Вспомните: одним из признаков химической реакции является выделение или поглощение теплоты.
Экзотермические и эндотермические реакции Вы уже знаете, что при растворении веществ может выделяться или поглощаться энергия. В ходе химических реакций реакционная смесь также может выделять энергию в окружающую среду или поглощать ее из нее. В большинстве химических реакций энергия выделяется или поглощается в виде теплоты, а в некоторых реакциях — в виде света.
Экзотермические реакции:
• протекают с выделением теплоты;
• после инициации прекращаются, когда израсходуется один из реагентов;
• реакционная смесь в процессе реакции разогревается.
Химические реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими.
Если в ходе реакции выделяется теплота, то реакционная смесь разогревается. Экзотермическими являются все реакции горения и многие другие реакции. Например, при гашении извести (взаимодействии кальций оксида с водой) выделяется так много теплоты, что вода может закипеть и распушить твердое вещество. Поэтому кальций гидроксид также называют «пушонкой» (рис. 18.1):
Много теплоты выделяется также в процессе реакций с участием химически активных веществ — галогенов, щелочных металлов и др.
Некоторые экзотермические реакции не начинаются сразу после смешивания (начала контакта) реагентов.
Например, деревья постоянно контактируют с кислородом (в воздухе), но не воспламеняются. Для того чтобы началось горение, необходимо подогреть древесину, т. е. инициировать реакцию. После инициации горение само себя «поддерживает» и не закончится, пока не прекратится доступ кислорода или вся древесина не сгорит.
Таким образом, для экзотермических реакций характерно следующее: они не прекращаются, пока не израсходуется один из реагентов; реакционная смесь в ходе реакции разогревается.
Химические реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими.
К эндотермическим реакциям относятся большинство реакций разложения, например разложение кальций карбоната (известняка):
Эндотермические реакции:
• происходят с поглощением теплоты;
• останавливаются при прекращении подогрева;
• реакционная смесь в процессе реакции охлаждается.
Существуют химические реакции, в которых энергия выделяется в виде света. Самой распространенной такой реакцией является горение. Но есть и другие. Так, при хранении белого фосфора на воздухе он сразу начинает реагировать с кислородом. Часть энергии в процессе этой реакции выделяется в виде света, поэтому белый фосфор светится в темноте. Это явление называют хемилюминесценцией. Именно оно стало интригой детектива «Собака Баскервилей» сэра А. Конан Дойла.
Явление хемилюминесценции присуще и живым организмам: химические реакции обусловливают свечение в темноте светлячков, некоторых медуз и др. К слову сказать, хемилюминесценция очень распространена среди растений и животных в фантастическом мире кинофильма «Аватар». Существуют химические реакции, происходящие с поглощением света. Их называют фотохимическими. Самая известная фотохимическая реакция — это фотосинтез. Также под действием света происходит превращение кислорода в озон. В фотохимических процессах принимают участие особые молекулы сетчатки нашего глаза, благодаря чему мы видим.
Большинство эндотермических реакций необходимо постоянно поддерживать, обычно нагреванием. Например,
чтобы началось разложение кальций карбоната, его необходимо нагреть до температуры около 1100 °С и постоянно ее поддерживать. При эндотермической реакции теплота поглощается, и, если прекратить нагрев, процесс остановится.
Редко встречаются эндотермические реакции, протекающие при обычных условиях. Их легко распознать по охлаждению реакционной смеси. Например, при взаимодействии барий гидроксида с аммоний нитратом реакционная смесь замерзает, а сосуд покрывается каплями воды и даже может примерзнуть к подставке (рис. 18.2):
Тепловой эффект химических реакций. Понятие об энтальпии
Как вы уже знаете, при химических реакциях происходит перегруппировка атомов, содержащихся в веществах-реагентах. Для этого необходимо часть химических связей разорвать. И наоборот, в ходе образования продуктов реакции возникают новые связи. Поскольку разрыв и образование химических связей сопровождается поглощением и выделением энергии соответственно, то для химических реакций характерно выделение или поглощение энергии (рис. 18.3).
Количественно все виды взаимодействий (энергию химических связей, межмолекулярных взаимодействий и др.) в веществе определяют специальной величиной — энтальпией (от греч. entalpio — нагреваю).
Рис. 18.3. Разрыв и образование химических связей при реакции водорода с йодом
Энтальпия — физическая величина, характеризующая энергию системы (вещества или смеси), которая доступна для преобразования в теплоту при постоянном давлении.
Энтальпию вещества еще называют его «теплосодержанием», поскольку она показывает, сколько теплоты «запасено» в веществе.
Энтальпию обозначают буквой H.
В системе СИ единицей измерения энтальпии является Дж/моль (кДж/моль), но все еще используют устаревшую единицу — калорию.
Измерить энтальпию вещества невозможно, поэтому на практике
используют величину, характеризующую изменение энтальпии при протекании процессов, — ДН. Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся в процессе взаимодействия (т. е. ДН), можно определить экспериментально. Изменение энтальпии в реакционной смеси при химических реакциях составляет тепловой эффект химической реакции.
Энтальпия:
• характеризует «теплосодержание» вещества;
• обозначается Н;
• единица измерения — Дж/моль или кДж/моль;
• разница энтальпии продуктов реакции и реагентов АН — это тепловой эффект реакции.
Герман Иванович Гесс (1802-1850)
Выдающийся химик. Родился в Женеве, затем семья переехала в Россию. Учился в Дерптском университете, где в 20 лет защитил диссертацию, в которой исследовал лечебное действие минеральных вод. Работал вместе с Берцелиусом в Стокгольме, а потом — в Иркутске. В 28 лет его избрали в Петербургскую академию наук, он стал заведующим кафедрой Петербургского технологического института. Разработал способ получения серебра из минералов и описал свойства многих минералов, первым заметил каталитическое действие платины. Но наибольшее признание получил как основатель термохимии: сформулировал основной ее закон — закон постоянства суммы теплоты, названный его именем.
Тепловой эффект реакции АН — это разница между энтальпией продуктов реакции и энтальпией реагентов:
АН(реакции) = Н(продуктов реакции) - Н(реагентов)
Если энтальпия продуктов реакции меньше энтальпии реагентов (АН < 0, т. е. является отрицательной величиной), то энтальпия системы уменьшается, а избыточная энергия выделяется в окружающую
среду в виде теплоты или света (рис. 18.4, а). Это соответствует экзотермической реакции.
В эндотермических реакциях, наоборот, энтальпия продуктов реакции больше энтальпии реагентов (AH > 0, т. е. является положительной величиной). Энергия, необходимая для увеличения энтальпии, поглощается из окружающей среды (рис. 18.4, б).
Каким будет значение АН, зависит только от энергетического запаса реагентов и продуктов реакции, т. е. для каждой реакции количество теплоты, которое выделится (поглотится), зависит только от природы веществ и их количества.
Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903)
Американский физико-химик и математик, один из основателей химической термодинамики. В 19 лет закончил Йельский университет, а через пять лет защитил диссертацию и в должности профессора преподавал там латынь, математику и математическую физику. Основные исследования Гиббса были связаны с изучением тепловых процессов в химии, где он достиг выдающихся результатов. Его именем названы многие из разработанных им понятий химической термодинамики: энергия Гиббса, парадокс Гиббса, каноническое распределение Гиббса и др. В 40 лет был избран в Национальную академию наук США. До сих пор в его работах не найдено ни одной ошибки, а все его идеи используют в современной науке.
Тепловые эффекты реакций изучает специальный раздел химии — термохимия. Основателем термохимии считают Германа Гесса, но самый больший вклад в ее развитие сделал Джозайя Гиббс, который
применил законы физики и математическое моделирование для изучения химических процессов и основал новый раздел химии — химическую термодинамику.
Лингвистическая задача
1. На греческом exo означает «извне», endon — «внутри». Что, по вашему мнению, означают термины «экзотермический» и «эндотермический»?
2. На латыни calor и на греческом therme означает «теплота». Dynamis — греческое слово, означающее «сила, мощь», а kinetikos — «то, что приводит в движение». Предположите, какое значение имеют термины «калория», «калориметрия», «термометр», «термодинамика», «химическая кинетика».
Ключевая идея
В процессе эндотермических реакций реакционная среда охлаждается, а в экзотермических — нагревается.
Контрольные вопросы
200. Дайте определение понятиям «тепловой эффект реакции», «эндотермическая реакция», «экзотермическая реакция».
201. Приведите примеры экзотермических и эндотермических реакций.
202. Как обозначают изменение энтальпии реакции? В каких единицах ее измеряют?
203. Как по значению изменения энтальпии реакции определить, является химическая реакция экзотермической или эндотермической?
204. Почему при химических реакциях обязательно происходит выделение или поглощение энергии? Ответ поясните.
205. Как изменяется температура реакционной среды, если происходит экзотермическая реакция? эндотермическая реакция?
206. Как можно различить экзо- и эндотермические реакции?
Задания для усвоения материала
207. Как вы считаете, почему большинство реакций разложения являются эндотермическими?
208. Процессы выращивания пшеницы и изготовления из нее хлеба требуют энергии. Сначала растение поглощает солнечный свет и превращает углекислый газ и воду в углеводы в процессе фотосинтеза. Пшеницу собирают и перемалывают в муку. Муку привозят в пекарню, где выпекают хлеб. Хлеб употребляют в пищу люди. Энергия из пищи расходуется человеком для физической активности. Какие формы энергии и как превращаются из одной формы в другую в этих процессах?
209. Предложите план эксперимента для определения теплового эффекта химической реакции. Какие измерения вы должны сделать для достижения цели? Какие факторы будут влиять на точность эксперимента?
Это материал учебника Химия 9 класс Григорович