для цієї реакції дорівнює -850 кДж/моль.

Ключова ідея

Для здійснення розрахунків за термохімічними рівняннями тепловий ефект реакцій с необхідно сприймати як повноцінного учасника реакції, на якого поширюються закони стехіометрії.

Запитання та завдання

349. Які рівняння реакцій називають термохімічними? Для чого їх застосовують?

350. Як за значенням теплового ефекту визначити, є хімічна реакція екзотермічною чи ендотермічною?

351. Чим відрізняються поняття «тепловий ефект реакції горіння речовини» та «теплота згоряння речовини»?

352. Визначте, які з наведених реакцій є екзотермічними, а які — ендотермічними.

• а) 4Р(тв.) + 5О₂(г.) = 2Р₂О₅(тв.); ΔΗ = -2984 кДж/моль
• б) 2АІ(тв.) + Fе₂О₃(тв.) = Аl₂О₃(тв.) + 2Fе(тв.); ΔΗ = -850 кДж/моль
• в) Ν₂(г.) + О₂(г.) = 2ΝО(г.); ΔΗ = 180 кДж/моль
• г) С₆Н₁₂О₆(тв.) + 6О₂(г.) = 6СО₂(г.) + 6Н₂О(р.); ΔΗ = -2800 кДж/моль

353. За термохімічними рівняннями із попереднього завдання визначте: а) теплоту згоряння фосфору; б) теплоту утворення нітроген(ІІ) оксиду. Запишіть термохімічні рівняння для цих величин.

354. Для реакції згоряння вугілля ΔΗ_згор. = -393,5 кДж/моль. Запишіть термохімічне рівняння реакції. Обчисліть кількість теплоти, що виділиться під час згоряння вугілля масою 1 кг.

355. Який об'єм вуглекислого газу (н. у.) утвориться, якщо під час згоряння вугілля виділилося 157,4 кДж теплоти? Для розв'язання використайте дані із задачі 354.

356. Обчисліть кількість теплоти, що виділиться під час згоряння фосфору масою 55,8 г. Для розв'язання використайте дані із задачі 352.