Все формулы РФ

Химия / Тепловой эффект реакции, закон Гесса

Энтальпия реакции по энергиям связей

Оценка по энергиям связей сравнивает энергию, затраченную на разрыв старых связей, с энергией, выделенной при образовании новых.

Опубликовано: Обновлено:

Тепловой эффект реакции, закон ГессаЕсть историческая справкаСтраницы с задачами и решениямиБазовые химические расчеты

Формула

$$\Delta H \approx \sum E_{broken}-\sum E_{formed}$$
схема Разрыв и образование связей

Схема разделяет энергию, поглощенную при разрыве связей, и энергию, выделенную при образовании новых связей.

Если новые связи прочнее старых, расчет дает отрицательное ΔH.

Обозначения

$ΔH$
приближенная энтальпия реакции, кДж/моль реакции
$Ebroken$
энергия связи, которую нужно разорвать в реагентах, кДж/моль связей
$Eformed$
энергия связи, которая выделяется при образовании связи в продуктах, кДж/моль связей

Условия применения

  • Обычно используют средние энергии связей для газовой фазы.
  • Нужно считать только связи, которые реально разрываются и образуются.
  • Количество одинаковых связей умножают на их число в уравнении.
  • Значения энергий связей должны быть взяты из одной таблицы.

Ограничения

  • Метод дает приближение, потому что энергия связи зависит от молекулярного окружения.
  • Для ионных кристаллов, растворов и фазовых переходов расчет по связям часто непригоден.
  • Резонанс, напряжение цикла и межмолекулярные взаимодействия могут заметно менять результат.

Подробное объяснение

Химическая реакция включает перестройку связей. Чтобы реагенты превратились в продукты, некоторые старые связи нужно ослабить и разорвать, на что тратится энергия. Затем при образовании новых связей энергия выделяется. Разность этих двух вкладов дает оценку теплового эффекта реакции.

Слово приблизительно в формуле принципиально. Табличные энергии связей часто являются средними значениями для множества соединений. Связь C-H в метане, этане и хлорметане похожа, но не строго одинакова. Поэтому расчет по связям хорошо показывает порядок величины и знак, но уступает расчету по точным энтальпиям образования.

В задачах удобно выписывать только изменившиеся связи. Например, при замещении H в метане хлором разрываются C-H и Cl-Cl, а образуются C-Cl и H-Cl. Остальные связи C-H остаются в молекуле и не входят в энергетический баланс. Такой подход уменьшает риск лишних слагаемых.

Отрицательный результат означает, что новые связи в сумме прочнее разорванных. Положительный результат показывает, что на разрыв старых связей требуется больше энергии, чем возвращается при образовании новых. В реальной реакции тепловой эффект также зависит от фаз, растворителя и структуры вещества, поэтому оценку не стоит воспринимать как калориметрическое измерение.

Метод особенно полезен в органической химии, где нужно быстро сравнить возможные реакции. Он помогает объяснить, почему горение углеводородов выделяет много теплоты: образуются очень прочные связи C=O в CO2 и O-H в воде.

Как пользоваться формулой

  1. Уравняйте реакцию и отметьте связи, которые меняются.
  2. Сложите энергии всех разрываемых связей с учетом их числа.
  3. Сложите энергии всех образующихся связей с учетом их числа.
  4. Вычтите энергию образованных связей из энергии разорванных.
  5. Укажите, что результат является приближенным.

Историческая справка

Расчеты по энергиям связей стали развиваться после того, как химическая связь получила количественное описание в физической химии и спектроскопии. В конце XIX и начале XX века тепловые эффекты реакций уже активно измеряли калориметрически, но понимание связи между строением молекулы и энергией постепенно усиливалось. Работы по валентности, строению молекул, квантовой химии и термохимии позволили составлять таблицы средних энергий связей. В середине XX века такие таблицы вошли в учебники как удобный способ оценить тепловой эффект без полного набора энтальпий образования. Современные значения уточняют спектроскопическими, термохимическими и расчетными методами, но их по-прежнему называют средними, потому что одна и та же связь меняет энергию в разных молекулах.

Пример

Оценим ΔH реакции H2(г) + Cl2(г) = 2HCl(г). Разрываются одна связь H-H с энергией 436 кДж/моль и одна связь Cl-Cl с энергией 243 кДж/моль. На разрыв нужно 436 + 243 = 679 кДж. Образуются две связи H-Cl, каждая примерно 431 кДж/моль, поэтому при их образовании выделяется 2 · 431 = 862 кДж. По формуле ΔH ≈ ΣEbroken - ΣEformed = 679 - 862 = -183 кДж. Ответ: реакция экзотермическая, приблизительная энтальпия равна -183 кДж на уравнение как оно записано. Табличная точность здесь не абсолютна, потому что использованы усредненные энергии связей.

Частая ошибка

Ошибаются, когда складывают энергии всех связей в молекулах, хотя часть связей не меняется и сокращается при сравнении. Другой частый промах связан со знаком: разрыв связей всегда требует энергии, а образование связей энергию выделяет, поэтому формула имеет вид разорванные минус образованные. Также забывают умножать энергию на число одинаковых связей, например на две связи H-Cl в молекулярном уравнении.

Практика

Задачи с решением

Хлорирование метана

Условие. Для CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl используйте E(C-H)=413, E(Cl-Cl)=243, E(C-Cl)=339, E(H-Cl)=431 кДж/моль. Оцените ΔH.

Решение. Разрываются C-H и Cl-Cl: 413 + 243 = 656 кДж. Образуются C-Cl и H-Cl: 339 + 431 = 770 кДж. ΔH ≈ 656 - 770 = -114 кДж.

Ответ. Примерно -114 кДж на 1 моль реакции.

Образование иодоводорода

Условие. Для H2 + I2 = 2HI даны E(H-H)=436, E(I-I)=151, E(H-I)=299 кДж/моль. Найдите приближенное ΔH.

Решение. Разрыв: 436 + 151 = 587 кДж. Образование: 2 · 299 = 598 кДж. ΔH ≈ 587 - 598 = -11 кДж.

Ответ. Около -11 кДж, реакция слабо экзотермическая.

Дополнительные источники

  • IUPAC Gold Book: terminology for chemistry and physical chemistry
  • OpenStax Chemistry 2e: thermochemistry, solutions, stoichiometry and gases
  • Atkins and de Paula: Physical Chemistry, selected chapters

Связанные формулы