Тепловой эффект химических реакций

При горении топлива окружающая среда получает энергию, а для разложения некоторых веществ требуется непрерывный подвод теплоты. Химическое уравнение описывает состав и соотношение веществ. Чтобы рассчитать, сколько теплоты выделяется или поглощается, к нему добавляют сведения о тепловом эффекте реакции.

Экзотермические и эндотермические реакции

Экзотермическая реакция сопровождается передачей теплоты от реагирующей системы окружающей среде. Эндотермическая реакция требует поглощения теплоты системой.

Системой будем считать вещества, участвующие в превращении, а окружением — всё остальное: сосуд, воздух, воду вокруг сосуда. При выделении теплоты окружение может нагреваться; при поглощении — охлаждаться. Наблюдаемая температура зависит также от теплообмена и устройства опыта, поэтому одно прикосновение к сосуду не определяет тепловой эффект.

Горение водорода — пример экзотермической реакции. Разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция и углекислого газа — эндотермическое превращение. Само по себе слово «нагревание» над стрелкой ещё не показывает знак теплового эффекта: нагревать смесь иногда нужно для начала экзотермической реакции.

Что обозначает ΔH и почему важен знак

В термохимии используют изменение энтальпии, обозначаемое ΔH. Для процесса при постоянном давлении, когда работа ограничена расширением или сжатием, оно равно теплоте, полученной системой. Подробное определение энтальпии относится к термодинамике; для школьных расчётов сначала важны знак, единица и количество вещества.

В школьной записи «выделилось 286 кДж» число 286 — положительное количество переданной теплоты. Для самой реагирующей системы изменение энтальпии при этом отрицательно. Ниже обозначение Q_выд означает положительное количество выделившейся теплоты, а Q_погл — положительное количество поглощённой. Эти величины не следует без пояснения подменять величиной ΔH.

Теплота — способ передачи энергии, а не вещество внутри молекулы. Её измеряют в джоулях или килоджоулях; один килоджоуль равен тысяче джоулей.

Как читать термохимическое уравнение

Рассмотрим образование жидкой воды. Для температуры 298,15 К, то есть 25 °C, и стандартного давления 100 кПа используем округлённые табличные данные:

2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(ж); ΔH° ≈ −572 кДж.

Буквы в скобках обозначают состояния: «г» — газ, «ж» — жидкость, «тв» — твёрдое вещество. Знак ° у ΔH указывает на стандартные состояния. Температуру задают отдельно: этот знак сам по себе не означает 25 °C. Исходные вещества и продукты в табличном сравнении относятся к одной указанной температуре.

Тепловой эффект в термохимическом уравнении относится к количествам веществ, заданным его коэффициентами. Если все коэффициенты увеличить вдвое, соответствующее количество теплоты также увеличится вдвое.

В приведённой записи 572 кДж выделяются при превращении 2 моль H₂ и 1 моль O₂ в 2 моль жидкой воды. Это не 572 кДж на каждый моль любого вещества. В пересчёте на один моль израсходованного водорода:

Q_выд / n(H₂) ≈ 572 кДж / 2 моль = 286 кДж/моль.

Школьная запись с «+ 572 кДж» справа передаёт ту же идею выделения теплоты. Однако энергию нельзя считать ещё одним химическим веществом при подсчёте атомов.

Откуда берётся энергетический эффект

Чтобы разорвать химическую связь между частицами, нужно затратить энергию. Образование связи из разделённых частиц сопровождается её выделением. Поэтому объяснение «при разрыве связей выделяется энергия» неверно.

При реакции одновременно меняются несколько связей и взаимодействий. Если образование продуктов с учётом их состояния отдаёт больше энергии, чем требуется для разрушения исходных взаимодействий, итоговый процесс экзотермический. Если затраты больше отдачи — эндотермический. Сравнивают полный энергетический баланс, а не одну выбранную связь.

Даже сильно экзотермическое превращение может требовать первоначального воздействия для преодоления энергетического барьера. Тепловой эффект не позволяет сам по себе предсказать скорость реакции или время её начала.

Почему нужно указывать состояние веществ

При образовании водяного пара из водорода и кислорода табличный эффект отличается от образования жидкой воды. Для той же температуры 298,15 К, при использовании стандартных состояний веществ:

2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(г); ΔH° ≈ −484 кДж.

На один моль воды получаются округлённо −242 кДж для пара и −286 кДж для жидкости. Разница связана с энергией перехода между этими состояниями. Это табличное термохимическое сравнение; оно не означает, что чистый водяной пар при 25 °C и давлении 100 кПа устойчив вместо жидкости.

Состояния веществ и условия входят в условие задачи. Нельзя переносить тепловой эффект образования жидкой воды на уравнение с водяным паром или считать табличную теплоту всем расходом энергии реальной установки.

В реальном процессе энергия нужна также на нагрев сырья и оборудования, возможны тепловые потери. В следующих задачах учитывается только указанная реакция, без этих дополнительных затрат.

Три разобранных примера

1. Теплота по количеству водорода

При полном превращении 0,30 моль H₂ в жидкую воду кислород находится в избытке. Сколько теплоты выделяется? Используем 286 кДж на 1 моль водорода из приведённого уравнения:

Q_выд ≈ 0,30 моль · 286 кДж/моль = 85,8 кДж.

Ответ: выделяется примерно 85,8 кДж. Изменение энтальпии системы для этого количества водорода составляет примерно −85,8 кДж.

2. Теплота по массе вещества

Пусть полностью прореагировали 5,0 г H₂, продукт — жидкая вода. Примем школьное округление молярной массы водорода 2 г/моль; кислорода достаточно. Сначала перейдём от массы к количеству вещества:

n(H₂) = m / M ≈ 5,0 г / (2 г/моль) = 2,5 моль.

Q_выд ≈ 2,5 моль · 286 кДж/моль = 715 кДж.

Ответ: примерно 715 кДж. Подставить 5 г непосредственно вместо 5 моль нельзя: единицы и физический смысл различаются.

3. Теплота эндотермического разложения

В условии дана термохимическая схема с округлённым эффектом на 1 моль карбоната кальция:

CaCO₃(тв) → CaO(тв) + CO₂(г); ΔH = +178 кДж.

Рассчитаем теплоту реакции для полного разложения 50 г чистого CaCO₃. Примем молярную массу 100 г/моль. Нагрев исходных веществ и потери отдельно не учитываем:

n(CaCO₃) = 50 г / (100 г/моль) = 0,50 моль.

Q_погл = 0,50 моль · 178 кДж/моль = 89 кДж.

Ответ: реакция поглощает 89 кДж. Это не расчёт расхода топлива для обжига: для него потребовались бы дополнительные данные.

Обратная реакция и типичные ошибки

При обращении реакции меняют знак ΔH. Если образование одного моля жидкой воды из элементов имеет эффект около −286 кДж, то обратное превращение при тех же условиях имеет эффект около +286 кДж. Произвольные другие условия нельзя молча подставлять вместо исходных.

• Путать знак и количество выделившейся теплоты. Фраза «выделилось 100 кДж» соответствует отрицательному изменению энтальпии системы, а не положительному.
• Не смотреть на коэффициенты. В записи с 2 моль H₂ число 572 кДж относится именно к этим 2 моль.
• Игнорировать недостаток реагента. Если кислорода не хватает, не весь имеющийся водород прореагирует. Теплоту считают по действительно превратившемуся количеству.
• Считать любой нагрев признаком эндотермичности. Первоначальное нагревание и итоговый энергетический баланс — разные вопросы.
• Забывать о единицах и состоянии воды. Дж и кДж отличаются в тысячу раз; газ и жидкость имеют разные энтальпии.

Проверьте себя

Во всех расчётах используйте округления этой статьи: при образовании жидкой воды выделяется 286 кДж на 1 моль H₂; молярная масса H₂ равна 2 г/моль. Для CaCO₃ примите 100 г/моль и поглощение 178 кДж на 1 моль. Превращения полные, второго реагента достаточно, нагрев и потери не учитываются.

1. В двух реакциях ΔH равно −80 кДж и +45 кДж. Какая из них экзотермическая, какая эндотермическая?
2. Для образования 2 моль жидкой воды ΔH ≈ −572 кДж. Каков эффект обратного превращения одного моля воды в исходные водород и кислород?
3. Сколько теплоты выделится при превращении 0,80 моль H₂ в жидкую воду?
4. При образовании жидкой воды выделилось 57,2 кДж. Какова масса израсходованного водорода?
5. Какое количество теплоты поглотит реакция разложения 20 г чистого CaCO₃?

Ответы и объяснения

1. Первая реакция экзотермическая: система отдаёт теплоту, ΔH отрицательно. Вторая эндотермическая: система поглощает теплоту, ΔH положительно.

2. Сначала уменьшаем количества и эффект вдвое, затем обращаем реакцию и знак:

   ΔH ≈ +572 кДж / 2 = +286 кДж.

   Поглощается 286 кДж на указанный один моль воды.

3. Q_выд ≈ 0,80 моль · 286 кДж/моль = 228,8 кДж.

4. n(H₂) ≈ 57,2 кДж / (286 кДж/моль) = 0,20 моль.

   m(H₂) = n · M ≈ 0,20 моль · 2 г/моль = 0,40 г.

   Водород израсходован, а не образован.

5. n(CaCO₃) = 20 г / (100 г/моль) = 0,20 моль.

   Q_погл = 0,20 моль · 178 кДж/моль = 35,6 кДж.

   Знак эффекта положителен: теплота поглощается системой.

Связанные темы и источники

Повторите количество вещества, молярную массу и химические уравнения. Условия расчётов с газами разобраны в статье «Закон Авогадро».

Для углубления: OpenStax: энтальпия и термохимические уравнения, энергия разрыва и образования связей. Справочные значения для воды: NIST-JANAF, жидкая вода и NIST Chemistry WebBook, водяной пар.