Газовая горелка нагревается достаточно сильно, чтобы размягчить стекло. Моментальный холодный пакет, сжатый один раз, остывает почти до точки замерзания. Оба процесса — это просто химические реакции: одна в…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
5.1
Enthalpy change, ΔH · Изменение энтальпии, ΔH
Syllabus · Программа
English
understand that chemical reactions are accompanied by enthalpy changes and these changes can be exothermic ($\Delta H$ is negative) or endothermic ($\Delta H$ is positive)
construct and interpret a reaction pathway diagram, in terms of the enthalpy change of the reaction and of the activation energy
define and use the terms: (a) standard conditions (this syllabus assumes that these are $298\text{ K}$ and $101\text{ kPa}$) shown by $^{\ominus}$. (b) enthalpy change with particular reference to: reaction, $\Delta H_r$, formation, $\Delta H_f$, combustion, $\Delta H_c$, neutralisation, $\Delta H_{\text{neut}}$
understand that energy transfers occur during chemical reactions because of the breaking and making of chemical bonds
use bond energies ($\Delta H$ positive, i.e. bond breaking) to calculate enthalpy change of reaction, $\Delta H_r$
understand that some bond energies are exact and some bond energies are averages
calculate enthalpy changes from appropriate experimental results, including the use of the relationships $q = mc\Delta T$ and $\Delta H = -mc\Delta T/n$
Русский
понимать, что химические реакции сопровождаются энтальпийными изменениями, которые могут быть экзотермическими ($\Delta H$ отрицательный) или эндотермическими ($\Delta H$ положительный)
строить и интерпретировать диаграмму пути реакции с точки зрения энтальпийного изменения реакции и энергии активации
определять и использовать термины: (a) стандартные условия (данная программа предполагает, что это $298\text{ K}$ и $101\text{ kPa}$), обозначаемые $^{\ominus}$. (b) энтальпийное изменение в отношении конкретных процессов: реакции, $\Delta H_r$, образования, $\Delta H_f$, горения, $\Delta H_c$, нейтрализации, $\Delta H_{\text{neut}}$
понимать, что перенос энергии происходит во время химических реакций из-за разрыва и образования химических связей
использовать энергии связей ($\Delta H$ положительные, т.е. разрыв связи) для расчета энтальпийного изменения реакции, $\Delta H_r$
понимать, что некоторые энергии связей являются точными, а другие — усредненными
вычислять энтальпийные изменения на основе соответствующих экспериментальных данных, включая использование соотношений $q = mc\Delta T$ и $\Delta H = -mc\Delta T/n$
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Reaction profile: activation energy and ΔH
Every chemical reaction takes in or gives out energy. This energy change, measured at constant pressure, is the enthalpy change 焓变, with symbol $\Delta H$.
in an exothermic 放热 reaction the system gives out heat, so the products have less energy than the reactants and $\Delta H$ is negative.
in an endothermic 吸热 reaction the system takes in heat, so the products have more energy than the reactants and $\Delta H$ is positive.
Reaction pathway diagrams
A reaction pathway diagram 反应路径图 shows the energy of the reactants and products, and the energy "hill" between them. The height of the hill is the activation energy 活化能 — the least energy the particles need before they can react.
exothermic: products sit lower than reactants ($\Delta H < 0$).
endothermic: products sit higher than reactants ($\Delta H > 0$).
Standard conditions and types of enthalpy change
Energy values are compared under standard conditions 标准条件: $298\ \text{K}$ and $101\ \text{kPa}$, shown by the symbol $^{\ominus}$. Each substance is in its normal physical state at those conditions.
Symbol
Name
Definition (per mole, under standard conditions)
$\Delta H_r^{\ominus}$
enthalpy change of reaction 反应焓变
for the amounts shown in the equation
$\Delta H_f^{\ominus}$
enthalpy change of formation 生成焓变
one mole of a compound forms from its elements
$\Delta H_c^{\ominus}$
enthalpy change of combustion 燃烧焓变
one mole of a substance burns completely in oxygen
$\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$
enthalpy change of neutralisation 中和焓变
one mole of water forms from an acid and an alkali
Energy from breaking and making bonds
During a reaction, old bonds break and new bonds form. Breaking a bond needs energy (endothermic); making a bond releases energy (exothermic). The enthalpy change of the reaction is the difference between the two:
The bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular bond in the gas state, so it is always positive. Some bond energies are exact (for one specific molecule); others are averages taken over many different molecules, so calculations using them are only approximate.
Worked example. Use bond energies to find $\Delta H$ for $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Bond energies (kJ mol⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.
When a reaction heats up (or cools down) a known mass of water or solution, the heat transferred is:
$$q = mc\Delta T$$
where $m$ is the mass, $c$ is the specific heat capacity 比热容 (how much energy raises 1 g by 1 K), and $\Delta T$ is the temperature change. The enthalpy change per mole is then:
$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$
The minus sign makes $\Delta H$ negative when the temperature rises (an exothermic reaction).
Worked example. Burning $0.50\ \text{g}$ of methanol ($M_r = 32$) raises the temperature of $100\ \text{g}$ of water by $18\ ^{\circ}\text{C}$. Find the enthalpy change of combustion per mole. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)
The heat released is $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. The amount burnt is $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, so
Профиль реакции: энергия активации и ΔHГорение топлива является экзотермическим процессом, выделяющим энергию в окружающую среду.Моментальный холодный пакет использует эндотермическую реакцию, поглощающую тепло.
Каждая химическая реакция либо поглощает, либо выделяет энергию. Это изменение энергии, измеряемое при постоянном давлении, называется изменением энтальпии, обозначаемым символом $\Delta H$.
В экзотермической реакции система выделяет тепло, поэтому продукты имеют меньше энергии, чем реагенты, и $\Delta H$ является отрицательным.
В эндотермической реакции система поглощает тепло, поэтому продукты имеют больше энергии, чем реагенты, и $\Delta H$ является положительным.
Диаграммы пути реакции
На диаграмме пути реакции показана энергия реагентов и продуктов, а также энергетический «барьер» между ними. Высота этого барьера — это энергия активации, минимальная энергия, необходимая частицам для начала реакции.
экзотермическая: продукты находятся ниже реагентов ($\Delta H < 0$).
эндотермическая: продукты находятся выше реагентов ($\Delta H > 0$).
Экзотермические реакции заканчиваются ниже начального уровня ($\Delta H<0$); эндотермические реакции заканчиваются выше ($\Delta H>0$)
Стандартные условия и типы энтальпийных изменений
Значения энергии сравниваются при стандартных условиях: $298\ \text{K}$ и $101\ \text{kPa}$, обозначаемых символом $^{\ominus}$. Каждое вещество находится в своем обычном физическом состоянии при этих условиях.
Символ
Название
Определение (на моль, при стандартных условиях)
$\Delta H_r^{\ominus}$
энтальпия реакции
для количеств, указанных в уравнении
$\Delta H_f^{\ominus}$
энтальпия образования
один моль соединения образуется из элементов
$\Delta H_c^{\ominus}$
энтальпия горения
один моль вещества полностью сгорает в кислороде
$\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$
энтальпия нейтрализации
один моль воды образуется из кислоты и щелочи
Не путайте их: образование создает 1 моль соединения из элементов; горение сжигает 1 моль вещества в кислороде
Энергия разрыва и образования связей
Во время реакции старые связи рвутся, а новые образуются. Разрыв связи требует энергии (эндотермически); образование связи выделяет энергию (экзотермически). Энтальпийное изменение реакции равно разнице между этими двумя величинами:
Энергия связи — это энергия, необходимая для разрыва одного моля определенной связи в газообразном состоянии, поэтому она всегда положительна. Некоторые значения энергий связей точны (для конкретной молекулы); другие являются усредненными, полученными на основе многих различных молекул, поэтому расчеты с их использованием дают лишь приблизительный результат.
Пример решения. Используйте энергии связей, чтобы найти $\Delta H$ для $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Энергии связей (кДж·моль⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.
Разрыв связей требует подвода энергии; образование связей дает энергию наружу. $\Delta H$ — это разница между ними
Измерение энтальпийного изменения в лаборатории
Когда реакция нагревает (или охлаждает) известную массу воды или раствора, переданное тепло равно:
$$q = mc\Delta T$$
где $m$ — масса, $c$ — удельная теплоемкость (сколько энергии нагревает 1 г на 1 K), а $\Delta T$ — изменение температуры. Изменение энтальпии на моль тогда равно:
$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$
Знак минус делает $\Delta H$ отрицательным, когда температура повышается (экзотермическая реакция).
Пример решения. Сжигание $0.50\ \text{g}$ метанола ($M_r = 32$) повышает температуру $100\ \text{g}$ воды на $18\ ^{\circ}\text{C}$. Найдите изменение энтальпии горения на моль. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)
Выделенное тепло равно $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. Количество сожженного вещества — $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, поэтому
Изолированный стакан и термометр измеряют изменение температуры известной массы раствора
Explore · Исследовать
Exothermic and endothermic reactions · Экзотермические и эндотермические реакции
Drag ΔH. An exothermic reaction releases energy (products lower); an endothermic one takes it in (products higher). · Перетащите ΔH. Экзотермическая реакция выделяет энергию (продукты ниже); эндотермическая поглощает её (продукты выше).
enthalpy change of reaction/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv rɪˈækʃn/
изменение энтальпии реакции
enthalpy change of formation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv fɔːˈmeɪʃn/
изменение энтальпии образования
enthalpy change of combustion/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv kəmˈbʌstʃn/
изменение энтальпии сгорания
enthalpy change of neutralisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/
изменение энтальпии нейтрализации
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/
энергия связи
specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/
удельная теплоемкость
Hess's law/ˈhesɪz lɔː/
Закон Гесса
energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/
энергетический цикл
5.2
Hess's law · Закон Гесса
Syllabus · Программа
English
apply Hess’s law to construct simple energy cycles
carry out calculations using cycles and relevant energy terms, including: (a) determining enthalpy changes that cannot be found by direct experiment (b) use of bond energy data
Русский
применять закон Гесса для построения простых энергетических циклов
выполнять расчеты с использованием циклов и соответствующих энергетических величин, включая: (a) определение энтальпийных изменений, которые нельзя найти прямым экспериментальным путем (b) использование данных об энергиях связей
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Hess's law 盖斯定律 says that the total enthalpy change for a reaction is the same, no matter which route you take from reactants to products. This is because energy is conserved.
This lets you draw an energy cycle 能量循环: link the reactants and products by a direct step and by an indirect route, then add the steps so that both routes give the same total.
Hess's law is useful in two ways:
it lets you find an enthalpy change that you cannot measure directly (for example, the formation of a compound that forms slowly or with side reactions).
it lets you calculate $\Delta H_r$ from bond energy data, or from formation or combustion data given in the question.
Русский
Закон Гесса гласит, что суммарное энтальпийное изменение реакции одинаково независимо от того, какой путь вы выберете от реагентов к продуктам. Это происходит потому, что энергия сохраняется.
Это позволяет нарисовать энергетический цикл: соедините реагенты и продукты прямым шагом и косвенным путем, а затем сложите шаги так, чтобы оба пути давали одинаковую сумму.
Прямой путь равен косвенному, поэтому $\Delta H_r = \Delta H_1 + \Delta H_2$
Закон Гесса полезен двумя способами:
он позволяет найти энтальпийное изменение, которое вы не можете измерить напрямую (например, образование медленного соединения или соединения с побочными реакциями).
он позволяет рассчитать $\Delta H_r$ по данным об энергиях связей или данным об образовании/горении, данным в задаче.
Explore · Исследовать
Hess's law cycle · Цикл закона Гесса
Enthalpy change is the same whichever route you take — so an unknown ΔH can be found by an alternative path. · Энтальпийное изменение одинаково независимо от выбранного пути — следовательно, неизвестное ΔH можно найти альтернативным путем.
5.2
Exam tips · Советы для экзамена
English
Define each enthalpy change with its exact standard conditions (e.g. combustion = one mole burned completely in excess oxygen).
Use $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; breaking is endothermic ($+$), making is exothermic ($-$) — getting the sign the wrong way round is the classic error.
In $q = mc\Delta T$ use the mass of the water/solution, then divide by moles and add the minus sign for an exothermic reaction.
Draw Hess cycles with arrows the same way round, follow the alternative route, and always give $\Delta H$ a sign and units ($\text{kJ mol}^{-1}$).
Русский
Определите каждое энтальпийное изменение с его точными стандартными условиями (например, горение = один моль полностью сгорает в избытке кислорода).
Используйте $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; разрыв — эндотермичный ($+$), образование — экзотермичный ($-$) — ошибка со знаком является классической ошибкой.
В $q = mc\Delta T$ используйте массу воды/раствора, затем разделите на количество молей и добавьте знак минус для экзотермической реакции.
Рисуйте циклы Гесса со стрелками в одном направлении, следуйте альтернативному пути и всегда указывайте знак и единицы для $\Delta H$ ($\text{kJ mol}^{-1}$).
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
