§ 19. Екзотермічні та ендотермічні реакції

Тепловий ефект хімічної реакції – один із численних зовнішніх ефектів, що супроводжують перетворення одних речовин на інші (назвіть інші зовнішні ефекти, які свідчать про перебіг хімічних реакцій).

Унаслідок хімічних реакцій руйнуються зв’язки в речовинах-реагентах, утворюються нові зв’язки, і, як наслідок, – нові речовини (як їх називають?). Ці процеси супроводжуються виділенням або поглинанням енергії. (Наведіть приклади виділення або поглинання теплоти під час розчинення речовин у воді).

Чи можна стверджувати, що речовини ще до реакції мають певну енергію у «прихованій» формі? Спробуймо відповісти на це запитання. Під час вивчення фізики ви дізналися про хімічну, електричну, механічну, ядерну, сонячну форми існування енергії. Відповідно до різних форм енергії по-різному виявляються й енергетичні ефекти хімічних реакцій.

Пригадаймо, розкласти воду на водень і кисень можна дією електричного струму – електролізом. Потрібна для цього електрична енергія виділяється внаслідок перебігу окисно-відновних реакцій під час роботи акумулятора. Згоряння магнію супроводжується виділенням тепла та світла.

Фотосинтез, розкладання хлориду й броміду Аргентуму(І) у фотографічному процесі відбувається з поглинанням квантів світла. Також унаслідок перебігу хімічних реакцій може виконуватися механічна робота – наприклад, під час вибуху або роботи двигуна внутрішнього згоряння.

Усі ці факти доводять існування внутрішньої енергії, яка «прихована» у речовинах і вивільняється під час хімічних процесів. Тобто хімічні реакції супроводжуються зміною не лише складу й будови речовин, а й зміною їхньої внутрішньої енергії.

Енергію, виділену або поглинуту системою під час перебігу в ній хімічної реакції, називають тепловим ефектом реакції. Це різниця між внутрішньою енергією продуктів реакції і реагентів (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Енергетичні ефекти екзо- (1) та ендотермічної (2) реакцій

Його позначають ΔΗ, вимірюють у Дж, кДж тощо. Тепловий ефект хімічної реакції залежить від природи реагентів, їхньої кількості та агрегатного стану, тиску тощо. Тому з метою стандартизації теплові ефекти зазначають для температури 25 °С і тиску 10 5 Па.

Теплові ефекти визначають експериментально за допомогою спеціальних приладів (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Прилади для вимірювання теплового ефекту хімічних реакцій. 1. Електротермометр і комп’ютерні датчики. 2. Бомбовий калориметр – це міцна посудина-бомба (1), що заповнена чистим киснем, герметично закривається й оточена «водяною сорочкою» (4). Зразок горючої речовини відомої маси поміщають у тигель (2) всередині бомби й підпалюють електричною іскрою. Цифрою 3 позначено електричні дроти для підпалу зразка, 5 – теплоізоляційний корпус, 6 – мішалка, 7 – термометр

На практиці обчислюють теплові ефекти для оцінювання теплоти згоряння речовин, теплотворної здатності палива, енергетичної цінності харчових продуктів.

Екзотермічні та ендотермічні реакції розрізняють саме за їхніми тепловими ефектами (рис. 19.1). Наприклад, згоряння вугілля, нейтралізація кислот лугами, сполучення цинку із сіркою супроводжуються виділенням значної кількості теплоти. Такі реакції називають екзотермічними. Екзо (грец. έζώ) означає «назовні». До екзотермічних належать усі реакції горіння.

Цікаво і пізнавально

Уперше перебіг реакції цинку із сіркою дослідив і описав шведський хімік Георг Брандт. Він змішав тонко подрібнені сірку масою 1 г та цинк масою 2 г, а потім торкнувся суміші розпеченим сталевим шпателем. Спалахнуло полум’я, з’явився густий білий дим (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Реакція сірки із цинком

Перебіг реакцій термічного розкладання кальцій карбонату, калій перманганату, малахіту потребує безперервного надходження теплоти ззовні. Без нагрівання ці реакції негайно припиняються. Їх називають ендотермічними (грец. ένδό – назовні).

Ендотермічна реакція: реагенти + теплота → продукти.

Екзотермічна реакція: реагенти → продукти + теплота.

Чимало реакцій розкладу – ендотермічні, однак поміж них трапляються й екзотермічні. Визначмо, екзо- чи ендотермічною реакцією є розкладання амоній дихромату (про це йшлося в § 17) – так званий вулкан Беттгера. Щоб розпочалася реакція, сполуку нагрівають – торкаються запаленою скіпкою чи розпеченою скляною паличкою. Подальший інтенсивний перебіг реакції не потребує нагрівання й супроводжується виділенням чималої кількості теплової й світлової енергії. Ця реакція – екзотермічна.

Термохімічне рівняння – рівняння хімічної реакції, у якому зазначають агрегатні стани речовин і для якого наводять числове значення теплового ефекту. Наприклад, термохімічне рівняння реакції горіння метану – головного складника природного газу – таке:

де (г) – газ, (р) – рідина. Тверду речовину позначають (т).

Тепловий ефект відповідає тій кількості метану, яка визначена рівнянням реакції, – 1 моль. А тепловий ефект неповного згоряння графіту зазначено для речовини кількістю 2 моль:

2С (графіт) + О₂(г) = 2СO(г), ΔΗ = -221 кДж.

• Прокоментуйте термохімічне рівняння окиснення нітроген(ІІ) оксиду:

Якщо агрегатні стани учасників реакції очевидні й не потребують уточнення, то ці відомості в термохімічному рівнянні можна не зазначати. Тож трапляються й спрощені записи термохімічних рівнянь:

За ними також можна класифікувати хімічні реакції на екзо- та ендотермічні, але вони не дають уявлення про числове значення теплового ефекту.

Значення теплових ефектів, якими супроводжуються хімічні реакції, важко переоцінити. Горіння водню, деревини, вугілля, мазуту, природного газу – приклади екзотермічних реакцій, які використовують у промисловості та побуті для вироблення енергії, одержання високотемпературного полум’я (рис. 19.4).

Рис. 19.4. Застосування екзотермічних реакцій. 1. Твердопаливний котел – якісне, надійне, перевірене часом опалювальне обладнання. Паливо – деревина, деревні, торфо- та тирсобрикети, брикетована солома тощо. 2. Головне – правильно організувати облік тепла в оселі. 3. Зварювання й різання металу за допомогою воднево-кисневого пальника

Видобування металів методом металотермії – екзотермічний процес. Наприклад, у реакції ферум(ІІІ) оксиду з алюмінієм

(так званий термітний процес) унаслідок виділення великої кількості теплової енергії температура сягає 2400 °С, тому залізо плавиться (рис. 19.5).

Рис. 19.5. Термітний процес, який винайшов у 1898 р. німецький інженер Ганс Гольдшмідт, супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Тому його застосовують для зварювання й різання металів.

Завдання. Схарактеризуйте термітний процес з погляду окиснення-відновлення, класифікуйте цю реакцію за числом і складом реагентів і продуктів

Цікаво і пізнавально

Термітні суміші використовують у запалювальних бомбах з оболонкою з магнієвого сплаву. Унаслідок горіння утворюються розплавлені вогненно-рідкі шлаки, які запалюють магнієвий сплав оболонки бомби. Температура спалаху термітних сумішей становить близько 1300 °С, а температура горіння сягає 3000 °С. Під час горіння терміт може пропалити розплавленими шлаками металеву поверхню без утворення великого відкритого полум’я.

Окиснення жирів, вуглеводів, білків в організмах – екзотермічні реакції – джерело енергії, яке забезпечує їхню життєдіяльність.

На ендотермічних процесах ґрунтуються промислові й лабораторні способи добування неорганічних і органічних сполук. Наприклад, випалювання вапняку для одержання негашеного вапна – ендотермічна реакція. Так само ендотермічним процесом є розкладання метану СН₄ для добування сажі й водню. Ендотермічні реакції використовують у лабораторній практиці, побуті, медицині для швидкого охолодження. Важливу роль відіграють ендотермічні реакції у природі, наприклад, фотосинтез, утворення озону з кисню, окиснення азоту до нітроген(ІІ) оксиду внаслідок електричного розряду блискавки – супроводжуються поглинанням енергії.

Цікаво і пізнавально

Основним матеріалом у давньоруському будівництві було вапно. Отримували його випалюванням вапняку в спеціальних печах. У Києві під час земляних робіт на Іринінській вулиці виявлено кола обпаленої до червоного кольору материкової глини. Дослідження показало, що це залишки печей для випалювання вапна.

Чи залежить від теплового ефекту реакції її швидкість, які чинники впливають на неї, ви дізнаєтеся з наступного параграфа.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Хімічні реакції супроводжуються не лише зміною складу та будови речовин, а й зміною їхньої внутрішньої енергії.

• Тепловий ефект реакції – це енергія, виділена або поглинута системою під час перебігу в ній хімічної реакції.

• Екзотермічні реакції супроводжуються виділенням теплоти, а ендотермічні – її поглинанням.

• Термохімічне рівняння – рівняння хімічної реакції, у якому зазначають агрегатні стани речовин і для якого наводять числове значення теплового ефекту.

• Тепловий ефект відповідає тій кількості речовини, яка визначена рівнянням реакції.

• Екзо- та ендотермічні реакції широко використовують у промисловості та побуті, вони відіграють велику роль у життєдіяльності організмів.

Перевірте себе

1. Що таке тепловий ефект хімічної реакції? 2. Які реакції називають екзотермічними? Ендотермічними? 3. Чому під час одних реакцій енергія виділяється, а під час інших – поглинається? 4. Чому дорівнює тепловий ефект хімічної реакції? 5. Від яких чинників залежить тепловий ефект хімічної реакції? 6. Наведіть приклади екзо- та ендотермічних реакцій, опишіть їхнє застосування.

Застосуйте свої знання й уміння

7. Класифікуйте хімічні реакції за тепловим ефектом:

• а) Н₂ + Сl₂ = 2НСl, ΔΗ = 184,6 кДж;
• б) (CuOH)₂CO₃ = 2СuО + СО₂ + Н₂О, ΔΗ > 0;
• в) СаСО₃(т) = СаО(т) + СО₂(г), ΔΗ = 279 кДж;
• г) 2СО + О₂ = 2СО₂, ΔΗ = -566,02 кДж;
• д) 2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(р), ΔΗ = 571,6 кДж;
• е) Н + + ОН- = Н₂О, ΔΗ < 0;
• ж) Fe + S = FeS, ΔΗ = -100,26 кДж;
• з) СН₄ + Н₂О = CO + 3Н₂, ΔΗ > 0;
• і) 2СН₄(г) + О₂(г) = 2СО(г) + 4Н₂(г),ΔΗ = -71,2 кДж;
• к) СаСО₃(т) = СаО(т) + СО₂(г), ΔΗ = 178,5 кДж.

8. Перша упаковка, що сама розігріває їжу, розроблена для кави. Вона складається з двох алюмінієвих шарів, у зовнішній камері – вода, у внутрішній – кальцій оксид (негашене вапно). Споживач натискає на кнопку в нижній частині банки, вода змішується з негашеним вапном і починається екзотермічна реакція. У результаті менш ніж за три хвилини вміст банки нагрівається до температури 50-55 °С. Класифікуйте цю реакцію за тепловим ефектом, запишіть її термохімічне рівняння.

9. Щоб виготовити хімічну грілку, у мішечок з водонепроникного матеріалу вміщують суміш купрум(ІІ) хлориду, порошку алюмінію та наповнювача (деревних ошурок). Після добавляння води відбувається хімічна реакція, яка супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Поясніть, чому реакція відбувається лише після добавляння води. Класифікуйте цю реакцію за тепловим ефектом, запишіть її термохімічне рівняння. Розгляньте реакцію між металом і сіллю в розчині з погляду окиснення-відновлення та електролітичної дисоціації. Визначте, у чому полягає суть цієї реакції.

10. Запишіть два рівняння реакції нейтралізації в повній і скороченій йонних формах. Поясніть, у чому полягає суть реакції нейтралізації. Висловіть припущення, чому всі реакції нейтралізації мають приблизно однаковий тепловий ефект.

11. Проаналізуйте зміст третьої колонки таблиці 17.1 і визначте, про що ви дізналися і чого навчилися, опрацювавши параграф.

Дізнайтеся більше

• http://www.hotcan.com/how-it-works.html
• https://www.youtube.com/watch?v=Gg2Dt8gwRng
• https://www.youtube.com/watch?v=31v1UNxqwq8

Хімічні реакції: типи, властивості, рівняння

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Зміст:

Характеристика

Хімічні реакції, їх властивості, типи, умови протікання, тощо, є одним з наріжних стовпів цікавої науки під назвою хімія. Спробуємо ж розібрати що таке хімічна реакція, і яка її роль. Отже, хімічною реакцією в хімії прийнято вважати перетворення одної або декількох речовин в інші речовини. При цьому ядра атомів у них не змінюються (на відміну від ядерних реакцій), зате відбувається перерозподіл електронів і ядер, і, зрозуміло, з’являються нові хімічні елементи.

Приклади в природі та побуті

Типи реакцій

• реакції з’єднання,
• реакції розкладання,
• реакції заміщення,
• реакції обміну.

Далі ми докладно зупинимося на кожному з цих видів хімічних реакцій, відомих хімії.

Реакція з’єднання

За дуже влучним визначенням великого хіміка Д. І. Менделєєва реакція з’єднання має місце бути, коли «із двох речовин утворюється одна». Прикладом хімічної реакції з’єднання може бути нагрівання порошків заліза і сірки, при якій з них утворюється сульфід заліза – Fe+S=FeS. Іншим яскравим прикладом цієї реакції є горіння простих речовин, таких як сірка або фосфор на повітрі (мабуть, подібну реакцію можна також назвати тепловою хімічною реакцією).

Реакція розкладання

Тут все просто, реакція розкладання є протилежністю до реакції з’єднання. При ній з одної речовини утворюється дві або більше речовин. Простим прикладом хімічної реакції розкладання може бути реакція розкладання крейди, в ході якої з власне крейди утворюється негашене вапно та вуглекислий газ.

Реакція заміщення

Реакція заміщення здійснюється при взаємодії простої речовини зі складною. Наведемо приклад хімічної реакції заміщення: якщо опустити сталевий цвях у розчин з мідним купоросом, то в ході цього простого хімічного досліду ми отримаємо залізний купорос (залізо витісняє мідь з солі). Рівняння такої хімічної реакції буде виглядати так:

Реакція обміну

Реакції обміну проходять виключно між складними хімічними речовинами, в ході яких вони обмінюються своїми частинами. Дуже багато таких реакцій мають місце бути в різних розчинах. Нейтралізація кислоти жовчю – ось хороший приклад хімічної реакції обміну.

Так виглядає хімічне рівняння цієї реакції, при ній іон водню із з’єднання HCl обмінюється іоном натрію із з’єднання NaOH. Наслідком цієї хімічної реакції є утворення розчину кухонної солі.

Ознаки реакцій

За ознаками протікання хімічних реакцій можна судити чи пройшла хімічна реакція між реагентами. Наведемо приклади ознак хімічних реакцій:

• Зміна кольору (світле залізо, скажімо, у вологому повітрі покривається бурим нальотом, як результат хімічної реакції взаємодії заліза і кисню).
• Випадання осаду (якщо раптом через вапняний розчин пропустити вуглекислий газ, то отримаємо випадання білого нерозчинного осаду карбонату кальцію).
• Виділення газу (якщо Ви капнете на харчову соду лимонною кислотою, то отримаєте виділення вуглекислого газу).
• Утворення слабодиссоційованих речовин (всі реакції, у результаті яких утворюється вода).
• Світіння розчину (прикладом тут можуть служити реакції, що відбуваються з розчином люмінолу, випромінюючого при хімічних реакціях світло).

В цілому, важко виділити які ознаки хімічних реакцій є основними, для різних речовин і різних реакцій характерні свої ознаки.

Як визначити ознаку реакції

Визначити ознаку хімічної реакції можна візуально (при зміні кольору, світіння), або за результатами цієї самої реакції.

Швидкість реакції

Під швидкістю хімічної реакції зазвичай розуміють зміну кількості одної з реагуючих речовин за одиницю часу. Притому, швидкість хімічної реакції завжди позитивна величина. У 1865 році хіміком Н. Н. Бекетовим був сформульований закон дії мас, який свідчить, що «швидкість хімічної реакції в кожен момент часу пропорційна концентраціям реагентів, зведеним в ступені, рівному їх стехіометричним коефіцієнтам».

До факторів швидкості хімічної реакції можна віднести:

• природу реагуючих речовин,
• наявність каталізатора,
• температуру,
• тиск,
• площу поверхні реагуючих речовин.

Всі вони мають безпосередній вплив на швидкість протікання хімічної реакції.

Рівновага реакції

Хімічною рівновагою називають такий стан хімічної системи, при якому протікає кілька хімічних реакцій і швидкості в кожній парі прямої та зворотної реакції рівні між собою. Таким чином, виділяється константа рівноваги хімічної реакції – це та величина, яка визначає для даної хімічної реакції співвідношення між термодинамічними активностями вихідних речовин і продуктів у стані хімічної рівноваги. Знаючи константу рівноваги можна визначити напрямок протікання хімічної реакції.

Умови виникнення реакцій

Щоб покласти початок хімічних реакцій, для цього необхідно створити відповідні умови:

• приведення речовин в тісне зіткнення.
• нагрівання речовин до певної температури (температура хімічної реакції повинна бути підходящою).

Тепловий ефект

Так називають зміну внутрішньої енергії системи як результат протікання хімічної реакції і перетворення вихідних речовин (реактантів) у продукти реакції в кількостях, що відповідають рівнянню хімічної реакції при наступних умовах:

• єдино можливою роботою при цьому є лише робота проти зовнішнього тиску.
• вихідні речовини та продукти, отримані в результаті хімічної реакції, мають однакову температуру.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.

Ця стаття доступна англійською мовою – Chemical Reactions.