Расчёты по термохимическому уравнению
Термохимическое уравнение показывает не только, какие вещества и в каких количествах реагируют, но и сколько теплоты выделяется или поглощается. Чтобы решить расчётную задачу, нужно связать данное количество вещества с коэффициентом в уравнении и пропорционально найти тепловой эффект.
Основные понятия и обозначения
Перед решением полезно повторить молярную массу. Количество вещества обозначают \(n\) и измеряют в молях, массу — \(m\) в граммах, количество теплоты — \(Q\) в килоджоулях или джоулях. В школьных задачах тепловой эффект чаще всего задан в кДж.
Термохимическое уравнение — это уравнение химической реакции, в котором указаны коэффициенты веществ, их агрегатное состояние и тепловой эффект реакции \(Q\) или изменение энтальпии \(\Delta H\).
Если реакция сопровождается выделением теплоты, она является экзотермической, а \(Q>0\) в записи «выделилось \(Q\) кДж». Если теплота поглощается, реакция эндотермическая, и в современной записи \(\Delta H>0\), а при указании теплового эффекта как энергии реакции часто пишут «поглощается \(Q\) кДж».
Коэффициенты термохимического уравнения показывают молярное соотношение реагирующих веществ и соответствующее ему количество теплоты. Если количество одного вещества изменяется в несколько раз, количество теплоты изменяется во столько же раз.
Здесь \(Q_{\text{уравн.}}\) — теплота, указанная в термохимическом уравнении, \(n_{\text{данное}}\) — количество вещества по условию, а \(n_{\text{уравн.}}\) — количество вещества, соответствующее записи уравнения.
Алгоритм расчёта количества теплоты
- Запишите и уравняйте химическую реакцию. Проверьте, что это именно термохимическое уравнение.
- Определите, для какого вещества дана масса или количество вещества, и найдите его коэффициент в уравнении.
- Если дана масса, вычислите количество вещества по формуле \(n=\frac{m}{M}\).
- Составьте пропорцию между количеством вещества и теплотой реакции.
- Найдите искомое \(Q\) и укажите единицы измерения.
- Сформулируйте ответ: теплота выделяется или поглощается.
Если в условии дана масса продукта или реагента, не следует сравнивать её напрямую с теплотой. Сначала массу переводят в моли. Если даны объёмы газов при одинаковых условиях, иногда можно использовать отношение объёмов как отношение количеств вещества, но только после проверки условий.
Сначала выпишите пару из уравнения: «коэффициент вещества — тепловой эффект». Затем рядом запишите пару из условия: «найденное количество вещества — неизвестное \(Q\)». Это помогает не перепутать коэффициенты.
В реакции \(2H_2+O_2\rightarrow 2H_2O+484\) кДж теплота 484 кДж соответствует какому количеству \(H_2\)?
Разобранный пример
Рассмотрим задачу уровня экзамена. При сгорании магния по термохимическому уравнению \(2Mg+O_2\rightarrow 2MgO+1204\) кДж выделяется 1204 кДж теплоты. Сколько теплоты выделится при сгорании 6 г магния? Молярная масса магния \(M(Mg)=24\) г/моль.
Из уравнения видно: 2 моль магния соответствуют 1204 кДж. По условию нужно определить теплоту для 6 г магния.
Ответ: при сгорании 6 г магния выделится \(150{,}5\) кДж теплоты. Полученное значение меньше 1204 кДж, потому что 6 г магния — это только \(0{,}25\) моль, а в уравнении участвуют 2 моль.
Другие виды задач
Иногда требуется найти массу вещества по известному количеству теплоты. В таком случае сначала находят количество вещества через пропорцию, а затем используют \(m=nM\). Например, если при реакции выделилось вдвое меньше теплоты, чем указано в уравнении, то прореагировала вдвое меньшая порция каждого вещества, если остальные условия не менялись.
В задачах с несколькими реагентами может оказаться, что один из них взят в недостатке. Тогда сначала определяют ограничивающий реагент. Избыток второго вещества сам по себе не определяет тепловой эффект: реакция фактически идёт по количеству ограничивающего реагента. Если вопрос касается остатка вещества, дополнительно используют понятие избытка вещества.
При составлении уравнения важно учитывать, что тепловой эффект относится ко всей записи реакции с её коэффициентами. Если все коэффициенты умножить на число \(k\), тепловой эффект также умножают на \(k\). Если уравнение разделить на \(k\), тепловой эффект делят на \(k\).
Тепловой эффект — величина, относящаяся к записанной порции реакции. Поэтому при умножении всех коэффициентов термохимического уравнения на \(k\) число теплоты умножают на \(k\); при делении коэффициентов на \(k\) тепловой эффект делят на \(k\).
Проверка единиц и знака
В конце решения проверьте три вещи: количество вещества выражено в молях, молярная масса — в г/моль, а теплота — в тех же единицах, что и в уравнении. Если в уравнении указано 1204 кДж, нельзя записывать ответ в джоулях без перевода: \(1\) кДж \(=1000\) Дж.
Смысл знака зависит от принятой записи. В школьном условии обычно говорят «выделилось» или «поглотилось» определённое количество теплоты. Поэтому в ответе лучше написать словами: «выделится ... кДж» или «поглотится ... кДж». Знак \(\Delta H\) используют, если он прямо дан в условии или требуется записать энергетический эффект реакции.
1. Используют массу вместо количества вещества в пропорции. 2. Берут не тот коэффициент: теплота относится к коэффициенту именно выбранного вещества. 3. Забывают умножить или разделить тепловой эффект при изменении коэффициентов. 4. Путают выделение и поглощение теплоты. 5. Не учитывают ограничивающий реагент в задаче с двумя исходными веществами. 6. Оставляют ответ без единиц измерения.
Уравнение → коэффициент → моли → пропорция → теплота → единицы и смысл ответа.
Проверь себя
Главное
- Термохимическое уравнение связывает коэффициенты веществ с количеством теплоты.
- Если дана масса, сначала находят количество вещества: \(n=\frac{m}{M}\).
- Количество теплоты рассчитывают пропорционально коэффициенту вещества в уравнении.
- При изменении всех коэффициентов тепловой эффект изменяется во столько же раз.
- В задачах с двумя реагентами сначала проверяют ограничивающий реагент, а в ответе указывают величину, единицы и выделение или поглощение теплоты.