При протичането на химичните реакции се извършват процеси на освобождаване или поглъщане на енергия. Най-често тя е под формата на топлина, но може да има и друго естество. Отделянето или поглъщането на енергия под формата на топлина се нарича топлинни ефекти на химичните реакции. Те се отбелязват с латинската буква Q и се измерват в килоджаули (KJ).
Термохимия е дялът от химията, който изучава топлинните ефекти.
Топлинен ефект на екзотермична реакция и ендотермична реакция
Когато дадена химична реакция е съпроводена с отделяне на топлина, се нарича екзотермична и има положителен топлинен ефект ( + Q ). Следващата приложена е екзотермична реакция – гасене на негасена вар (калциев оксид и вода), при която се отделя достатъчно топлина, за да се сготви яйце:
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q
Когато дадена химична реакция е съпроводена с поглъщане на топлина, се нарича ендотермична и има отрицателен топлинен ефект ( – Q ). Дадената за пример ендотермична реакция е между бариев хидроксид и амониев хлорид, като при нея температурата пада до -5°С (може да замразява вода):
Ba(OH)2 + 2NH4Cl → BaCl2 + 2NH3 + 2H2O – Q
Процесите на разтваряне също са съпроводени от топлинни ефекти. Например солватацията на натриев хидроксид е екзотермичен процес, при който се образува натриева основа.
Голяма част от лабораторната стъклария е предназначена да издържа високи и ниски температури
Енергиен баланс, топлина на образуване и топлина на изгаряне
При екзотермичните реакции общата енергия на системата намалява, защото се отделя топлина. Продуктите получени в резултат на тях са по-стабилни от реагентите.
При ендотермичните реакции общата енергия на системата се увеличава, защото се поглъща топлина. Продуктите получени в резултат на тях са по-нестабилни от изходните вещества.
Топлинният ефект на химичните реакции винаги зависи от температурата на средата. За химични реакции, при които се наблюдава промяна в обема на системата, техният топлинен ефект зависи и от налягането.
Количеството топлина, което е необходимо да се погълне или отдели за образуването на един мол химично съединение, в резултат на химична реакция протичаща при нормални условия (1 атмосфера налягане и температура 25°С), в която изходните реагенти са прости вещества, се нарича топлина на образуване на химичното вещество. Тя се измерва в килоджаул за мол (Kj/mol). Колкото по-високо е количеството на отделената топлина, толкова по-стабилно е полученото съединение и обратно.
Топлините на образуване на простите вещества се приемат за нулеви.
Количеството топлина, което се отделя или поглъща при изгаряне на един мол вещество в кислородна среда до получаване на съответстващите висши оксиди на съставящите го елементи, се нарича топлина на изгаряне. Много често на опаковките на храните може да се види тяхната енергийна стойност измерена в килоджаули или калории за грам. Същото важи и за горивата. Тези енергийни стойности отразяват топлините на изгаряне на съответното количество от тях.
Закони в термохимията
Закон на Хес: общият топлинен ефект на всяка химична реакция, която протича в затворена система, зависи само от началното и крайното състояние на системата, без значение през какви междинни реакции преминава тя. Законът на Хес е следствие от закона за запазване на енергията. Сборът от топлинните ефекти на междинните реакции дава сумарно топлинния ефект от общото уравнение на реакцията.
Друго следствие от закона за запазване на енергията е законът на Лавоазие-Лаплас: При образуването на дадено химично съединение се отделя (или съответно поглъща) точно толкова енергия, колкото се поглъща (или съответно отделя) при обратната реакция на разграждането му на изходни продукти.
Топлинният ефект на една реакция е равен на сбора от топлините на образуване на продуктите, всяка от които умножена по съответния ѝ моларен коефициент (n), минус сумата от топлините на образуване на реагентите, също всяка умножена по съответния ѝ моларен коефициент.
Реакция: n1A + n2B → n3C + n4D;
A и B са реагенти, а D и C са продукти; n (от 1 до 4) са съответно броят молове, с които веществата участват в реакцията. Qобр е топлина на образуване.
Изчисляване на топлинен ефект: (n3Qобр(C) + n4Qобр(D)) – (n1Qобр(A) + n2Qобр(B)) = Q
Топлините на образуване на простите вещества са равни на нула и не се вземат под внимание при изчисляването на общия топлинен ефект на реакцията.