Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩

Thermochemistry · ⁨Термохимия⁩

AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩ · Topic 6 · ⁨Тема 6⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩
8:53

Термохимия

Сожмите эту упаковку, и через несколько секунд она станет ледяной. Ничего не горит; ничего не охлаждает ее снаружи. Твердое вещество просто растворяется в воде внутри…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)⁩

6.1

Endothermic and Exothermic Processes · ⁨Эндотермические и экзотермические процессы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.1.A: Explain the relationship between experimental observations and energy changes associated with a chemical or physical transformation.

  • 6.1.A.1 Temperature changes in a system indicate energy changes.
  • 6.1.A.2 Energy changes in a system can be described as endothermic and exothermic processes such as the heating or cooling of a substance, phase changes, or chemical transformations.
  • 6.1.A.3 When a chemical reaction occurs, the energy of the system either decreases (exothermic reaction), increases (endothermic reaction), or remains the same. For exothermic reactions, the energy lost by the reacting species (system) is gained by the surroundings, as heat transfer from or work done by the system. Likewise, for endothermic reactions, the system gains energy from the surroundings by heat transfer to or work done on the system.
  • 6.1.A.4 The formation of a solution may be an exothermic or endothermic process, depending on the relative strengths of intermolecular/interparticle interactions before and after the dissolution process.
Русский

Цель обучения 6.1.A: Объяснить связь между экспериментальными наблюдениями и изменениями энергии, связанными с химическими или физическими преобразованиями.

  • 6.1.A.1 Изменения температуры в системе указывают на изменения энергии.
  • 6.1.A.2 Изменения энергии в системе можно описать как эндо- и экзотермические процессы, такие как нагревание или охлаждение вещества, фазовые переходы или химические превращения.
  • 6.1.A.3 При протекании химической реакции энергия системы либо уменьшается (экзотермическая реакция), либо увеличивается (эндо-термическая реакция), либо остается неизменной. Для экзотермических реакций энергия, теряемая реагирующими веществами (системой), поглощается окружающей средой за счет теплопередачи от системы или работы, совершаемой системой. Аналогично, для эндо-термических реакций система получает энергию из окружающей среды за счет теплопередачи в систему или работы, совершаемой над системой.
  • 6.1.A.4 Образование раствора может быть экзотермическим или эндо-термическим процессом в зависимости от относительной силы межмолекулярных/межчастичных взаимодействий до и после процесса растворения.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Thermochemistry 热化学 tracks energy in reactions. A process is exothermic 放热 if it releases energy to the surroundings (feels hot, $\Delta H<0$) and endothermic 吸热 if it absorbs energy (feels cold, $\Delta H>0$). Breaking bonds costs energy; forming bonds releases it – the net decides the sign.

Русский
Мгновенный холодный пакет: эндотермические процессы поглощают тепло из окружающей среды
Мгновенный холодный пакет: эндотермические процессы поглощают тепло из окружающей среды

Термохимия отслеживает энергию в реакциях. Процесс является экзотермическим, если он выделяет энергию в окружающую среду (ощущается как жаркий, $\Delta H<0$), и эндотермическим, если он поглощает энергию (ощущается как холодный, $\Delta H>0$). Разрыв связей требует энергии; образование связей выделяет её — разность определяет знак.

Экзотермическая реакция нагревает окружающую среду; эндотермическая охлаждает её
Экзотермическая реакция нагревает окружающую среду; эндотермическая охлаждает её
Explore · ⁨Исследовать⁩

Compare endothermic and exothermic profiles · ⁨Сравните профили эндотермических и экзотермических реакций⁩

An exothermic reaction releases energy (products lower than reactants, $\Delta H<0$); an endothermic one absorbs it. The hump is the activation energy. · ⁨Экзотермическая реакция выделяет энергию (продукты ниже реагентов, $\Delta H<0$); эндотермическая — поглощает её. Горб на обоих графиках соответствует энергии активации.⁩

6.2

Energy Diagrams · ⁨Энергетические диаграммы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.2.A: Represent a chemical or physical transformation with an energy diagram.

  • 6.2.A.1 A physical or chemical process can be described with an energy diagram that shows the endothermic or exothermic nature of that process.
Русский

Цель обучения 6.2.A: Изобразить химическое или физическое преобразование с помощью диаграммы энергии.

  • 6.2.A.1 Физический или химический процесс можно описать с помощью диаграммы энергии, показывающей эндо- или экзотермическую природу этого процесса.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

An energy diagram plots energy from reactants to products. Reactants above products means exothermic; below means endothermic. The vertical gap between them is the enthalpy change $\Delta H$.

Русский

Энергетическая диаграмма отображает изменение энергии от реагентов к продуктам. Если реагенты находятся выше продуктов, процесс экзотермический; если ниже — эндотермический. Вертикальный разрыв между ними составляет изменение энтальпии $\Delta H$.

Энергетические диаграммы: продукты экзотермической реакции находятся ниже реагентов, эндотермической — выше
Энергетические диаграммы: продукты экзотермической реакции находятся ниже реагентов, эндотермической — выше
6.3

Heat Transfer and Thermal Equilibrium · ⁨Теплообмен и тепловое равновесие⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.3.A: Explain the relationship between the transfer of thermal energy and molecular collisions.

  • 6.3.A.1 The particles in a warmer body have a greater average kinetic energy than those in a cooler body.
  • 6.3.A.2 Collisions between particles in thermal contact can result in the transfer of energy. This process is called "heat transfer," "heat exchange," or "transfer of energy as heat."
  • 6.3.A.3 Eventually, thermal equilibrium is reached as the particles continue to collide. At thermal equilibrium, the average kinetic energy of both bodies is the same, and hence, their temperatures are the same.
Русский

Цель обучения 6.3.A: Объяснить связь между передачей тепловой энергии и молекулярными столкновениями.

  • 6.3.A.1 Частицы в более теплом теле имеют большую среднюю кинетическую энергию, чем частицы в более холодном теле.
  • 6.3.A.2 Столкновения между частицами, находящимися в тепловом контакте, могут привести к передаче энергии. Этот процесс называется «теплопередачей», «теплообменом» или «передачей энергии в виде тепла».
  • 6.3.A.3 В конечном итоге устанавливается тепловое равновесие по мере того, как частицы продолжают сталкиваться. В состоянии теплового равновесия средняя кинетическая энергия обоих тел одинакова, а следовательно, их температуры также совпадают.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Heat 热量 flows from hot to cold until objects reach thermal equilibrium 热平衡 (equal temperature). Energy is conserved: the heat lost by the hot object equals the heat gained by the cold one.

Русский

Тепло передается от горячего к холодному до достижения теплового равновесия (одинаковой температуры). Энергия сохраняется: тепло, отданное горячим телом, равно теплу, полученному холодным.

6.4

Heat Capacity and Calorimetry · ⁨Теплоемкость и калориметрия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.4.A: Calculate the heat $q$ absorbed or released by a system undergoing heating/cooling based on the amount of the substance, the heat capacity, and the change in temperature.

  • 6.4.A.1 The heating of a cool body by a warmer body is an important form of energy transfer between two systems. The amount of heat transferred between two bodies may be quantified by the heat transfer equation:

    • Equation: $q = mc\Delta T$.

    Calorimetry experiments are used to measure the transfer of heat.

  • 6.4.A.2 The first law of thermodynamics states that energy is conserved in chemical and physical processes.

  • 6.4.A.3 The transfer of a given amount of thermal energy will not produce the same temperature change in equal masses of matter with differing specific heat capacities.

  • 6.4.A.4 Heating a system increases the energy of the system, while cooling a system decreases the energy of the system.

  • 6.4.A.5 The specific heat capacity of a substance and the molar heat capacity are both used in energy calculations.

  • 6.4.A.6 Chemical systems change their energy through three main processes: heating/cooling, phase transitions, and chemical reactions.

  • 6.4.A.7 In calorimetry experiments involving dissolution, temperature changes of the mixture within the calorimeter can be used to determine the direction of energy flow. If the temperature of the mixture increases, thermal energy is released by the dissolution process (exothermic). If the temperature of the mixture decreases, thermal energy is absorbed by the dissolution process (endothermic).

Русский

Цель обучения 6.4.A: Рассчитать количество теплоты $q$, поглощенное или выделенное системой при нагревании/охлаждении, на основе количества вещества, теплоемкости и изменения температуры.

  • 6.4.A.1 Нагревание холодного тела более теплым телом является важной формой передачи энергии между двумя системами. Количество переданной теплоты между двумя телами может быть количественно определено уравнением теплопередачи:

    • Уравнение: $q = mc\Delta T$.

    Калориметрические эксперименты используются для измерения теплопередачи.

  • 6.4.A.2 Первый закон термодинамики гласит, что энергия сохраняется в химических и физических процессах.

  • 6.4.A.3 Передача определенного количества тепловой энергии не вызовет одинакового изменения температуры у равных масс веществ с различной удельной теплоемкостью.

  • 6.4.A.4 Нагревание системы увеличивает её энергию, а охлаждение системы уменьшает её энергию.

  • 6.4.A.5 Удельная теплоемкость вещества и молярная теплоемкость используются в расчетах энергии.

  • 6.4.A.6 Химические системы изменяют свою энергию тремя основными способами: нагреванием/охлаждением, фазовыми переходами и химическими реакциями.

  • 6.4.A.7 В калориметрических экспериментах, связанных с растворением, изменения температуры смеси внутри калориметра могут использоваться для определения направления потока энергии. Если температура смеси повышается, тепловая энергия выделяется процессом растворения (экзотермически). Если температура смеси понижается, тепловая энергия поглощается процессом растворения (эндо-термически).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The heat to change a substance's temperature is

$$q=mc\,\Delta T,$$
where $c$ is the specific heat 比热容 (energy per gram per degree). Calorimetry 量热法 measures a reaction's heat by tracking the temperature change of surrounding water: the heat the water gains equals the heat the reaction releases.

Worked example. A reaction in a coffee-cup calorimeter warms $100\ \text{g}$ of water by $8.0\,{}^{\circ}\text{C}$ ($c=4.18\ \text{J/(g}\,{}^{\circ}\text{C)}$). The heat absorbed by the water is

$$q=mc\,\Delta T=100\times4.18\times8.0=3.3\times10^{3}\ \text{J}.$$
By energy conservation the reaction released this $3.3\ \text{kJ}$, so it is exothermic ($q_{\text{rxn}}=-3.3\ \text{kJ}$).

Русский

Теплота, необходимая для изменения температуры вещества, равна

$$q=mc\,\Delta T,$$
где $c$ — удельная теплоемкость (энергия на грамм на градус). Калориметрия измеряет теплоту реакции, отслеживая изменение температуры окружающей воды: тепло, полученное водой, равно теплоте, выделенной реакцией.

Калориметрия: измерение изменения температуры известного объема раствора
Калориметрия: измерение изменения температуры известного объема раствора

Разбор примера. Реакция в кофейном калориметре нагревает $100\ \text{g}$ воды на $8.0\,{}^{\circ}\text{C}$ ($c=4.18\ \text{J/(g}\,{}^{\circ}\text{C)}$). Теплота, поглощенная водой, равна

$$q=mc\,\Delta T=100\times4.18\times8.0=3.3\times10^{3}\ \text{J}.$$
Согласно закону сохранения энергии, реакция выделила это количество $3.3\ \text{kJ}$, поэтому она экзотермическая ($q_{\text{rxn}}=-3.3\ \text{kJ}$).

Explore · ⁨Исследовать⁩

Heat different materials · ⁨Разные материалы по-разному нагреваются⁩

$Q=mc\Delta T$: a high specific heat (like water's) means a lot of energy for a small temperature rise. Compare materials for the same heat input. · ⁨$Q=mc\Delta T$: высокая удельная теплоёмкость (как у воды) означает, что для небольшого повышения температуры требуется много энергии. Сравните материалы при одинаковом подводе тепла.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
Thermochemistry/ˈθɜːməkemɪstri/ Термохимия
exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ экзотермическая
endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ эндотермическая
Heat/hiːt/ Теплота
thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ тепловое равновесие
specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/ удельная теплоемкость
Calorimetry/ˌkælɔːˈrɪmətri/ Калориметрия
phase change/feɪz tʃeɪndʒ/ фазовый переход
enthalpy of reaction/enˈθælpi ɒv rɪˈækʃn/ энтальпия реакции
state function/steɪt ˈfʌŋkʃn/ функция состояния
standard enthalpy of formation/ˈstændəd enˈθælpi ɒv fɔːˈmeɪʃn/ стандартная энтальпия образования
Hess's law/ˈhesɪz lɔː/ Закон Гесса
6.5

Energy of Phase Changes · ⁨Энергия фазовых переходов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.5.A: Explain changes in the heat $q$ absorbed or released by a system undergoing a phase transition based on the amount of the substance in moles and the molar enthalpy of the phase transition.

  • 6.5.A.1 Energy must be transferred to a system to cause a substance to melt (or boil). The energy of the system therefore increases as the system undergoes a solid-to-liquid (or liquid-to-gas) phase transition. Likewise, a system releases energy when it freezes (or condenses). The energy of the system decreases as the system undergoes a liquid-to-solid (or gas-to-liquid) phase transition. The temperature of a pure substance remains constant during a phase change.
  • 6.5.A.2 The energy absorbed during a phase change is equal to the energy released during a complementary phase change in the opposite direction. For example, the molar enthalpy of condensation of a substance is equal to the negative of its molar enthalpy of vaporization. Similarly, the molar enthalpy of fusion can be used to calculate the energy absorbed when melting a substance and the energy released when freezing a substance.
Русский

Цель обучения 6.5.A: Объяснять изменения количества теплоты $q$, поглощенного или выделенного системой во время фазового перехода, на основе количества вещества в молях и молярной энтальпии фазового перехода.

  • 6.5.A.1 К системе должна быть подведена энергия, чтобы вызвать плавление (или кипение) вещества. Следовательно, энергия системы возрастает по мере того, как система претерпевает фазовый переход твердое тело–жидкость (или жидкость–газ). Аналогично, система выделяет энергию при замерзании (или конденсации). Энергия системы снижается по мере того, как система претерпевает фазовый переход жидкость–твердое тело (или газ–жидкость). Температура чистого вещества остается постоянной во время фазового перехода.
  • 6.5.A.2 Энергия, поглощенная во время фазового перехода, равна энергии, выделяемой при противоположном фазовом переходе. Например, молярная энтальпия конденсации вещества равна отрицательному значению его молярной энтальпии испарения. Аналогично, молярную энтальпию плавления можно использовать для расчета энергии, поглощаемой при плавлении вещества, и энергии, выделяемой при его замерзании.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

During a phase change 相变 (melting, boiling) the temperature stays constant while heat goes into breaking intermolecular forces, not raising kinetic energy. The energy needed is $q=n\,\Delta H_{\text{fus}}$ (melting) or $q=n\,\Delta H_{\text{vap}}$ (boiling) – the flat steps on a heating curve.

Русский

Во время фазового перехода (плавления, кипения) температура остается постоянной, пока тепло идет на разрыв межмолекулярных связей, а не на увеличение кинетической энергии. Необходимая энергия — это $q=n\,\Delta H_{\text{fus}}$ (плавление) или $q=n\,\Delta H_{\text{vap}}$ (кипение) — горизонтальные участки на графике нагрева.

Пар от кипящей воды: фазовые переходы поглощают или выделяют энергию при постоянной температуре
Пар от кипящей воды: фазовые переходы поглощают или выделяют энергию при постоянной температуре
Explore · ⁨Исследовать⁩

Heat through a phase change · ⁨Нагрев в процессе фазового перехода⁩

During a phase change the temperature holds flat while energy breaks bonds — the latent heat. Watch the plateaus at melting and boiling. · ⁨Во время фазового перехода температура остаётся постоянной, пока энергия расходуется на разрыв связей — скрытая теплота. Наблюдайте горизонтальные участки при плавлении и кипении.⁩

6.6

Introduction to Enthalpy of Reaction · ⁨Введение в энтальпию реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.6.A: Calculate the heat $q$ absorbed or released by a system undergoing a chemical reaction in relationship to the amount of the reacting substance in moles and the molar enthalpy of reaction.

  • 6.6.A.1 The enthalpy change of a reaction gives the amount of heat energy released (for negative values) or absorbed (for positive values) by a chemical reaction at constant pressure.
  • 6.6.A.2 When the products of a reaction are at a different temperature than their surroundings, they exchange energy with the surroundings to reach thermal equilibrium. Thermal energy is transferred to the surroundings as the reactants convert to products in an exothermic reaction. Thermal energy is transferred from the surroundings as the reactants convert to products in an endothermic reaction.
  • 6.6.A.3 The chemical potential energy of the products of a reaction is different from that of the reactants because of the breaking and forming of bonds. The energy difference results in a change in the kinetic energy of the particles, which manifests as a temperature change.
    • Exclusion Statement: The technical distinctions between enthalpy and internal energy will not be assessed on the AP Exam. Most reactions studied at the AP level are carried out at constant pressure, where the enthalpy change of the process is equal to the heat (and by extension, the energy) of reaction.
Русский

Учебная цель 6.6.A: Вычислить тепло $q$, поглощенное или выделенное системой при химической реакции, в зависимости от количества реагирующего вещества в молях и мольной энтальпии реакции.

  • 6.6.A.1 Изменение энтальпии реакции определяет количество тепловой энергии, выделяемой (для отрицательных значений) или поглощаемой (для положительных значений) химической реакцией при постоянном давлении.
  • 6.6.A.2 Когда продукты реакции имеют другую температуру по сравнению с окружающей средой, они обмениваются энергией с окружающей средой до достижения теплового равновесия. Тепловая энергия передается в окружающую среду, когда реагенты превращаются в продукты в экзотермической реакции. Тепловая энергия передается из окружающей среды, когда реагенты превращаются в продукты в эндотермической реакции.
  • 6.6.A.3 Химическая потенциальная энергия продуктов реакции отличается от таковой у реагентов из-за разрыва и образования связей. Разница в энергии приводит к изменению кинетической энергии частиц, что проявляется в изменении температуры.
    • Замечание об исключении: Технические различия между энтальпией и внутренней энергией не будут проверяться на экзамене AP. Большинство реакций, изучаемых на уровне AP, проводятся при постоянном давлении, где изменение энтальпии процесса равно теплоте (и, следовательно, энергии) реакции.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The enthalpy of reaction 反应焓 $\Delta H_{\text{rxn}}$ is the heat released or absorbed at constant pressure. Because enthalpy is a state function 状态函数, $\Delta H$ depends only on the initial and final states, not the path taken – the key that makes the next three methods work.

Русский

Энтальпия реакции $\Delta H_{\text{rxn}}$ — это теплота, выделяемая или поглощаемая при постоянном давлении. Поскольку энтальпия является функцией состояния, $\Delta H$ зависит только от начального и конечного состояний, а не от пути протекания — это ключевой принцип, позволяющий использовать следующие три метода.

6.7

Bond Enthalpies · ⁨Энтальпии связей⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.7.A: Calculate the enthalpy change of a reaction based on the average bond energies of bonds broken and formed in the reaction.

  • 6.7.A.1 During a chemical reaction, bonds are broken and/or formed, and these events change the potential energy of the system.
  • 6.7.A.2 The average energy required to break all of the bonds in the reactant molecules can be estimated by adding up the average bond energies of all the bonds in the reactant molecules. Likewise, the average energy released in forming the bonds in the product molecules can be estimated. If the energy released is greater than the energy required, the reaction is exothermic. If the energy required is greater than the energy released, the reaction is endothermic.
Русский

Учебная цель 6.7.A: Вычислить изменение энтальпии реакции на основе средних энергий разрыва и образования связей в реакции.

  • 6.7.A.1 В ходе химической реакции связи рвутся и/или образуются, и эти события изменяют потенциальную энергию системы.
  • 6.7.A.2 Среднюю энергию, необходимую для разрыва всех связей в молекулах реагентов, можно оценить, сложив средние энергии всех связей в молекулах реагентов. Аналогично, можно оценить среднюю энергию, выделяемую при образовании связей в молекулах продуктов. Если выделяемая энергия больше необходимой, реакция является экзотермической. Если необходимая энергия больше выделяемой, реакция является эндотермической.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

One way to estimate $\Delta H$: sum the energy to break all reactant bonds, then subtract the energy released forming product bonds:

$$\Delta H \approx \sum (\text{bonds broken}) - \sum (\text{bonds formed}).$$
This is an approximation, since bond enthalpies are averages.

Worked example. Estimate $\Delta H$ for $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$ using bond enthalpies H–H $=436$, Cl–Cl $=242$, H–Cl $=431\ \text{kJ/mol}$. Break both reactant bonds ($436+242=678$) and form two H–Cl bonds ($2\times431=862$):

$$\Delta H\approx 678-862=-184\ \text{kJ},$$
exothermic, because the strong H–Cl bonds formed release more than the reactant bonds cost.

Русский

Один из способов оценить $\Delta H$: сложить энергию, необходимую для разрыва всех связей реагентов, затем вычесть энергию, выделяемую при образовании связей продуктов:

$$\Delta H \approx \sum (\text{bonds broken}) - \sum (\text{bonds formed}).$$
Это приближение, поскольку значения энтальпий связей являются усредненными.

Разрыв связей поглощает энергию; образование связей выделяет её
Разрыв связей поглощает энергию; образование связей выделяет её

Разбор примера. Оцените $\Delta H$ для $\text{H}_2+\text{Cl}_2\rightarrow2\text{HCl}$, используя энтальпии связей H–H $=436$, Cl–Cl $=242$, H–Cl $=431\ \text{kJ/mol}$. Разорвите обе связи реагентов ($436+242=678$) и образуйте две связи H–Cl ($2\times431=862$):

$$\Delta H\approx 678-862=-184\ \text{kJ},$$
экзотермическая, потому что прочные связи H–Cl, которые образуются, выделяют больше энергии, чем требуется для разрыва связей реагентов.

6.8

Enthalpy of Formation · ⁨Энтальпия образования⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.8.A: Calculate the enthalpy change for a chemical or physical process based on the standard enthalpies of formation.

  • 6.8.A.1 Tables of standard enthalpies of formation can be used to calculate the standard enthalpies of reactions.
    • Equation: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$
Русский

Учебная цель 6.8.A: Вычислить изменение энтальпии для химического или физического процесса на основе стандартных энтальпий образования.

  • 6.8.A.1 Таблицы стандартных энтальпий образования могут использоваться для расчета стандартных энтальпий реакций.
    • Уравнение: $\Delta H^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta H^{\circ}_{f\ reactants}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The standard enthalpy of formation 生成焓 $\Delta H_f^\circ$ is the enthalpy to make one mole of a compound from its elements (zero for an element in its standard state). Then

$$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{products}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reactants}).$$

Worked example. Find $\Delta H_{\text{rxn}}^\circ$ for burning methane, $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}$, given $\Delta H_f^\circ$: CH$_4=-75$, CO$_2=-394$, H$_2$O$=-286\ \text{kJ/mol}$ (O$_2=0$). Products minus reactants:

$$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ=[-394+2(-286)]-[-75+0]=-966+75=-891\ \text{kJ},$$
a large release, as expected for a combustion.

Русский

Стандартная энтальпия образования $\Delta H_f^\circ$ — это энтальпия, необходимая для получения одного моля соединения из элементов (нулевая для элемента в его стандартном состоянии). Тогда

$$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ = \sum \Delta H_f^\circ(\text{products}) - \sum \Delta H_f^\circ(\text{reactants}).$$

Образование создает соединение из элементов; горение сжигает его в кислороде
Образование создает соединение из элементов; горение сжигает его в кислороде

Разбор примера. Найдите $\Delta H_{\text{rxn}}^\circ$ для горения метана, $\text{CH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{CO}_2+2\text{H}_2\text{O}$, зная $\Delta H_f^\circ$: CH$_4=-75$, CO$_2=-394$, H$_2$O$=-286\ \text{kJ/mol}$ (O$_2=0$). Продукты минус реагенты:

$$\Delta H_{\text{rxn}}^\circ=[-394+2(-286)]-[-75+0]=-966+75=-891\ \text{kJ},$$
большое выделение тепла, как и следовало ожидать для процесса горения.

6.9

Hess's Law · ⁨Закон Гесса⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 6.9.A: Represent a chemical or physical process as a sequence of steps.

  • 6.9.A.1 Many processes can be broken down into a series of steps. Each step in the series has its own energy change.

Learning Objective 6.9.B: Explain the relationship between the enthalpy of a chemical or physical process and the sum of the enthalpies of the individual steps.

  • 6.9.B.1 Because total energy is conserved (first law of thermodynamics), and each individual reaction in a sequence transfers thermal energy to or from the surroundings, the net thermal energy transferred in the sequence will be equal to the sum of the thermal energy transfers in each of the steps. These thermal energy transfers are the result of potential energy changes among the species in the reaction sequence; thus, at constant pressure, the enthalpy change of the overall process is equal to the sum of the enthalpy changes of the individual steps.
  • 6.9.B.2 The following are essential principles of Hess's law:
    • i. When a reaction is reversed, the enthalpy change stays constant in magnitude but becomes reversed in mathematical sign.
    • ii. When a reaction is multiplied by a factor $c$, the enthalpy change is multiplied by the same factor $c$.
    • iii. When two (or more) reactions are added to obtain an overall reaction, the individual enthalpy changes of each reaction are added to obtain the net enthalpy change of the overall reaction.
    • Exclusion Statement: The concept of state functions will not be assessed on the AP Exam.
Русский

Учебная цель 6.9.A: Представить химический или физический процесс как последовательность этапов.

  • 6.9.A.1 Многие процессы можно разбить на серию этапов. Каждый этап в этой серии имеет свое собственное изменение энергии.

Учебная цель 6.9.B: Объяснить связь между энтальпией химического или физического процесса и суммой энтальпий отдельных этапов.

  • 6.9.B.1 Поскольку полная энергия сохраняется (первый закон термодинамики), и каждый отдельный этап в последовательности передает тепловую энергию в окружающую среду или получает ее от нее, суммарная переданная тепловая энергия в последовательности будет равна сумме тепловых переносов на каждом из этапов. Эти переносы тепловой энергии являются результатом изменений потенциальной энергии между видами в последовательности реакций; таким образом, при постоянном давлении изменение энтальпии общего процесса равно сумме изменений энтальпии отдельных этапов.
  • 6.9.B.2 Следующие принципы являются основными для закона Гесса:
    • i. При обратном направлении реакции изменение энтальпии остается неизменным по модулю, но меняет математический знак на противоположный.
    • ii. При умножении реакции на коэффициент $c$, изменение энтальпии умножается на тот же коэффициент $c$.
    • iii. При сложении двух (или более) реакций для получения общей реакции индивидуальные изменения энтальпий каждой реакции складываются для получения суммарного изменения энтальпии общей реакции.
    • Замечание об исключении: Понятие функций состояния не будет проверяться на экзамене AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English
Hess's law: the route does not matter

Hess's law 盖斯定律: if a reaction is the sum of several steps, its $\Delta H$ is the sum of the steps' $\Delta H$ values. Reverse a step and flip the sign; scale a step and scale its $\Delta H$. This lets you find a hard-to-measure $\Delta H$ by combining known reactions – a frequent exam calculation.

Русский
Закон Гесса: маршрут не имеет значения

Закон Гесса: если реакция представляет собой сумму нескольких этапов, её $\Delta H$ равна сумме значений $\Delta H$ этих этапов. Инвертируйте этап и измените знак; умножьте этап на коэффициент и умножьте его $\Delta H$. Это позволяет найти трудноизмеримую величину $\Delta H$ путем комбинирования известных реакций — частое задание в экзаменах.

Закон Гесса: прямой и косвенный пути дают одинаковое суммарное изменение энтальпии
Закон Гесса: прямой и косвенный пути дают одинаковое суммарное изменение энтальпии
6.9

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English
  • An exothermic reaction has $\Delta H<0$ (feels hot); endothermic has $\Delta H>0$ — always give $\Delta H$ a sign and units.
  • In calorimetry use $q=mc\,\Delta T$ with the mass of the water/solution; the reaction releases what the water gains.
  • Bond enthalpies: $\Delta H\approx\sum(\text{bonds broken})-\sum(\text{bonds made})$ — breaking is endothermic, making is exothermic (the classic sign trap).
  • Hess's law: the total $\Delta H$ is the sum of the steps' — reverse a step and flip the sign, scale a step and scale $\Delta H$.
  • During a phase change the temperature stays constant while energy goes into the forces between particles.
Русский
  • Экзотермическая реакция имеет $\Delta H<0$ (ощущается как жар); эндотермическая — $\Delta H>0$; всегда указывайте знак и единицы измерения для $\Delta H$.
  • В калориметрии используйте $q=mc\,\Delta T$ вместе с массой воды/раствора; реакция выделяет ровно столько энергии, сколько получает вода.
  • Энтальпии связей: $\Delta H\approx\sum(\text{bonds broken})-\sum(\text{bonds made})$ — разрыв является эндотермическим, образование — экзотермическим (классическая ловушка со знаками).
  • Закон Гесса: общее $\Delta H$ равно сумме шагов; если изменить направление шага — измените знак, если умножить шаг на коэффициент — умножьте $\Delta H$.
  • Во время фазового перехода температура остается постоянной, а энергия расходуется на взаимодействие между частицами.

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.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩ · ⁨Больше тем в AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩⁩

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP