Химия 11 класс 11-Х-4

Тепловые эффекты химических реакций

Если при распаде активированного комплекса выделяется больше энергии, чем это необходимо для активации частиц, то реакция будет экзотермической (HконHнач=ΔH<0H_{\text{кон}} – H_{\text{нач}} = \Delta H < 0), как это изображено на рисунке. Тогда обратный процесс разложения двух молекул AB\mathrm{AB} на молекулы A2\mathrm{A_2} и B2\mathrm{B_2} должен быть эндотермическим, поскольку он также протекает через образование активированного комплекса A2B2\mathrm{A_2B_2}, но с более высокой, чем для прямого процесса, энергией активации.

В эндотермической реакции выделение энергии при распаде активированного комплекса меньше, чем энергия активации. Для прохождения таких реакций требуется энергия извне.

ΔH\Delta H – тепловой эффект реакции или энтальпия, это разность энергий конечного и начального состояний системы, т.е. ΔH=HконHисх\Delta H = H_{\text{кон}} – H_{\text{исх}}.

Тепловой эффект реакции можно обозначать и традиционно как QQ. Числовое значение ΔH\Delta H и QQ одинаковое, различны знаки: в экзотермической реакции, проходящей с выделением тепла, ΔH<0\Delta H < 0, а Q>0Q > 0. В эндотермической реакции наоборот: ΔH>0\Delta H > 0, а Q<0Q < 0. Объясняется это тем, что ΔH\Delta H характеризует состояние системы, а QQ – состояние окружающей среды: если система энергию теряет (ΔH<0\Delta H < 0), то окружающая среда её получает (Q>0Q > 0). И наоборот.

При малой энергии активации EактE_{\text{акт}} за определённое время протекания реакции энергетический барьер преодолеет большое количество частиц, т. е. скорость реакции будет высокой. При большой энергии активации скорость реакции будет мала.

Теплотой образования (QобрQ_{\text{обр}} или ΔHобр\Delta H_{\text{обр}}) вещества называют количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся при образовании одного моль вещества из простых веществ, например:

2C(графит)+3H2(газ)+0,5O2(газ) C2H5OH(ж)+278кДж\mathrm{2C_{(\text{графит})} + 3H_{2(\text{газ})} + 0,5O_{2(\text{газ})} \Rightarrow  C_2H_5OH_{(\text{ж})} + 278\text{кДж}}

Qобр(C2H5OH)= 278кДж/мольQ_{\text{обр}}(\mathrm{C_2H_5OH}) = 278\text{кДж}/\text{моль}.

Тепловые эффекты образования простых веществ равны нулю.

Тепловые эффекты химических реакций довольно высоки, поэтому часто их выражают не в Дж, а в кДж. При составлении термохимического уравнения обязательно нужно указывать агрегатное состояние исходных веществ и продуктов, так как от этого зависит тепловой эффект процесса. Коэффициенты в уравнении могут быть нецелочисленными.

Теплота сгорания (QсгорQ_{\text{сгор}} или ΔHсгор\Delta H_{\text{сгор}}) вещества – это количество теплоты, выделяющейся при сгорании одного моль вещества до высших оксидов. Например:
C3H6(газ)+4,5O2(газ)3CO2(газ)+3H2O(газ)+2063кДж/моль\mathrm{ C_3H_{6(\text{газ})} + 4,5O_{2(газ)} → 3CO_{2(\text{газ})} + 3H_2O_{(\text{газ})} + 2063 \text{кДж}/\text{моль} }

Qобр(C2H5OH)=2063Q_{\text{обр}} (\mathrm{C_2H_5OH}) = 2063 кДж/моль.

Пример 5

При сгорании 3-метилгексанола-3 массой 29 г в избытке кислорода выделилось 875 кДж тепла. Определите теплоты сгорания спирта.

Решение

1) Записываем термохимическое уравнение процесса и определяем количество вещества сгоревшего спирта:

C7H16O(ж)+10,5O2(г)7CO2(г)+8H2O(г)\mathrm{C_7H_{16}O_{(\text{ж})} + 10,5O_{2(\text{г})} \Rightarrow 7CO_{2(\text{г})} + 8H_2O_{(\text{г})} }

ν(спирта)=mM=29г116г/моль=0,25моль\nu_{(\text{спирта})} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{29\text{г}}{116\text{г}/\text{моль}} = 0,25\text{моль}

2) Определяем теплоты сгорания спирта:

Qсгорспирта=Qν=875кДж0,25моль=3500кДж/мольQ_{\text{сгор}}\left(\text{спирта}\right) = \dfrac{Q}{\nu} = \dfrac{875\text{кДж}}{0,25\text{моль}} = 3500\text{кДж}/\text{моль}

Ответ: Qсгорспирта= 3500кДж/мольQ_{\text{сгор}}\left(\text{спирта}\right) = 3500\text{кДж}/\text{моль}.

Пример 6

При взаимодействии фосфора массой 55,8 г с хлором образовалась смесь хлоридов фосфора (III) и (V) и выделилось 750,5 кДж теплоты. Определите объём прореагировавшего хлора (н. у.), если теплоты образования PCl3\mathrm{PCl_3} и PCl5\mathrm{PCl_5} соответственно равны 318 и 455 кДж/моль.

Решение

1) Записываем термохимические уравнения реакций и определяем количество вещества прореагировавшего фосфора:

$$ \mathrm{\mathop{P_{(\text{тв})}}^{x \: \text{моль}} + \mathop{1,5Cl_{2(\text{г})}}^{1,5x \: \text{моль}} \Rightarrow \mathop{PCl_{3(\text{ж})}}^{x \: \text{моль}} + 318x\: \text{кДж}   } $$

$$\mathrm{\mathop{P_{(\text{тв})}}^{y \: \text{моль}} + \mathop{2,5Cl_{2(\text{г})}}^{2,5x \: \text{моль}} \Rightarrow \mathop{PCl_{3(\text{ж})}}^{y \: \text{моль}} + 455y\: \text{кДж}   } $$

νобщP=mM=55,8г31г/моль=1,8 моль\nu_{\text{общ}}\left(\mathrm{P}\right) = \dfrac{m}{M} = \dfrac{55,8 \text{г}}{31\text{г}/\text{моль}} = 1,8 \text{моль}

Пусть количество вещества фосфора, вступившего в первую реакцию будет xx моль, а во вторую – yy моль. Тогда x+y=1,8x + y = 1,8.

Тепловой эффект реакции Q=ν·QобрQ = \nu \cdot Q_{\text{обр}}.

Тогда 318x+455y=750,5318x + 455y = 750,5.

Составляем и решаем систему уравнений:

$$\begin{cases} x + y = 1,8, \\ 318x + 455y = 750,5 \end{cases} \Leftrightarrow \begin{cases} x = 0,5,\\ y = 1,3. \end{cases} $$

3) Рассчитываем количество вещества вступившего в реакцию хлора и определяем его объём:

νCl2=1,5x+2,5y=1,5·0,5+2,5·1,3=4моль\nu\left(\mathrm{Cl_2}\right) = 1,5x + 2,5y = 1,5\cdot 0,5 + 2,5\cdot 1,3 = 4\text{моль}

VCl2=ν·VM= 4моль·22,4л/моль=89,6лV\left(\mathrm{Cl_2}\right) = \nu \cdot V_M = 4\text{моль} \cdot 22,4 \text{л}/\text{моль} = 89,6\text{л}

Ответ: VCl2= 89,6лV\left(\mathrm{Cl_2}\right) = 89,6\text{л}.