Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 83. Енергетика хімічних реакцій

Внутрішня енергія. Ентальпія

Хімічні реакції нерозривно пов’язані з енергетичними ефектами. Розділ науки, що вивчає способи передачі та перетворення енергії в макроскопічних системах, називають термодинамікою (від грец. therme — теплота та dynamis — сила). Закони термодинаміки мають загальний характер, вони не залежать від особливостей будови речовини на молекулярному рівні, тому також успішно застосовуються на хімічних системах. Розділ хімії (а також термодинаміки), що вивчає енергетичні ефекти у хімічних системах, називають хімічною термодинамікою.

У будь-якій речовині існують різні види взаємодії, які можна описати з позиції енергетичних факторів: енергія руху атомів і молекул, енергія внутрішньо- та міжмолекулярної взаємодії, електронних переходів тощо. Однак окремо описувати ці енергетичні складові для макросистем немає потреби, тому їх об’єднують загальною величиною — внутрішня енергія. У системі СІ внутрішню енергію позначають U.

Ту частину внутрішньої енергії системи, що можна перетворити на теплоту, називають ентальпією (від грец. enthalpo — нагріваю).

Ентальпія Н — фізична величина, що характеризує енергію системи (речовини або суміші), яка доступна для перетворення на теплоту за сталого тиску.

Ентальпію речовини ще називають її «тепловим вмістом», оскільки вона показує, скільки теплоти «запасено» в речовині. Ентальпію позначають літерою Н. У системі СІ одиницею вимірювання ентальпії речовини є Дж/моль (кДж/моль), але до сьогодні її ще вимірюють у застарілих одиницях — калоріях (1 кал = 4,18 Дж).

Математичні засади термодинаміки розробив американський учений Джозая Ґіббз. За це 1901 року Лондонське королівське товариство присудило йому медаль Коплі — найвищу міжнародну нагороду до заснування Нобелівської премії. Він застосував закони фізики для опису хімічних процесів і поєднав математичні описання хімічної, електричної та теплової енергії, що стало новим напрямком хімії — хімічною термодинамікою.

Тепловий ефект реакції

Повторіть: обчислення за термохімічними рівняннями реакцій за § 37.

Виміряти ентальпію речовини принципово неможливо, тому на практиці використовують величину, що характеризує зміну ентальпії під час певних процесів — ΔH. Зміна ентальпії в реакційній суміші під час хімічних реакцій становить тепловий ефект хімічної реакції.

Тепловий ефект реакції ΔH — це різниця між ентальпією продуктів реакції та ентальпією реагентів:

ΔH(реакціі) = H(продуктів реакції) - H(реагентів).

Якщо ентальпія продуктів реакції менша за ентальпію реагентів (ΔH < 0, тобто є від’ємною величиною), то ентальпія системи зменшується, а надлишкова енергія виділяється в навколишнє середовище у вигляді теплоти або світла (мал. 83.1a). Це відповідає екзотермічній реакції.

Мал. 83.1. Зміна ентальпії системи під час екзотермічної (а) та ендотермічної (б) реакцій

В ендотермічних реакціях, навпаки, ентальпія продуктів реакції більша за ентальпію реагентів (ΔΗ> 0, є додатною величиною). Енергія, необхідна для збільшення ентальпії, поглинається з навколишнього середовища (мал. 83.1б, с. 218).

Яким буде значення ΔΗ, залежить лише від енергетичного запасу реагентів та продуктів реакції, тобто для кожної реакції кількість теплоти, що виділиться (поглинеться), залежить лише від природи речовин та їх кількості.

Одним із головних термодинамічних параметрів будь-якої речовини є її стандартна ентальпія утворення:

Стандартна ентальпія утворення речовини — це зміна ентальпії реакції утворення цієї речовини з простих речовин за стандартних умов.

Стандартними називають такі умови: тиск — 1 атм, температура — 25 °С. Стандартну ентальпію утворення позначають ΔH_f або ΔН°. Наприклад, ентальпія утворення води відповідає такому процесу:

Н₂(г.) + 1/2 О₂(г.) = Н₂О(г.); ΔH_f = -242 кДж/моль

Теплові ефекти реакцій вивчає розділ хімії — термохімія.

Джозая Віллард Ґіббз (1839-1903)

Американський фізик і фізико-хімік, один із засновників хімічної термодинаміки

Костянтин Борисович Яцимирський (1916-2005)

Український хімік, академік, досліджував термодинамічні характеристики комплексних сполук

Ключова ідея

Закони термодинаміки спільні як для хімічних, так і для фізичних явищ.

Запитання та завдання

482. Дайте визначення понять: «внутрішня енергія», «тепловий ефект реакції», «ендотермічна реакція», «екзотермічна реакція», «ентальпія речовини», «ентальпія реакції».

483. Як за значенням зміни ентальпії реакції визначити, є хімічна реакція екзотермічною чи ендотермічною?

484. Як ви вважаєте, чому більшість реакцій розкладу є ендотермічними?

485. За якими ознаками можна відрізнити екзо- та ендотермічні реакції?

486. Визначте, які з наведених термохімічних рівнянь відповідають екзотермічним процесам? ендотермічним?

• а) S(тв.) + О₂(г.) = О₂(г.); ΔΗ = -297 кДж/моль
• б) 2НgО(тв.) = 2Нg(р) + О₂(г.); ΔΗ = 362 кДж
• в) Н₂(г.) + Сl₂(г.) = 2НСl(г.); ΔΗ = -185,6 кДж/моль

487. Використовуючи термохімічні рівняння в завданні 486, складіть термохімічні рівняння реакцій: а) утворення меркурій(ІІ) оксиду з простих речовин; б) розкладання гідроген хлориду.

488. У реакції відновлення ферум(IІ) оксиду карбон(IІ) оксидом під час утворення 1 моль заліза виділяється 1318 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.

489. Під час утворення гідроген йодиду кількістю речовини 1 моль взаємодією водню з йодом поглинається 50,8 кДж енергії. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.

490. Під час згоряння карбон(IІ) оксиду кількістю речовини 1 моль виділилося 283 кДж енергії. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.