Четыре основных типа реакций

По числу и составу исходных веществ и продуктов различают:

Соединение: из двух или нескольких веществ образуется одно сложное: $\mathrm{CaO+H_2O=Ca(OH)_2}$ .
Разложение: из одного сложного вещества образуются два или более веществ: $\mathrm{CaCO_3=CaO+CO_2}$ , $\mathrm{2KMnO_4=K_2MnO_4+MnO_2+O_2}$ .
Замещение: атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе: $\mathrm{Zn+2HCl=ZnCl_2+H_2}$ , $\mathrm{Fe+CuSO_4=FeSO_4+Cu}$ .
Обмен: два сложных вещества обмениваются составными частями: $\mathrm{NaOH+HCl=NaCl+H_2O}$ , $\mathrm{BaCl_2+Na_2SO_4=BaSO_4\downarrow+2NaCl}$ .

Реакция обмена в растворе идёт до конца, если образуется осадок, газ или малодиссоциирующее вещество (например, вода). В реакцию замещения обязательно вступают простое и сложное вещества. Не каждая реакция укладывается в эти четыре типа: например, $\mathrm{CH_4+2O_2=CO_2+2H_2O}$ .

Гомогенные и гетерогенные реакции

В гомогенной реакции все вещества находятся в одной фазе: в газовой смеси ( $\mathrm{H_2+Cl_2=2HCl}$ ) или в растворе ( $\mathrm{NaOH+HCl}$ ). Реакция идёт во всём объёме.

В гетерогенной реакции вещества находятся в разных фазах, и реакция протекает только на поверхности их соприкосновения: горение угля, взаимодействие цинка с соляной кислотой. Поэтому скорость гетерогенной реакции зависит от степени измельчения твёрдого вещества (площади поверхности).

Тепловой эффект. Экзо- и эндотермические реакции

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается в реакции, называют тепловым эффектом ( $Q$ ). Реакции с выделением теплоты называют экзотермическими ( $Q>0$ ), с поглощением теплоты эндотермическими ( $Q<0$ ). Часто используют изменение энтальпии $\Delta H=-Q$ : у экзотермической реакции $\Delta H<0$ .

Уравнение, в котором указаны агрегатные состояния веществ и тепловой эффект, называют термохимическим:

\mathrm{C}(\text{графит})+\mathrm{O_2}(\text{г})=\mathrm{CO_2}(\text{г})+393{,}5\ \text{кДж}

\mathrm{CaCO_3}(\text{тв})=\mathrm{CaO}(\text{тв})+\mathrm{CO_2}(\text{г})-178\ \text{кДж}

Коэффициенты здесь означают число молей, поэтому допустимы дробные: $\mathrm{H_2}(\text{г})+\tfrac12\mathrm{O_2}(\text{г})=\mathrm{H_2O}(\text{ж})+286$ кДж. Горение и нейтрализация экзотермичны, большинство реакций разложения эндотермичны.

Теплота образования, теплота сгорания, теплотворная способность

Теплота образования — теплота, которая выделяется или поглощается при образовании 1 моль сложного вещества из простых веществ (в их устойчивой форме). Для простых веществ ( $\mathrm{O_2}$ , $\mathrm{H_2}$ , графит) она принята равной нулю. По уравнению выше теплота образования $\mathrm{CO_2}$ равна 393,5 кДж/моль.

Теплота сгорания — теплота, которая выделяется при полном сгорании 1 моль вещества в кислороде (углерод переходит в $\mathrm{CO_2}$ , водород в воду). Для метана она около 890 кДж/моль.

Теплотворная способность топлива показывает, сколько теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива (для газа часто 1 м³). Для метана: $\dfrac{890\ \text{кДж}}{16\ \text{г}}\approx55{,}6$ кДж/г, то есть около 55,6 МДж/кг.

Закон Гесса и термохимические расчёты

Закон Гесса: тепловой эффект реакции зависит только от состояния исходных веществ и продуктов и не зависит от пути (числа стадий) процесса. Сожжём ли мы углерод сразу до $\mathrm{CO_2}$ или сначала до $\mathrm{CO}$ , а затем $\mathrm{CO}$ до $\mathrm{CO_2}$ , всего выделится 393,5 кДж: $110{,}5+283=393{,}5$ .

Следствие: тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов минус сумма теплот образования исходных веществ (с учётом коэффициентов):

Q_{\text{р}}=\sum Q_{\text{обр}}(\text{продукты})-\sum Q_{\text{обр}}(\text{исходные вещества})

При расчётах по термохимическому уравнению теплота прямо пропорциональна количеству вещества: если $n$ моль вещества по уравнению соответствует теплота $Q$ , то $x$ моль соответствует $\dfrac{x}{n}\,Q$ .

Запомните

Соединение: $\mathrm{A+B=AB}$ ; разложение: $\mathrm{AB=A+B}$ ; замещение: простое + сложное вещество; обмен: два сложных вещества обмениваются составными частями.
Гомогенная реакция идёт в одной фазе во всём объёме, гетерогенная на границе раздела фаз.
Экзотермическая: $Q>0$ , $\Delta H<0$ ; эндотермическая: $Q<0$ , $\Delta H>0$ .
Теплота образования простых веществ равна нулю; теплота сгорания относится к 1 моль вещества.
Закон Гесса: $Q_{\text{р}}=\sum Q_{\text{обр}}(\text{продукты})-\sum Q_{\text{обр}}(\text{исходные})$ ; теплота пропорциональна количеству вещества.

Разобранные примеры

Пример 1
Термохимическое уравнение: $\mathrm{S+O_2=SO_2}+297$ кДж. При сжигании серы выделилось 74,25 кДж теплоты. Рассчитайте массу сгоревшей серы и объём образовавшегося $\mathrm{SO_2}$ (н. у.). ( $A_r$ : S 32)
Решение
1. По уравнению при сгорании 1 моль серы выделяется 297 кДж.
2. $n(\mathrm{S})=\dfrac{74{,}25}{297}=0{,}25$ моль.
3. $m(\mathrm{S})=0{,}25\cdot32=8$ г.
4. По уравнению $n(\mathrm{SO_2})=n(\mathrm{S})=0{,}25$ моль, $V(\mathrm{SO_2})=0{,}25\cdot22{,}4=5{,}6$ л.
Ответ: 8 г серы, 5,6 л $\mathrm{SO_2}$ .
Пример 2
По термохимическим уравнениям рассчитайте теплоту образования оксида углерода(II):
- $\mathrm{C+O_2=CO_2}+393{,}5$ кДж
- $\mathrm{CO+\tfrac12O_2=CO_2}+283$ кДж
Решение
1. Уравнение образования $\mathrm{CO}$ : $\mathrm{C+\tfrac12O_2=CO}+Q$ .
2. Углерод может превратиться в $\mathrm{CO_2}$ и в две стадии: $\mathrm{C\to CO\to CO_2}$ . По закону Гесса общая теплота не зависит от пути: $Q+283=393{,}5$ .
3. $Q=393{,}5-283=110{,}5$ кДж.
Ответ: 110,5 кДж/моль; образование $\mathrm{CO}$ экзотермично.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какая реакция является одновременно реакцией замещения и гетерогенной?
1. $\mathrm{H_2}(\text{г})+\mathrm{Cl_2}(\text{г})=\mathrm{2HCl}(\text{г})$
2. взаимодействие гранул цинка с разбавленной серной кислотой: $\mathrm{Zn+H_2SO_4=ZnSO_4+H_2\uparrow}$
3. в растворе $\mathrm{NaOH+HCl=NaCl+H_2O}$
4. $\mathrm{CaCO_3}(\text{тв})=\mathrm{CaO}(\text{тв})+\mathrm{CO_2}(\text{г})$
5. $\mathrm{2NO}(\text{г})+\mathrm{O_2}(\text{г})=\mathrm{2NO_2}(\text{г})$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B взаимодействие гранул цинка с разбавленной серной кислотой: $\mathrm{Zn+H_2SO_4=ZnSO_4+H_2\uparrow}$
При замещении простое вещество ( $\mathrm{Zn}$ ) вытесняет водород из сложного; твёрдый цинк и раствор находятся в разных фазах, реакция идёт на поверхности. A и E — гомогенные реакции соединения, C — гомогенный обмен, D — гетерогенная, но это реакция разложения.
По уравнению $\mathrm{2H_2+O_2=2H_2O}(\text{ж})+572$ кДж рассчитайте, сколько теплоты выделится при сгорании 11,2 л (н. у.) водорода.
1. 286 кДж
2. 572 кДж
3. 143 кДж
4. 71,5 кДж
5. 1144 кДж
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 143 кДж
$n(\mathrm{H_2})=\dfrac{11{,}2}{22{,}4}=0{,}5$ моль. В уравнении 572 кДж приходятся на 2 моль водорода, значит, на 0,5 моль: $\dfrac{0{,}5}{2}\cdot572=143$ кДж. 286 кДж — теплота сгорания 1 моль водорода.
Теплоты образования: $\mathrm{CaCO_3}$ 1207 кДж/моль, $\mathrm{CaO}$ 635 кДж/моль, $\mathrm{CO_2}$ 394 кДж/моль. Найдите тепловой эффект реакции $\mathrm{CaO+CO_2=CaCO_3}+Q$ .
1. 2236 кДж
2. −178 кДж
3. 572 кДж
4. 178 кДж
5. 1029 кДж
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D 178 кДж
По следствию из закона Гесса $Q=Q_{\text{обр}}(\mathrm{CaCO_3})-[Q_{\text{обр}}(\mathrm{CaO})+Q_{\text{обр}}(\mathrm{CO_2})]=1207-(635+394)=178$ кДж. $Q>0$ : эта реакция соединения экзотермична, а обратный процесс, разложение $\mathrm{CaCO_3}$ , эндотермичен.

Типичные ошибки

Путать знаки: если теплота выделяется, то $Q>0$ , но $\Delta H<0$ .
Считать, что теплота в уравнении всегда относится к 1 моль: в уравнении $\mathrm{2H_2+O_2=2H_2O}+572$ кДж эти 572 кДж относятся к 2 моль водорода.
Относить к замещению реакцию двух сложных веществ: $\mathrm{CuO+CO=Cu+CO_2}$ не является замещением, так как оба исходных вещества сложные.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото