103

3. Химическая реакция

3.1. Тепловой эффект химической реакции. Сохранение и превращение энергии при химических реакциях

Если окинуть мысленным взором разнообразные процессы (синтез химических соединений, их разложение, горение веществ, различные взаимодействия между ними, растворение, агрегатные превращения веществ и др.), то можно прийти к выводу, что каждый из них сопровождается изменением (выделением или поглощением) энергии (как правило, в виде теплоты).

В каждом теле, в каждом веществе заключена энергия – внутренняя энергия U. Чем выше содержание энергии в системе, тем она менее устойчива. Системы с большим содержанием энергии стремятся перейти в более устойчивое состояние, выделяя избыток энергии в окружающую среду (принцип минимума энергии). Абсолютное значение внутренней энергии вещества измерить нельзя, т. к. она включает целый ряд различных видов энергии, в том числе энергию поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, энергию связи между молекулами, энергию связи атомов в молекулах, энергию, зависящую от распределения электронов по атомным и молекулярным орбиталям, энергию связи протонов и нейтронов в ядре и другие виды энергии, пока еще не известные науке.

Рассмотрим реакцию металла с кислотой, например, Zn_(к) + H₂SO_4(р-р) = ZnSO_4(р-р) + H_2(г) .

В ходе этой реакции выделяется теплота и совершается работа (работа расширения, т. к. выделяется газ).

Будем проводить реакцию в сосуде, закрытом неподвижным поршнем и помещенном в больший сосуд с водой (рис. 1). В этом случае объем системы не будет изменяться (V = const), а давление в сосуде будет повышаться.

Измеряя температуру воды до начала реакции и в момент ее окончания и воспользовавшись значением теплоемкости воды (с = 4,184 Дж/(гК)), вычислим количество теплоты, полученной водой: q = mc(t₂ – t₁).

Это и будет то количество теплоты, которое выделяется при взаимодействии цинка с раствором серной кислоты. В пересчете на 1 моль веществ оно составляет 165,7 кДж:

Zn_(к) + H₂SO_4(р-р) = ZnSO_4(р-р) + H_2(г) + 165,7 кДж.

Уравнение реакции, записанное в таком виде (с указанием количества выделенной или поглощенной теплоты) называется термохимическим. В них обязательно указываются агрегатные состояния веществ, так как переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается дополнительными энергетическими изменениями

Количество выделенной или поглощенной теплоты – это тепловой эффект реакции Q. Тепловой эффект, измеренный при постоянном объеме (изохорные условия), называется изохорным тепловым эффектом Q_V.

Химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты (положительным тепловым эффектом), называются экзотермическими, а сопровождающиеся поглощением теплоты – эндотермическими.

В данной реакции выделилось определенное количество теплоты за счет изменения внутренней энергии при переходе системы из начального состояния с энергией U₁ в конечное с энергией U₂. Изменение внутренней энергии U = (U₂ – U₁) равно, но противоположно по знаку изохорному тепловому эффекту, поскольку U – это характеристика системы, а Q_V – окружающей среды: U = –Q_V. Если в уравнении реакции записывается значение изменения внутренней энергии системы, то уравнение называется термодинамическим:

Zn _(к) + H₂SO_4(р-р) = ZnSO_4(р-р) + H_2(г); U = –165,7 кДж.

Изменим эксперимент так, чтобы поршень мог легко, без трения, перемещаться и был бы невесомым, т.е. будем проводить опыт при постоянном давлении (р = const) и меняющемся объеме системы (изобарные условия, рис. 2). В этом случае газ будет совершать некоторую работу, перемещая поршень от отметки h₁ в начале реакции к h₂ в конце процесса: А = F  (h₂ – h₁) = F  h,

где F – сила, с которой внешнее давление действует на систему.

Сила F равна произведению внешнего давления, преодолеваемого поршнем, на площадь поперечного сечения поршня S, тогда:

А = F  h = p  S  h.

Но S  h есть изменение объема системы при прохождении реакции, поэтому А = рV (работа расширения).

Очевидно, что тепловой эффект реакции при постоянном давлении (изобарный тепловой эффект Q_p) будет меньше изохорного за счет работы расширения: Q_p = Q_V – A = Q_V – рV, или:

Q_p = – U – A = – U – рV.

Сумму U + A называют изменением энтальпии Н.

Энтальпия (от греч. enthalpō – нагреваю) – это энергия, которой обладает система, находящаяся при постоянном давлении, то есть это общее энергосодержание системы; энтальпия численно равна сумме внутренней и потенциальной энергий: Н = U + pV.

Очевидно, что измерить абсолютное значение энтальпии невозможно, а ее изменение в химической реакции равно изменению внутренней энергии плюс работа, совершаемая системой, или же изобарному тепловому эффекту, взятому с противоположным знаком: Н = U + pV, или Н = –Q_p.

В вышеприведенной реакции при стандартной температуре (298 К) и при взаимодействии 1 моль цинка с 1 моль серной кислоты Н = –163,2 кДж/моль: Zn_к + H₂SO_4,р-р = ZnSO_4,р-р + H_2,г; Н = –163,2 кДж.

Чаще всего химические эксперименты, природные и технологические процессы совершаются при постоянном давлении, поэтому чаще используют значения изменения энтальпии (или изобарного теплового эффекта).

Уравнения U = –Q_V, Q_p = – U – A и H = –Q_p являются математическими выражениями первого начала термодинамики соответственно для изохорного и изобарного процессов.

Первое начало¹ термодинамики: Вся теплота, подводимая к системе, расходуется на совершение работы и изменение внутренней энергии. Первое начало термодинамики – это одно из выражений закона сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только превращается из одной формы в другую в эквивалентных (равноценных) количествах.

Виды заданий ЕГЭ