Читать онлайн учебники
на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на мобильную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Химия

       

§ 12. Почему протекают химические реакции

Предсказание возможности осуществления той или иной реакции — одна из основных задач, стоящих перед химиками. На бумаге можно написать уравнение любой химической реакции («бумага все стерпит»). А можно ли практически осуществить такую реакцию?

В одних случаях (например, при обжиге известняка: СаСO3 = СаО + СO2 - Q) достаточно повысить температуру чтобы реакция началась, а в других (например, при восстановлении кальция из его оксида водородом: СаО + Н2 → Са + Н2O) — реакцию невозможно осуществить ни при каких условиях!

Экспериментальная проверка возможности протекания той или иной реакции в разных условиях — дело трудоемкое и неэффективное. Но можно теоретически ответить на такой вопрос, основываясь на законах химической термодинамики — науки о направлениях химических процессов.

Один из наиболее важных законов природы (первый закон термодинамики) — это закон сохранения энергии:

энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую.

В общем случае энергия объекта складывается из трех ее основных видов: кинетической, потенциальной, внутренней. Какой из этих видов наиболее важен при рассмотрении химических реакций? Конечно же внутренняя энергия (Е)\ Ведь она складывается из кинетической энергии движения атомов, молекул, ионов; из энергии их взаимного притяжения и отталкивания; из энергии, связанной с движением электронов в атоме, их притяжением к ядру, взаимным отталкиванием электронов и ядер, а также внутриядерной энергии.

Вам известно, что при химических реакциях одни химические связи разрушаются, а другие образуются; при этом изменяется электронное состояние атомов, их взаимоположение, а потому и внутренняя энергия продуктов реакции отличается от внутренней энергии реагентов.

Рассмотрим два возможных случая.

1. Е реагентов > Е продуктов. Исходя из закона сохранения энергии, в результате такой реакции энергия должна выделяться в окружающую среду: нагревается воздух, пробирка, автомобильный двигатель, продукты реакции.

Реакции, при которых выделяется энергия и нагревается окружающая среда, называют, как вы знаете, экзотермическими (рис. 23).

Рис. 23.
Горение метана (а) и диаграмма изменения внутренней энергии веществ в этом процессе (б)

2. Е реагентов меньше Е продуктов. Исходя из закона сохранения энергии, следует предположить, что исходные вещества при таких процессах должны поглощать энергию из окружающей среды, температура реагирующей системы должна понижаться (рис. 24).

Рис. 24.
Диаграмма изменения внутренней энергии веществ при разложении карбоната кальция

Реакции, при протекании которых энергия поглощается из окружающей среды, называют эндотермическими (рис. 25).

Рис. 25.
Процесс фотосинтеза — пример эндотермической реакции, происходящей в природе

Энергия, которая выделяется или поглощается в химической реакции, называется, как вы знаете, тепловым эффектом этой реакции. Этот термин используют повсеместно, хотя точнее было бы говорить об энергетическом эффекте реакции.

Тепловой эффект реакции выражается в единицах энергии. Энергия отдельных атомов и молекул — величина незначительная. Поэтому тепловые эффекты реакций относят обычно к тем количествам веществ, которые определены уравнением, и выражают в Дж или кДж.

Уравнение химической реакции, в котором указан тепловой эффект, называют термохимическим уравнением.

Например, термохимическое уравнение:

2 + O2 = 2Н2O + 484 кДж.

Знание тепловых эффектов химических реакций имеет большое практическое значение. Например, при проектировании химического реактора важно предусмотреть или приток энергии для поддержания реакции путем подогрева реактора, или, наоборот, отвод избытка теплоты, чтобы не было перегрева реактора со всеми вытекающими отсюда последствиями, вплоть до взрыва.

Если реакция проходит между несложными молекулами, то подсчитать тепловой эффект реакции достаточно просто.

Например:

Н2 + Сl2 = 2НСl.

Энергия затрачивается на разрыв двух химических связей Н—Н и Cl—Сl, энергия выделяется при образовании двух химических связей Н—Сl. Именно в химических связях сосредоточена важнейшая составляющая внутренней энергии соединения. Зная энергии этих связей, можно по разности узнать тепловой эффект реакции (Qp).

Следовательно, данная химическая реакция — экзотермическая.

А как, например, рассчитать тепловой эффект реакции разложения карбоната кальция? Ведь это соединение немолекулярного строения. Как точно определить, какие именно связи и сколько их разрушается, какова их энергия, какие связи и сколько их образуется в оксиде кальция?

Для расчета тепловых эффектов реакций используют значения величин теплот образования всех участвующих в реакции химических соединений (исходных веществ и продуктов реакции).

Теплота образования соединения (Qo6p) — это тепловой эффект реакции образования одного моля соединения из простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (25 °С, 1 атм).

При этих условиях теплота образования простых веществ равна нулю по определению.

С + O2 = СO2 + 394 кДж,

0,5N2 + 0,5O2 = NO - 90 кДж,

где 394 кДж и -90 кДж — теплоты образования СO2 и NO соответственно.

Если данное химическое соединение можно непосредственно получить из простых веществ, причем реакция идет количественно (100%-й выход продуктов), достаточно провести реакцию и измерить ее тепловой эффект с помощью специального прибора — калориметра. Так определяют теплоты образования многих оксидов, хлоридов, сульфидов и т. п. Однако подавляющее большинство химических соединений трудно или невозможно непосредственно получить из простых веществ.

Например, сжигая уголь в кислороде, нельзя определить Qобр угарного газа СО, так как всегда идет и процесс полного окисления с образованием углекислого газа СO2. В этом случае на помощь приходит закон, сформулированный в 1840 г. российским академиком Г. И. Гессом.

Тепловой эффект химической реакции не зависит от промежуточных стадий (при условии, что исходные вещества и продукты реакции одинаковы).

Знание теплот образования соединений позволяет оценить их относительную устойчивость, а также рассчитать тепловые эффекты реакций, используя следствие из закона Гесса.

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования всех продуктов реакции минус сумма теплот образования всех реагентов (с учетом коэффициентов в уравнении реакции):

Например, требуется вычислить тепловой эффект реакции, уравнение которой

Fe2O3 + 2Аl = 2Fe + Al2O3.

В справочнике найдем значения:

Qoбp (Аl2O3) = 1670 кДж/моль,

Qo6p (Fe2O3) = 820 кДж/моль.

Теплоты образования простых веществ равны нулю. Отсюда

Qp = Qобр(Аl2O3) - Qобр(Fe2O3) = 1670 - 820 = 850 КДЖ.

Тепловой эффект реакции

Fe2O3 + ЗСО = 2Fe + ЗСO2

вычисляется так:

Тепловой эффект реакции выражают и по-другому, используя понятие «энтальпия» (обозначают буквой Н).

Рейтинг@Mail.ru