Тепловий ефект хімічних реакцій

 
 

§ 18. Тепловий ефект хімічних реакцій

Пригадайте: однією з ознак хімічних реакцій є виділення або поглинання теплоти.

Екзотермічні та ендотермічні реакції

Ви вже знаєте, що під час розчинення речовин може виділятися або поглинатися енергія. Під час хімічних реакцій реакційна суміш також може виділяти енергію в навколишнє середовище або поглинати її з нього. У більшості хімічних реакцій енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти, а в деяких реакціях — у вигляді світла.

Хімічні реакції, що відбуваються з виділенням теплоти, називають екзотермічними.

Якщо під час реакції теплота виділяється, то реакційна суміш розігрівається. Екзотермічними є всі реакції горіння та багато інших реакцій. Наприклад, під час гасіння вапна (взаємодії кальцій оксиду з водою) виділяється так багато теплоти, що вода може закипіти й розпушити тверду речовину. Через це кальцій гідроксид також називають «пушонкою» (мал. 18.1):

CaO + H2O = Cа(OH)2

Мал. 18.1. Гасіння негашеного вапна водою супроводжується виділенням значної кількості теплоти

Багато теплоти виділяється також під час реакцій за участі хімічно активних речовин — галогенів, лужних металів тощо.

Деякі екзотермічні реакції не починаються одразу після змішування (початку контактування) реагентів. Наприклад, дерева завжди контактують з киснем (у повітрі), але не займаються. Для того щоб почалося горіння, необхідно підігріти деревину, тобто ініціювати реакцію. Після ініціації горіння само себе «підтримує» й не закінчиться, поки не припиниться доступ кисню або вся деревина не згорить.

Отже, для екзотермічних реакцій характерно таке: вони не зупиняються, поки не витратиться один з реагентів; реакційна суміш під час реакції розігрівається.

Хімічні реакції, у результаті яких відбувається поглинання теплоти, називають ендотермічними.

До ендотермічних реакцій належать більшість реакцій розкладу, наприклад розкладання кальцій карбонату:

СаСО3(тв.) = СаО(тв.) + СO2(г.)

Більшість ендотермічних реакцій необхідно постійно підтримувати, зазвичай нагріванням. Наприклад, щоб почалося розкладання кальцій карбонату (вапняку), його необхідно нагріти до температури близько 1100 °С та постійно її підтримувати. Під час ендотермічної реакції теплота поглинається, і якщо припинити нагрівання — реакція зупиниться.

Існують хімічні реакції, в яких енергія виділяється у вигляді світла. Найпоширенішою такою реакцією є горіння. Але є й інші. Так, у разі зберігання білого фосфору на повітрі він одразу починає реагувати з киснем. Частина енергії під час цієї реакції виділяється у вигляді світла, тому білий фосфор світиться в темряві. Це явище називають хемілюмінесценцією. Саме воно є інтригою детективу «Собака Баскервілів» сера А. Конан Дойла.

Явище хемілюмінесценції притаманне й живим організмам: хімічні реакції забезпечують світіння в темряві світлячків, деяких медуз тощо. До речі, хемілюмінесценція дуже поширена серед рослин і тварин у фантастичному світі з кінофільму «Аватар».

Існують хімічні реакції, що відбуваються з поглинанням світла. Їх називають фотохімічними. Найвідоміша фотохімічна реакція — це фотосинтез. Також під дією світла відбувається перетворення кисню на озон. Речовини-барвники, якими забарвлений наш одяг, поглинають світло й перетворюються на безбарвні речовини, через що одяг із часом вицвітає. А в деяких окулярах містяться фотохромні лінзи, завдяки яким такі окуляри всередині помешкання безбарвні, а за сонячного освітлення стають темними. У фотохімічних процесах беруть участь особливі молекули на сітківці нашого ока, завдяки чому ми бачимо.

Білий фосфор на повітрі в темряві

Світіння світлячків

Світіння мешканців океанських глибин

Рідко трапляються ендотермічні реакції, що відбуваються за звичайних умов. Їх легко розпізнати, оскільки спостерігається охолодження реакційної суміші. Наприклад, під час взаємодії барій гідроксиду з амоній нітратом реакційна суміш замерзає, а посудина покривається краплинами води й навіть може примерзнути до підставки (мал. 18.2):

Ba(OH)2 + 2NH4NO3 = Ba(NO3)2 + 2NH3↑ +2H2O

Мал. 18.2. Взаємодія барій гідроксиду з амоній нітратом

Тепловий ефект хімічних реакцій. Поняття про ентальпію

Як ви вже знаєте, під час хімічних реакцій відбувається перегрупування атомів, що містяться в речовинах-реагентах. Для цього необхідно частину хімічних зв’язків розірвати. І навпаки, у ході утворення продуктів реакції утворюються нові зв’язки. Оскільки розривання та утворення хімічних зв’язків супроводжується, відповідно, поглинанням і виділенням енергії, то для хімічних реакцій характерним є виділення або поглинання енергії (мал. 18.3).

Мал. 18.3. Розривання та утворення хімічних зв'язків під час реакції водню з йодом

Кількісно всі види взаємодій (енергію хімічних зв’язків, міжмолекулярних взаємодій тощо) у речовині визначають спеціальною величиною — ентальпією (від грец. entalpio — нагріваю).

Ентальпія — 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 H. У системі СІ одиницею вимірювання ентальпії є Дж/моль (кДж/моль), але до сьогодні її ще вимірюють у застарілих одиницях — калоріях.

Виміряти ентальпію речовини неможливо, тому на практиці використовують величину, що характеризує зміну ентальпії під час певних процесів — ΔΗ. Кількість теплоти, що виділяється або поглинається під час взаємодії (тобто ΔΗ), можна визначити експериментально. Зміна ентальпії в реакційній суміші під час хімічних реакцій становить тепловий ефект хімічної реакції.

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

ΔH(реакції) = Н(продуктів реакції) - Н(реагентів)

Герман Іванович Гесс (1802—1850)

Видатний хімік. Народився в Женеві, згодом родина переїхала до Росії. Навчався в Дерптському університеті, де у 20 років захистив дисертацію на ступінь доктора медицини, у якій дослідив лікувальну дію мінеральних вод. Працював у Стокгольмі разом з Берцеліусом, а потім в Іркутську. У 28 років його обрали до Петербурзької академії наук, він став завідувачем кафедри технологічного інституту. Розробив спосіб вилучення срібла з мінералів та описав властивості багатьох мінералів, першим помітив каталітичну дію платини. Але найбільшого визнання він здобув як засновник термохімії: сформулював основний її закон — закон сталості суми теплоти, що названий його ім'ям.

Якщо ентальпія продуктів реакції менша за ентальпію реагентів (ΔΗ < 0, тобто є від’ємною величиною), то ентальпія системи зменшується, а надлишкова енергія виділяється в навколишнє середовище у вигляді теплоти або світла (мал. 18.4, а). Це відповідає екзотермічній реакції.

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. 18.4, б).

Мал. 18.4. Зміна ентальпії системи під час екзотермічної (а) та ендотермічної (б) реакцій

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

Теплові ефекти реакцій вивчає спеціальний розділ хімії — термохімія. Засновником термохімії вважають Германа Гесса, але найбільший внесок у її розвиток зробив Джозая Гіббс, який застосував закони фізики та математичне моделювання до вивчення хімічних процесів і заснував новий розділ хімії — хімічну термодинаміку.

Джозая Уіллард Гіббс (1839—1903)

Американський фізико-хімік і математик, один із засновників хімічної термодинаміки. У 19 років закінчив Єльський університет, а через п'ять років захистив дисертацію й на посаді професора викладав там латину, математику й математичну фізику. Основні дослідження Гіббса пов'язані з вивченням теплових процесів у хімії, де він досяг видатних результатів. Його ім'ям названо багато розроблених ним понять хімічної термодинаміки: енергія Гіббса, парадокс Гіббса, канонічне розподілення Гіббса тощо. У 40 років його обрали до Академії наук США, хоча на той момент він опублікував лише три, але дійсно важливі, наукові статті. До сьогодні в його роботах не знайдено жодної помилки, а всі його ідеї застосовують у сучасній науці.

Лінгвістична задача

1. Грецькою exo означає «ззовні», endon — «усередині». Що, на вашу думку, означають терміни «екзотермічний» та «ендотермічний»?

2. Латиною calor, а грецькою therme означає «теплота». Dynamis — грецьке слово, що означає «сила, міць», а kinetikos — «те, що призводить до руху». Припустіть, яке значення мають терміни «калорія», «калориметрія», «термометр», «термодинаміка», «хімічна кінетика».

Ключова ідея

Під час ендотермічних реакцій реакційне середовище охолоджується, а під час екзотермічних — нагрівається.

Контрольні запитання

200. Дайте визначення: «тепловий ефект реакції», «ендотермічна реакція», «екзотермічна реакція», «ентальпія речовини», «ентальпія реакції».

201. Наведіть по два приклади екзотермічних і ендотермічних реакцій.

202. Як позначають зміну ентальпії реакції? В яких одиницях її вимірюють?

203. Як за значенням зміни ентальпії реакції визначити належність хімічної реакції до екзотермічної чи ендотермічної?

204. Чому під час хімічних реакцій обов'язково відбувається виділення або поглинання енергії? Відповідь поясніть.

205. Як змінюється температура реакційного середовища, якщо відбувається екзотермічна реакція? ендотермічна?

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

Завдання для засвоєння матеріалу

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

208. Процеси вирощування пшениці й виготовлення з неї хліба потребують енергії. Спочатку пшениця поглинає сонячне світло і перетворює вуглекислий газ і воду на вуглеводи в процесі фотосинтезу. Пшеницю збирають і перемелюють на борошно. Борошно транспортують у пекарню, де випікають хліб. Хліб уживають люди. Після перетравлення енергія з їжі витрачається людиною для фізичної активності. Які форми енергії та як перетворюються з однієї форми на іншу в цих процесах?

209. Запропонуйте план експерименту для визначення теплового ефекту хімічної реакції. Які вимірювання ви маєте зробити для досягнення мети? Які чинники впливатимуть на точність експерименту?

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Хімії за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.