Тепловий ефект реакції

1. Екзотермічні та ендотермічні реакції

Однією з ознак хімічної реакції є виділення або поглинання енергії: теплової, світлової, електричної.

•  Хімічні реакції, що супроводжуються виділенням енергії, називаються екзотермічними. 

Мал. 1. Горіння магнію в кисні

• всі реакції горіння, наприклад, горіння магнію в кисні (мал. 1):Наприклад, до екзотермічних реакцій відносяться

2Mg + O₂ = 2MgO;

• взаємодія активних металів з водою:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + Н₂↑;

• взаємодія оксидів лужних і лужноземельних елементів з водою:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂;

• взаємодія металів з кислотами:

Mg + H₂SO₄(розв.) = MgSO₄ + Н₂↑

•  Реакції, що протікають з поглинанням енергії, називаються ендотермічними.

Для того, щоб такі реакції відбувались, речовини треба постійно нагрівати.

Мал. 2. Розкладання купрум(ІІ) гідроксиду при нагріванні

До ендотермічних реакцій відноситься значна кількість реакцій розкладання, наприклад,

• гідроксидів металічних елементів (мал. 2):

Cu(OH)₂ = СuО↓ + H₂О;

• солей:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂;

• кристалогідратів:

CuSO₄∙5H₂O = CuSO₄ + 5H₂O. 

2. Тепловий ефект реакції та ентальпія

Кожна речовина має запас внутрішньої енергії (U), яка включає енергію руху та енергію взаємодії атомів, молекул, йіонів, а також енергію, пов'язану з існуванням складових частин атомів і ядерну енергію.

Енергетичні зміни, які відбуваються в процесі хімічних реакцій, підлягають закону збереження і перетворення енергії.

•  Енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, а тільки переходить з однієї форми в іншу.

Під час  хімічних реакцій одні хімічні зв'язки руйнуються, а інші утворюються; змінюється електронний стан атомів, їх взаємне розташування. Руйнування зв'язків супроводжується поглинанням енергії, а утворення нових зв'язків - виділенням.

Енергія зв'язків, що розриваються і утворюються під час реакції різна, тому внутрішня енергія продуктів реакції відрізняється від внутрішньої енергії реагентів. При цьому можливі два випадки.

1. U_{реагентів} > U_{продуктів реакції}.

Згідно закону збереження енергії в результаті такої реакції енергія  виділяється в навколишнє середовище: продукти реакції, хімічний посуд, повітря  нагріваються.  Тобто в цьому випадку здійснюються екзотермічні реакції.

2. U_{реагентів} < U_{продуктів реакції}. 

Відповідно до закону збереження енергії в цьому випадку речовини поглинають енергію з навколишнього середовища і реакційна суміш охолоджується. В цьому випадку проходять ендотермічні реакції.

Різниця між внутрішньою енергією вихідних речовин і продуктів реакції є тепловим ефектом реакції.

•  Тепловий ефект реакції - це енергія, яка виділяється або поглинається під час хімічної реакції.

Якщо хімічні реакції проходять при сталому тиску, то користуються фізичною величиною ентальпія (енергія, яка доступна для перетворення в теплоту при постійному тиску), яку позначають латинською літерою Н.

•  Зміна ентальпії (ΔН ) - це тепловий ефект реакції при сталому тиску:

ΔН_{реакції} = Н_{продуктів реакції} - Н_{реагентів}.

Якщо ентальпія продуктів реакції більша за ентальпію реагентів (ΔН>0), то під час реакції теплота поглинається і відбувається ендотермічна реакція (мал. 3а)

Якщо ентальпія продуктів реакції менша за ентальпію реагентів (ΔН<0), то під час реакції теплота виділяється і відбувається екзотермічна реакція (мал. 3б).

Мал. 3. Зміна ентальпії реакції під час:  а) ендотермічної реакції, б) екзотермічної реакції

Зазвичай тепловий ефект реакції відносять до тих кількостей речовин, які визначені рівнянням, і виражають його в одиницях енергії: джоулях (Дж) або кілоджоулях (кДж).

3. Термохімічні рівняння реакцій

•  Рівняння реакцій, в яких вписані їхні теплові ефекти, називаються термохімічними.

• У термохімічне рівняння реакції значення зміни ентальпії записують після крапки з комою.
• Оскільки тепловий ефект реакції залежить від агрегатного стану реагентів і продуктів реакції, то в термохімічних рівняннях вказують агрегатний стан речовин.
• Коефіцієнти в термохімічних реакціях мають абсолютне значення і позначають кількість речовини виражену в молях.

Розглянемо термохімічне рівняння екзотермічної реакції горіння магнію:

2Mg(тв.) + O₂(г.) = 2MgO(тв.), ΔН = -1203 кДж.

Відповідно до цього рівняння реакції при згорянні 2 моль магнію виділяється 1203 кДж енергії.

Іноді у термохімічних рівняннях коефіцієнти скорочують так, щоб перед формулами речовин, за якими ведуть розрахунки, стояв коефіцієнт 1. тоді деякі коефіцієнти будуть дробовими. В таких випадках значення зміни ентальпії теж скорочують, наприклад,

Mg(тв.) + 1/2O₂(г.) = MgO(тв.), ΔН = -601,5 кДж.

Відповідно до цього рівняння реакції при згорянні 1 моль магнію виділяється 601,5 кДж енергії.

Термохімічне рівняння ендотермічної реакції розкладання купрум(ІІ) гідроксиду:

Сu(OH)₂(тв.) = СuО(тв.) + H₂О(г.), ΔН = +52 кДж.

Відповідно до цього рівняння реакції при розкладанні 1 моль купрум(ІІ) гідроксиду поглинається 52 кДж енергії.

Висновки

Усі хімічні реакції супроводжуються  тепловим ефектом.

Тепловий ефект реакції - це енергія, яка виділяється або поглинається під час хімічної реакції.

Хімічні реакції, що супроводжуються виділенням енергії, називаються екзотермічними, а реакції, що протікають з поглинанням енергії - ендотермічними.

Мірою теплового ефекту є зміна ентальпії (ΔН), яка відповідає теплообміну при постійному тиску.

У разі екзотермічної реакції система втрачає тепло Δ Н - величина негативна.

У разі ендотермічних реакцій система поглинає тепло і ΔН - величина позитивна.