Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения
Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения.
Химические реакции протекают либо с выделением теплоты, либо с поглощением теплоты.
Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (теплота указывается со знаком «+»). Эндотермические реакции – с поглощением теплоты (теплота Q указывается со знаком «–»).
Тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы вследствие протекания химической реакции и превращения исходных веществ (реагентов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.
При протекании химических реакций наблюдаются некоторые закономерности, которые позволяют определить знак теплового эффекта химической реакции:
- Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.
Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:
- Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.
Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:
- Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты. Устойчивость можно примерно определить по активности и стабильности вещества при обычных условиях. Как правило, в быту нас окружают вещества сравнительно устойчивые.
Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды. Следовательно, реакция экзотермическая:
Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях).
Количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.
В термохимии используются термохимические уравнения . Это уравнение реакции с указанием количества теплоты, выделившейся в ней (на число моль вещества, равное коэффициентам в уравнении).
Например, рассмотрим термохимическое уравнение сгорания водорода:
Из термохимического уравнения видно, что 484 кДж теплоты выделяются при сгорании 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Также можно сказать, что при образовании 2 моль воды выделяется 484 кДж теплоты.
Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.
Например, при сгорании алюминия:
теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль. Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:
теплота образования Al2O3 все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохъимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.
Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.
Например, при горении метана:
теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.
Разберемся, как решать задачи на термохимические уравнения (задачи на термохимию) из ЕГЭ. Для этого разберем несколько примеров термохимических задач.
1. В результате реакции, термохимическое уравнение которой:
получено 98 л (н.у.) оксида азота (II). Определите количество теплоты, которое затратили при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых.).
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что на образование 2 моль оксида азота (II) потребуется 180 кДж теплоты. 2 моль оксида азота при н.у. занимают объем 44,8 л. Составляем простую пропорцию:
на получение 44,8 л оксида азота (II) затрачено 180 кДж теплоты,
на получение 98 л оксида азота затрачено х кДж теплоты.
Отсюда х= 180*98/44,8 = 393,75 кДж. Округляем ответ до целых, как требуется в условии: Q=394 кДж.
Ответ: потребуется 394 кДж теплоты.
2. В результате реакции, термохимическое уравнение которой
выделилось 1452 кДж теплоты. Вычислите массу образовавшейся при этом воды (в граммах). (Запишите число с точностью до целых.)
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что при образовании 2 моль воды выделится 484 кДж теплоты. Масса 2 моль воды равна 36 г. Составляем простую пропорцию:
при образовании 36 г воды выделится 484 кДж теплоты,
при образовании х г воды выделится 1452 кДж теплоты.
Отсюда х= 1452*36/484 = 108 г.
Ответ: образуется 108 г воды.
3. В результате реакции, термохимическое уравнение которой
израсходовано 80 г серы. Определите количество теплоты, которое выделится при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых).
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что при сгорании 1 моль серы выделится 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы равна 32 г. Составляем простую пропорцию:
при сгорании 32 г серы выделится 296 кДж теплоты,
при сгорании 80 г серы выделится х кДж теплоты.
Отсюда х= 80*296/32 = 740 кДж.
Ответ: выделится 740 кДж теплоты.
Источник
20 примеров экзотермических реакций
экзотермические реакции те химические реакции, которые передают энергию в форме температуры телам, которые ее окружают.
Когда происходит химическая реакция, энергия передается в или из окружающей среды тела, вызывая изменение температуры в его среде (Arrington, 2017).
В повседневной жизни часто можно увидеть, как различные экзотермические реакции, которые вызывают изменения температуры в разных местах, происходят естественным образом или провоцируются.
Эти изменения температуры могут быть измерены с помощью термометра (BBC, Science, 2014).
Слово «экзотермический» происходит от слов «экзо», что означает «выйти» и «термос», что означает температуру. Таким образом, делается вывод, что экзотермическими реакциями являются те, которые выделяют температуру наружу..
В противоположность этим реакциям, являются эндотермическими, которые поглощают энергию (BBC, 2014).
Энергия становится очевидной несколькими способами, включая температуру, свет, звук или электричество..
Энергия обычно получается, когда связи между молекулами материалов разрываются, так как большая часть энергии, содержащейся в материале, находится в этих связях..
Когда реакция вызывает разрыв этих связей, она вызывает высвобождение энергии в них, вызывая экзотермическую реакцию.
Примеры экзотермических химических реакций
Экзотермические реакции всегда сопровождаются повышением температуры, и в основном это искры, пламя, дым или какой-либо звук (Helmenstine, 2016).
Среди наиболее распространенных примеров экзотермических реакций могут быть перечислены следующие:
1 — стальная стружка + уксус: Эта смесь работает как медленная форма сгорания, когда сталь подвергается процессу окисления благодаря действию уксуса.
2 — «Собачий лай»Эта реакция называется так, потому что издает звук, похожий на лай собаки..
Эта реакция проводится в лабораторной пробирке, где смешаны оксид азота и оксид азота и бисульфат углерода..
3 — стеклянная бутылка + алкогольАналогично реакции, вызванной вышеупомянутым экспериментом, это протереть стеклянную бутылку спиртом таким образом, чтобы образовалось пламя..
4 — стиральный порошок + вода: Когда стиральное мыло растворяется, вы можете увидеть наличие экзотермической реакции.
Это один из примеров экзотермических реакций, которые легче наблюдать в домашних условиях..
5 — зубная паста слона: Этот эксперимент обычно используется для объяснения динамики экзотермических реакций.
Он состоит из растворения перекиси водорода в некоторой мыльной среде, так что таким образом получается большое количество пены.
К этой смеси добавляется катализатор (йодид калия), который способствует быстрому разложению перекиси..
6 — серная кислота + сахар: Процесс обезвоживания сахара вызывает явную экзотермическую реакцию.
Когда серная кислота смешивается с сахаром, она обезвоживается и появляется столб черного дыма, вызывающий запах сожженной среды.
7 — термитТермит — это летучая смесь алюминия и оксида. Эта смесь вызывает экзотермическую реакцию, известную как термитная реакция, при которой выделяется большое количество тепла и света во время реакции смеси..
8 — натрий + водаНатрий или любая щелочная среда сильно вступает в реакцию с водой. При добавлении любого щелочного металла в воду (литий, натрий, калий, рубидий или цезий) он должен реагировать.
В той степени, в которой номер элемента больше в периодической таблице, реакция будет сильнее.
9 — ацетат натрия: Ацетат натрия известен как горячий лед. Этот материал начинается с кристаллизации замороженных растворов, которые вместо выделения тепла выделяют тепло.
Из-за своего внешнего вида его называют «ледяной», но на самом деле кристаллизованный ацетат натрия является одним из наиболее часто используемых материалов для изготовления грелок для рук..
10 — сода + уксус: Эта смесь вызывает экзотермическую реакцию, в результате которой образуется большое количество пены, поэтому она обычно используется для напоминания взрыва вулкана.
11 — Джин из бутылкиВ этом эксперименте пероксид водорода (пероксид водорода) смешивают с перманганатом калия.
Таким образом, перманганат разлагает насыщенную кислородом воду, вызывая выделение большого количества дыма и тепла..
12 — Взрывоопасные резиновые медведи: Резиновые медведи богаты сахарозой (сахаром), веществом, которое при смешивании с хлоратом калия при высокой температуре вызывает сильный взрыв и движение резиновых медведей.
13 — Молния в трубе: Эта реакция происходит, когда едкая кислота смешивается со спиртом или ацетоном.
Таким образом, вы можете увидеть сильную химическую реакцию, которая приводит к генерации света внутри трубки, подобной молнии.
14 — Замораживание воды: Во время этого процесса вода выделяет энергию в виде тепла, поэтому, когда кубики льда замерзают, происходит экзотермическая реакция.
15 — Одна свеча горит: Процесс сгорания парафина и фитиля свечи вызывает экзотермическую реакцию, которая генерирует тепло и свет (TutorVista, 2017).
16 — Сжечь дроваПодобно сжиганию парафина, сжигание древесины вызывает экзотермическую реакцию, в которой продукт, возникающий в результате этой реакции, проявляется в виде тепла и температуры..
17 — Дыхание: Процесс дыхания вызывает экзотермическую реакцию внутри клеток во время газообмена.
Таким образом, глюкоза вместе с кислородом превращается в углекислый газ и тепло.
18 — Коррозия металловЧистые металлы, то есть в их естественном состоянии, когда они вступают в контакт с воздухом, вызывают реакцию окисления вместе с выделением тепла, поэтому говорят, что этот процесс является экзотермическим..
19 — Процесс сгорания газа: Процесс сгорания любого газа, такого как метан или природный газ, вызывает экзотермическую реакцию, которая проявляется в выработке тепла, а в некоторых случаях, когда сгорание происходит контролируемым образом, он также может производить свет.
20 — зажечь спичку: Когда поджигается спичка, возникает реакция между химическими веществами, которые ее составляют, и кислородом, присутствующим в воздухе.
Источник
Классификация реакций
Существует несколько классификаций реакций, протекающих в неорганической и органической химии.
По характеру процесса
Так называют химические реакции, где из нескольких простых или сложных веществ получается одно сложное вещество. Примеры:
В результате реакции разложения сложное вещество распадается на несколько сложных или простых веществ. Примеры:
В ходе реакций замещения атом или группа атомов в молекуле замещаются на другой атом или группу атомов. Примеры:
К реакциям обмена относятся те, которые протекают без изменения степеней окисления и выражаются в обмене компонентов между веществами. Часто обмен происходит анионами/катионами:
AgF + NaCl = AgCl↓ + NaF
Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)
Это те химические реакции, в процессе которых происходит изменение степеней окисления химических элементов, входящих в состав исходных веществ. ОВР подразделяются на:
- Межмолекулярные — атомы окислителя и восстановителя входят в состав разных молекул. Примеры:
Внутримолекулярные — атомы окислителя и восстановителя в составе одного сложного вещества. Примеры:
Диспропорционирование — один и тот же атом является и окислителем, и восстановителем
Замечу, что окислителем и восстановителем могут являться только исходные вещества (а не продукты!) Окислитель всегда понижает свою СО, принимая электроны в процессе восстановления. Восстановитель всегда повышает свою СО, отдавая электроны в процессе окисления.
От обилия информации можно запутаться. Я рекомендую сформулировать четко: «Окислитель — понижает СО, восстановитель — повышает СО». Запомнив эту информацию таким образом, вы не будете путаться.
ОВР уравнивают методом электронного баланса, с которым мы подробно познакомимся в разделе «Решения задач».
Обратимые и необратимые реакции
Обратимые реакции — такие химические реакции, которые протекают одновременно в двух противоположных направлениях: прямом и обратном. При записи реакции в таких случаях вместо знака «=» ставят знак обратимости «⇆».
Классическим примером обратимой реакции является синтез аммиака и реакция этерификации (из органической химии):
Необратимые реакции протекают только в одном направлении, до полного расходования одного из исходных веществ. Главное отличие их от обратимых реакций в том, что образовавшиеся продукты реакции не взаимодействуют между собой с образованием исходных веществ.
Иногда сложно бывает отличить обратимую реакцию от необратимой, однако я дам несколько советов, которые советую взять на вооружение. В результате необратимых реакций:
- Образуются малодиссоциирующие вещества (например — вода, однако есть исключения — реакция этерификации)
- Реакция сопровождается выделение большого количества тепла
- В ходе реакции образуется газ или выпадает осадок
Примеры необратимых реакций:
NaOH + HCl = NaCl + H2O (образуется вода)
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 (сопровождается выделением большого количества тепла)
Реакции и агрегатное состояние фаз
Фазой в химии называют часть объема равновесной системы, однородную во всех своих точках по химическому составу и физическим свойствам и отделенную от других частей того же объема поверхностью раздела. Фаза бывает жидкой, твердой и газообразной.
Все реакции можно разделить на гетеро- и гомогенные. Гетерогенные реакции (греч. heterogenes — разнородный) — реакции, протекающие на границе раздела фаз, в неоднородной среде. Скорость таких реакций зависит от площади соприкосновения реагирующих веществ.
К гетерогенным реакциям относятся следующие реакции (примеры): жидкость + газ, газ + твердое вещество, твердое вещество + жидкость. Примером такой реакции может послужить взаимодействие твердого цинка и раствора соляной кислоты:
Гомогенные реакции (греч. homogenes — однородный) — реакции, протекающие между веществами, находящимися в одной фазе.
К гомогенным реакциям относятся (примеры): жидкость + жидкость, газ + газ. Примером такой реакции может служить взаимодействие между растворами уксусной кислоты и едкого натра.
Реакции и их тепловой эффект
Все реакции можно разделить на те, в ходе которых тепло поглощается, или, наоборот, тепло выделяется. Представьте пробирку, охлаждающуюся или нагревающуюся в вашей руке — это и есть тот самый тепловой эффект. Иногда тепла выделяется так много, что реакции сопровождаются воспламенением или взрывом (натрий с водой).
Экзотермические реакции (греч. exo — вне) — химические реакции, сопровождающиеся потерей энергии системой и выделением тепла (той самой энергии) во внешнюю среду. При написании химических реакций в конце экзотермических ставят «+ Q» (Q — тепло), иногда бывает указано точное количество выделяющегося тепла. Например:
2Mg + O2 = 2MgO + Q
NaOH + HCl = NaCl + H2O + 56 кДж
К экзотермическим реакциям часто относятся реакции горения, соединения.
Исключением является взаимодействие азота и кислорода, при котором тепло поглощается:
Как уже было отмечено выше, если тепло выделяется во внешнюю среду, значит, система реагирующих веществ потеряло это тепло. Поэтому не должно казаться противоречием, что внутренняя энергия веществ в результате экзотермической реакции уменьшается.
Энтальпией называют (обозначение Н), количество термодинамической (тепловой) энергии, содержащееся в веществе. Иногда с целью «запутывания» в реакции вместо явного +Q при экзотермической реакции могут написать ΔH 0, так как внутренняя энергия веществ увеличивается. Например:
CaCO3 = CaO + CO2↑ ; ΔH > 0 (значит реакция эндотермическая, так как внутренняя энергия увеличивается)
Замечу, что не все реакции разложения являются эндотермическими. Широко известная реакция разложения дихромата аммония («вулканчик») является примером экзотермического разложения, при котором тепло выделяется.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник
