3 · Physical chemistry

Три вопроса определяют, является ли реакция полезной: выделяет ли она тепло или охлаждается, какова её скорость и завершается ли она? Физическая химия отвечает на них — kalorimetрия и Q = mcΔT, теория столкновений с четырьмя факторами и динамическое равновесие, которого достигает обратимая реакция в закрытом сосуде.

Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Раздел 3 (утверждения 3.1–3.22C) краткий, но содержит много расчётов. Утверждения с приставкой C относятся только к химии.

Экзотермические реакции выделяют тепло (горение, нейтрализация, большинство замещений) — смесь нагревается, ΔH отрицательна. Эндотермические реакции поглощают тепло (термическое разложение, некоторые растворения) — смесь охлаждается. Простая калориметрия: измерьте изменение температуры известной массы (полистирольный стакан для растворов; спиртовка под колбой с водой для горения).

Разобранный пример. 50 г воды нагреваются на 24 °C в опыте со спиртовкой: $Q = 50 \times 4.2 \times 24 = 5040$ Дж. Если сгорело 0.010 моль топлива: $\Delta H = -5040/0.010 = -504\,000\ \mathrm{J\,mol^{-1}} = -504\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

(C) Разрыв связей — эндотермический процесс; образование связей — экзотермический. ΔH = энергии разорванных связей − энергии образованных связей. Пример решения. H₂ + Cl₂ → 2HCl: разорвано 436 + 242 = 678; образовано 2 × 431 = 862; ΔH = 678 − 862 = −184 кДж/моль (экзотермическая реакция).

Опыты проводят с реакцией, которая визуально заметна: объем газа (мрамор + кислота), потеря массы на весах или исчезновение креста (тиосульфат натрия + кислота). Четыре фактора: площадь поверхности твердого вещества, концентрация (или давление газа), температура и катализатор.

Теория столкновений объясняет всё это: реакции требуют столкновений с энергией не менее энергии активации. Порошок дает большую открытую поверхность → больше столкновений в секунду; более высокая концентрация или давление сближают частицы → чаще столкновения; более высокая температура ускоряет частицы → столкновения чаще и энергичнее — это единственный фактор, повышающий долю успешных столкновений. Катализатор обеспечивает альтернативный путь с меньшей энергией активации → больше успешных столкновений — и остается химически неизменным в конце; он не меняет количество продукта, а лишь скорость его появления.

Обратимая реакция (⇌) протекает в обоих направлениях: гидратированный сульфат меди(II) ⇌ безводная соль + вода (тепло смещает вперед, вода — назад); хлорид аммония ⇌ аммиак + хлороводород при нагревании. (C) В закрытом сосуде устанавливается динамическое равновесие: скорости прямой и обратной реакций равны, концентрации остаются постоянными — обе реакции продолжаются.

(C) Температура вверх → равновесие смещается в эндотермическом направлении; давление вверх → смещается в сторону стороны с меньшим числом молей газа; катализатор ускоряет оба направления одинаково и не изменяет положения равновесия.

1. Отнесите к экзотермическим или эндотермическим: горение, термическое разложение, нейтрализация.
2. 100 г воды охлаждаются на 8.0 °C в опыте по растворению. Вычислите Q.
3. (C) Укажите знак ΔH для разрыва и образования связей.
4. Используйте энергии связей, чтобы найти ΔH для 2H₂ + O₂ → 2H₂O (H–H 436, O=O 498, O–H 463 кДж/моль).
5. Почему порошкообразный мрамор реагирует с кислотой быстрее, чем один крупный кусок?
6. Какой фактор скорости увеличивает долю успешных столкновений и почему?
7. Определите понятие «катализатор».
8. (C) Назовите две характеристики динамического равновесия.
9. (C) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃: что происходит при повышении давления и почему?
10. (C) Почему катализатор не смещает положение равновесия?

Ответы: 1 экзотермическая (горение), эндотермическая (термическое разложение), экзотермическая (нейтрализация); 2 $Q = 100 \times 4.2 \times 8.0 = 3360$ Дж поглощено — вода охлаждается, значит растворение эндотермическое; 3 (C) разрыв положительный (эндотермический), образование отрицательное (экзотермическое); 4 разорвано: 2(436) + 498 = 1370; образовано: 4(463) = 1852; ΔH = 1370 − 1852 = −482 кДж/моль (на 2 моль H₂O); 5 порошок имеет значительно большую площадь поверхности, поэтому больше столкновений с кислотой в секунду; 6 температура — частицы движутся быстрее, сталкиваются чаще И большая доля столкновений превышает энергию активации; 7 вещество, ускоряющее реакцию, но не претерпевающее химических изменений в конце; 8 (C) скорости прямой и обратной реакций равны; концентрации всех веществ постоянны; 9 (C) смещается вправо — 4 моль газа слева, 2 справа, поэтому высокое давлениеfavours сторону с меньшим числом моль.

Ответы (продолжение): 10 (C) он снижает энергию активации как для прямой, так и для обратной реакции одинаково, ускоряя обе без изменения их соотношения.