Тема 23

Термохимия: тепловой эффект, закон Гесса, энергия Гиббса

Что проверяют по спецификации:

Экзо- и эндотермические реакцииТермохимические уравненияЗакон Гесса, энтальпия образованияЭнтропия и энергия Гиббса

Суть за минуту

Химические реакции идут с выделением или поглощением энергии. Тепловой эффект записывают в термохимических уравнениях; его можно рассчитать по закону Гесса через энтальпии образования веществ. Возможность самопроизвольного протекания реакции определяет энергия Гиббса: ΔG=ΔH−TΔS<0\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0.

Объясняем просто

Энергия в реакции — как деньги: связи рвём — тратим, связи образуем — получаем. Разница — это тепловой эффект.

Экзо — «отдаёт тепло»

Горение, нейтрализация: энергия выделяется, Q>0Q>0, ΔH<0\Delta H<0. Пример: C + O2 → CO2 + 393,5 кДж.

Эндо — «забирает тепло»

Разложение известняка, фотосинтез: нужно нагревать или освещать, ΔH>0\Delta H>0.

Пропорция

Тепло пропорционально количеству вещества: если 1 моль даёт 393,5 кДж, то 0,5 моль — 196,75 кДж.

Закон Гесса — «неважно, какой дорогой»

Тепловой эффект зависит только от начального и конечного состояния, а не от пути. Поэтому его можно сложить из эффектов других реакций.

Главные формулы

Q=−ΔHQ=-\Delta H
Связь теплового эффекта и изменения энтальпии
ΔHр=∑ΔHf(прод)−∑ΔHf(исх)\Delta H_{\text{р}}=\sum\Delta H_f(\text{прод})-\sum\Delta H_f(\text{исх})
Следствие закона Гесса (с учётом коэффициентов)
QQ0=nn0\dfrac{Q}{Q_0}=\dfrac{n}{n_0}
Расчёт по термохимическому уравнению
ΔG=ΔH−TΔS\Delta G=\Delta H-T\Delta S
Энергия Гиббса; реакция самопроизвольна при ΔG<0\Delta G<0

Понятия и термины

Экзотермическая реакция
Идёт с выделением теплоты (ΔH<0\Delta H<0)
Эндотермическая реакция
Идёт с поглощением теплоты (ΔH>0\Delta H>0)
Энтальпия образования ΔHf\Delta H_f
Тепловой эффект образования 1 моль вещества из простых веществ; для простых веществ (O2\text{O}_2, C графит) равна 0
Энтропия SS
Мера беспорядка системы; растёт при плавлении, испарении, образовании газов
Термохимическое уравнение
Уравнение с указанием теплового эффекта и агрегатных состояний веществ

Разбор темы

Экзо- и эндотермические реакции 8 класс

Энергия поглощается при разрыве связей и выделяется при их образовании. Если новых «прочных» связей образуется больше — реакция экзотермическая.

Признаки: экзо — горение, нейтрализация, большинство реакций соединения; эндо — большинство реакций разложения, N2 + O2 → 2NO.

Термохимические уравнения 8, 10 класс

CH4(г) + 2O2(г) → CO2(г) + 2H2O(ж), ΔH=−890\Delta H=-890 кДж. Тепловой эффект относится к количествам, указанным коэффициентами.

Поэтому в задачах составляют пропорцию: моль вещества ↔ кДж.

Закон Гесса 10 класс

Тепловой эффект реакции не зависит от пути, а только от начального и конечного состояний (Г. И. Гесс, 1840).

Следствие: ΔH\Delta H реакции = сумма энтальпий образования продуктов минус сумма энтальпий образования исходных веществ (с коэффициентами).

Энтропия и энергия Гиббса 11 класс

Самопроизвольность определяет не только ΔH\Delta H, но и ΔS\Delta S. Если ΔH<0\Delta H<0 и ΔS>0\Delta S>0 — реакция идёт при любой температуре; если ΔH>0\Delta H>0 и ΔS<0\Delta S<0 — не идёт никогда.

Если знаки одинаковы, всё решает температура: граница T=ΔH/ΔST=\Delta H/\Delta S (с переводом кДж в Дж!).

Примеры задач с решением

Задача 1По уравнению C + O2 → CO2 + 393,5 кДж найдите теплоту при сгорании 6 г угля.
  1. n(C)=6/12=0,5n(\text{C})=6/12=0{,}5 моль.
  2. Q=0,5⋅393,5=196,75Q=0{,}5\cdot393{,}5=196{,}75 кДж.
Ответ 196,75 кДж
Задача 2При сгорании серы выделилось 148,5 кДж. Уравнение: S + O2 → SO2 + 297 кДж. Сколько серы сгорело?
  1. n=148,5/297=0,5n=148{,}5/297=0{,}5 моль.
  2. m=0,5⋅32=16m=0{,}5\cdot32=16 г.
Ответ 16 г

Сложные задачи: шаг за шагом

Задача 1Рассчитайте тепловой эффект сгорания метана и количество теплоты при сгорании 44,8 л CH4 (н. у.), если ΔHf\Delta H_f: CH4 −74,8; CO2 −393,5; H2O(ж) −285,8 кДж/моль.

Идея: Следствие закона Гесса: продукты минус исходные, не забывая коэффициенты; энтальпия образования O2 равна 0.

  1. Шаг 1. Уравнение
    CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O(ж).
  2. Шаг 2. Сумма для продуктов
    −393,5+2⋅(−285,8)=−393,5−571,6=−965,1-393{,}5+2\cdot(-285{,}8)=-393{,}5-571{,}6=-965{,}1 кДж.
  3. Шаг 3. Сумма для исходных
    −74,8+2⋅0=−74,8-74{,}8+2\cdot0=-74{,}8 кДж.
  4. Шаг 4. Тепловой эффект
    ΔH=−965,1−(−74,8)=−890,3\Delta H=-965{,}1-(-74{,}8)=-890{,}3 кДж/моль; реакция экзотермическая, Q=890,3Q=890{,}3 кДж.
  5. Шаг 5. Для 44,8 л
    n=44,8/22,4=2n=44{,}8/22{,}4=2 моль; Q=2⋅890,3=1780,6Q=2\cdot890{,}3=1780{,}6 кДж.
Ответ ΔH=−890,3\Delta H=-890{,}3 кДж/моль; 1780,6 кДж
Задача 2Для реакции CaCO3 → CaO + CO2 ΔH=+178\Delta H=+178 кДж, ΔS=+160\Delta S=+160 Дж/К. Идёт ли реакция при 25 °C? При какой температуре она становится возможной?

Идея: Подставьте значения в ΔG=ΔH−TΔS\Delta G=\Delta H-T\Delta S, предварительно переведя кДж в Дж (или Дж в кДж).

  1. Шаг 1. Единицы
    ΔS=160\Delta S=160 Дж/К =0,160=0{,}160 кДж/К; T=25+273=298T=25+273=298 K.
  2. Шаг 2. ΔG при 25 °C
    ΔG=178−298⋅0,160=178−47,7=+130,3\Delta G=178-298\cdot0{,}160=178-47{,}7=+130{,}3 кДж > 0 — при комнатной температуре реакция не идёт.
  3. Шаг 3. Граничная температура
    ΔG=0\Delta G=0 при T=ΔH/ΔS=178/0,160≈1113T=\Delta H/\Delta S=178/0{,}160\approx1113 K, то есть ≈ 840 °C.
  4. Шаг 4. Вывод
    Выше ≈ 840 °C ΔG<0\Delta G<0 — известняк разлагается. Поэтому известь получают обжигом в печах при ~900–1000 °C.
Ответ При 25 °C нет (ΔG=+130\Delta G=+130 кДж); выше ≈ 1113 K (≈ 840 °C)

Частые ловушки на ЕНТ

  • Знаки: экзо — Q>0Q>0, но ΔH<0\Delta H<0. Не путайте.
  • Энтальпия образования простых веществ (O2, H2, графит) равна нулю.
  • В ΔG=ΔH−TΔS\Delta G=\Delta H-T\Delta S обычно ΔH\Delta H в кДж, а ΔS\Delta S в Дж/К — переведите единицы.
  • Тепловой эффект в уравнении — на количества по коэффициентам, а не на 1 моль каждого вещества.

Запомнить

Экзо: ΔH<0\Delta H<0. Гесс: продукты − исходные. Гиббс: ΔG<0\Delta G<0 — реакция идёт.

Проверь себя

1. Какая реакция эндотермическая?
  1. Горение метана
  2. Нейтрализация
  3. Разложение CaCO3
  4. Горение водорода
Показать ответ

Разложение CaCO3 Разложение известняка требует нагревания.

2. 2H2 + O2 → 2H2O + 572 кДж. Сколько теплоты при сгорании 1 г водорода?
  1. 143 кДж
  2. 286 кДж
  3. 572 кДж
  4. 71,5 кДж
Показать ответ

143 кДж 1 г = 0,5 моль; 572 кДж на 2 моль → 0,5 · 286 = 143 кДж.

3. Реакция заведомо самопроизвольна при любой температуре, если:
  1. ΔH > 0, ΔS < 0
  2. ΔH < 0, ΔS > 0
  3. ΔH > 0, ΔS > 0
  4. ΔH < 0, ΔS < 0
Показать ответ

ΔH < 0, ΔS > 0 Тогда ΔG < 0 всегда.

4. Энтальпия образования O2(г):
  1. −393,5
  2. 0
  3. +249
  4. −285,8
Показать ответ

0 Для простого вещества в стандартном состоянии — 0.

Связанные темы

4. Кинетика. Химическое равновесие13. Углеводороды20. Количество вещества, газовые законы, вывод формул

Узнай свой уровень: бесплатная диагностика ЕНТ