Тема 4. Классификация реакций и тепловой эффект

Признаки классификации реакций, экзо- и эндотермические процессы, термохимические уравнения и расчёты по ним, энергетические диаграммы. 100 заданий на отработку.

Простыми словами

Химические реакции, как книги в библиотеке, можно расставить по разным «полкам»: по тому, сколько веществ вступает и получается; выделяется тепло или поглощается; идёт реакция до конца или назад; в одной фазе или на границе. Одна и та же реакция стоит сразу на нескольких полках: горение метана — и экзотермическая, и необратимая, и окислительно-восстановительная.

Признаки классификации

Признак	Типы	Примеры
число и состав веществ	соединения, разложения, замещения, обмена	$CaO + H_{2} O \to Ca (OH)_{2}$ — соединение; $Zn + 2HCl \to ZnC l_{2} + H_{2}$ — замещение
тепловой эффект	экзотермические, эндотермические	горение — экзо; разложение мела $CaC O_{3} \to CaO + C O_{2}$ — эндо
обратимость	обратимые ( $⇄$ ), необратимые ( $\to$ )	$N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2N H_{3}$ — обратимая
фазовый состав	гомогенные (всё в одной фазе), гетерогенные (разные фазы)	$N_{2} (г) + 3 H_{2} (г)$ — гомогенная; $Zn (тв) + HCl (р - р)$ — гетерогенная
участие катализатора	каталитические, некаталитические	$2 H_{2} O_{2} Mn O_{2} www.reknow.ru 2 H_{2} O + O_{2}$ — каталитическая
изменение степеней окисления	окислительно-восстановительные (ОВР) и без изменения	реакции ионного обмена — всегда без изменения

Гомогенность определяют по фазам, а не по числу веществ: все газы — одна фаза; твёрдое + раствор — две фазы.

Тепловой эффект

ЭкзотермическаяТеплота выделяется.

Q > 0

Δ H < 0

. Горение, нейтрализация, большинство реакций соединения.

ЭндотермическаяТеплота поглощается.

Q < 0

Δ H > 0

. Большинство реакций разложения,

N_{2} + O_{2} \to 2NO

Здесь $Q$ — тепловой эффект, кДж (теплота, отданная окружающей среде); $Δ H$ — изменение энтальпии самой системы, кДж. Это одна и та же энергия с разных «точек зрения», поэтому знаки противоположны: $Δ H = - Q$ .

«Экзо» — наружу (тепло уходит из системы), «эндо» — внутрь. Система теряет энергию — её $Δ H$ со знаком минус.

Расчёты по термохимическому уравнению

Термохимическое уравнение — уравнение с указанным тепловым эффектом: $C H_{4} + 2 O_{2} = C O_{2} + 2 H_{2} O + 802$ кДж. Читается: при сгорании 1 моль метана (столько, сколько стоит коэффициент) выделяется 802 кДж.

Q = \frac{Q _{ур} \cdot n}{k}

пропорция по уравнению

где $Q_{ур}$ — теплота из уравнения, кДж; $n$ — количество вещества в задаче, моль; $k$ — коэффициент этого вещества в уравнении.

0,5 моль метана: $Q = \frac{802 \cdot 0 , 5}{1} = 401$ кДж.
$2 H_{2} + O_{2} = 2 H_{2} O + 484$ кДж, 1 моль водорода: $Q = \frac{484 \cdot 1}{2} = 242$ кДж.
Если дана масса: сначала $n = \frac{m}{M}$ . 32 г метана: $n = \frac{32}{16} = 2$ моль, $Q = 2 \cdot 802 = 1604$ кДж.

Не забывайте делить на коэффициент: 484 кДж в уравнении относятся к 2 моль $H_{2}$ , а не к одному.

Энергетическая диаграмма

Экзотермическая реакция: продукты ниже исходных веществ

Разность уровней «исходные — продукты» = тепловой эффект $Q$ .
Высота барьера от уровня исходных веществ до вершины = энергия активации $E_{a}$ — минимальная энергия, нужная частицам для реакции.
Продукты ниже исходных — экзотермическая; выше — эндотермическая.
Катализатор снижает $E_{a}$ , но не меняет $Q$ : уровни исходных веществ и продуктов остаются на месте.

Если на диаграмме исходные вещества на уровне 890 кДж, вершина — 1030 кДж, продукты — 88 кДж, то $E_{a} = 1030 - 890 = 140$ кДж, $Q = 890 - 88 = 802$ кДж (реакция экзотермическая).

Примеры заданий

Это несколько заданий из тренажёра, остальные — в тренажёре в начале страницы.

По термохимическому уравнению вычислите, сколько теплоты (в кДж) выделится при участии в реакции 0,5 моль метана.

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 802 кДж

Показать ответ

Ответ: 401
Решение. По уравнению 802 кДж приходится на 1 моль метана; Q = 802 · 0,5 = 401 кДж (выделится).

По термохимическому уравнению вычислите, сколько теплоты (в кДж) выделится при участии в реакции 1 моль водорода.

2H₂ + O₂ = 2H₂O + 484 кДж

Показать ответ

Ответ: 242
Решение. По уравнению 484 кДж приходится на 2 моль водорода; Q = 484 · 12 = 242 кДж (выделится).

По термохимическому уравнению найдите количество теплоты (в кДж), которое выделится при участии 6 г углерода.

C + O₂ = CO₂ + 402 кДж

Величина	Значение
вещество	C
M	12 г/моль
m	6 г
Q	?

Показать ответ

Ответ: 201
Решение. M(C) = 12 гмоль; n = 612 = 0,5 моль; Q = 402 · 0,5 = 201 кДж.

Сколько моль оксида углерода(II) вступило в реакцию, если выделилось 283 кДж теплоты?

2CO + O₂ = 2CO₂ + 566 кДж

Показать ответ

Ответ: 1
Решение. n = 283 · 2566 = 1 моль оксида углерода(II).

Гомогенная или гетерогенная эта реакция: N₂(г) + 3H₂(г) → 2NH₃(г)?

обратимая
гомогенная
гетерогенная
каталитическая

Показать ответ

Ответ: гомогенная
Решение. Здесь все вещества — газы, фаза одна — реакция гомогенная.

Обратимая или необратимая реакция: N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃?

эндотермическая
обратимая
гомогенная
необратимая

Показать ответ

Ответ: обратимая
Решение. Синтез аммиака идёт одновременно в обе стороны и не доходит до конца — реакция обратимая.

По термохимическому уравнению вычислите, сколько теплоты (в кДж) выделится при участии в реакции 1 моль серы.

S + O₂ = SO₂ + 297 кДж

Показать ответ

Ответ: 297
Решение. По уравнению 297 кДж приходится на 1 моль серы; Q = 297 · 1 = 297 кДж (выделится).

К какому типу по тепловому эффекту относятся все реакции горения?

экзотермические
нейтральные
эндотермические
зависит от вещества

Показать ответ

Ответ: экзотермические
Решение. Горение всегда сопровождается выделением теплоты и света — это классический пример экзотермической реакции.