- понимать, что химические реакции сопровождаются энтальпийными изменениями, которые могут быть экзотермическими ($\Delta H$ отрицательный) или эндотермическими ($\Delta H$ положительный)
- строить и интерпретировать диаграмму пути реакции с точки зрения энтальпийного изменения реакции и энергии активации
- определять и использовать термины: (a) стандартные условия (данная программа предполагает, что это $298\text{ K}$ и $101\text{ kPa}$), обозначаемые $^{\ominus}$. (b) энтальпийное изменение в отношении конкретных процессов: реакции, $\Delta H_r$, образования, $\Delta H_f$, горения, $\Delta H_c$, нейтрализации, $\Delta H_{\text{neut}}$
- понимать, что перенос энергии происходит во время химических реакций из-за разрыва и образования химических связей
- использовать энергии связей ($\Delta H$ положительные, т.е. разрыв связи) для расчета энтальпийного изменения реакции, $\Delta H_r$
- понимать, что некоторые энергии связей являются точными, а другие — усредненными
- вычислять энтальпийные изменения на основе соответствующих экспериментальных данных, включая использование соотношений $q = mc\Delta T$ и $\Delta H = -mc\Delta T/n$
Химическая энергетика
A-Level Химия · Тема 5
8:21
Химическая энергетика
Газовая горелка нагревается достаточно сильно, чтобы размягчить стекло. Моментальный холодный пакет, сжатый один раз, остывает почти до точки замерзания. Оба процесса — это просто химические реакции: одна в…
Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
5.1
Изменение энтальпии, ΔH
Программа
Источник: Программа Cambridge International
Каждая химическая реакция либо поглощает, либо выделяет энергию. Это изменение энергии, измеряемое при постоянном давлении, называется изменением энтальпии, обозначаемым символом $\Delta H$.
- В экзотермической реакции система выделяет тепло, поэтому продукты имеют меньше энергии, чем реагенты, и $\Delta H$ является отрицательным.
- В эндотермической реакции система поглощает тепло, поэтому продукты имеют больше энергии, чем реагенты, и $\Delta H$ является положительным.
Диаграммы пути реакции
На диаграмме пути реакции показана энергия реагентов и продуктов, а также энергетический «барьер» между ними. Высота этого барьера — это энергия активации, минимальная энергия, необходимая частицам для начала реакции.
- экзотермическая: продукты находятся ниже реагентов ($\Delta H < 0$).
- эндотермическая: продукты находятся выше реагентов ($\Delta H > 0$).
Стандартные условия и типы энтальпийных изменений
Значения энергии сравниваются при стандартных условиях: $298\ \text{K}$ и $101\ \text{kPa}$, обозначаемых символом $^{\ominus}$. Каждое вещество находится в своем обычном физическом состоянии при этих условиях.
| Символ | Название | Определение (на моль, при стандартных условиях) |
|---|---|---|
| $\Delta H_r^{\ominus}$ | энтальпия реакции | для количеств, указанных в уравнении |
| $\Delta H_f^{\ominus}$ | энтальпия образования | один моль соединения образуется из элементов |
| $\Delta H_c^{\ominus}$ | энтальпия горения | один моль вещества полностью сгорает в кислороде |
| $\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$ | энтальпия нейтрализации | один моль воды образуется из кислоты и щелочи |
Энергия разрыва и образования связей
Во время реакции старые связи рвутся, а новые образуются. Разрыв связи требует энергии (эндотермически); образование связи выделяет энергию (экзотермически). Энтальпийное изменение реакции равно разнице между этими двумя величинами:
$$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$
Энергия связи — это энергия, необходимая для разрыва одного моля определенной связи в газообразном состоянии, поэтому она всегда положительна. Некоторые значения энергий связей точны (для конкретной молекулы); другие являются усредненными, полученными на основе многих различных молекул, поэтому расчеты с их использованием дают лишь приблизительный результат.
Пример решения. Используйте энергии связей, чтобы найти $\Delta H$ для $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Энергии связей (кДж·моль⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.
$$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
Измерение энтальпийного изменения в лаборатории
Когда реакция нагревает (или охлаждает) известную массу воды или раствора, переданное тепло равно:
$$q = mc\Delta T$$
где $m$ — масса, $c$ — удельная теплоемкость (сколько энергии нагревает 1 г на 1 K), а $\Delta T$ — изменение температуры. Изменение энтальпии на моль тогда равно:
$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$
Знак минус делает $\Delta H$ отрицательным, когда температура повышается (экзотермическая реакция).
Пример решения. Сжигание $0.50\ \text{g}$ метанола ($M_r = 32$) повышает температуру $100\ \text{g}$ воды на $18\ ^{\circ}\text{C}$. Найдите изменение энтальпии горения на моль. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)
Выделенное тепло равно $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. Количество сожженного вещества — $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, поэтому
$$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$
Исследовать
Экзотермические и эндотермические реакции
Перетащите ΔH. Экзотермическая реакция выделяет энергию (продукты ниже); эндотермическая поглощает её (продукты выше).
Словарь
Тренировать
| English | Русский |
|---|---|
| enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ | энтальпия реакции (изменение энтальпии) |
| exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ | экзотермическая |
| endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ | эндотермическая |
| reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ | диаграмма пути химической реакции |
| activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ | энергия активации |
| standard conditions/ˈstændəd kənˈdɪʃnz/ | стандартных условиях |
| enthalpy change of reaction/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv rɪˈækʃn/ | изменение энтальпии реакции |
| enthalpy change of formation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv fɔːˈmeɪʃn/ | изменение энтальпии образования |
| enthalpy change of combustion/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv kəmˈbʌstʃn/ | изменение энтальпии сгорания |
| enthalpy change of neutralisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ | изменение энтальпии нейтрализации |
| bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ | энергия связи |
| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | удельная теплоемкость |
| Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ | Закон Гесса |
| energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/ | энергетический цикл |
5.2
Закон Гесса
Программа
- применять закон Гесса для построения простых энергетических циклов
- выполнять расчеты с использованием циклов и соответствующих энергетических величин, включая: (a) определение энтальпийных изменений, которые нельзя найти прямым экспериментальным путем (b) использование данных об энергиях связей
Источник: Программа Cambridge International
Закон Гесса гласит, что суммарное энтальпийное изменение реакции одинаково независимо от того, какой путь вы выберете от реагентов к продуктам. Это происходит потому, что энергия сохраняется.
Это позволяет нарисовать энергетический цикл: соедините реагенты и продукты прямым шагом и косвенным путем, а затем сложите шаги так, чтобы оба пути давали одинаковую сумму.
Закон Гесса полезен двумя способами:
- он позволяет найти энтальпийное изменение, которое вы не можете измерить напрямую (например, образование медленного соединения или соединения с побочными реакциями).
- он позволяет рассчитать $\Delta H_r$ по данным об энергиях связей или данным об образовании/горении, данным в задаче.
Исследовать
Цикл закона Гесса
Энтальпийное изменение одинаково независимо от выбранного пути — следовательно, неизвестное ΔH можно найти альтернативным путем.
5.2
Советы для экзамена
- Определите каждое энтальпийное изменение с его точными стандартными условиями (например, горение = один моль полностью сгорает в избытке кислорода).
- Используйте $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; разрыв — эндотермичный ($+$), образование — экзотермичный ($-$) — ошибка со знаком является классической ошибкой.
- В $q = mc\Delta T$ используйте массу воды/раствора, затем разделите на количество молей и добавьте знак минус для экзотермической реакции.
- Рисуйте циклы Гесса со стрелками в одном направлении, следуйте альтернативному пути и всегда указывайте знак и единицы для $\Delta H$ ($\text{kJ mol}^{-1}$).
Интерактивные уроки по этой теме
Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.