Урок 48, 49 Лекция
Цель: рассмотреть условия протекания обратимых и необратимых реакций, дать понятие о тепловом эффекте химических реакций, рассмотретьтермохимические уравнения.
В предыдущей лекции мы с вами рассматривали классификацию химических реакций и одним из пунктов была классификация по признаку обратимости.
По признаку обратимости реакции делятся на обратимые и необратимые.
Обратимая реакция — химическая реакция, которая при одних и тех же условиях может идти в прямом и в обратном направлениях.
Например:
3H2 + N2 ⇆ 2NH3
Направление обратимых реакций зависит от концентраций веществ — участников реакции. По завершении обратимой реакции, т. е. при достижении химического равновесия, система содержит как исходные вещества, так и продукты реакции.
Обратимая реакция состоит из двух происходящих одновременно элементарных реакций, которые отличаются одна от другой лишь направлением химического превращения. Направление доступной непосредственному наблюдению итоговой реакции определяется тем, какая из этих взаимно-обратных реакций имеет большую скорость. Например, простая реакция
N2O4 ⇆ 2NO2
складывается из элементарных двух реакций
N2O4 ⇆ 2NO2
2NO2 ⇆ N2O4
Необратимой называется реакция, которая идет практически до конца в одном направлении. Условия необратимости реакции – образование осадка, газа или малодиссоциированное соединение, например, вода. Рассмотрим примеры протекания необратимых реакций.
Реакции, протекающие с образованием осадка:
2NaOH + CuSO4 = Na2SO4 + Cu(OH)2↓
Запишем полное и краткое ионные уравнения:
2Na+ + OH− + Cu2+ +SO42− = 2Na+ + SO42− + Cu(OH)2↓
Cu2+ + OH− = Cu(OH)2↓
Реакции, протекающие с образованием газа:
2HNO3 + Na2CO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2↑
Запишем полное и краткое ионные уравнения:
2H+ + NO3− + 2Na+ + CO32− = 2Na+ + 2NO3− + H2O + CO2↑
2H+ + CO32− = H2O + CO2↑
Реакции, протекающие с образованием малодиссоциированного соединения, например, воды:
Ва(OH)2 + 2HCl = ВаCl2 + 2H2O
Ва2+ + 2OH− + 2H+ + Cl− = Ва2+ + 2Cl− + 2H2O
2H+ + 2OH− = 2H2O
В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.
Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или (реже) для моля продукта реакции. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q). Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений:
2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 572 кДж
2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + Q
Это уравнение реакции называется термохимическим уравнением. Здесь символ "+Q" означает, что при сжигании водорода выделяется теплота. Эта теплота называется тепловым эффектом реакции. В термохимических уравнениях часто указывают агрегатные состояния веществ.
Реакции протекающие с выделением энергии называются экзотермическими (от латинского "экзо" – наружу). Например, горение метана:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q
Реакции протекающие с поглощением энергии называются эндотермическими (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании.
C + H2O = CO + H2 – Q
Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов.
Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы. Допустим, вам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя?
Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.
В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплоты сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.
Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".
Ответьте на вопросы:
1. Какие реакции называются обратимыми?
2. Какие реакции называются необратимыми?
3. При каких условиях протекают необратимые реакции?
4. Напишите уравнение реакции взаимодействия хлорида калия с нитратом серебра в молекулярном виде, а также полное и краткое ионные уравнения.
5. Какие реакции называются экзотермической?