Экзотермическая реакция – химическая реакция, при которой происходит выделение теплоты.
Если при экзотермической реакции теплота не успевает отводиться, то реакционная система нагревается.
Например, в реакции горения метана
СН4(г) + 2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(г)
выделяется столько теплоты, что метан используется как топливо.
Тот факт, что в этой реакции выделяется теплота, можно отразить в уравнении реакции:
СН4(г) + 2О2(г) = СО2(г) + 2Н2О(г) + Q.
Это так называемое термохимическое уравнение. Здесь символ "+Q" означает, что при сжигании метана выделяется теплота. Эта теплота называется тепловым эффектом реакции.
Откуда же берется выделяющаяся теплота?
Вы знаете, что при химических реакциях рвутся и образуются химические связи. В данном случае рвутся связи между атомами углерода и водорода в молекулах СН4, а также между атомами кислорода в молекулах О2. При этом образуются новые связи: между атомами углерода и кислорода в молекулах СО2 и между атомами кислорода и водорода в молекулах Н2О. Для разрыва связей нужно затратить энергию (см. "энергия связи" , "энергия атомизации" ), а при образовании связей энергия выделяется. Очевидно, что, если "новые" связи более прочные, чем "старые" , то энергии выделится больше, чем поглотится. Разность между выделившейся и поглощенной энергией и составляет тепловой эффект реакции.
Тепловой эффект (количество теплоты) измеряется в килоджоулях, например:
2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 484 кДж.
Такая запись означает, что 484 килоджоуля теплоты выделится, если два моля водорода прореагируют с одним молем кислорода и при этом образуется два моля газообразной воды (водяного пара).
Таким образом, в термохимических уравнениях коэффициенты численно равны количествам вещества реагентов и продуктов реакции.
|
Термохимическое уравнение реакции – уравнение реакции, включающее тепловой эффект реакции, рассчитанный на количества вещества, задаваемые коэффициентами этого уравнения. |
От чего зависит тепловой эффект каждой конкретной реакции?
Тепловой эффект реакции зависит
а) от агрегатных состояний исходных веществ и продуктов реакции,
б) от температуры и
в) от того, происходит ли химическое превращение при постоянном объеме или при постоянном давлении.
Зависимость теплового эффекта реакции от агрегатного состояния веществ связана с тем, что процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое (как и некоторые другие физические процессы) сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Это также может быть выражено термохимическим уравнением. Пример – термохимическое уравнение конденсации водяного пара:
Н2О(г) = Н2О(ж) + Q.
В термохимических уравнениях, а при необходимости и в обычных химических уравнениях, агрегатные состояния веществ указываются с помощью буквенных индексов:
(г) – газ,
(ж) – жидкость,
(т) или (кр) – твердое или кристаллическое вещество.
Зависимость теплового эффекта от температуры связана с различиями в теплоемкостях исходных веществ и продуктов реакции.
Так как в результате экзотермической реакции при постоянном давлении всегда увеличивается объем системы, то часть энергии уходит на совершение работы по увеличению объема, и выделяющаяся теплота будет меньше, чем в случае протекания той же реакции при постоянном объеме.
Тепловые эффекты реакций обычно рассчитывают для реакций, протекающих при постоянном объеме при 25 ° С и обозначают символом Qo.
Если энергия выделяется только в виде теплоты, а химическая реакция протекает при постоянном объеме, то тепловой эффект реакции (QV) равен изменению внутренней энергии (D U) веществ-участников реакции, но с противоположным знаком:
QV = – Δ U.
Под внутренней энергией тела понимают суммарную энергию межмолекулярных взаимодействий, химических связей, энергию ионизации всех электронов, энергию связей нуклонов в ядрах и все прочие известные и неизвестные виды энергии, " запасенные" этим телом. Знак " – " обусловлен тем, что при выделении теплоты внутренняя энергия уменьшается. То есть
Δ U = – QV .
Если же реакция протекает при постоянном давлении, то объем системы может изменяться. На совершение работы по увеличению объема также уходит часть внутренней энергии. В этом случае
Δ U = – (QP + A) = –(QP + PΔ V),
где Qp – тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении. Отсюда
QP = –Δ U – PΔ V .
Величина, равная Δ U + PΔ V получила название изменение энтальпии и обозначается D H.
Δ H = Δ U + PΔ V.
Следовательно
QP = – Δ H.
Таким образом, при выделении теплоты энтальпия системы уменьшается. Отсюда старое название этой величины: " теплосодержание" .
В отличие от теплового эффекта, изменение энтальпии характеризует реакцию независимо от того, протекает она при постоянном объеме или постоянном давлении. Термохимические уравнения, записанные с использованием изменения энтальпии, называются термохимическими уравнениями в термодинамической форме. При этом приводится значение изменения энтальпии в стандартных условиях (25 °С, 101,3 кПа), обозначаемое Δ Hо. Например:
2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) Δ Hо = – 484 кДж;
CaO(кр) + H2O(ж) = Сa(OH)2(кр) Δ Hо = – 65 кДж.
Зависимость количества теплоты, выделяющейся в реакции (Q) от теплового эффекта реакции (Qo) и количества вещества (nБ) одного из участников реакции (вещества Б – исходного вещества или продукта реакции) выражается уравнением:
Здесь Δ Б – количество вещества Б, задаваемое коэффициентом перед формулой вещества Б в термохимическом уравнении.
Задача
Определите количество вещества водорода, сгоревшего в кислороде, если при этом выделилось 1694 кДж теплоты.
Решение
|
n(Н2) –? |
2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 484 кДж. |
|
Q = 1694 кДж, Δ (Н2) = 2 моль, Qo = 484 кДж. |
= 2 мольЧ (1694 кДж/484 кДж) = 7 моль. |
Ответ: n(H2O) = 7 моль.