Тепловой эффект реакции и термохимические уравнения
Расчёт теплоты по термохимическому уравнению входит в расчётные задания ЕГЭ и решается в три действия. Вот типичный вариант.
Задача 1. По термохимическому уравнению C + O2 → CO2 + 393 кДж вычисли количество теплоты, которое выделится при сгорании 60 г угля.
Молярная масса углерода равна 12 г/моль, количество вещества: 60 / 12 = 5 моль.
По уравнению 1 моль углерода даёт 393 кДж.
Теплота пропорциональна количеству вещества: 5 · 393 = 1965 кДж.
Ответ: 1965 кДж.
Тепловой эффект — теплота реакции в расчёте на коэффициенты уравнения
Реакции, которые идут с выделением теплоты, называют экзотермическими. Горение угля, метана и водорода, нейтрализация кислоты щёлочью, гашение извести — все они экзотермические. Реакции с поглощением теплоты называют эндотермическими: разложение карбоната кальция при прокаливании, реакция азота с кислородом N2 + O2 → 2NO в разряде молнии, фотосинтез в листьях.
Тепловой эффект обозначают буквой Q и записывают в правой части уравнения со знаком плюс или минус. Уравнение, в котором указан тепловой эффект, называют термохимическим. Образование 1 моль жидкой воды из водорода и кислорода выделяет 286 кДж, поэтому
2H2(г) + O2(г) → 2H2O(ж) + 572 кДж.
Число 572 относится ко всему уравнению, то есть к 2 моль воды. Обратная реакция идёт с поглощением той же теплоты: 2H2O(ж) → 2H2(г) + O2(г) − 572 кДж.
Теплота берётся из энергии химических связей. При реакции рвутся старые связи, и на это энергия тратится, а при образовании новых связей энергия выделяется. Если новые связи в продуктах прочнее старых, разница уходит в окружающую среду в виде теплоты, и реакция экзотермическая; если слабее, недостающую энергию реакция забирает из окружающей среды.
В термохимическом уравнении важны агрегатные состояния и дробные коэффициенты
Буквы (г), (ж) и (тв) после формул не украшение. Пар при конденсации отдаёт теплоту, поэтому при образовании водяного пара выделяется меньше энергии, чем при образовании жидкой воды. Без указания состояния число теряет смысл.
Коэффициенты в термохимическом уравнении означают количества вещества в молях, а не число молекул. Поэтому они бывают дробными: H2(г) + ½O2(г) → H2O(ж) + 286 кДж. Такая запись удобна, когда тепловой эффект нужно отнести к 1 моль продукта.
В научной литературе и многих учебниках вместо Q пишут изменение энтальпии ΔH. Знак у них противоположный: ΔH = −Q. Для горения углерода ΔH равно −393 кДж.
Подготовка к контрольной и экзамену в малой группе
Расчёты по термохимическим уравнениям в онлайн-школе «Моя школа LS» отрабатывают на живых уроках с учителем химии. Малые группы, 1–11 класс, подготовка к контрольным и ЕГЭ.
По теплоте сгорания сравнивают виды топлива
Термохимические уравнения дают простой способ сравнить топливо на грамм массы, и у водорода выходит 286 / 2 = 143 кДж на грамм. Метан, главная часть природного газа: 890 / 16 ≈ 55,6 кДж на грамм. Уголь, если считать его чистым углеродом: 393 / 12 = 32,75 кДж на грамм. Водород далеко впереди. Сгорая, он даёт только воду. Но хранить и перевозить его гораздо сложнее, чем газ или уголь.
Закон Гесса связывает теплоты разных реакций
Герман Иванович Гесс сформулировал закон постоянства сумм теплот реакций в 1840 году. Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от пути, по которому идёт процесс. Сжечь углерод сразу до CO2 или сначала до CO, а потом до CO2, — суммарная теплота одна и та же.
На законе Гесса построены расчёты теплот образования. Теплотой образования называют теплоту реакции получения 1 моль вещества из простых веществ в их устойчивой форме. У таких простых веществ (O2, H2, графит) она принята равной нулю, у озона и алмаза — нет, у CO2 составляет 393 кДж/моль, у жидкой воды 286 кДж/моль. Тепловой эффект любой реакции равен сумме теплот образования продуктов минус сумма теплот образования реагентов, с учётом коэффициентов.
Закон Гесса нужен там, где теплоту нельзя измерить напрямую. Пример — угарный газ. Углерод нельзя сжечь строго до CO: часть его всё равно сгорит до CO2. Поэтому теплоту реакции C + ½O2 → CO находят вычитанием: из 393 кДж, которые даёт сгорание углерода до CO2, вычитают теплоту сгорания CO до CO2. По той же схеме решается задача 3 ниже.
Ошибаются в знаке ΔH и в том, к чему относится число килоджоулей
❌ Теплоту в уравнении относят к 1 моль любого вещества. ✅ Она относится к количествам, равным коэффициентам: 572 кДж — на 2 моль воды.
❌ У экзотермической реакции ΔH положительно. ✅ ΔH = −Q, у экзотермической реакции ΔH отрицательно.
❌ Агрегатное состояние воды можно не писать. ✅ Для пара и жидкости тепловые эффекты разные.
Задача 2. Горение метана описывает уравнение CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(ж) + 890 кДж. Вычисли объём метана (н. у.), при сгорании которого выделилось 2225 кДж теплоты.
На 1 моль метана приходится 890 кДж.
Количество метана: 2225 / 890 = 2,5 моль.
Объём при нормальных условиях: 2,5 · 22,4 = 56 л.
Ответ: 56 л метана.
Задача 3. Теплоты сгорания углерода, водорода (до жидкой воды) и метана равны 393, 286 и 890 кДж/моль. Вычисли теплоту образования метана по реакции C + 2H2 → CH4.
По закону Гесса получим метан и сразу сожжём его. Продукты будут те же, что при сгорании углерода и двух моль водорода по отдельности: CO2 и 2H2O.
Теплота сгорания 1 моль углерода и 2 моль водорода: 393 + 2 · 286 = 965 кДж.
Эта теплота равна сумме теплоты образования метана и теплоты его сгорания. Отсюда Q = 965 − 890 = 75 кДж.
Уравнение: C(тв) + 2H2(г) → CH4(г) + 75 кДж.
Ответ: 75 кДж/моль.
Это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при реакции в количествах веществ, указанных коэффициентами уравнения. Его записывают в правой части: C + O2 → CO2 + 393 кДж означает, что на 1 моль сгоревшего углерода выделяется 393 кДж.
На 1 моль метана приходится вдвое больше теплоты: 445 · 2 = 890 кДж.
Уравнение: CH4(г) + 2O2(г) → CO2(г) + 2H2O(ж) + 890 кДж.
Q и ΔH всегда противоположны по знаку: ΔH = −Q. Экзотермическая реакция выделяет теплоту, у неё Q положительна, а ΔH отрицательна. В школьной записи с «+ Q» в правой части достаточно смотреть на знак перед числом килоджоулей.
Оцените урок:
