Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Тема 2. Тепловий ефект фізичних та хімічних процесів

rnk.com.ua/108791

Будете навчатися:

використовувати зміну температури для класифікації хімічних реакцій;
розрізняти екзотермічні та ендотермічні процеси;
порівнювати теплові ефекти різних фізичних і хімічних процесів.

Зміни температури під час хімічних реакцій

До фізичних змін, що супроводжують хімічні реакції, належать виділення чи поглинання теплоти. Під час деяких хімічних реакцій енергія передається навколишньому середовищу у вигляді тепла і світла, що сприяє підвищенню температури (рис. 6.15). В інших хімічних реакціях теплова енергія повинна надходити до системи, щоб взаємодія відбулася.

Рис. 6.15. Горіння деревини — це хімічна реакція, унаслідок якої енергія виділяється в навколишнє середовище у вигляді тепла і світла

Попрактикуйтеся

1. Проаналізуйте дані в таблиці 6.2. Для кожної хімічної реакції визначте, енергія була передана реагентам чи від них.

Таблиця 6.2.

Хімічна реакція	Температура на початку взаємодії (°С)	Температура наприкінці взаємодії (°С)
Магнієва стрічка з розведеною сульфатною кислотою	20	31
Розчин купрум(ІІ) сульфату з порошком магнію	19	57
Натрій гідрогенкарбонат з лимонною кислотою	20	17
Натрій гідроксид з розведеною хлоридною кислотою	19	21

На рис. 6.16 зображено хімічну грілку для рук. У пакеті міститься порошок заліза і вода. Після відкриття пакета залізний порошок і вода взаємодіють з киснем із повітря.

Унаслідок цієї хімічної реакції передається енергія навколишньому середовищу у вигляді тепла, тому грілка нагрівається.

У деяких швидкодіючих холодових пакетах для лікування спортивних травм також використовуються хімічні реакції. Наприклад, під час взаємодії харчової соди (натрій гідрогенкарбонату) з розчином лимонної кислоти утворюються натрій цитрат, вуглекислий газ і вода. Пакет охолоджується, оскільки енергія передається реакційній суміші з навколишнього середовища, і це сприяє зниженню температури пакета.

Рис. 6.16. Унаслідок хімічної реакції в грілці для рук енергія передається навколишньому середовищу у вигляді тепла

Тепловий ефект розчинення

Під час процесу розчинення також відбувається передача енергії. Наприклад, коли деякі солі, як-от: калій хлорид, амоній нітрат, амоній хлорид розчиняються у воді, температура знижується (рис. 6.17). Під час розчинення кальцій хлориду у воді температура підвищується.

Рис. 6.17. Деякі холодові пакети, які можуть полегшити біль від спортивної травми, містять амоній хлорид з водою

Один із видів пакетів швидкого охолодження (рис. 6.18) охолоджується за рахунок процесу розчинення. Під час стискання пакета розривається внутрішній пакет, і вода, що міститься всередині, змішується з порошкоподібною аміачною селітрою. У процесі розчинення амоній нітрату енергія передається речовині від води, що її оточує. Температура води знижується, що робить пакет холодним.

Рис. 6.18. Миттєвий охолоджуючий пакет можна використовувати для лікування травмованої ноги

Тепловий ефект фізичних процесів

Плавлення і замерзання є прикладами фізичних процесів. Якщо витягти кубик льоду з морозильника, він почне танути, змінюючи агрегатний стан з твердого на рідкий.

Цей процес відбувається, оскільки теплова енергія передається від теплого приміщення до холодного льоду. Плавлення є ендотермічним процесом, оскільки під час нього енергія надходить із навколишнього середовища. Подібним прикладом є робота зріджених газів охолоджувачів у аерозольних балонах чи рефрижераторах — при розрідженні у більшому просторі вони переходять у газувату форму, більш їм природну та поглинають для цього енергію з навколишнього середовища.

Якщо поставити лоток із водою з-під крана в морозильник, вона замерзне, змінюючи агрегатний стан з рідкого на твердий.

Замерзання є екзотермічним процесом, оскільки під час нього енергія передається в навколишнє середовище. Під час кристалізації речовин у розчинах або під час утворення сніжинок з водяної пари у повітрі виділяється тепло, що також робить цей процес екзотермічним.

Екзотермічні та ендотермічні процеси часто спричиняють зміну температури навколишнього середовища. Наприклад, якщо ви тримаєте лід, ваші руки стають холодними, оскільки теплова енергія передається від них до льоду, що тане (рис. 6.19). Ендотермічні процеси протікають з поглинанням теплоти.

Рис. 6.19. Танення льоду є ендотермічним процесом

Попрактикуйтеся

2. Кипіння — це екзотермічний чи ендотермічний процес? Поясніть свою відповідь.

3. Намочіть у воді свій палець і обережно подмухайте на нього. Ви можете відчути, що палець став холодним, бо вода почала випаровуватися зі шкіри. Поміркуйте, випаровування є екзотермічним чи ендотермічним процесом (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Під час випаровування деякі молекули у рідині долають хімічні зв’язки між ними і виділяються у вигляді газу

4. Пригадайте, де ви мали справу у своєму повсякденному житті з конденсацією. Які умови потрібні для цього процесу? Визначте, це екзотермічний чи ендотермічний процес.

5. Під час розчинення калій нітрату у воді температура суміші змінилася з 19 °С до 12 °С. Учень стверджує, що цей процес є екзотермічним. Чи правильне це твердження? Обґрунтуйте свою відповідь.

Тепловий ефект хімічних процесів

Хімічні реакції пов'язані з передачею енергії. Під час екзотермічних реакцій енергія виділяється в навколишнє середовище. Наприклад, коли горить паливо, енергія передається навколишньому середовищу у вигляді світла і тепла, тоді ви можете бачити яскраве полум'я і відчувати його тепло. Енергія може також передаватися навколишньому середовищу за допомогою звуку. Зокрема, ви можете почути характерні вибухи під час феєрверку (рис. 6.21).

Рис. 6.21. Унаслідок екзотермічної реакції кальцій оксиду з водою утворюється кальцій гідроксид

Прикладами екзотермічних реакцій є:

згоряння палива та інших речовин (рис. 6.22);
взаємодія між металами та кислотами;
реакція кальцій оксиду з холодною водою;
реакції нейтралізації між кислотами та лугами.

Рис. 6.22. Згоряння палива — це екзотермічна реакція

Попрактикуйтеся

6. Коли людина тренується, її м'язи частіше скорочуються, а частота дихання збільшується. Опишіть, як можна визначити, що хімічні реакції, пов'язані з диханням, є екзотермічними.

7. Поясніть, чому деякі екзотермічні реакції небезпечно здійснювати в шкільній лабораторії.

Ендотермічні процеси

Більшість хімічних реакцій є екзотермічними, але деякі — ендотермічними. Наприклад, коли розчин натрій карбонату реагує з розчином кальцій хлориду, утворюється осад кальцій карбонату:

натрій карбонат + кальцій хлорид → кальцій карбонат + натрій хлорид

Температура цієї реакційної суміші знижується, що свідчить про ендотермічний процес. Зверніть увагу, що більшість інших реакцій осадження є екзотермічними. Однак, більшість ендотермічних реакцій важко ідентифікувати за зміною температури. Це пов'язано з тим, що для протікання цих реакцій енергія повинна безперервно передаватися реагентам. Наприклад, коли зелений порошок купрум(ІІ) карбонату (рис. 6.23) нагрівають, він розкладається, утворюючи чорний порошок купрум(ІІ) оксиду та вуглекислий газ. Реакція супроводжується зміною кольору і виділенням газу. Однак процес припиняється, щойно припиняється нагрівання, що свідчить про те, що ця реакція ендотермічна.

Рис. 6.23. Купрум(ІІ) карбонат

Попрактикуйтеся

8. Складіть таблицю, яка узагальнює відмінності між екзотермічними та ендотермічними процесами. Для кожного типу змін наведіть принаймні два приклади фізичного процесу та хімічної реакції.

9. Коли через розплав кальцій хлориду пропускають електричний струм, він розкладається на кальцій і хлор. Реакція припиняє відбуватися, коли вимикається електричний струм. Визначте, це екзотермічна чи ендотермічна реакція. Поясніть свою відповідь.

Наука в дії. Автомобілі на паливних елементах

Реакція між воднем і киснем є екзотермічною. Коли ця реакція відбувається у воднево-кисневому паливному елементі, енергія передається у навколишнє середовище у вигляді електричного струму в ланцюзі. В автомобілі на паливних елементах це використовується для запуску електродвигуна, з'єднаного з колесами (рис. 6.24). Вода — єдиний продукт, який виділяється автомобілем на воднево-кисневих паливних елементах під час використання. Це відрізняється від бензинових і дизельних автомобілів, які виділяють вуглекислий газ, що є парниковим газом і спричиняє глобальне потепління.

Рис. 6.24. Деякі електромобілі використовують воднево-кисневі паливні елементи замість акумуляторних батарей

Використання воднево-кисневих паливних елементів може бути корисним способом зменшення викидів вуглекислого газу. Це також може зменшити залежність світу від сирої нафти, яка є невідновлюваним ресурсом. У рамках створення інтегрованих енергетичних систем на основі відновлюваних джерел енергії з 1980 року в Україні проводяться дослідження з використання водню як джерела та носія енергії.

Оптимальний варіант досягнення мети Дорожньої карти розвитку водневої енергетики України передбачає розроблення і виконання заходів на період 2020-2035 рр., на створення ефективної та економічної інфраструктури постачання споживачів воднем, що використовується як енергоносій.

Завдання 6.2. Порівняння ефективності палива

Порівняння ефективності палива на основі вимірювання теплоти їхнього згоряння.

Сплануйте і виконайте експеримент, щоб порівняти енергію, яка передається під час згоряння різних видів спиртового палива. На рис. 6.25 показано апарат, який можна використовувати.

Рис. 6.25. Вимірювання підвищення температури під час спалювання рідкого палива

План дослідження

1. Зважте спиртовий пальник з паливом (метанол, етанол, пропанол тощо) і запишіть його масу.
2. Додайте в ємність 200 см³ води і зафіксуйте її початкову температуру.
3. Покладіть спиртовий пальник під контейнер, потім запаліть гніт.
4. Нагрівайте воду, поки її температура не підвищиться на 10 °С. Загасіть полум'я.
5. Зважте спиртовий пальник, щоб визначити масу спаленого палива.
6. Зробіть висновок, яке паливо дає найбільше енергії на один спалений грам.
7. Оцініть застосований метод і визначте методи його поліпшення.