Энергия химических реакций
При сгорании одного моля метана, 16 г, выделяется 890.8 кДж тепла. Этого хватит, чтобы нагреть примерно 2.7 литра воды от 20 °C до 100 °C.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Одни реакции сопровождаются нагреванием, как горение газа. Другие поглощают тепло из окружающей среды. Разница связана с химическими связями. На разрыв связи всегда требуется энергия, а при образовании связи она всегда выделяется. Например, для разрыва молекул водорода нужно 436 кДж на моль. Выделяет ли реакция в целом тепло или поглощает его, зависит от того, что больше: затраты на разрыв старых связей или энергия, выделяющаяся при образовании новых.
Экзотермические и эндотермические реакции
Теплоту реакции при постоянном давлении химики выражают изменением энтальпии ΔH. Если энтальпия продуктов ниже энтальпии реагентов, разница выделяется в виде тепла, ΔH отрицательно и реакция экзотермическая. Если энтальпия продуктов выше, тепло должно поступить из окружающей среды, ΔH положительно и реакция эндотермическая. При обращении реакции знак ΔH меняется: образование двух молей воды из водорода и кислорода выделяет 571.6 кДж, поэтому разложение двух молей жидкой воды обратно на простые вещества требует 571.6 кДж.
Топливо обладает большой по модулю отрицательной энтальпией сгорания. Измеренные значения на моль составляют −890.8 кДж для метана, −285.8 кДж для водорода, −1366.8 кДж для этанола и −726.1 кДж для метанола. В пересчёте на грамм картина меняется. Метан даёт около 55.5 кДж на грамм, этанол около 29.7 кДж на грамм, а очень лёгкий водород около 141.8 кДж на грамм. По оценке OpenStax, сгорание одного литра изооктана, распространённого компонента бензина, выделяет 33 100 кДж. Не всякая полезная реакция экзотермическая. Высоко в атмосфере озон образуется из кислорода в эндотермическом процессе за счёт ультрафиолетового света. Азот и кислород поглощают 180.5 кДж, образуя два моля монооксида азота, поэтому эта реакция идёт главным образом в очень горячих цилиндрах двигателей.
Зачем топливу искра
Если при горении метана выделяется столько энергии, почему газ в кухонной трубе не загорается сам? Потому что, прежде чем образовать новые связи, нужно разорвать старые. Чтобы достичь неустойчивой конфигурации на вершине барьера, называемой переходным состоянием, молекулы должны столкнуться с энергией не ниже определённого минимума, энергии активации Eₐ. При комнатной температуре таких энергичных столкновений почти нет. Искра или спичка дают энергию для первых реакций, а выделившееся тепло поддерживает остальные.
Передвигай точку вдоль кривой в лаборатории. На подъёме связи растягиваются и энергия увеличивается. На вершине старые связи частично разорваны, а новые частично образованы. На спуске новые связи окончательно формируются и выделяется энергия. Высота барьера определяет скорость реакции, о которой пойдёт речь в следующем уроке. Разница между концами кривой определяет количество выделившегося тепла. Катализатор, включаемый кнопкой, даёт реакции другой путь с более низким барьером. Оба конца остаются на прежних уровнях, поэтому ΔH не меняется.
- Реакция с ΔH = −890.8 кДж является…
- Экзотермической
- Эндотермической
- Ни той ни другой
- Невозможной
- При образовании химической связи…
- Выделяется энергия
- Всегда требуется энергия
- Энергия не меняется
- Уничтожается масса
- Для 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l) ΔH = −571.6 кДж. Чему равно ΔH для 2H₂O(l) → 2H₂ + O₂, в кДж?
- Сколько тепла в кДж выделится при сгорании 2 моль метана (ΔH = −890.8 кДж на моль)?
- Примерно сколько кДж на грамм выделяет метан (890.8 кДж на 16.043 г)?
- Минимальная энергия столкновения, необходимая для реакции, называется…
- Энергия активации
- Энтальпия сгорания
- Длина связи
- Молярная масса
- Что меняет катализатор?
- Высоту барьера (Eₐ)
- ΔH реакции
- Продукты реакции
- Массу реагентов
- Какое топливо выделяет больше всего тепла на грамм?
- Водород
- Метан
- Этанол
- Метанол
- Для N₂ + O₂ → 2NO ΔH = +180.5 кДж. Эта реакция…
- Эндотермической
- Экзотермической
- Является горением топлива
- Не сопровождается изменением энергии
- Разрыв связей требует энергии, образование связей выделяет её; ΔH отражает итоговый баланс.
- При ΔH < 0 реакция экзотермическая, при ΔH > 0 эндотермическая; обращение реакции меняет знак.
- Энергия активации задаёт барьер, который должны преодолеть сталкивающиеся частицы; катализатор понижает его, не меняя ΔH.
Источники курса (14)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 law of conservation of matter, 1.3 chemical change (rust, combustion, cooking and rotting)
- 4.1 balancing by inspection (CH4 + 2O2, 2H2O to 2H2 + O2, 2N2 + 5O2 to 2N2O5)
- 4.2 precipitation (PbI2 from KI and Pb(NO3)2, AgCl insoluble)
- redox (Na + Cl2, copper wire in silver nitrate)
- combustion, 5.1 specific heat of water 4.184 J/g °C, 5.3 enthalpy (ΔH < 0 exothermic; ΔHc CH4 −890.8, H2 −285.8, ethanol −1366.8, methanol −726.1 kJ/mol; 1.00 L isooctane 33,100 kJ; ozone formation endothermic)
- 12.2 factors affecting rates (sodium and iron in air, calcium and sodium in water, sawdust, rate roughly doubles per 10 °C, phosphorus in pure oxygen, air about 20% oxygen, H2O2 decomposition)
- 12.5 collision theory and Arrhenius equation (R = 8.314 J/mol/K, catalytic converters)
- 12.7 catalysis and enzymes
- NIST Chemistry WebBook methane ΔcH°gas −890.7 ± 0.4 kJ/mol (webbook.nist.gov)
- NIST CODATA Avogadro constant 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ exact (physics.nist.gov)
- IUPAC CIAAW abridged standard atomic weights (H 1.0080, C 12.011, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, Ca 40.078, Fe 55.845, Sn 118.71; ciaaw.org)
- ACS International Historic Chemical Landmark, The Chemical Revolution of Antoine-Laurent Lavoisier (acs.org, Traité élémentaire de chimie 1789, quotation on conservation of mass)
- Lavoisier, memoir on the calcination of tin in closed vessels, Mémoires de l'Académie Royale des Sciences for 1774, published 1777 (via web.lemoyne.edu/giunta/classicalcs/lavoisier.html)
- PubChem sodium bicarbonate and acetic acid pages (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).
Проверено: 2026-10-17