Используя Интернет, страница 59 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Тестовые задания. Параграф 12. Классификация химических реакций. Глава III. Химические реакции - страница 59.

Условие.

Используя Интернет и дополнительные источники информации, приведите примеры зависимости теплового эффекта реакции от различных факторов.

Решение.

Решение 2.

Тепловой эффект химической реакции, или изменение энтальпии ($ΔH$), представляет собой количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе реакции. Его значение не является постоянным и зависит от ряда факторов. Ниже приведены примеры, иллюстрирующие эти зависимости.

1. Зависимость от природы реагирующих веществ и продуктов

Это фундаментальный фактор, так как тепловой эффект определяется разницей между энергией химических связей в продуктах реакции и исходных веществах (реагентах). Разные вещества имеют разный состав и строение, а значит, разную энергию связей.

Пример 1: Горение алканов.

Сравним тепловые эффекты полного сгорания одного моля метана и этана до диоксида углерода и жидкой воды:

• Горение метана: $CH_{4(г)} + 2O_{2(г)} \rightarrow CO_{2(г)} + 2H_2O_{(ж)}$; $ΔH = -890$ кДж

• Горение этана: $C_2H_{6(г)} + 3.5O_{2(г)} \rightarrow 2CO_{2(г)} + 3H_2O_{(ж)}$; $ΔH = -1560$ кДж

Несмотря на схожий тип реакции, разное строение молекул метана и этана (разное количество и типы связей C-H и C-C) приводит к совершенно разным значениям выделяемой теплоты.

Пример 2: Реакция нейтрализации.

Тепловой эффект реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием практически постоянен ($≈ -57$ кДж/моль), так как суть реакции сводится к взаимодействию ионов $H^+$ и $OH^-$. Однако при нейтрализации слабой кислоты или слабого основания тепловой эффект будет другим, так как часть энергии расходуется на диссоциацию слабого электролита.

• Сильная кислота + сильное основание: $NaOH_{(р-р)} + HCl_{(р-р)} \rightarrow NaCl_{(р-р)} + H_2O_{(ж)}$; $ΔH = -57.1$ кДж

• Слабая кислота + сильное основание: $NaOH_{(р-р)} + CH_3COOH_{(р-р)} \rightarrow CH_3COONa_{(р-р)} + H_2O_{(ж)}$; $ΔH = -55.2$ кДж

Разница в $1.9$ кДж обусловлена теплотой, поглощаемой при диссоциации уксусной кислоты.

Ответ: Тепловой эффект напрямую зависит от химической природы реагентов и продуктов, а именно от энергии химических связей, которые разрываются и образуются в ходе реакции.

2. Зависимость от аллотропной модификации

Аллотропы — это разные структурные формы одного и того же химического элемента. Они имеют разное строение кристаллической решетки и, как следствие, разный запас внутренней энергии. Это приводит к различным тепловым эффектам в реакциях с их участием.

Пример: Горение углерода.

Углерод существует в виде нескольких аллотропных модификаций, например, графита и алмаза. Теплота сгорания для них различна:

• Горение графита: $C_{(графит)} + O_{2(г)} \rightarrow CO_{2(г)}$; $ΔH = -393.5$ кДж

• Горение алмаза: $C_{(алмаз)} + O_{2(г)} \rightarrow CO_{2(г)}$; $ΔH = -395.4$ кДж

Разница в $1.9$ кДж/моль соответствует теплоте аллотропного превращения алмаза в графит. Из этих данных следует, что графит является более термодинамически устойчивой модификацией углерода, чем алмаз.

Ответ: Тепловой эффект реакции изменяется при использовании разных аллотропных модификаций одного и того же элемента, так как они обладают разной внутренней энергией.

3. Зависимость от агрегатного состояния веществ

Внутренняя энергия вещества зависит от его физического состояния (твёрдое, жидкое или газообразное). Переход из одного агрегатного состояния в другое сопровождается поглощением или выделением тепла (теплота плавления, парообразования и т.д.). Поэтому тепловой эффект реакции зависит от того, в каком состоянии находятся реагенты и продукты.

Пример: Синтез воды.

Рассмотрим реакцию образования воды из водорода и кислорода. Тепловой эффект будет различным в зависимости от того, образуется ли жидкая вода или водяной пар.

• Образование газообразной воды: $2H_{2(г)} + O_{2(г)} \rightarrow 2H_2O_{(г)}$; $ΔH = -483.6$ кДж

• Образование жидкой воды: $2H_{2(г)} + O_{2(г)} \rightarrow 2H_2O_{(ж)}$; $ΔH = -571.6$ кДж

Разница в $88$ кДж равна теплоте конденсации двух молей водяного пара. При образовании жидкой воды выделяется больше тепла, так как к тепловому эффекту самой реакции добавляется теплота, выделяющаяся при переходе воды из газообразного состояния в жидкое.

Ответ: Тепловой эффект реакции зависит от агрегатного состояния участников реакции, поскольку фазовые переходы являются энергозатратными или энерговыделяющими процессами.

4. Зависимость от условий протекания реакции (температура, давление, концентрация)

Внешние условия, при которых проводится реакция, также влияют на её тепловой эффект.

Температура: Зависимость теплового эффекта от температуры описывается законом Кирхгофа. Согласно этому закону, изменение энтальпии реакции при изменении температуры зависит от разности теплоёмкостей продуктов и реагентов: $ΔH_{T_2} = ΔH_{T_1} + \int_{T_1}^{T_2} ΔC_p dT$, где $ΔC_p$ — разность молярных теплоёмкостей продуктов и реагентов. Для большинства реакций это влияние невелико в малых интервалах температур, но становится существенным при больших изменениях T.

Давление: Влияние давления наиболее заметно для реакций, протекающих с изменением числа молей газообразных веществ. Тепловой эффект реакции при постоянном давлении ($ΔH$) и при постоянном объёме ($ΔU$) связан соотношением $ΔH = ΔU + Δn_{газ}RT$, где $Δn_{газ}$ — изменение числа молей газов. Для реакций в конденсированных фазах (жидкости, твёрдые тела) влияние давления, как правило, незначительно.

Концентрация (для растворов): Тепловой эффект реакции в растворе зависит от концентрации. Это связано с тем, что процессы разбавления или концентрирования раствора сами по себе сопровождаются выделением или поглощением тепла (теплота разбавления).

Пример: Растворение серной кислоты.

Теплота, выделяющаяся при растворении одного моля концентрированной серной кислоты, зависит от количества воды, в котором её растворяют:

• $H_2SO_4 + 200 H_2O \rightarrow H_2SO_4(р-р)$; $ΔH = -73.3$ кДж

• $H_2SO_4 + \infty H_2O \rightarrow H_2SO_4(р-р)$; $ΔH = -95.3$ кДж (теплота при бесконечном разбавлении)

Чем сильнее разбавлен конечный раствор, тем больше тепла выделяется в сумме.

Ответ: Тепловой эффект реакции зависит от внешних условий: температуры (согласно закону Кирхгофа), давления (особенно для газов) и концентрации веществ в растворах (из-за теплот разбавления).