§ 86. Теплота реакции

Эта глава посвящена изучению химических реакций с физической точки зрения. Мы имеем в виду те свойства, которые присущи всем реакциям, вне зависимости от химической специфики реагирующих веществ.

Всякая химическая реакция сопровождается поглощением или выделением тепла. В первом случае реакцию называют эндотермической, а во втором — экзотермической. Ясно, что если какая-либо реакция экзотермична, то обратная ей реакция эндотермична, и наоборот.

Тепловой эффект регкции зависит, вообще говоря, от условий, в которых она протекает. Поэтому, строго говоря, надо было бы различать тепловой эффект реакции в зависимости от того, происходит ли она при постоянном давлении или при постоянном объеме. Практически, впрочем, эта разница обычно весьма незначительна.

Теплоту реакции пишут в уравнении реакции с положительным знаком с той стороны, где теплота выделяется, или с отрицательным знаком, где тепло поглощается. Так, уравнение

означает, что при сгорании грамм-атома углерода (графит) выделяется 400 килоджоулей. Приведем еще два примера:

(здесь, как и во всех следующих примерах, теплота тоже дается в килоджоулях на моли фигурирующих в реакции веществ).

В приведенных примерах предполагалось, что все вещества (кроме графита) находятся в газообразном состоянии (при комнатной температуре и атмосферном давлении). Агрегатное состояние реагирующих веществ должно указываться, так как теплота реакции зависит от этого состояния, причем эта зависимость может быть довольно существенной. Для примера найдем разницу между теплотой образования жидкой воды и пара из газообразных кислорода и водорода. Теплота испарения грамм-молекулы воды (при 20° С) составляет 44 кдж, т. е.

Складывая это равенство с уравнением образования водяного пара

получим уравнение образования жидкой воды

Теплота реакции зависит, конечно, и от температуры, при которой происходит реакция. Пересчет этой теплоты от одной температуры к другой легко произвести, если известны теплоемкости всех реагирующих веществ, подобно тому как мы только что произвели пересчет от одного агрегатного состояния к другому. Для этого надо вычислить тепло, нужное для нагревания всех участвующих в реакции веществ от одной температуры до другой.

Если происходит несколько реакций последовательно одна за другой, то из закона сохранения энергии следует, что суммарный тепловой эффект всех реакций вместе будет равен сумме тепловых эффектов каждой из последовательно происходящих реакций. Более того, можно утверждать, что если мы исходим из некоторых определенных веществ и в результате ряда промежуточных реакций получаем другие вещества, то суммарный тепловой выход не зависит от того, через какие промежуточные стадии шла реакция.

С помощью этого правила можно, в частности, вычислять теплоты таких реакций, которые фактически вообще не могли бы происходить. Найдем, например, теплоту образования газа ацетилена непосредственно из элементов углерода (гра-

фита) и водорода: 2С+Н2=С2Н2. Эта реакция не может идти таким прямым путем и в действительности осуществляется другими способами, поэтому непосредственно измерить ее тепловой эффект нельзя. Можно, однако, вычислить это тепло, исходя из известных (непосредственно измеряемых) теплот сгорания углерода, водорода и самого ацетилена:

Сложив почленно первые два равенства и вычтя из них третье, получим

Теплота образования соединения из элементов зависит от их состояния. Для физики больший интерес представляет теплота образования не из элементов в их естественном виде, а непосредственно из атомов. Она определяет внутреннюю энергию соединения как такового и не зависит от состояния исходных веществ. Приведем несколько примеров:

Теплота образования соединения из элементов может быть как положительной, так и отрицательной. Теплота же образования из атомов всегда положительна, в противном случае соединение было бы неустойчивым и не могло бы существовать.