Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА
5.4. Енергетика хімічних реакцій. Тепловий ефект реакції
Як відомо із закону збереження енергії, енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно. Речовини, що вступають у хімічну реакцію (реагенти), мають певний запас енергії (внутрішньої енергії). Унаслідок хімічної реакції руйнуються хімічні зв’язки у реагентах і утворюються нові зв’язки у продуктах реакції. Перетворення речовин приводить до зміни їхньої внутрішньої енергії і супроводжується виділенням або поглинанням енергії (найчастіше у вигляді теплоти). Руйнування хімічних зв’язків супроводжується поглинанням певної кількості енергії, а утворення нових зв’язків — виділенням енергії.
Залежно від відношення цих величин унаслідок реакції спостерігають виділення або поглинання енергії:
- якщо кількість енергії, що виділяється унаслідок утворення хімічних зв’язків у продуктах, є більшою, ніж енергія, що витрачається на розрив хімічних зв’язків у реагентах, то спостерігають виділення енергії;
- якщо ж кількість енергії, що виділяється унаслідок утворення хімічних зв’язків у продуктах, є меншою, ніж енергія, що витрачається на розрив хімічних зв’язків у реагентах, то спостерігають поглинання енергії;
- кількість теплоти, що виділяється чи поглинається унаслідок реакцій (за незмінного тиску), називають тепловим ефектом (ентальпією) реакції.
Позначають ΔН (читається «дельта аш»). Хімічні рівняння, в яких зазначено теплові ефекти реакцій, називають термохімічними, а розділ хімії, що вивчає теплові ефекти хімічних процесів, — термохімією.
Тепловий ефект реакції утворення одного моля будь-якої сполуки з простих речовин називають теплотою утворення ΔHутв. Теплоту утворення простих речовин вважають такою, що дорівнює нулю. Теплоту утворення сполуки, яку виміряно за стандартних умов, називають стандартною теплотою утворення або стандартною ентальпією утворення ΔН⦵утв.1. Її визначають експериментально за допомогою спеціальних приладів (калориметрів) і зводять у таблиці.
1 Стандартну ентальпію утворення позначають ΔН⦵утв., де закреслене коло, що нагадує т. зв. диск Плімсоля ⦵, — означає, що дана величина відноситься до стандартного стану речовини. В літературі трапляється інше позначення стандартної ентальпії — ΔН0298,15, де індекси вказують на умови: 0 — тиск на рівні моря (дорівнює одній атмосфері), а 298,15 (К) — температура (25 °С).
Стандартна теплота утворення сполуки є важливою енергетичною характеристикою її стійкості:
- якщо ΔН⦵утв. < 0, речовина є стійкішою за прості речовини, з яких вона утворилась;
- якщо ΔН⦵утв. > 0, речовина є менш стійкою, ніж прості речовини, з яких вона утворилась;
- що менше значення ΔН⦵утв., то більшою є термічна стійкість речовини, тобто її руйнування потребує більшої енергії.
У випадках, коли теплоту утворення визначити експериментально неможливо, для проведення термохімічних розрахунків користуються законом Гесса (1840): тепловий ефект реакції за постійних об'ємі або тиску (коли відсутня робота, не пов’язана з розширенням) не залежить від шляху реакції, а лише від початкового й кінцевого станів системи.
Виходячи із цього закону компоненти термохімічних реакцій можна додавати, множити на числові множники. Із закону Гесса витікає наслідок: тепловий ефект реакції ΔНр можна розрахувати як різницю між сумою теплот утворення продуктів реакції і сумою теплот утворення вихідних речовин ΔНвих. реч.:
ΔНр = Σ ΔНутв.(прод.) - Σ ΔНутв. (вих.реч.)
Це можна виразити графічно за допомогою енергетичних діаграм хімічних реакцій. Розглянемо два випадки перебігу оборотної реакції:
Н2 (г) + I2 (г) ⇄ 2НІ (г)
Реакція відбувається внаслідок розриву неполярних ковалентних зв’язків у молекулах водню і йоду. На це поглинається певна енергія (енергія розриву), яку називають енергією активації Еа, а частинки, які мають таку енергію — активними. Не кожне зіткнення між молекулами водню і йоду веде до утворення молекули йодоводню, а лише таке, у якому беруть участь активні частинки.
Рис. 1. Хід прямої реакції. ΔНпр. < 0
Рис. 2. Хід зворотної реакції. ΔНзвор.> 0
Умовні позначення: Σ Е1а (реаг.) — сума енергій активації реагентів прямої реакції (Н2, І2); Σ Е2а (реаг.) — сума енергій утворення продуктів зворотної реакції (Н2, І2); Е1утв. (прод.) — енергія утворення продуктів прямої реакції (НІ); Е2а (реаг.) — енергія активації реагентів зворотної реакції (НІ); ΔНпр. — тепловий ефект прямої реакції; ΔНзвор. — тепловий ефект зворотної реакції
Унаслідок утворення полярного ковалентного зв’язку у молекулі йодоводню НІ, навпаки, енергія виділяється (Еутв.). На рис. 1 показано, що Еа < Еутв., а тому унаслідок прямої реакції водню з йодом енергія (у вигляді теплоти) виділяється. У зворотній реакції (рис. 2) Еа < Еутв., а тому енергія поглинається. Таким чином, за тепловим ефектом розрізняють:
- екзотермічні реакції — реакції, які супроводжуються виділенням теплоти (тепловий ефект екзотермічної реакції ΔН < 0):
Н2 (г) + 1/2О2(г) → Н2О (р); ΔН = -285,6 кДж1
1 У термохімічних реакціях прийнято вказувати агрегатний стан речовини (за н. у.): т — твердий; р — рідкий; г — газоподібний. Для того, щоб зміна ентальпії відповідала одному молю продукту, у рівняння іноді вводять дробний коефіцієнт.
Реакції горіння, окиснення простих і складних речовин, взаємодія кислот з основами зазвичай є екзотермічними;
- ендотермічні реакції — це реакції, які супроводжуються поглинанням теплоти (ΔН > 0). До ендотермічних реакцій зараховують і реакцію окиснення азоту:
N2 (г) + О2 (г) → 2NO (г); ΔН = +180,8 кДж
Реакції розкладу основ, солей та інших речовин, відновлення металів зазвичай є ендотермічними.
Тепловий ефект реакції є величиною, яка залежить від стехіометричних коефіцієнтів. Наприклад, термохімічне рівняння горіння амоніаку в кисні:
4NH3 (г) + 3О2 (г) = 2N2 (г) + 6Н2О (р); ΔН = -1531 кДж
означає, що на горіння 4 моль амоніаку витрачається 3 моль кисню, а також утворюється 2 моль азоту, 6 моль води і виділяється 1532 кДж теплоти.
