Презентация урока "Почему протекают химические реакции"
методическая разработка по химии (11 класс) по теме

Тепловой эффект реакции не обязательно находить экспериментально, его можно рассчитать, используя стандартные теплоты образования и сгорания веществ, следуя закону Гесса,

Закон Г. И. Гесса (1840 г.) заключается в следующем: Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса, а только от вида (например, аллотропной модификации) и агрегатного состояния исходных веществ и конечных продуктов реакции.

Пример. Сгорание углерода может идти двумя путями:

в одну стадию:

С + O2 → СO2  +394 кДж(Q = 394 кДж);

в две стадии:

С+1/2О2 → СO +111 кДж;

СО + 1/2 O2 →СO2  +283 кДж;

(Q1 = 111 кДж, Q2 = 283 кДж, сумма тепловых эффектов обеих стадий 394 кДж.)

С другой стороны, сравнение тепловых эффектов сгорания двух аллотропных модификаций углерода – графита (+394 кДж) и алмаза (+392 кДж), разложения водяного пара (–241,8 кДж) и воды (–285,8 кДж) доказывает, что тепловой эффект химической реакции зависит от вида и состояния исходных и конечных веществ.

Для расчета теплового эффекта реакции Q используют стандартные теплоты образования Qобр и сгорания Qсгор веществ, которые определяются в стандартных условиях: t = 25°С, Р = 1 атм на 1 моль вещества, вычисляются в кДж/моль.

Стандартная теплота образования показывает, сколько кДж энергии выделилось или поглотилось при образовании 1 моль сложного вещества из простых.

Теплоты образования простых веществ равны 0.

Стандартная теплота сгорания показывает, сколько кДж энергии выделилось при сгорании 1 моль вещества до высших оксидов.

Теплоты сгорания негорючих веществ равны 0.

Стандартные теплоты сгорания и образования можно найти в справочных таблицах.

Расчеты теплового эффекта реакции проводятся согласно следствию из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции равен сумме стандартных теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных теплот образования исходных веществ.

Q = ∑Qобр (продуктов) – ∑Qобр (исходных веществ).

Если даны стандартные теплоты сгорания, то можно использовать следующую форму для вычисления теплового эффекта реакции:

Q = ∑Qсгор (исходных веществ) –∑Qсгор (продуктов). При вычислениях учитываются стехиометрические коэффициенты.

Примеры решения задач.

Нахождение теплового эффекта химической реакции по стандартам теплотам образования (сгорания) исходных и конечных веществ.

Пример. Найдите тепловой эффект реакции горения метана СH4.

Первый способ - через стандартные теплоты образования.

1. Запишем уравнение реакции: СH4 + 2O2 = СO2 + 2H2 O + Q

2. Выразим в общем виде Q через Qобр учитывая коэффициенты:

Q = [Qобр (СO2) + 2Qобр(H2O)] – [Qобр (СH4) + 2Qобр (O2)].

3. Подставим значения в полученную формулу: Q = 393,5 + 2 ∙ 285,8 – 74,8 = 890,3 кДж.

Второй способ – через стандартные теплоты сгорания.

Гораздо проще решить эту задачу через Qсгор. Так как из всех веществ в данной системе только метан – горючий, то Qсгор воды, углекислого газа и кислорода равна нулю. По таблице стандартных теплот сгорания Qсгор (CH4) = 890,3 кДж/моль, значит Q = 890,3 кДж.

Кроме такой характеристики системы, как энтальпия H, существует энтропия S. С одной стороны, каждая система стремится к более устойчивому, упорядоченному состоянию, соответствующему минимуму внутренней энергии, с другой – система состоит из огромного числа частиц, которые находятся в беспорядочном и непрерывном движении. Мерой упорядоченности состояния системы является ∆Н, мерой неупорядоченности – энтропия S. Чем выше температура, чем больше объем системы, тем сильнее неупорядоченность и больше энтропия, и наоборот. Состояние веществ вблизи абсолютного нуля можно считать максимально упорядоченным – S → 0. В отличие от Н абсолютное значение S можно найти. Значение стандартных энтропий приводится в таблицах. Например, S0298(H2) = 130,5 Дж/моль ∙ К, a S0298(ZnO) = 43,6 Дж/моль ∙ К.

В ходе химических реакций энтропия системы меняется, ее изменение ∆S можно рассчитать.

Вследствие стремления системы к состоянию с минимальной энергией частицы проявляют тенденцию к сближению, взаимодействию друг с другом, образованию прочных агрегатов, уменьшению объема. Тепловое движение, напротив, вызывает разброс частиц, увеличивая объем системы. Каждая из этих противоположных тенденций зависит от природы веществ и условий протекания процесса (t0, давления, концентрации веществ и т.д.). Сравнение этих тенденций позволяет определить направление процесса. ∆Н – энтальпийный фактор, ∆S ∙ T – энтропийный фактор, при ∆Н = T∆S система находится в состоянии равновесия.

Разница ∆Н и  T∆S называется энергией Гиббса. ∆G = ∆Н – T∆S [кДж/моль]. Стандартная энергия Гиббса – табличная величина.

Таким образом, используя данные таблиц, можно определить ∆Н, ∆S и AG любого процесса и сделать вывод о возможности его протекания по таблице:

Например:

Дана реакция 3H2 + N↔ 2NH3. Определите возможность ее протекания. По таблице находим S, и ∆G веществ, участвующих в этой реакции:

Определим ∆Н0 (реакции) = 2∆Н0(NH3) - ∆Н0 (N2) – 3∆Н0 (H2) = –46,2 ∙ 2 = –92,4 кДж.

∆S0 (реакции) = 2S0(NH3) – S0(N2) – 3S0(H2) =  192,6 ∙ 2 – 191,5 – 3 ∙  130,5= –197,8 кДж. ∆G0 (реакции) = 2∆G0(NH3) – ∆G0(N2) – 3∆G0(H2) = –16,7 ∙ 2 =  –33,4 кДж.

Знак ∆Н («–»); ∆S («–»); ∆G («–») – реакция возможна, при достаточно низких температурах.

Рассчитаем, при какой температуре реакция возможна, из формулы ∆G = ∆Н – T∆S;

1.Реакции, при которых выделяется энергия и нагревается окружающая среда, называют:

а) экзотермическими

б) эндотермическими

в) соединения

г) разложения

2. Энергия, которая выделяется или поглощается в химической реакции, называется:

а) экзотермической

б) эндотермической

в) тепловым эффектом реакции

г) внутренняя энергия

3.Тепловой эффект реакции обозначается:

а) Q, б) Н, в) S, г) М

4. Энтальпия – это величина, которая характеризует:

а) запас энергии в веществе

б) теплота сгорания

в) теплота

5. При соединении 18г. Алюминия с кислородом выделяется547 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.

6.Каталитические реакции идут:

а) без участия катализатора

б) с участием катализатора

в) в одной фазе

г) в разных фазах

7.  Реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:

а) разложения

б) замещения

в) соединения

г) обмена

8.Реакции, при которых из нескольких веществ образуется одно сложное вещество:

а) разложения

б) замещения

в) соединения

г) обмена

1.Реакции, при протекании которых энергия поглощается  из окружающая среда, называют:

а) экзотермическими

б) эндотермическими

в) соединения

г) разложения

2. Уравнение химической реакции, в котором указан тепловой эффект реакции, называют:

 а) экзотермическими

б) эндотермическими

в) соединения

г) термохимическим

3.Тепловой эффект реакции обозначается:

а) Q, б) Н, в) S, г) М

4. Энтальпия – это величина, которая характеризует:

а) запас энергии в веществе

б) теплота сгорания

в) теплота

5.При сжигании 6,5г цинка выделяется теплота, равная 34,8 кДж, определите теплоту образования оксида цинка.

6.Некаталитические реакции идут:

а) без участия катализатора

б) с участием катализатора

в) в одной фазе

г) в разных фазах

7. Реакции, при которых два сложных вещества обмениваются своими составными частями:

а) разложения

б) замещения

в) соединения

г) обмена

8.Реакции, при которых из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ:

а) разложения

б) замещения

в) соединения

г) обмена