Поняття про термохімічні рівняння реакцій
Рівняння хімічних реакцій, у яких наведено тепловий ефект, називають термохімічними рівняннями. Тепловий ефект наводять як значення зміни ентальпії реакції ДН. У термохімічних рівняннях, на відміну від звичайних хімічних рівнянь, обов’язково вказують агрегатні стани речовин (рідкий «р.», твердий «тв.» або газоподібний «г.»). Це пов’язане з тим, що одна й та сама речовина в різних агрегатних станах має різну ентальпію. Тому хімічна реакція за участі однакових речовин, але в різному агрегатному стані має різний тепловий ефект.
Тепловий ефект реакції в термохімічних рівняннях позначають двома способами:
1) указують тільки знак ДН — якщо потрібно зазначити, є реакція екзо- чи ендотермічною:
2) указують кількісне значення — за необхідності проведення розрахунків:
Зміна ентальпії, наведена в термохімічному рівнянні,— це така сама частина хімічного рівняння, як і формули речовин, і тому підпорядковується тим самим співвідношенням. Наприклад, для рівняння горіння етану:
Для інших кількостей реагентів або продуктів кількість теплоти пропорційно зміниться.
Часто для полегшення користування термохімічними рівняннями коефіцієнти в них скорочують так, щоб перед формулами речовин, за якими ведуть розрахунки, стояв коефіцієнт 1. Звісно, що в такому разі інші коефіцієнти можуть стати дробовими, при цьому необхідно пропорційно зменшувати й значення зміни ентальпії. Так, для реакції взаємодії натрію з водою, наведеної вище, можна записати термохімічне рівняння:
Складання термохімічних рівнянь реакцій
Приклад 1. Під час реакції азоту кількістю 1 моль з киснем з утворенням нітроген(П) оксиду поглинається 181,8 кДж енергії. Складіть термохімічне рівняння реакції.
Розв’язання. Оскільки енергія поглинається, то ДН є додатним числом. Термохімічне рівняння виглядатиме так:
Приклад 2. Для реакції синтезу гідроген йодиду з простих газу-ватих речовин ДН = +52 кДж/моль. Складіть термохімічне рівняння розкладання гідроген йодиду до простих речовин.
Розв’язання. Реакції синтезу гідроген йодиду та його розкладання — це протилежні реакції. Аналізуючи малюнок 18.4, можна зробити висновок, що в цьому випадку речовини, а отже, і їхні ентальпії однакові. Різниця тільки в тому, яка з речовин є продуктом реакції, а яка — реагентом. Зважаючи на це, робимо висновок, що у протилежних процесів ДН однакові за значенням, але різні за знаком.
Отже, для реакції синтезу гідроген йодиду:
Оскільки на практиці вимірюють масу або об'єм речовин, то є необхідність складати термохімічні рівняння, використовуючи саме ці дані.
Приклад. Під час утворення рідкої води масою 18 г із простих речовин виділилося 241,8 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції. Розв'язання. Вода масою 18 г відповідає кількості n(H2O) = m /M = 18 г/ 18 г/моль = = 1 моль. А в рівнянні реакції утворення води з простих речовин перед формулою води коефіцієнт 2. Отже, у термохімічному рівнянні необхідно зазначити зміну ентальпії під час утворення води кількістю 2 моль, тобто 241,8 ■ 2 = 483,6:
На етикетках продуктів харчування обов'язково наводять дані про енергетичну цінність цих продуктів, що часто називають калорійністю. Більшість людей інформацію про калорійність продуктів використовують для міркувань: «на скільки я погладшаю, якщо я це з'їм». Насправді цифри, що наведено на етикетці,— це тепловий ефект реакції повного згоряння 100 г цього продукту до вуглекислого газу та води. Цей тепловий ефект наводять у застарілих одиницях вимірювання теплоти — калоріях або кілокалоріях (1 кал = 4,18 Дж, 1 ккал = 4,18 кДж), звідки й пішов термін «калорійність».
Ключова ідея
Зміна ентальпії — кількісна характеристика виділеної або поглинутої теплоти під час хімічних реакцій.
Завдання для засвоєння матеріалу
210. Які рівняння реакцій називають термохімічними?
211. Визначте, які з наведених термохімічних рівнянь відповідають екзотермічним процесам? ендотермічним?
212. За термохімічним рівнянням синтезу амоніаку обчисліть, скільки теплоти виділиться під час: а) витрачання азоту кількістю речовини 1 моль; б) утворення амоніаку кількістю 2 моль.
І\І2(г.) + 3Н2(г.) = 2І\ІН3(г.); ДН = -92 кДж/моль.
213. Зміна ентальпії реакції згоряння вугілля дорівнює 393,5 кДж/моль. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
214. Під час згоряння метану кількістю 1 моль виділилося 890 кДж енергії. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
215. Ферум(іі) оксид відновлюється карбон(іі) оксидом до заліза. Ця реакція супроводжується виділенням 1318 кДж теплоти під час добування 1 моль заліза. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
216. Під час взаємодії водню з йодом утворився гідроген йодид кількістю речовини 2 моль. При цьому поглинулося 101,6 кДж енергії. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
217. За термохімічними рівняннями в завданні 211 складіть термохімічні рівняння реакцій: а) утворення меркурій(ІІ) оксиду з простих речовин; б) розкладу гідроген хлориду; в) утворення глюкози в процесі фотосинтезу.
218. У реакції згоряння карбон(ІІ) оксиду кількістю 2 моль виділилося 566 кДж енергії. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
219. На розкладання барій карбонату масою 197 г витратилося 272 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
220. Під час взаємодії заліза масою 56 г із сіркою виділилося 95 кДж теплоти. Складіть термохімічне рівняння цієї реакції.
221. Порівняйте наведені термохімічні рівняння і поясніть відмінності у зміні ентальпії:
222*. Зміна ентальпії реакції нейтралізації хлоридної кислоти натрій гідроксидом дорівнює -56,1 кДж/моль, а калій гідроксидом становить -56,3 кДж/моль. У реакції нітратної кислоти з літій гідроксидом зміна ентальпії дорівнює -55,8 кДж/моль. Як ви вважаєте, чому теплові ефекти реакцій між наведеними речовинами майже збігаються?