2. Реакції екзотермічні і ендотермічні. Термохімія.

Реакція метану з киснем повітря, як відомо, супроводжується виділенням великої кількості тепла. Тому її використовують у побуті для приготування їжі, нагрівання води та опалення. Природний газ, що надходить в будинки по трубах, на 98% складається саме з метану.

Реакція оксиду кальцію (СаО) з водою теж супроводжується виділенням великої кількості тепла.

Про що можуть говорити ці факти? При утворенні нових хімічних зв’язків у продуктах реакції виділяється більше енергії, ніж потрібно на розрив хімічних зв’язків у реагентах. Надлишок енергії виділяється у вигляді тепла, а іноді і світла (дивіться досліди в цьому параграфі).

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + енергія (світло, тепло);

СаО + Н₂О = Са (ОН)₂ + енергія (тепло).

Такі реакції повинні протікати легко (як легко котиться під гору камінь).

Реакції, в яких енергія виділяється, називаються екзотермічні (від латинського «екзо» — назовні).

Дослід вулкан - розкладання амоній дихромату, багато окислювально-відновні реакції є екзотермічними. Одна з таких гарних реакцій — внутрішньо молекулярне окислення-відновлення, що протікає усередині однієї і тієї ж солі — амоній дихромату (NH₄)2Cr₂O₇ (детальніше з такими реакціями ми познайомимося в темі окислювально-відновні реакції.):

(NH₄)2Cr₂O₇ = N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O + енергія.

Інша справа — зворотні реакції. Вони аналогічні закочування каменю в гору. Отримати метан з CO₂ і води до цих пір не вдається, а для отримання негашеного вапна СаО з гідроксиду кальцію Са(ОН)₂ потрібні сильне нагрівання. Така реакція йде тільки при постійному припливі енергії ззовні:

Са(ОН)₂ + енергія (тепло) = СаО + Н₂О

Це говорить про те, що розрив хімічних зв’язків у Са(ОН)₂ вимагає більшої енергії, ніж може виділитися при утворенні нових хімічних зв’язків у молекулах CaO і H₂O.

Реакції, в яких енергія поглинається, називаються ендотермічні (від «ендо» — всередину).

Навіть екзотермічна реакція не обов’язково починається відразу, як тільки ми змішаємо реагенти. Якщо відкрити конфорку газової плити, то метан негайно входить в зіткнення з киснем повітря, але не реагує з ним (не загорається). Для того, щоб з’явився постійно палаючий вогонь (а це ознака перебігу хімічної реакції), до конфорки потрібно піднести запалений сірник.

Наприклад, у нашому організмі протікає величезна кількість хімічних перетворень. Ймовірно, людська думка — теж результат складних хімічних реакцій. Поки ви читаєте якусь відповідну інформацію, у вашій голові сталося кілька цікавих хімічних перетворень, що забезпечують розуміння і запам’ятовування прочитаного. Утворилися нові молекули, яких раніше не було. У них тепер «записана» інформація про екзотермічні і ендотермічні реакції.

Термохімія – розділ хімічної термодинаміки, який вивчає теплові ефекти хімічних реакцій.

Тепловий ефект (Q) – це кількість теплоти, яка поглинається або виділяється в процесі реакції. Одиниця вимірювання теплового ефекту – Дж.

Ґрунтуючись на І законі термодинаміки, тепловий ефект хімічної реакції, що протікає в ізохорно-ізотермічних умовах (в закритій системі), дорівнює зміні внутрішньої енергії (QV = ∆U). Якщо ж хімічна реакція протікає в ізобарно-ізотермічних умовах (у відкритій системі), то її тепловий ефект дорівнює зміні ентальпії (QP = ∆H), де ентальпія – запас енергії системи у вигляді теплоти.

Термохімічним рівнянням хімічної реакції називають рівняння хімічної реакції, в якому вказані її тепловий ефект і агрегатні стани реагентів та продуктів реакції:

С₃Н₆О(г) + 4О₂(г) → 3СО₂(г) + 3Н₂О(р), ∆H= –1817,0 кДж/моль

Такий запис означає, що в реакції 1 моль газоподібного ацетону з 4 моль газоподібного кисню утворюється 3 моль газоподібного вуглекислого газу і 3 моль рідкої води. При цьому виділяється 1817,0 кДж теплоти.

Знак «-» говорить, що в результаті реакції виділяється тепло, а знак «+» говорить, що потрібно до системи привести тепло, щоб реакція була запущена.

Так як теплові ефекти реакцій залежать від умов їх протікання, то для проведення термохімічних розрахунків потрібні термохімічні величини, віднесені до будь-яких однакових умов. За такі умови приймають стандартні умови (Т = 298 К, Р = 101325 Па). Тому тепловий ефект реакцій в стандартних умовах позначають ∆H₀²⁹⁸