Тепловий ефект реакції і термохімічні рівняння

Кожна хімічна реакція супроводжується зміною енергії. Цю зміну зазвичай спостерігають як виділення або поглинання теплоти. Саме цю кількість теплоти називають тепловим ефектом реакції. Його вимірюють у кілоджоулях (кДж). Якщо реакція виділяє теплоту в довкілля — вона екзотермічна, якщо поглинає — ендотермічна.

Чому взагалі виділяється чи поглинається теплота? Уявімо, що відбувається на молекулярному рівні. Щоб реагенти прореагували, спочатку треба розірвати хімічні зв'язки між їхніми атомами. На розрив зв'язків потрібна енергія — її поглинає система. Потім із вільних атомів утворюються нові зв'язки — зв'язки продуктів. Під час утворення зв'язків енергія виділяється.

Якщо енергія, що виділилася під час утворення нових зв'язків, більша за енергію, витрачену на розрив старих, то в підсумку теплота виділяється — реакція екзотермічна (ΔH < 0). Якщо ж на розрив зв'язків енергії витрачено більше, ніж виділилося під час утворення нових, — реакція ендотермічна, теплота поглинається з довкілля.

Енергетична діаграма

Зручно уявити тепловий ефект за допомогою енергетичної діаграми. По вертикалі відкладають енергію системи, по горизонталі — перебіг реакції.

В екзотермічній реакції рівень енергії продуктів нижчий за рівень реагентів. Різниця між цими рівнями — це і є тепловий ефект, який виділяється в довкілля. В ендотермічній реакції, навпаки, продукти мають вищу енергію, ніж реагенти, тому різницю енергії система поглинає ззовні.

Важливо розуміти: тепловий ефект — це не вся енергія системи, а лише різниця між енергією продуктів і реагентів. Саме цю різницю позначають символом ΔH (зміна ентальпії) — про це йтиметься в наступному розділі.

У сучасній хімії тепловий ефект реакції позначають символом ΔH (читається «дельта аш»). ΔH — це зміна ентальпії системи під час реакції. Ентальпія — це запас енергії, який має речовина за сталого тиску. Нас цікавить не сама ентальпія, а її зміна: ΔH = H(продуктів) − H(реагентів).

Правило знака

Якщо реакція екзотермічна (теплота виділяється), система втрачає енергію. Енергія продуктів менша за енергію реагентів, тому ΔH має від'ємне значення: ΔH < 0.

Якщо реакція ендотермічна (теплота поглинається), система набуває енергії. Енергія продуктів більша за енергію реагентів, тому ΔH має додатне значення: ΔH > 0.

Старий запис: «+ Q» у рівнянні

У підручниках минулих років теплоту часто записували безпосередньо в рівнянні. Якщо теплота стояла в правій частині зі знаком «+», це означало, що вона виділяється (екзотермічна реакція). Якщо зі знаком «−» — поглинається (ендотермічна). Наприклад:

• 2H₂ + O₂ = 2H₂O + 572 кДж — теплота «праворуч», виділяється; у сучасному записі це ΔH = −572 кДж

• CaCO₃ = CaO + CO₂ − 178 кДж — теплота «віднімається», поглинається; у сучасному записі ΔH = +178 кДж

Зверни увагу: знак Q (теплоти в рівнянні) протилежний знаку ΔH. «+ Q» праворуч означає ΔH < 0, а «− Q» праворуч означає ΔH > 0. Такий запис трапляється в старих підручниках. У програмі й завданнях НМТ тепловий ефект позначають ΔH.

Приклади екзотермічних реакцій

• Горіння: метану CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, вугілля C + O₂ → CO₂, водню 2H₂ + O₂ → 2H₂O

• Нейтралізація: HCl + NaOH → NaCl + H₂O

• Гасіння вапна: CaO + H₂O → Ca(OH)₂

• Взаємодія активних металів з кислотами й водою: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

• Дихання (окиснення глюкози): C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O

Приклади ендотермічних реакцій

• Розклад кальцій карбонату: CaCO₃ → CaO + CO₂ (потрібне постійне нагрівання)

• Розклад купрум(II) гідроксиду: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O (потрібне нагрівання)

• Фотосинтез: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

• Утворення нітроген(II) оксиду: N₂ + O₂ → 2NO (у розряді блискавки)

• Взаємодія вуглецю з вуглекислим газом: C + CO₂ → 2CO

Винятки, які треба пам'ятати

Більшість реакцій сполучення — екзотермічні, але N₂ + O₂ → 2NO — ендотермічна. Більшість реакцій розкладу — ендотермічні, але 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ — екзотермічна (розклад гідроген пероксиду відбувається з виділенням теплоти). Тому не можна визначати тип реакції лише за її класом — завжди дивись на знак ΔH або на запис теплоти.

Термохімічне рівняння — це хімічне рівняння, у якому зазначено агрегатні стани речовин і тепловий ефект реакції (ΔH). Наприклад:

2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(р); ΔH = −572 кДж

Позначки в дужках: (г) — газ, (р) — рідина, (т) — тверда речовина. Агрегатний стан речовини впливає на її енергію, тому його обов'язково вказують.

Чому агрегатний стан важливий

Та сама речовина в різних агрегатних станах має різний запас енергії. Наприклад, водяна пара містить більше енергії, ніж рідка вода, тому що частина енергії витратилася на випаровування. Порівняй:

• 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(р); ΔH = −572 кДж — утворюється рідка вода

• 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(г); ΔH = −484 кДж — утворюється водяна пара

Різниця між −572 кДж і −484 кДж становить 88 кДж — це енергія, яка «залишилася» в парі й не виділилася як теплота. Отже, якщо в умові задачі не вказано агрегатний стан води, тепловий ефект може бути невизначеним.

Тепловий ефект і кількості речовин

Тепловий ефект у термохімічному рівнянні відповідає саме тим кількостям речовин, які записані коефіцієнтами. Для реакції 2H₂(г) + O₂(г) → 2H₂O(р); ΔH = −572 кДж це означає: якщо прореагує 2 моль H₂ і 1 моль O₂, виділиться 572 кДж теплоти.

Тому в термохімічних рівняннях допустимі дробові коефіцієнти. Те саме можна записати так:

H₂(г) + ½O₂(г) → H₂O(р); ΔH = −286 кДж

Тут ΔH = −286 кДж — це тепловий ефект на 1 моль H₂ (або на ½ моль O₂, або на 1 моль H₂O). Якщо коефіцієнти подвоїти, подвоюється й ΔH:

4H₂(г) + 2O₂(г) → 4H₂O(р); ΔH = −1144 кДж

Зворотна реакція

Зворотна реакція має той самий за величиною тепловий ефект, але з протилежним знаком. Якщо пряма реакція виділяє теплоту, то зворотна її поглинає, і навпаки. Наприклад:

• CaCO₃(т) → CaO(т) + CO₂(г); ΔH = +178 кДж — ендотермічний розклад

• CaO(т) + CO₂(г) → CaCO₃(т); ΔH = −178 кДж — екзотермічне сполучення

Ще приклади термохімічних рівнянь

• CH₄(г) + 2O₂(г) → CO₂(г) + 2H₂O(р); ΔH = −890 кДж — горіння метану

• N₂(г) + 3H₂(г) ⇄ 2NH₃(г); ΔH = −92 кДж — синтез амоніаку

• N₂(г) + O₂(г) → 2NO(г); ΔH = +180 кДж — утворення нітроген(II) оксиду

Важливо: програма НМТ не вимагає обчислювати теплоту за масою речовини. Ти маєш лише читати термохімічне рівняння: розуміти, який знак має ΔH, яким агрегатним станам і яким кількостям речовин він відповідає, і як зміниться ΔH для зворотної реакції.

На НМТ можуть описати дослід, не наводячи числового значення ΔH. Тобі треба за описом визначити, екзотермічна чи ендотермічна реакція.

Ознаки екзотермічної реакції в описі

• Пробірка нагрілася, посудина стала теплою на дотик.

• Спалахнуло полум'я, з'явилася іскра.

• Реакція триває сама після підпалювання (наприклад, горіння свічки триває, поки є парафін).

• Розчин розігрівся після додавання однієї речовини до іншої.

Ознаки ендотермічної реакції в описі

• Реакція йде лише за постійного нагрівання й припиняється, коли пальник прибрати.

• Посудина охолоджується, на дотик стає холодною.

• Для перебігу реакції потрібне безперервне підведення теплоти (наприклад, прожарювання вапняку).

Важливе уточнення: нагрівання для початку

Багато екзотермічних реакцій потребують початкового нагрівання, щоб «запустити» процес. Наприклад, вугілля чи метан треба підпалити, але після цього горіння триває самостійно й виділяє теплоту. Саме нагрівання для початку реакції ще не робить її ендотермічною. Ендотермічна реакція поглинає теплоту (ΔH > 0). Багато таких реакцій треба постійно нагрівати, і вони припиняються без зовнішнього нагрівання; але деякі відбуваються самі й забирають теплоту з довкілля — тоді посудина охолоджується.

Тепловий ефект фізичних процесів

Тепловий ефект мають не лише хімічні реакції, а й фізичні процеси. Випаровування води поглинає теплоту (ендотермічний процес), а конденсація пари — виділяє (екзотермічний). Розчинення амоній нітрату NH₄NO₃ у воді охолоджує розчин (ендотермічний процес), а розчинення концентрованої сульфатної кислоти H₂SO₄ сильно його нагріває (екзотермічний).

Практичне значення

Горіння палива (метану, бензину, вугілля) дає енергію для опалення помешкань і роботи двигунів — це екзотермічні реакції. Ендотермічний фотосинтез, навпаки, запасає енергію Сонця в хімічних зв'язках глюкози:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂; ΔH ≈ +2800 кДж

Саме тому фотосинтез — одна з найважливіших ендотермічних реакцій у природі: вона запасає сонячну енергію, яку потім використовують живі організми.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему теплового ефекту й термохімічних рівнянь.

Приклад 1. Укажіть термохімічне рівняння ендотермічної реакції

Завдання: серед наведених термохімічних рівнянь вибрати те, що описує ендотермічну реакцію.

Варіанти:

• CH₄(г) + 2O₂(г) → CO₂(г) + 2H₂O(р); ΔH = −890 кДж

• CaO(т) + H₂O(р) → Ca(OH)₂(т); ΔH = −65 кДж

• N₂(г) + O₂(г) → 2NO(г); ΔH = +180 кДж

• 2H₂O₂(р) → 2H₂O(р) + O₂(г); ΔH = −196 кДж

Розв'язання: ендотермічна реакція має ΔH > 0. Перевіряємо знак ΔH у кожному варіанті. Тільки в третьому рівнянні ΔH = +180 кДж — додатне значення. Усі інші мають від'ємний ΔH, тобто описують екзотермічні реакції.

Відповідь: N₂(г) + O₂(г) → 2NO(г); ΔH = +180 кДж.

Чому інші варіанти неправильні:

• Горіння метану (ΔH = −890 кДж) — типова екзотермічна реакція.

• Гасіння вапна CaO + H₂O (ΔH = −65 кДж) — екзотермічна, виділяє теплоту.

• Розклад H₂O₂ (ΔH = −196 кДж) — хоч це реакція розкладу, вона екзотермічна, що є винятком із загального правила.

Приклад 2. Дано 2SO₂(г) + O₂(г) ⇄ 2SO₃(г) + 198 кДж. Яке твердження правильне?

Завдання: вибрати правильне твердження про цю реакцію.

Розв'язання: у рівнянні теплота записана в правій частині зі знаком «+». Це старий запис, який означає, що теплота виділяється, тобто реакція екзотермічна. У сучасному позначенні ΔH = −198 кДж.

Відповідь: реакція екзотермічна, ΔH = −198 кДж.

Чому інші варіанти неправильні:

• ΔH = +198 кДж — помилка: знак Q перенесли в ΔH без зміни, а він має бути протилежним.

• Реакція ендотермічна — неправильно, бо теплота стоїть у правій частині.

• 198 кДж виділяється на 1 моль SO₂ — неправильно, бо тепловий ефект записано на 2 моль SO₂ (за коефіцієнтом).

Приклад 3. Дано H₂(г) + Cl₂(г) → 2HCl(г); ΔH = −184 кДж. Який тепловий ефект реакції 2HCl(г) → H₂(г) + Cl₂(г)?

Завдання: визначити ΔH для зворотної реакції.

Розв'язання: зворотна реакція має той самий за величиною тепловий ефект, але з протилежним знаком. Пряма реакція має ΔH = −184 кДж, отже, зворотна має ΔH = +184 кДж. Коефіцієнти в зворотній реакції (2HCl → H₂ + Cl₂) ті самі, що й у прямій, тому нічого ділити чи множити не треба.

Відповідь: +184 кДж.

Чому інші варіанти неправильні:

• −184 кДж — знак не змінили, а він має бути протилежним.

• +92 кДж або −92 кДж — помилково поділили на коефіцієнт 2, хоча кількості речовин у зворотній реакції ті самі.

Приклад 4. Який процес є екзотермічною реакцією?

Завдання: серед наведених процесів вибрати екзотермічну реакцію.

Варіанти:

• Фотосинтез

• Гасіння вапна CaO + H₂O → Ca(OH)₂

• Розкладання кальцій карбонату під час прожарювання

• Утворення NO з азоту й кисню в розряді блискавки

Розв'язання: згадуємо, які процеси екзотермічні. Гасіння вапна — відома екзотермічна реакція, яка супроводжується сильним розігріванням. Фотосинтез потребує енергії світла — ендотермічний. Розклад CaCO₃ потребує постійного нагрівання — ендотермічний. Утворення NO з N₂ і O₂ — ендотермічне (ΔH = +180 кДж).

Відповідь: гасіння вапна CaO + H₂O → Ca(OH)₂.

Розгляньмо типові помилки, яких припускаються учні в завданнях на цю тему.

• Плутають знак ΔH із записом «+ Q» у правій частині рівняння. Запам'ятай: «+ 572 кДж» праворуч означає, що теплота виділяється, а ΔH = −572 кДж. Знак Q протилежний знаку ΔH.

• Вважають реакцію, яку треба нагріти для початку, ендотермічною. Насправді багато екзотермічних реакцій (горіння метану, вугілля) потребують підпалювання, але після запуску виділяють теплоту. Ендотермічна реакція поглинає теплоту протягом усього перебігу, тому її зазвичай доводиться постійно нагрівати.

• Вважають усі реакції розкладу ендотермічними, а всі реакції сполучення — екзотермічними. Це не завжди правда: розклад гідроген пероксиду 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ — екзотермічний, а сполучення N₂ + O₂ → 2NO — ендотермічне. Завжди дивись на знак ΔH.

• Не змінюють знак ΔH для зворотної реакції. Якщо пряма реакція має ΔH = −184 кДж, то зворотна має ΔH = +184 кДж. Також помилково відносять тепловий ефект до 1 моль кожної речовини, а не до кількостей за коефіцієнтами.

• Не зважають на агрегатний стан речовин. Тепловий ефект утворення рідкої води (−572 кДж на 2 моль) і водяної пари (−484 кДж на 2 моль) різний, тому що частина енергії витрачається на випаровування.

Тема «Тепловий ефект реакції, термохімічне рівняння» входить до теми 1.2 програми НМТ з хімії. Вимоги програми: записувати термохімічні рівняння й розрізняти реакції за тепловим ефектом. Тепловий ефект у програмі позначають ΔH.

Формат завдань

Тему можуть перевіряти завданнями з вибором однієї відповіді (№ 1–18, 0 або 1 бал) або на встановлення відповідності (№ 19–20). Тепловий ефект в умовах подають як ΔH. Можливі формулювання:

• Визначити тип реакції за знаком ΔH чи термохімічним рівнянням.

• Вибрати екзотермічний (або ендотермічний) процес.

• Визначити ΔH для інших коефіцієнтів (наприклад, на 1 моль речовини).

• Визначити ΔH зворотної реакції.

Що не треба робити

У блоці 4 програми «Обчислення в хімії» вимог обчислювати теплоту за термохімічним рівнянням немає. Тема 1.2 вимагає читати рівняння, а не рахувати. Тобі не треба знаходити ΔH за масою речовини чи об'ємом газу — лише розуміти знак, агрегатні стани та зв'язок ΔH із коефіцієнтами.

Довідкові матеріали

Значень ΔH у довідкових матеріалах НМТ немає — знак і величину теплового ефекту беруть з умови завдання.

Стратегія розв'язання

• Якщо теплота записана в рівнянні (старий запис), переведи її в ΔH: «+ Q» праворуч → ΔH < 0; «− Q» праворуч → ΔH > 0.

• Подивися на знак ΔH: від'ємний — екзотермічна, додатний — ендотермічна.

• Зверни увагу на агрегатні стани — вони впливають на величину ΔH.

• Перевір, чи ΔH відповідає кількостям речовин за коефіцієнтами.

• Екзотермічна реакція: теплота виділяється, ΔH < 0. Ендотермічна реакція: теплота поглинається, ΔH > 0.

• «+ Q» праворуч у старому записі означає, що теплота виділяється, а ΔH < 0. Знак Q протилежний знаку ΔH.

• Термохімічне рівняння містить агрегатні стани речовин і ΔH для кількостей речовин, указаних коефіцієнтами.

• Зворотна реакція має той самий ΔH за величиною, але з протилежним знаком. Подвоєні коефіцієнти — подвоєний ΔH.

• Горіння, нейтралізація, гасіння вапна — екзотермічні. Розклад CaCO₃, фотосинтез, N₂ + O₂ → 2NO — ендотермічні.

• Нагрівання для початку реакції ще не означає, що вона ендотермічна. Звертай увагу на знак ΔH, а не на спосіб запуску реакції.