Почему известь в ведре закипает, а холодный пакет из аптечки замерзает без холодильника? Выбирай реакцию, сыпь вещество в калориметр и смотри, куда пойдет термометр.
Чтобы разорвать химическую связь, нужно затратить энергию, а когда связь образуется, энергия выделяется. Если новые связи в продуктах прочнее старых, энергии выделится больше, чем ушло на разрыв, и остаток нагреет все вокруг. Так горит газ в котле и греется известь в воде. Это экзотермическая реакция.
Бывает и наоборот: продукты держатся слабее, чем реагенты, и недостающую энергию процесс забирает у окружения. Раствор становится холодным, как в холодном пакете из аптечки. Это эндотермический процесс. Разницу энергий на один моль вещества называют тепловым эффектом, или изменением энтальпии ΔH.
ⓘ ΔH указаны на моль реакции по записанному уравнению, при 25 °C. Калориметр считается идеальным: все тепло реакции достается воде, теплоемкость самого стакана не учитывается.
Три шага: узнать тепловой эффект на моль, посчитать, сколько тепла дала порция вещества, и перевести тепло в градусы воды. Числа под формулами берутся из опыта. Подсвечена карточка того шага, который сейчас идет в опыте.
Сколько энергии на моль?
Тепловой эффект равен энергии продуктов минус энергия реагентов. Продукты ниже, значит ΔH отрицательный и тепло уходит наружу.
Сколько тепла дала порция?
Количество вещества в молях равно массе, деленной на молярную массу. Тепла выделится во столько раз больше, сколько молей прореагировало.
На сколько нагреется вода?
Тепло делится на массу воды и ее теплоемкость. Чем больше воды, тем меньше она нагреется от того же тепла.
Тепловой эффект можно оценить по энергиям связей. При горении метана рвутся четыре связи C−H по 413 кДж/моль и две связи O=O по 498 кДж/моль: всего нужно затратить 4 · 413 + 2 · 498 = 2648 кДж. Образуются две связи C=O в CO₂ по 799 кДж/моль и четыре связи O−H в воде по 463 кДж/моль: выделяется 2 · 799 + 4 · 463 = 3450 кДж.
ΔH ≈ 2648 − 3450 = −802 кДж/моль
Это для воды в виде пара. Если пар еще и сконденсируется в жидкость, выделится еще 2 · 44 = 88 кДж, и получится близко к справочным −890 кДж/моль. Связи в CO₂ и воде прочнее, чем в метане и кислороде, поэтому горение отдает энергию.
Почему тогда газ не загорается сам? Чтобы начать, нужно сначала разорвать хотя бы часть старых связей. Это и есть барьер Eₐ на диаграмме. Искра дает энергию первым молекулам, а дальше тепло от них поджигает соседние.
Вся энергия дизеля, котла и печи берется из экзотермической реакции горения. По ΔH и расходу топлива считают тепловую мощность: литр дизельного топлива дает около 36 МДж, из них в работу двигатель превращает 35-45%.
Смесь алюминия и оксида железа поджигают в форме над стыком рельсов. Реакция дает жидкое железо при температуре выше 2000 °C, оно заливает зазор и сваривает рельсы без электричества, прямо на пути.
Гашение извести и схватывание цемента идут с выделением тепла. В массивном бетоне, например в фундаменте дробилки, середина разогревается до 60-70 °C, поэтому заливку ведут слоями и следят за трещинами от перепада температур.
Аммиачно-селитренные взрывчатые вещества на карьерах выделяют тепло за доли секунды. Газы мгновенно нагреваются и расширяются, давление рвет породу. Энергию заряда считают по теплоте взрыва, в кДж на кг.
Растворение нитрата аммония или мочевины в воде поглощает тепло. Так сделаны одноразовые холодные пакеты для аптечек. Тот же принцип, только с испарением жидкости, работает в холодильнике и кондиционере.
Формула Q = m · c · ΔT нужна инженеру каждый день: сколько воды прокачать через радиатор двигателя, чтобы снять тепло, или на сколько нагреется масло в гидросистеме при заданной мощности потерь.
Калориметр идеальный: тепло не уходит в воздух, а стакан и камера сгорания не нагреваются. Теплоемкость воды и растворов принята одинаковой, 4,18 кДж/(кг·°C). ΔH взяты при 25 °C из справочных таблиц и не пересчитываются на другую температуру. Реакция идет до конца, кроме растворения нитрата аммония: ниже −16 °C он почти не растворяется, и температура дальше не падает. Если вода дошла до 100 °C, оставшееся тепло уходит на испарение, 2257 кДж на килограмм. Вода, которая расходуется в реакции гашения извести, не учитывается. Высота барьера на диаграмме нарисована для наглядности, а не в масштабе.