Урок 7 Получить доступ за 75 баллов Химическая реакция
Тепловой эффект химической реакции
Итак, вы изучили основные первоначальные химические понятия, и теперь пора приступать непосредственно к самой химии.
С чего же начинается изучение химии как науки?
Конечно же, с химической реакции – ведь это и есть именно то, что отличает химию от других наук о природе, например, от физики.
Понятие о химической реакции требует особого рассмотрения. Это и важно для дальнейшего понимания всей химии, и в то же время очень интересно.
В окружающем мире ежесекундно происходит бессчётное количество химических реакций.
Представьте себе, что происходит в процессе химической реакции.
Молекулы реагирующих веществ, находясь в хаотическом движении, сталкиваются, разрушаются на отдельные атомы, из которых образуются новые вещества.
Образование веществ происходит уже не в хаотическом порядке, а по определенным закономерностям: законам строения атома, химическим свойствам элементов, всем законам химии в целом.
Разберём подробно самый простой пример во всей химии.
Если к сосуду с водородом поднести зажженную лучинку, то мы услышим хлопок (но только в случае, если водород – чистый), а на стенках сосуда образуется вода.
Произошла реакция образования молекул воды из атомов водорода и кислорода.
Кстати, я изобразил атомы кислорода голубого цвета неслучайно – простое вещество кислород в жидком состоянии имеет небесно-голубой цвет.
По этой же причине баллоны с кислородом красят голубой краской. Если видите голубой баллон (даже без надписи), это кислород.
А теперь немного математики (химику без неё никак!).
Энергии химических связей в процессе образования воды
Связь |
Энергия связи, кДж/моль |
При образовании воды |
H – H (в молекуле водорода) |
436 |
Поглощается |
O – O (в молекуле кислорода) |
493 |
Поглощается |
H – O (в молекуле воды) |
462 |
Выделяется |
Давайте посчитаем. В реакции участвует 2 моль водорода: 2 х 436 = 872, и 1 моль кислорода: 493, итого при реакции поглощается 872 + 493 = 1365 кДж энергии.
В результате реакции образуется 2 моль воды, в молекуле воды две связи H – O, поэтому выделится энергии: 462 х 2 х 2 = 1848 кДж.
Итог: поглотилось 1365 кДж, выделилось 1848 кДж.
Куда делись «лишние» 483 кДж? А это и есть тот самый «хлопок», который происходит при поджигании водорода.
Реакция образования воды – экзотермическая, от слова «экзо» – «наружу». Она проходит с выделением тепла.
Таких реакций в природе большинство: это любое горение, гниение, переработка пищи живым организмом.
Но есть реакции эндотермические (от слова «эндо» – «внутрь»), при их протекании теплота поглощается.
Это такие реакции, для протекания которых нужно затратить энергию: нагреть или пропустить ток через вещество, например.
В природе таких реакций гораздо меньше, а вот в промышленности – повсеместно, например, для получения металлов из руд затрачивается очень много энергии.
Выделение или поглощение энергии при химической реакции называется тепловым эффектом реакции.
Тепловой эффект – это основной признак протекания химического процесса, на это указал ещё Дмитрий Менделеев.
Тепловые эффекты химических реакций колеблются в очень широких пределах – от 4 до 500 кДж/моль.
Поскольку тепловой эффект химической реакции очень важен для промышленности, этим вопросом занимается отдельная область химии – термохимия.
Закон сохранения массы
Английский химик XVII века Роберт Бойль однажды провел такой эксперимент: он прокаливал в открытой реторте металлический порошок (реторта – это шарообразный сосуд с отводом).
После прокаливания реторта весила больше, чем до него.
Из этого Бойль сделал вывод, что металл на самом деле состоит из двух элементов: окалины и «флогистона», причем флогистону он приписал отрицательную массу. Внимательный читатель заметит основную ошибку учёного: реторта была открытой.
Ошибку исправил русский учёный Михаил Ломоносов – он прокаливал порошок металла в запаянной реторте.
В результате эксперимента масса сосуда не изменилась.
На основании этого учёный развенчал теорию флогистона и сформулировал закон сохранения массы.
В современной формулировке этот закон звучит так: «масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате химической реакции».
Сейчас это очевидно любому здравомыслящему человеку, но во времена Ломоносова это было величайшим открытием в химии.
Закон сохранения массы – это один из фундаментальных законов природы (как аксиома в геометрии).
Он проявляется во всех химических реакциях и всегда может быть подтвержден экспериментально.
Например, при горении свечи кажется, что масса веществ убывает, однако если сжечь свечу в закрытом объёме, то в процессе горения масса не изменится.
Закон сохранения энергии
Все явления природы почти всегда сопровождаются превращениями энергии из одного вида в другой.
То же самое происходит и в ходе химических реакций.
В современной жизни почти везде используются элементы питания – батарейки и аккумуляторы.
Если упрощенно, элемент питания представляет собой два электрода, между которыми находится электролит (электролит – это жидкость, пропускающая электрический ток).
Материалы электродов и электролита подобраны таким образом, что при соединении электродов между собой между ними протекает химическая реакция.
Химическая энергия связей атомов, которая заключена в молекулах вещества электродов, преобразуется в электрическую энергию.
Кстати, простейшую батарейку вы можете собрать сами. Достаточно взять лимон и воткнуть в него с разных сторон разные металлы.
Например, медную пластинку и железный гвоздь. Такая батарейка выдает напряжение около 0,5 вольта. Лампочку вы, конечно, не зажжёте, но измерить это напряжение можно бытовым мультиметром.
В двигателе автомобиля происходит химическая реакция сгорания бензина, в результате чего химическая энергия связей преобразуется в механическую энергию движения.
Тщательные эксперименты показали, что общее количество энергии в замкнутой системе при различных взаимопереходах одного вида энергии в другой сохраняется.
Например, когда аккумулятор разряжается, его нужно зарядить, и для этого через него нужно пропустить ровно столько же электричества, сколько он отдал нам во время разряда.
Все подобные факты объединены законом сохранения энергии.
Он и говорит нам о том, что при любых изменениях в замкнутой системе общее количество энергии остаётся постоянным независимо от того, сколько раз и в каком количестве энергия преобразовывалась из одного вида в другой.
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты