Ентальпії утворення та згоряння хімічних сполук. Закон Гесса
Матеріал
Урок 35. Ентальпії утворення та згоряння хімічних сполук. Закон Гесса
Мета уроку: сформувати уявлення про способи розрахунку теплового ефекту хімічних реакцій на основі енергій зв’язків, ентальпій утворення та ентальпій згоряння; ознайомити із формулюванням і застосуванням закону Гесса
Очікувані результати для вчителя:
Очікувані результати для учнівства:
План уроку
- Мотивація (5 хв.).
- Поняття ентальпії утворення та ентальпії згоряння хімічних сполук (15 хв.).
- Закон Гесса (12 хв.)
- Практикуємось (10 хв.).
- Рефлексія (3 хв.).
Дружня порада для вчителя
Тривалість: до 10 хв.
У цьому передслові учитель / учителька разом з учнями згадують матеріал попереднього уроку, актуалізуючи знання важливих термінів та понять.
Життєдіяльність рослинного або тваринного організму визначається його можливістю генерувати, поновлювати або перетворювати енергію, яка потрібна для забезпечення біохімічних процесів, взаємодії з навколишнім середовищем тощо. Одним із найважливіших джерел енергії для рослин є процес фотосинтезу:
Як результат, енергія сонячного світла перетворюється в енергію хімічних зв’язків та запасається, наприклад, у формі молекул глюкози. У свою чергу тваринні організму можуть отримати цю енергію, якщо споживатимуть рослини, запускаючи цю реакцію у зворотню сторону.
Насправді, звичайно, усе не так просто. Фотосинтез є складним процесом, що включає десятки стадій та відбувається за участю низки допоміжних речовин: ферментів, коферментів тощо. Такий спрощений підхід до ілюстрації складного процесу дозволяє дати відповідь на важливе питання: Яку кількість енергії можна таким чином добути? Відповідь на це питання криється у значенні теплового ефекту реакції, який ми сьогодні і спробуємо навчитися рахувати.
Завдання 1. Пригадайте визначення та дайте відповіді на питання:
- Що таке екзотермічна й ендотермічна реакція?
- Як ви розумієте поняття «тепловий ефект реакції»?
- Що таке хімічний зв’язок і чому його розрив / утворення супроводжується зміною енергії?
Дружня порада для вчителя
Тривалість: до 15 хв.
Серед теоретичних методів обчислення теплового ефекту реакції виділяють такі, що базуються на застосуванні:
- енергії зв’язків (ентальпії дисоціації зв’язків);
- ентальпії утворення хімічних речовин;
- закону Гесса.
Утворення хімічного зв’язку є енергетично вигідною взаємодією двох частинок, що супроводжується виділенням енергії у навколишнє середовище. Саме цю енергію і потрібно витрати, якщо виникає необхідність такий хімічний зв’язок зруйнувати.
Під час хімічної реакції частинки реагуючих речовин перегруповуються, утворюючи нові речовини. У процесі такого перетворення хімічні зв’язки реактантів руйнуються (поглинається енергія), а в продуктах – утворюються (виділяється енергія):
Як результат, тепловий ефект такої реакції можна обчислити за значенням енергій зв’язків:
Приклад 1. Обчисліть тепловий ефект реакції взаємодії газуватих водню та хлору з утворенням хлороводню, якщо енергії зв’язків (кДж/моль) становлять:
- Е(H-H) = 436
- Е(Cl-Cl) = 243
- E(H-Cl) = 431
Виконайте необхідні обчислення, заповнюючи пропуски у наведеному нижче алгоритмі розв’язування задачі.
Розв’язання:
- Складаємо рівняння хімічної реакції взаємодії простих речовин водню та хлору з утворенням хлороводню:
- Н2 (г.) + Cl2 (г.) = 2HCl (г.)
- Умовно можна вважати, що у процесі перетворення потрібно зруйнувати зв’язки Н-Н в молекулах водню та Cl-Cl в молекулах хлору. Розрахуємо сумарну кількість енергії, що витратиться на це:
- ∑ Е(зв’язків, що розриваються) = E(H-H) + E(Cl-Cl)
- ∑ Е(зв’язків, що розриваються) = (кДж)
- У процесі утворення зв’язків Н-Cl у молекулах хлороводню енергія виділятиметься в кількості:
- ∑ E(зв’язків, що утворюються) = 2∙E(H-Cl)
- Зверніть увагу! При обчисленні сумарної кількості енергії враховуємо кількість таких зв’язків з урахуванням коефіцієнтів у рівнянні реакції.
- ∑ E(зв’язків, що утворюються) = (кДж)
- Обчислюємо різницю поглинутої та виділеної під час перетворення енергії:
- ∆Hреакції = ∑ Е(зв’язків, що розриваються) – ∑ E(зв’язків, що утворюються)
- ∆Hреакції = E(H-H) + E(Cl-Cl) – 2∙E(H-Cl)
- ∆Hреакції =________________________ (кДж)
- З урахуванням того, що в результаті реакції утворилось 2 моль HCl, обчислимо та наведемо відповідь у перерахунку на 1 моль речовини:
∆Hреакції =__________________________ (кДж/моль)
Відповідь:_______________________
Такий підхід до обчислення зміни ентальпії реакції добре демонструє зв’язок між мікроскопічними процесами (розрив / утворення зв’язків) і макроскопічними (тепловим ефектом реакції). Застосування цього методу є досить кропіткою справою для реакції за участю складних речовин, що містять більшу кількість зв’язків.
Простішим у застосуванні є підхід, в основі якого лежить використання, так званих, стандартних* ентальпій утворення речовин (під словом «стандартних» розуміємо таких, значення яких приведені до Т = 298 К та р = 1∙105Па).
Так, ентальпія утворення ∆Нутв. хлороводню є тепловим ефектом реакції утворення 1 моль хлороводню із відповідної кількості простих речовин газуватих водню та хлору, та може бути практично виміряна:
½ Н2 (г.) + ½ Cl2 (г) = HCl (г.); ∆Нреакції = ‒92,3 кДж
∆Hутв.(HCl) = ∆Hреакції = ‒92,3 кДж/моль
Порівняймо значення ентальпії утворення хлороводню (∆Hутв., кДж/моль) із раніше розрахованою ентальпією реакції газуватих водню та хлору методом «енергій зв’язків» (∆Hтеор:, кДж/моль)
∆Hтеор (> / = / <) ∆Hутв
- Подумайте, та спробуйте сформулювати гіпотезу щодо того, чому ці енергії (однакові / відрізняються). Обговоріть це зі своїми однокласниками.
Ентальпії утворення речовин можна використати для обчислення теплового ефекту будь-якої реакції за їх участю:
Тепловий ефект реакції дорівнює різниці сум стандартних ентальпій утворення продуктів реакції та реактантів
При обчисленні теплового ефекту таким методом потрібно зважати на те, що ентальпії утворення простих речовин у їхніх найбільш стабільних за стандартних умов алотропних модифікаціях дорівнюють нулю.
- Пригадайте визначення поняття стандартної ентальпії утворення та спробуйте пояснити це твердження
Таблиця. Деякі стандартні ентальпії утворення простих речовин.
| Хімічний елемент | Проста речовина | ∆Hутв., кДж/моль | |
| формула | назва | ||
| Н | Н2 (г.) | водень | 0 |
| С | С (тв.) | алмаз | 1,83 |
| С (тв.) | графіт | 0 | |
| N | N2 (г.) | азот | 0 |
| О | О2 (г.) | кисень | 0 |
| О3 (г.) | озон | 142,3 | |
| Cl | Cl2 (г.) | хлор | 0 |
| Fe | Fe (тв.) | залізо | 0 |
Як видно із таблиці, нульове значення ентальпії утворення простої речовини для елементів, що можуть утворювати різні алотропні форми, відповідає тільки одній з таких форм: для Карбону С – графіт, Оксигену О – кисень, Фосфору Р – білий фосфор тощо.
Приклад 2. Обчисліть тепловий ефект реакції повного згоряння метану з утворенням вуглекислого газу та води, якщо стандартні ентальпії утворення учасників реакції становлять:
- ∆Hутв.(СН4, г.) = ‒75 кДж/моль,
- ∆Hутв.(СО2, г.) = ‒394 кДж/моль,
- ∆Hутв.(Н2О, р.) = ‒286 кДж/моль.
Виконайте необхідні обчислення, заповнюючи пропуски у наведеному нижче алгоритмі розв’язування задачі.
Розв’язання:
- Складаємо рівняння реакції повного згоряння метану в атмосфері кисню:
- СН4 (г.) + 2О2 (г.) = СО2 (г.) + 2Н2О (р.); ∆Hреакції ‒ ?
- Розраховуємо суму ентальпій утворення продуктів реакції з урахуванням коефіцієнтів в рівнянні реакції:
- ∑ ∆Hутв.(продуктів) = ∆Hутв.(СО2, г.) + 2∙∆Hутв.(Н2О, р.)
- ∑ ∆Hутв.(продуктів) = (кДж)
- Розраховуємо суму ентальпій утворення реактантів з урахуванням коефіцієнтів в рівнянні реакції:
- ∑ ∆Hутв.(реактантів) = ∆Hутв.( СН4, г.) + 2∙∆Hутв.(О2, г.)
- Зверніть увагу, що стандартні ентальпії утворення простих речовин дорівнюють нулю.
- ∑ ∆Hутв.(реактантів) = (кДж)
- Обчислюємо тепловий ефект реакції:
- ∆Нреакції = ∑ ∆Hутв.(продуктів) ‒ ∑ ∆Hутв.(реактантів)
- ∆Нреакції = ∆Hутв.(СО2, г.) + 2∙∆Hутв.(Н2О, р.) ‒ ∆Hутв.( СН4, г.)
∆Нреакції = _________________(кДж)
Відповідь: __________________кДж.
Проблема обчислення теплового ефекту хімічних реакцій сьогодні легко може бути вирішена, адже для більшості речовин такі ентальпії утворення визначені експериментальним шляхом та зібрані у спеціальні довідники. Особливо уважні з вас можуть звернути увагу, що далеко не кожну речовину можна утворити прямою взаємодією простих речовин. А тому, насправді, далеко не для кожної речовини можна отримати експериментальні ентальпії утворення.
Дружня порада для вчителя
Тривалість: до 12 хв.
У 1840 році хімік та лікар швейцарського походження Герман Гесс сформулював закон, який знайшов широке застосування у фізичній хімії та є наслідком природи ентальпії як функції стану речовини:
тепловий ефект реакції не залежить від шляху реакції або від відношення вихідних речовин до продуктів реакції, а визначається лише різницею ентальпій продуктів та реактантів.
Таким чином, навіть якщо реакція проходить у кілька стадій, сума теплових ефектів усіх стадій дорівнює тепловому ефекту прямої реакції:
Приклад 3. Обчисліть тепловий ефект реакції часткового окиснення 1 (одного) моль графіту в атмосфері кисню з утворенням карбон(ІІ) оксиду, якщо стандартні ентальпії згоряння графіту та карбон(ІІ) оксиду становлять:
∆Нзгор.(С, тв.) = ‒394 кДж/моль
∆Нзгор.(СО, г.) = ‒283 кДж/моль
Виконайте необхідні обчислення, заповнюючи пропуски у наведеному нижче алгоритмі розв’язування задачі
Розв’язання:
- Складаємо рівняння реакції часткового окиснення 1 (одного) моль графіту ‒алотропної форми Карбону ‒ в атмосфері кисню з утворенням карбон(ІІ) оксиду:
- С (тв.) + ½ О2 (г.) = СО (г.) (1)
- Ентальпія згоряння, ∆Нзгор. – тепловий ефект реакції повного згоряння речовини в атмосфері кисню за стандартних умов (298 К, 1∙105 Па).
- Таким чином, ентальпії згоряння речовин, наведені в задачі, відповідають реакціям:
- С (тв.) + О2 (г.) = СО2 (г.); ∆Нзгор.(С, тв.) (2)
- СО (г.) + ½ О2 (г.) = СО2 (г.); ∆Нзгор.(СО, г.) (3)
- Таким чином, ентальпії згоряння речовин, наведені в задачі, відповідають реакціям:
- Відповідно до закону Гесса тепловий ефект реакції не залежить від шляху перетворення, а тому реакцію (2) можна з легкістю представити послідовністю реакцій (1) та (3):
Тобто,
- ∆Н2 = ∆Н1 + ∆Н3
- ∆Нзгор.(С, тв.) = ∆Н1 + ∆Нзгор.(СО, г.)
А тепловий ефект реакції (1) дорівнює: ∆Н1 = ∆Нзгор.(С, тв.) ‒ ∆Нзгор.(СО, г.)
- Підставляємо наведені в умові задачі значення ентальпій згоряння та розраховуємо шуканий тепловий ефект реакції:
- ∆Н1 = ______________________________________________________________________________(кДж)
Відповідь: _________________кДж
Виведена у п. 3 формула обчислення теплового ефекту реакції за відомими ентальпіями згоряння речовин є загальною. Не важко показати, що ентальпії згоряння речовин можна використати для обчислення теплового ефекту будь-якої реакції за їх участю:
∆Нреакції = ∑ ∆Hзгор.(реактантів) ‒ ∑ ∆Hзгор.(продуктів)
Дружня порада для вчителя
Тривалість: до 10 хв.
Виконуємо вправи і завдання.
4.1. Серед запропонованих рівнянь оберіть такі, тепловий ефект яких відповідає стандартним ентальпіям утворення речовини або ентальпіям згоряння:
| Хімічне рівняння | ∆Нутв. | ∆Нзгор. |
|---|---|---|
| 1/2 N2 (г.) + 3/2 Н2 (г.) = NH3 (г.) | ||
| CH4 (г.) + 2O2 (г.) = CO2 (г.) + 2H2O (р.) | ||
| S (тв.) + О2 (г.) = SO2 (г.) | ||
| PH3 (г.) + 2О2 (г.) = 1/2 P2O5 (тв.) + 3/2 Н2О (р.) | ||
| H2O (р.) = H2 (г.) + 1/2 О2 (г.) | ||
| С2Н5ОН (р.) + 3О2 (г.) = 2СО2 (г.) + 3Н2О (р.) | ||
| С (тв.) + О2 (г.) = СО2 (г.) | ||
| SO2 (г.) + 1/2 О2 (г.) = SO3 (тв.) | ||
| N2 (г.) + 1/2 O2 (г.) = N2O (г.) | ||
| 2Al (тв.) + 3S (тв.) = Al2S3 (тв.) | ||
| 3Fe (тв.) + 2О2 (г.) = Fe3O4 (тв.) | ||
| ZnS (тв.) + 3/2 О2 (г.) = ZnO (тв.) + SO2 (г.) |
4.2. Обчисліть тепловий ефект реакції повного окиснення етану С2Н6 в атмосфері кисню з утворенням вуглекислого газу та води за відомими стандартними ентальпіями утворення речовин:
| Речовина | ∆Нутв., кДж/моль |
|---|---|
| С2H6 (г.) | -84 |
| O2 (г.) | 0 |
| CO2 (г) | -394 |
| H2O (р.) | -286 |
Дружня порада для вчителя
Тривалість: до 3 хв.
Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.
Учитель пропонує учням дати відповіді на питання (прийом «три речення»):
- Сьогодні я дізнався, що…
- Тепер я вмію…
- Найцікавішим для мене було…
«Мандрівка енергії»
Уявіть, що ви — частинка енергії, яка «подорожує» через хімічні реакції. Опишіть свій шлях у вигляді короткої історії, коміксу або міні-сценарію, в якій:
- Ви «вивільняєтесь» або «поглинаєтесь» під час реакції утворення або згоряння.
- Ви «відчуваєте» зміну зв’язків у молекулах: які руйнуються, які утворюються.
- Ви «проходите» через декілька етапів реакції (відповідно до закону Гесса) і порівнюєте свій шлях із прямою реакцією.
Умови:
- використовуйте приклади реакцій (метан, водень, кисень, хлор тощо);
- додайте наочні елементи: малюнки, схеми, символи (можна виконати в зошиті або презентації);
- обов’язково поясніть, де ви «втратили» чи «отримали» енергію — це і є тепловий ефект
Приклад початку історії (для натхнення):
«Мене звати Сергій, я енергія. Я жив в міцному зв’язку H–H, але одного разу мене змусили вивільнитися… Усе через реакцію з хлором Cl₂! Тоді почалась моя мандрівка: я побачив, як утворювався хлороводень HCl — і відчув, як мої колишні сили знову закутали мене в новий хімічний зв’язок…»
Урок 35. Ентальпії утворення та згоряння хімічних сполук. Закон Гесса
Аркуш для учнівства
Мета уроку: сформувати уявлення про способи розрахунку теплового ефекту хімічних реакцій на основі енергій зв’язків, ентальпій утворення та ентальпій згоряння; ознайомити із формулюванням і застосуванням закону Гесса
Очікувані результати для учнівства:
План уроку
- Мотивація (5 хв.).
- Поняття ентальпії утворення та ентальпії згоряння хімічних сполук (15 хв.).
- Закон Гесса (12 хв.)
- Практикуємось (10 хв.).
- Рефлексія (3 хв.).
Життєдіяльність рослинного або тваринного організму визначається його можливістю генерувати, поновлювати або перетворювати енергію, яка потрібна для забезпечення біохімічних процесів, взаємодії з навколишнім середовищем тощо. Одним із найважливіших джерел енергії для рослин є процес фотосинтезу:
Як результат, енергія сонячного світла перетворюється в енергію хімічних зв’язків та запасається, наприклад, у формі молекул глюкози. У свою чергу тваринні організму можуть отримати цю енергію, якщо споживатимуть рослини, запускаючи цю реакцію у зворотню сторону.
Насправді, звичайно, усе не так просто. Фотосинтез є складним процесом, що включає десятки стадій та відбувається за участю низки допоміжних речовин: ферментів, коферментів тощо. Такий спрощений підхід до ілюстрації складного процесу дозволяє дати відповідь на важливе питання: Яку кількість енергії можна таким чином добути? Відповідь на це питання криється у значенні теплового ефекту реакції, який ми сьогодні і спробуємо навчитися рахувати.
Завдання 1. Пригадайте визначення та дайте відповіді на питання:
- Що таке екзотермічна й ендотермічна реакція?
- Як ви розумієте поняття «тепловий ефект реакції»?
- Що таке хімічний зв’язок і чому його розрив / утворення супроводжується зміною енергії?
| ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
Серед теоретичних методів обчислення теплового ефекту реакції виділяють такі, що базуються на застосуванні:
- енергії зв’язків (ентальпії дисоціації зв’язків);
- ентальпії утворення хімічних речовин;
- закону Гесса.
Утворення хімічного зв’язку є енергетично вигідною взаємодією двох частинок, що супроводжується виділенням енергії у навколишнє середовище. Саме цю енергію і потрібно витрати, якщо виникає необхідність такий хімічний зв’язок зруйнувати.
Під час хімічної реакції частинки реагуючих речовин перегруповуються, утворюючи нові речовини. У процесі такого перетворення хімічні зв’язки реактантів руйнуються (поглинається енергія), а в продуктах – утворюються (виділяється енергія):
Як результат, тепловий ефект такої реакції можна обчислити за значенням енергій зв’язків:
Приклад 1. Обчисліть тепловий ефект реакції взаємодії газуватих водню та хлору з утворенням хлороводню, якщо енергії зв’язків (кДж/моль) становлять:
- Е(H-H) = 436
- Е(Cl-Cl) = 243
- E(H-Cl) = 431
Виконайте необхідні обчислення, заповнюючи пропуски у наведеному нижче алгоритмі розв’язування задачі.
Розв’язання:
- Складаємо рівняння хімічної реакції взаємодії простих речовин водню та хлору з утворенням хлороводню:
- Н2 (г.) + Cl2 (г.) = 2HCl (г.)
- Умовно можна вважати, що у процесі перетворення потрібно зруйнувати зв’язки Н-Н в молекулах водню та Cl-Cl в молекулах хлору. Розрахуємо сумарну кількість енергії, що витратиться на це:
- ∑ Е(зв’язків, що розриваються) = E(H-H) + E(Cl-Cl)
- ∑ Е(зв’язків, що розриваються) = (кДж)
- У процесі утворення зв’язків Н-Cl у молекулах хлороводню енергія виділятиметься в кількості:
- ∑ E(зв’язків, що утворюються) = 2∙E(H-Cl)
- Зверніть увагу! При обчисленні сумарної кількості енергії враховуємо кількість таких зв’язків з урахуванням коефіцієнтів у рівнянні реакції.
- ∑ E(зв’язків, що утворюються) = (кДж)
- Обчислюємо різницю поглинутої та виділеної під час перетворення енергії:
- ∆Hреакції = ∑ Е(зв’язків, що розриваються) – ∑ E(зв’язків, що утворюються)
- ∆Hреакції = E(H-H) + E(Cl-Cl) – 2∙E(H-Cl)
- ∆Hреакції =________________________ (кДж)
- З урахуванням того, що в результаті реакції утворилось 2 моль HCl, обчислимо та наведемо відповідь у перерахунку на 1 моль речовини:
∆Hреакції =__________________________ (кДж/моль)
Відповідь:_______________________
Такий підхід до обчислення зміни ентальпії реакції добре демонструє зв’язок між мікроскопічними процесами (розрив / утворення зв’язків) і макроскопічними (тепловим ефектом реакції). Застосування цього методу є досить кропіткою справою для реакції за участю складних речовин, що містять більшу кількість зв’язків.
Простішим у застосуванні є підхід, в основі якого лежить використання, так званих, стандартних* ентальпій утворення речовин (під словом «стандартних» розуміємо таких, значення яких приведені до Т = 298 К та р = 1∙105Па).
Так, ентальпія утворення ∆Нутв. хлороводню є тепловим ефектом реакції утворення 1 моль хлороводню із відповідної кількості простих речовин газуватих водню та хлору, та може бути практично виміряна:
½ Н2 (г.) + ½ Cl2 (г) = HCl (г.); ∆Нреакції = ‒92,3 кДж
∆Hутв.(HCl) = ∆Hреакції = ‒92,3 кДж/моль
Порівняймо значення ентальпії утворення хлороводню (∆Hутв., кДж/моль) із раніше розрахованою ентальпією реакції газуватих водню та хлору методом «енергій зв’язків» (∆Hтеор:, кДж/моль)
∆Hтеор (> / = / <) ∆Hутв
- Подумайте, та спробуйте сформулювати гіпотезу щодо того, чому ці енергії (однакові / відрізняються). Обговоріть це зі своїми однокласниками.
Ентальпії утворення речовин можна використати для обчислення теплового ефекту будь-якої реакції за їх участю:
Тепловий ефект реакції дорівнює різниці сум стандартних ентальпій утворення продуктів реакції та реактантів
При обчисленні теплового ефекту таким методом потрібно зважати на те, що ентальпії утворення простих речовин у їхніх найбільш стабільних за стандартних умов алотропних модифікаціях дорівнюють нулю.
- Пригадайте визначення поняття стандартної ентальпії утворення та спробуйте пояснити це твердження
Таблиця. Деякі стандартні ентальпії утворення простих речовин.
| Хімічний елемент | Проста речовина | ∆Hутв., кДж/моль | |
| формула | назва | ||
| Н | Н2 (г.) | водень | 0 |
| С | С (тв.) | алмаз | 1,83 |
| С (тв.) | графіт | 0 | |
| N | N2 (г.) | азот | 0 |
| О | О2 (г.) | кисень | 0 |
| О3 (г.) | озон | 142,3 | |
| Cl | Cl2 (г.) | хлор | 0 |
| Fe | Fe (тв.) | залізо | 0 |
Як видно із таблиці, нульове значення ентальпії утворення простої речовини для елементів, що можуть утворювати різні алотропні форми, відповідає тільки одній з таких форм: для Карбону С – графіт, Оксигену О – кисень, Фосфору Р – білий фосфор тощо.
Приклад 2. Обчисліть тепловий ефект реакції повного згоряння метану з утворенням вуглекислого газу та води, якщо стандартні ентальпії утворення учасників реакції становлять:
- ∆Hутв.(СН4, г.) = ‒75 кДж/моль,
- ∆Hутв.(СО2, г.) = ‒394 кДж/моль,
- ∆Hутв.(Н2О, р.) = ‒286 кДж/моль.
Виконайте необхідні обчислення, заповнюючи пропуски у наведеному нижче алгоритмі розв’язування задачі.
Розв’язання:
- Складаємо рівняння реакції повного згоряння метану в атмосфері кисню:
- СН4 (г.) + 2О2 (г.) = СО2 (г.) + 2Н2О (р.); ∆Hреакції ‒ ?
- Розраховуємо суму ентальпій утворення продуктів реакції з урахуванням коефіцієнтів в рівнянні реакції:
- ∑ ∆Hутв.(продуктів) = ∆Hутв.(СО2, г.) + 2∙∆Hутв.(Н2О, р.)
- ∑ ∆Hутв.(продуктів) = (кДж)
- Розраховуємо суму ентальпій утворення реактантів з урахуванням коефіцієнтів в рівнянні реакції:
- ∑ ∆Hутв.(реактантів) = ∆Hутв.( СН4, г.) + 2∙∆Hутв.(О2, г.)
- Зверніть увагу, що стандартні ентальпії утворення простих речовин дорівнюють нулю.
- ∑ ∆Hутв.(реактантів) = (кДж)
- Обчислюємо тепловий ефект реакції:
- ∆Нреакції = ∑ ∆Hутв.(продуктів) ‒ ∑ ∆Hутв.(реактантів)
- ∆Нреакції = ∆Hутв.(СО2, г.) + 2∙∆Hутв.(Н2О, р.) ‒ ∆Hутв.( СН4, г.)
∆Нреакції = _________________(кДж)
Відповідь: __________________кДж.
Проблема обчислення теплового ефекту хімічних реакцій сьогодні легко може бути вирішена, адже для більшості речовин такі ентальпії утворення визначені експериментальним шляхом та зібрані у спеціальні довідники. Особливо уважні з вас можуть звернути увагу, що далеко не кожну речовину можна утворити прямою взаємодією простих речовин. А тому, насправді, далеко не для кожної речовини можна отримати експериментальні ентальпії утворення.
У 1840 році хімік та лікар швейцарського походження Герман Гесс сформулював закон, який знайшов широке застосування у фізичній хімії та є наслідком природи ентальпії як функції стану речовини:
тепловий ефект реакції не залежить від шляху реакції або від відношення вихідних речовин до продуктів реакції, а визначається лише різницею ентальпій продуктів та реактантів.
Таким чином, навіть якщо реакція проходить у кілька стадій, сума теплових ефектів усіх стадій дорівнює тепловому ефекту прямої реакції:
Приклад 3. Обчисліть тепловий ефект реакції часткового окиснення 1 (одного) моль графіту в атмосфері кисню з утворенням карбон(ІІ) оксиду, якщо стандартні ентальпії згоряння графіту та карбон(ІІ) оксиду становлять:
∆Нзгор.(С, тв.) = ‒394 кДж/моль
∆Нзгор.(СО, г.) = ‒283 кДж/моль
Виконайте необхідні обчислення, заповнюючи пропуски у наведеному нижче алгоритмі розв’язування задачі
Розв’язання:
- Складаємо рівняння реакції часткового окиснення 1 (одного) моль графіту ‒алотропної форми Карбону ‒ в атмосфері кисню з утворенням карбон(ІІ) оксиду:
- С (тв.) + ½ О2 (г.) = СО (г.) (1)
- Ентальпія згоряння, ∆Нзгор. – тепловий ефект реакції повного згоряння речовини в атмосфері кисню за стандартних умов (298 К, 1∙105 Па).
- Таким чином, ентальпії згоряння речовин, наведені в задачі, відповідають реакціям:
- С (тв.) + О2 (г.) = СО2 (г.); ∆Нзгор.(С, тв.) (2)
- СО (г.) + ½ О2 (г.) = СО2 (г.); ∆Нзгор.(СО, г.) (3)
- Таким чином, ентальпії згоряння речовин, наведені в задачі, відповідають реакціям:
- Відповідно до закону Гесса тепловий ефект реакції не залежить від шляху перетворення, а тому реакцію (2) можна з легкістю представити послідовністю реакцій (1) та (3):
Тобто,
- ∆Н2 = ∆Н1 + ∆Н3
- ∆Нзгор.(С, тв.) = ∆Н1 + ∆Нзгор.(СО, г.)
А тепловий ефект реакції (1) дорівнює: ∆Н1 = ∆Нзгор.(С, тв.) ‒ ∆Нзгор.(СО, г.)
- Підставляємо наведені в умові задачі значення ентальпій згоряння та розраховуємо шуканий тепловий ефект реакції:
- ∆Н1 = ______________________________________________________________________________(кДж)
Відповідь: _________________кДж
Виведена у п. 3 формула обчислення теплового ефекту реакції за відомими ентальпіями згоряння речовин є загальною. Не важко показати, що ентальпії згоряння речовин можна використати для обчислення теплового ефекту будь-якої реакції за їх участю:
∆Нреакції = ∑ ∆Hзгор.(реактантів) ‒ ∑ ∆Hзгор.(продуктів)
4.1. Серед запропонованих рівнянь оберіть такі, тепловий ефект яких відповідає стандартним ентальпіям утворення речовини або ентальпіям згоряння:
| Хімічне рівняння | ∆Нутв. | ∆Нзгор. |
|---|---|---|
| 1/2 N2 (г.) + 3/2 Н2 (г.) = NH3 (г.) | ||
| CH4 (г.) + 2O2 (г.) = CO2 (г.) + 2H2O (р.) | ||
| S (тв.) + О2 (г.) = SO2 (г.) | ||
| PH3 (г.) + 2О2 (г.) = 1/2 P2O5 (тв.) + 3/2 Н2О (р.) | ||
| H2O (р.) = H2 (г.) + 1/2 О2 (г.) | ||
| С2Н5ОН (р.) + 3О2 (г.) = 2СО2 (г.) + 3Н2О (р.) | ||
| С (тв.) + О2 (г.) = СО2 (г.) | ||
| SO2 (г.) + 1/2 О2 (г.) = SO3 (тв.) | ||
| N2 (г.) + 1/2 O2 (г.) = N2O (г.) | ||
| 2Al (тв.) + 3S (тв.) = Al2S3 (тв.) | ||
| 3Fe (тв.) + 2О2 (г.) = Fe3O4 (тв.) | ||
| ZnS (тв.) + 3/2 О2 (г.) = ZnO (тв.) + SO2 (г.) |
4.2. Обчисліть тепловий ефект реакції повного окиснення етану С2Н6 в атмосфері кисню з утворенням вуглекислого газу та води за відомими стандартними ентальпіями утворення речовин:
| Речовина | ∆Нутв., кДж/моль |
|---|---|
| С2H6 (г.) | -84 |
| O2 (г.) | 0 |
| CO2 (г) | -394 |
| H2O (р.) | -286 |
Учитель пропонує учням дати відповіді на питання (прийом «три речення»):
- Сьогодні я дізнався, що…
- Тепер я вмію…
- Найцікавішим для мене було…
| ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ |
«Мандрівка енергії»
Уявіть, що ви — частинка енергії, яка «подорожує» через хімічні реакції. Опишіть свій шлях у вигляді короткої історії, коміксу або міні-сценарію, в якій:
- Ви «вивільняєтесь» або «поглинаєтесь» під час реакції утворення або згоряння.
- Ви «відчуваєте» зміну зв’язків у молекулах: які руйнуються, які утворюються.
- Ви «проходите» через декілька етапів реакції (відповідно до закону Гесса) і порівнюєте свій шлях із прямою реакцією.
Умови:
- використовуйте приклади реакцій (метан, водень, кисень, хлор тощо);
- додайте наочні елементи: малюнки, схеми, символи (можна виконати в зошиті або презентації);
- обов’язково поясніть, де ви «втратили» чи «отримали» енергію — це і є тепловий ефект
Приклад початку історії (для натхнення):
«Мене звати Сергій, я енергія. Я жив в міцному зв’язку H–H, але одного разу мене змусили вивільнитися… Усе через реакцію з хлором Cl₂! Тоді почалась моя мандрівка: я побачив, як утворювався хлороводень HCl — і відчув, як мої колишні сили знову закутали мене в новий хімічний зв’язок…»
Ділись та обговорюй важливе