Тепловые эффекты химических реакций

Из теории химической связи известно, что образование связей сопровождается выделением энергии, поэтому если бы реакции протекали между свободными атомами, то все реакции сопровождались бы выделением энергии. Но химические реакции, как правило, протекают между молекулами веществ.

Сравним количество энергии, выделяемой при образовании молекулы HCl из атомов водорода (H) и хлора (Cl):

Н + Cl = HCl + 432 кДж/моль

с количеством энергии, выделяемой при образовании молекулы НСl из простых веществ (Н₂ и Cl₂):

1/2Н₂ +1/2Cl₂ = HCl + 92,31 кДж/моль.

Энергия реакции из простых веществ меньше, чем из свободных атомов, т.к. часть энергии затрачивается на разрыв связей в молекулах водорода (НН) и хлора (СlСl).

Следовательно, сущность химических реакций сводится к разрыву связей в молекулах исходных веществ и возникновению новых связей в молекулах продуктов реакции. В зависимости от соотношений энергий разрыва и образования соответствующих связей наблюдается выделение пли поглощение энергии. Обычно энергия выделяется или поглощается в форме теплоты.

Реакции, которые протекают с выделенном теплоты, называются экзотермическими. Например:

Н₂ + Cl₂ = 2HCl + 184,6 кДж

или Н₂ + Cl₂ = 2HCl; H = –184,6 кДж.

Из примера следует, что на разрыв связей в молекулах Н₂ ( = 435,9 кДж/моль) и Cl₂ ( = 242,3 кДж/моль) энергии затрачивается меньше, а при образовании связей в молекулах HCl (Е_HCl= 431,4 кДж/моль)  выделяется больше, т.е.

2  431,4 > (435,9 + 242,3).

Реакции, которые протекают с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Например:

N₂ + O₂ = 2NO – 180,8 кДж

или N₂ + O₂ = 2NO; H = 180,8 кДж.

Из примера следует, что на разрыв связей в молекулах N₂ ( = =945,43 кДж/моль) и O₂ ( = 498,38 кДж/моль) энергии затрачивается больше, а при образовании связей в молекулах NO  выделяется меньше, т.е.

2  631,5 < (945,43 + 498,38).

Тепловой эффект реакции  это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при протекании реакции. Его обозначают символом Q и выражают в кДж. Для экзотермических реакций Q > 0 (+Q), для эндотермических  Q < 0 (–Q). В настоящее время для единообразия с термодинамикой тепловой эффект реакции обозначают H (изменение энтальпии).

Энтальпия (Н)  это величина, которая характеризует запас энергии в веществе. Для экзотермических реакций запас энергии в продуктах реакции меньше, чем в исходных веществах, поэтому изменение энтальпии H < 0 (–H). Для эндотермических реакций запас энергии в продуктах реакции больше, чем в исходных веществах, поэтому изменение энтальпии H > 0 (+H). Следовательно, связь между H и Q выражается уравнением:

H = –Q.

Тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления, поэтому условились его определять при давлении (Р) 1 атм или 101,3 кПа и температуре 25 °С или 298 К. Эти условия называют стандартными.

При постоянном давлении тепловой эффект реакции определяют как изменение энтальпии, а при постоянном объеме – как изменение внутренней энергии.