2. Корыстные и бескорыстные
реакции
(тепловой эффект реакции)
Очень многие химические реакции, которые мы можем наблюдать каждый день, в том числе и в быту, идут с выделением тепловой энергии. Мы используем теплоту, выделяющуюся при горении газа на кухне, бензина в моторе автомобиля, дров в печке, угля или мазута в котельной. Много теплоты выделяется также при горении на воздухе фосфора, магния, других веществ, при растворении металлов в кислотах, при нейтрализации кислот щелочами и в ходе множества других химических превращений. Мы уже убедились, что химическая энергия, запасенная в химических соединениях, может намного превышать потенциальную - механическую и даже тепловую энергию в окружающих нас телах. Так, при сгорании 1 моль водорода в 0,5 моль кислорода (при этом получается всего 18 г воды — (на донышке стакана) выделяется 290 кДж, что почти в 30 раз превышает энергию, которая необходима для поднятия груза массой 1 кг на высоту 1 км; этой энергии хватит, чтобы вскипятить около 1 л воды.
При сжигании 1 моль угля (небольшой кусочек массой всего 12 г) выделяется еще больше тепловой энергии — около 400 кДж. А вот пример реакции другого типа: при растворении в кислоте 1 моль цинка (он занимает объем менее половины спичечного коробка) выделяется в виде теплоты около 150 кДж. Химические реакции, сопровождающиеся выделением тепловой энергии, называются экзотермическими (от греческого "экзо" — снаружи). В экзотермических реакциях внутренняя энергия продуктов меньше, чем у исходных веществ, взятых при одинаковой температуре.
В ходе экзотермической реакции за счет выделения тепловой энергии происходит нагрев продуктов реакции (а также не успевших прореагировать исходных веществ), а уже от них нагревается окружающая среда. При этом химическая энергия системы уменьшается.
Известно немало химических реакций, в ходе которых происходит не выделение, а поглощение тепловой энергии из окружающей среды (а также из самих реагентов). В этом случае химическая энергия системы увеличивается, а термометр показывает, что температура понижается. Химическая реакция, сопровождающаяся поглощением тепловой энергии из окружающей среды, называется эндотермической (от греческого "эндо" — внутри). В эндотермических реакциях внутренняя энергия продуктов больше, чем у исходных веществ (взятых при одинаковых температурах).
Энергия, которая выделяется или поглощается в химической реакции, называется тепловым эффектом этой реакции. Этот термин принят повсеместно, хотя точнее было бы говорить об энергетическом эффекте реакции.
Важно отметить, что температура самой реагирующей системы может оставаться постоянной в ходе как экзо—, так и эндотермической реакции. Для этого в случае экзотермической реакции надо обеспечить непрерывный отвод тепла в окружающую среду — с той скоростью, с какой она выделяется за счет реакции. Наоборот, в случае эндотермической реакции для поддержания неизменной температуры реагирующей системы необходимо подводить к ней тепловую энергию. Поэтому тепловой эффект реакции можно определить и таким образом: это количество энергии, которое следует отвести от продуктов экзотермической реакции или подвести к продуктам эндотермической реакции, чтобы продукты имели такую же температуру, как и исходные вещества.
Эндотермические реакции чаще всего протекают при высоких температурах; в дальнейшем мы выясним, почему это так. К эндотермическим относятся многие реакции разложения, например,
СаСО3 = СаО + СО2
Сu(ОН)2 = СuО + Н2О
Реже можно наблюдать эндотермические реакции при обычных условиях. Например, если к розовым кристаллам шестиводного хлорида кобальта добавить жидкий оксид-хлорид серы (тионилхлорид), то протекает бурная реакция, сопровождающаяся выделением большого количества резко пахнущих газообразных продуктов - хлороводорода и оксида серы (IV); одновременно розовые кристаллы превращаются в фиолетовые (цвет обезвоженного хлорида кобальта). Уравнение этой реакции довольно простое:
СоCl2-бН2О + 6 SOCI2 = СоС1з+ 6 SO2 + 12 НС1.
Термометр, опущенный в реагирующую смесь, показывает сильное понижение температуры - значительно ниже 0°С, особенно если реакцию проводить в термосе (сосуде Дьюара), затрудняющем подвод тепла из окружающей среды. Так что эта реакция представляет собой своеобразный "химический холодильник".
В соответствии с законом сохранения энергии тепловой эффект химической реакции численно равен разности между химической энергией всех продуктов реакции и всех исходных веществ. При этом, конечно, продукты реакции и исходные вещества должны находиться при одной температуре. Если реакция осуществляется при постоянном давлении, её тепловой эффект обозначают символом DН (от английского heat — теплота; греческая буква дельта означает "разность"); величину DН называют также энтальпией реакции. Знак DН для теплового эффекта химической реакции выбирают, становясь как бы на "точку зрения" самой системы, а не внешнего наблюдателя. Так, если реакция экзотермическая, т.е. реагирующая система теряет энергию, отдавая ее окружающей среде, знак DН будет отрицательным. Действительно, в этом случае химическая энергия продуктов будет алгебраически меньшей, чем у исходных веществ, поэтому разность имеет отрицательный знак.
Если же реакция эндотермическая, т.е. реагирующая система получает энергию, поглощая теплоту из окружающей среды, знак DН будет положительным. В этом случае химическая энергия продуктов будет большей, чем у исходных веществ, соответственно вычитание из большей величины меньшей дает величину положительную.
Тепловой эффект химических реакций выражают л единицах энергии. Энергия отдельных атомов и молекул - величина очень маленькая. Поэтому тепловые эффекты химических реакций относят обычно к одному молю одного из участников реакции -исходного вещества или продукта и выражают в единицах Дж/моль или кДж/моль. Отсюда следует, что тепловой эффект данной реакции может оказаться величиной неоднозначной, если не указать конкретно, к молю какого вещества он относится. Например, если записать уравнение реакции образования озона из кислорода (эта реакция эндотермическая)
302 = 203
и сказать, что ее тепловой эффект DН = 112 кДж/моль, то останется неясным, моль какого соединения - кислорода или озона - имеется в виду. Указанный тепловой эффект в действительности относится к 1 моль озона. Это означает, что при образовании 1 моль озона из 1,5 моль кислорода в. соответствии с уравнением реакции
3/2 О2 = О3
поглощается 142 кДж энергии. Если же записать реакцию в виде
3О2 = 2О3
то ее тепловой эффект DН равен 284 кДж (на 3 моль О;; или на 2 моль Оз). Аналогично для реакции горения водорода в кислороде (реакция экзотермическая) тепловой эффект DН = -242 кДж (на 1 моль водорода). Это означает, что при сгорании 1 моль водорода в 0,5 моль кислорода в соответствии с уравнением реакции
Н2 + 1/2 О2= Н2О
выделяется 242 кДж энергии. Это же значение можно с равным правом отнести и к 1 моль воды. Возможна и такая запись: для реакции
2Н2 + О2 = 2H2О DН = -484 кДж.
Почему же одни реакции идут с выделением энергии, а другие с ее поглощением? Проще всего это понять на примере реакций, в которых участвуют простые молекулы, а число разрываемых и вновь образуемых химических связей невелико (ведь именно в химических связях сосредоточена химическая энергия вещества). Рассмотрим, например, реакцию водорода с хлором:
Н2 + Cl2 = 2HCI.
В результате этой реакции происходит разрыв двух химических связей — в молекулах водорода и хлора — и образуются две новые химические связи в молекулах
хлороводорода. При этом выделяется энергии больше, чем было затрачено на разрыв связей, так как две связи Н-С1 в сумме прочнее, чем связи Н—Н и С1—С1. Следовательно, реакция водорода с хлором - экзотермическая. В случае же образования оксида азота (II):
N2 + О2 = 2NO
образуются менее прочные связи в оксиде азота, чем разрываемые связи в молекулах азота и кислорода. В результате, реакция в целом требует затраты энергии и является эндотермической.
Такой анализ теплового эффекта реакции (по энергиям! разрываемых и образующихся связей) может быть проведен только для самых простых реакций. Возникает вопрос о возможности расчета тепловых эффектов любых химических реакций, в том числе и более сложных. Как, например, рассчитать тепловой эффект реакции разложения карбоната кальция? Это соединение немолекулярного строения, поэтому затруднительно точно определить, какие именно связи разрываются в СаСО3, какова их энергия, и какие связи образуются в - СаО. Решают такие задачи другим способом, о чем будет рассказано в следующем разделе.
Назад
Поддержите сайт, поставте на нас ссылку. | |
| Пример ссылки | Код ссылки |
| Мир химии | |
| Выбрать другой баннер... | |
