Thermischer Effekt der chemischen Reaktionsformel. Berechnung thermischer Wirkungen chemischer Reaktionen. Innere Energie und Enthalpie

Aufgabe #6

Berechnen Sie die durchschnittliche Wärmekapazität des in der Tabelle angegebenen Stoffes. 6, im Temperaturbereich von 298 bis T ZU.

Tabelle 6

	Substanz			Substanz

Lösung:

Betrachten Sie die Berechnung der durchschnittlichen Wärmekapazität von Ammoniak im Temperaturbereich von 298 bis 800 ZU.

Wärmekapazität- Dies ist das Verhältnis der vom Körper beim Erhitzen aufgenommenen Wärmemenge zum Temperaturanstieg, der mit dem Erhitzen einhergeht. Für eine einzelne Substanz gibt es Spezifisch(ein Kilogramm) und Backenzahn(ein Mol) Wärmekapazität.

Wahre Wärmekapazität

, (21)

wo δ Q ist die infinitesimale Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Körpers um einen infinitesimalen Betrag zu erhöhen dT .

Durchschnittliche Wärmekapazität ist das Wärmeverhältnis Q zum Temperaturanstieg ∆ T = T 2 – T 1 ,

.

Da Wärme keine Zustandsfunktion ist und vom Prozesspfad abhängt, ist es notwendig, die Bedingungen für das Auftreten des Erwärmungsprozesses anzugeben. Bei isochoren und isobaren Prozessen für eine infinitesimale Änderung δ Q v = du und δ Q p = dH, deshalb

und
. (22)

Verbindung zwischen echt isochor(AUS v) und isobar (C p) Wärmekapazitäten Substanzen u Durchschnitt isochor
und isobar
Wärmekapazitäten im Temperaturbereich von T 1 Vor T 2 wird durch die Gleichungen (23) und (24) ausgedrückt:

; (23)

. (24)

Die Abhängigkeiten der wahren Wärmekapazität von der Temperatur werden durch folgende empirische Gleichungen ausgedrückt:

; (für anorganische Stoffe) (25)

. (für organische Stoffe) (26)

Nutzen wir das Nachschlagewerk physikalischer und chemischer Größen. Schreiben wir die Koeffizienten (a, b, c) der Gleichung für die Abhängigkeit der isobaren Wärmekapazität von Ammoniak von der Temperatur:

Tabelle 7

Substanz
		b·zehn 3	c / ·zehn –5

Wir schreiben die Gleichung für die Abhängigkeit der wahren Wärmekapazität von Ammoniak von der Temperatur:

.

Wir setzen diese Gleichung in Formel (24) ein und berechnen die durchschnittliche Wärmekapazität von Ammoniak:

= 1/(800-298)
=

0,002 = 43,5 J/molK.

Aufgabe Nr. 7

Für die in der Tabelle angegebene chemische Reaktion. 2, tragen Sie die Summe der Wärmekapazitäten der Reaktionsprodukte als Funktion der Temperatur auf
und die Summe der Wärmekapazitäten der Ausgangsstoffe über der Temperatur
. Abhängigkeitsgleichungen
nimm es aus dem handbuch. Berechnen Sie die Änderung der Wärmekapazität während einer chemischen Reaktion (
) bei Temperaturen von 298 K, 400 K und T K (Tabelle 6).

Lösung:

Berechnen wir die Änderung der Wärmekapazität bei Temperaturen von 298 K, 400 K und 600 K am Beispiel der Ammoniak-Synthesereaktion:

Schreiben wir die Koeffizienten (a, b, c, c /) 1 der Gleichungen für die Abhängigkeit der wahren Wärmekapazität von Ammoniak von der Temperatur für die Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte unter Berücksichtigung der stöchiometrischen Koeffizienten auf . Lassen Sie uns die Summe der Koeffizienten berechnen. Zum Beispiel die Summe der Koeffizienten a für Ausgangsstoffe gleich ist

= 27,88 + 3 27,28 = 109,72.

Die Summe der Koeffizienten a für die Reaktionsprodukte ist

= 2 29,8 = 59,6.

=
=59,6 – 109,72 = –50,12.

Tabelle 8

Substanz			b·zehn 3	c / ·zehn – 5	s 10 6
Initial Substanzen
( , , )
( , , )
, ,

Also die Abhängigkeitsgleichung

für Reaktionsprodukte hat folgende Form:

\u003d 59,60 + 50,96 10 -3 T - 3,34 10 5 / T 2.

Auftragung der Abhängigkeit der Summe der Wärmekapazität der Reaktionsprodukte von der Temperatur
Berechnen Sie die Summe der Wärmekapazitäten bei mehreren Temperaturen:

Bei T = 298 K

\u003d 59,60 + 50,96 10 -3 298 - 3,34 10 5 / 298 2 \u003d 71,03 J / K;

Bei T = 400K
= 77,89 J/K;

Bei T = 600 K
= 89,25 J/K.

Abhängigkeitsgleichung
für Ausgangsstoffe hat die Form:

\u003d 109,72 + 14,05 10 -3 T + 1,50 10 -5 / T 2.

Ähnlich rechnen wir
Ausgangsstoffe bei mehreren Temperaturen:

Bei T = 298 K

\u003d 109,72 + 14,05 10 -3 298 + 1,50 10 5 / 298 2 \u003d 115,60 J / K;

Bei T = 400 K
= 116,28 J/K;

Bei T = 600 K
= 118,57 J/K.

Als nächstes berechnen wir die Änderung der isobaren Wärmekapazität
während der Reaktion bei mehreren Temperaturen:

\u003d -50,12 + 36,91 10 -3 T - 4,84 10 5 / T 2,

= -44,57 J/K;

= -38,39 J/K;

= -29,32 J/K.

Basierend auf den berechneten Werten erstellen wir Diagramme der Abhängigkeiten der Summe der Wärmekapazitäten der Reaktionsprodukte und der Summe der Wärmekapazitäten der Ausgangsstoffe von der Temperatur.

Abbildung 2. Abhängigkeiten der Gesamtwärmekapazitäten der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte von der Temperatur für die Ammoniaksynthesereaktion

In diesem Temperaturbereich ist die Gesamtwärmekapazität der Ausgangsmaterialien höher als die Gesamtwärmekapazität der Produkte, daher
über den gesamten Temperaturbereich von 298 K bis 600 K.

Aufgabe Nr. 8

Berechnen Sie den thermischen Effekt der in der Tabelle angegebenen Reaktion. 2, bei Temperatur T K (Tabelle 6).

Lösung:

Lassen Sie uns den thermischen Effekt der Ammoniaksynthesereaktion bei einer Temperatur von 800 berechnen ZU.

Abhängigkeit vom thermischen Effekt
Temperaturgang beschreibt Kirchhoffsches Gesetz

, (27)

wo
- Änderung der Wärmekapazität des Systems während der Reaktion. Analysieren wir die Gleichung:

1) Wenn
> 0, d. h. die Summe der Wärmekapazitäten der Reaktionsprodukte ist größer als die Summe der Wärmekapazitäten der Ausgangsstoffe, dann > 0,. Sucht
zunehmend, und mit zunehmender Temperatur nimmt die thermische Wirkung zu.

2) Wenn
< 0, то< 0, т.е. зависимость убывающая, и с повышением температуры тепловой эффект уменьшается.

3) Wenn
= 0, dann = 0, die thermische Wirkung ist temperaturunabhängig.

In integraler Form hat die Kirchhoff-Gleichung die folgende Form:

. (28)

a) wenn sich die Wärmekapazität während des Prozesses nicht ändert, d.h. die Summe der Wärmekapazitäten der Reaktionsprodukte ist gleich der Summe der Wärmekapazitäten der Ausgangsstoffe (
), dann hängt die thermische Wirkung nicht von der Temperatur ab

= konst.

b) für ungefähre Berechnung wir können die Abhängigkeit der Wärmekapazitäten von der Temperatur vernachlässigen und die Werte der durchschnittlichen Wärmekapazitäten der Reaktionsteilnehmer verwenden (
). In diesem Fall erfolgt die Berechnung nach der Formel

c) für genaue Berechnung es werden Daten über die Abhängigkeit der Wärmekapazität aller Reaktionsteilnehmer von der Temperatur benötigt
. In diesem Fall wird der thermische Effekt nach der Formel berechnet

(30)

Wir schreiben die Referenzdaten (Tabelle 9) und berechnen die Änderungen der entsprechenden Werte für jede Spalte analog zu Aufgabe Nr. 7). Wir verwenden die erhaltenen Daten zur Berechnung:

Etwa:

\u003d -91880 + (-31,88) (800 - 298) \u003d -107883,8 J \u003d - 107,88 kJ.

\u003d -91880 + (-50,12) (800 - 298) + 1/2 36,91 10 -3 (800 2 - 298 2) +

- (-4,84 10 5) (1/800 - 1/298) \u003d - 107815 J \u003d - 107,82 kJ.

Für die Ammoniaksynthesereaktion die Änderung der Wärmekapazität während der Reaktion
< 0 (см. задачу №7). Следовательно< 0, с повышением температуры тепловой эффект уменьшается.

Tabelle 9

	Substanz			Summe für Reaktionsprodukte	Menge für Ausgangsstoffe	Veränderung im Verlauf einer Reaktion
,				=	=	=
, J/(mol·K)				=	=	=
				=	=	=
				=	=	=
				=	= 1,5	=
				= 0	= 0	= 0

hier und unten Indizes ich beziehen sich auf die Ausgangsstoffe bzw. Reagenzien und die Indizes j- zu den Endstoffen oder Reaktionsprodukten; und sind die stöchiometrischen Koeffizienten in der Reaktionsgleichung für die Ausgangsmaterialien bzw. Reaktionsprodukte.

Beispiel: Lassen Sie uns den thermischen Effekt der Methanolsynthesereaktion unter Standardbedingungen berechnen.

Lösung: Für die Berechnungen verwenden wir die Bezugsdaten zu den Standardbildungswärmen der an der Reaktion beteiligten Stoffe (siehe Tabelle 44 auf Seite 72 des Nachschlagewerks).

Der thermische Effekt der Methanolsynthesereaktion unter Standardbedingungen beträgt gemäß der ersten Konsequenz des Hess-Gesetzes (Gleichung 1.15):

Bei der Berechnung der thermischen Wirkung chemischer Reaktionen ist zu berücksichtigen, dass die thermische Wirkung vom Aggregatzustand der Reaktanden und von der Art der Erfassung der chemischen Reaktionsgleichung abhängt:

Nach der zweiten Folgerung des Hessschen Gesetzes kann der thermische Effekt aus den Verbrennungswärmen berechnet werden ∆cH, als Differenz der Verbrennungswärmesummen der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte (unter Berücksichtigung stöchiometrischer Koeffizienten):

wo ∆ r C p- charakterisiert die Änderung der isobaren Wärmekapazität des Systems infolge einer chemischen Reaktion und wird als Temperaturkoeffizient der Wärmewirkung der Reaktion bezeichnet.

Aus der Kirchhoffschen Differentialgleichung folgt, dass die Abhängigkeit der thermischen Wirkung von der Temperatur durch das Vorzeichen Δ bestimmt wird r C p, d.h. hängt davon ab, was größer ist, die Gesamtwärmekapazität der Ausgangsmaterialien oder die Gesamtwärmekapazität der Reaktionsprodukte. Analysieren wir die Kirchhoff-Differentialgleichung.

1. Wenn der Temperaturkoeffizient Δ r C p> 0, dann die Ableitung > 0 und Funktion zunehmend. Daher nimmt der thermische Effekt der Reaktion mit steigender Temperatur zu.

2. Wenn der Temperaturkoeffizient Δ r C p< 0, то производная < 0 и функция abnehmend. Daher nimmt der thermische Effekt der Reaktion mit steigender Temperatur ab.

3. Wenn der Temperaturkoeffizient Δ r C p= 0, dann die Ableitung = 0 und . Daher hängt die thermische Wirkung der Reaktion nicht von der Temperatur ab. Dieser Fall tritt in der Praxis nicht auf.

Differentialgleichungen sind praktisch für die Analyse, aber unbequem für Berechnungen. Um eine Gleichung zur Berechnung der Wärmewirkung einer chemischen Reaktion zu erhalten, integrieren wir die Kirchhoff-Differentialgleichung durch Division der Variablen:

Die Wärmekapazitäten von Stoffen sind daher temperaturabhängig und . In dem bei chemisch-technologischen Prozessen üblichen Temperaturbereich ist diese Abhängigkeit jedoch nicht signifikant. Aus praktischen Gründen werden die mittleren Wärmekapazitäten von Stoffen im Temperaturbereich von 298 K bis zu einer bestimmten Temperatur verwendet. in den Nachschlagewerken angegeben. Temperaturkoeffizient des thermischen Effekts, berechnet mit durchschnittlichen Wärmekapazitäten:

Beispiel: Berechnen wir den Wärmeeffekt der Methanolsynthesereaktion bei einer Temperatur von 1000 K und Normaldruck.

Lösung: Für die Berechnungen verwenden wir die Bezugsdaten über die mittleren Wärmekapazitäten der an der Reaktion beteiligten Stoffe im Temperaturbereich von 298 K bis 1000 K (siehe Tabelle 40 auf Seite 56 des Nachschlagewerks):

Änderung der mittleren Wärmekapazität des Systems infolge einer chemischen Reaktion:

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Eine der wichtigsten Aufgaben der chemischen Thermodynamik ist es, die prinzipielle Möglichkeit (oder Unmöglichkeit) einer spontanen chemischen Reaktion in der betrachteten Richtung aufzuklären. In den Fällen, in denen klar wird, dass diese chemische Wechselwirkung auftreten kann, ist es notwendig, den Umwandlungsgrad der Ausgangsmaterialien und die Ausbeute an Reaktionsprodukten, dh die Vollständigkeit der Reaktion, zu bestimmen

Die Richtung des spontanen Prozesses lässt sich anhand des zweiten Hauptsatzes bzw. der Anfänge der Thermodynamik bestimmen, beispielsweise formuliert in Form des Clausius-Postulats:

Wärme allein kann nicht von einem kalten Körper auf einen heißen übergehen, das heißt, ein solcher Vorgang ist unmöglich, dessen einzige Folge die Übertragung von Wärme von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur wäre.

Viele Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik wurden vorgeschlagen. Thomson-Planck-Formulierung:

Ein Perpetuum Mobile der zweiten Art ist unmöglich, d.h. eine solche periodisch arbeitende Maschine ist unmöglich, die es ermöglichen würde, Arbeit nur durch Kühlung der Wärmequelle zu erhalten.

Die mathematische Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik entstand bei der Analyse des Betriebs von Wärmekraftmaschinen in den Arbeiten von N. Carnot und R. Clausius.

Clausius führte die Staatsfunktion ein S, genannt Entropie, deren Änderung gleich der Wärme des reversiblen Prozesses ist, bezogen auf die Temperatur

Für jeden Prozess

(1.22)

Der resultierende Ausdruck ist ein mathematischer Ausdruck des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

In der Thermochemie die Wärmemenge Q das als Ergebnis einer chemischen Reaktion freigesetzt oder absorbiert wird thermische Wirkung. Reaktionen, die Wärme freisetzen, werden genannt exotherm (Q>0) und mit der Aufnahme von Wärme - endothermisch (Q<0 ).

In der Thermodynamik werden jeweils die Prozesse bezeichnet, bei denen Wärme freigesetzt wird exotherm, und die Prozesse, bei denen Wärme aufgenommen wird - endothermisch.

Nach der Folgerung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Bei isochor-isothermen Prozessen ist der thermische Effekt gleich der Änderung der inneren Energie des Systems .

Da in der Thermochemie gegenüber der Thermodynamik das umgekehrte Vorzeichen verwendet wird, gilt .

Bei isobar-isothermen Prozessen ist die thermische Wirkung gleich der Enthalpieänderung des Systems .

Wenn d H > 0- Der Prozess verläuft unter Wärmeaufnahme und ist endothermisch.

Wenn d H< 0 - Der Prozess wird von der Freisetzung von Wärme begleitet und ist exotherm.

Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik folgt Hesssches Gesetz:

die thermische wirkung chemischer reaktionen hängt nur von art und zustand der ausgangsstoffe und endprodukte ab, nicht aber vom übergangsweg vom ausgangszustand in den endzustand.

Eine Folge dieses Gesetzes ist die Regel, dass Mit thermochemischen Gleichungen können Sie die üblichen algebraischen Operationen durchführen.

Betrachten Sie als Beispiel die Reaktion der Kohleoxidation zu CO 2 .

Der Übergang von den Ausgangsstoffen zum Endstoff kann durch direktes Verbrennen von Kohle zu CO 2 erfolgen:

C (t) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g).

Der thermische Effekt dieser Reaktion Δ H1.

Dieser Prozess kann in zwei Stufen durchgeführt werden (Abb. 4). In der ersten Stufe verbrennt Kohlenstoff durch die Reaktion zu CO

C (t) + O 2 (g) \u003d CO (g),

beim zweiten verbrennt CO zu CO 2

CO (t) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g).

Die thermischen Effekte dieser Reaktionen sind jeweils Δ H2 und Δ H3.

Reis. 4. Schema des Verbrennungsprozesses von Kohle zu CO 2

Alle drei Verfahren sind in der Praxis weit verbreitet. Mit dem Hessschen Gesetz können Sie die thermischen Effekte dieser drei Prozesse durch die folgende Gleichung in Beziehung setzen:

Δ H1=Δ H2 + Δ H3.

Die thermischen Effekte des ersten und dritten Prozesses lassen sich relativ gut messen, aber die Verbrennung von Kohle zu Kohlenmonoxid bei hohen Temperaturen ist schwierig. Seine thermische Wirkung kann berechnet werden:

Δ H2=Δ H1 - Δ H3.

Werte H1 und Δ H2 hängen von der Art der verwendeten Kohle ab. Wert Δ H3 nicht damit zusammenhängen. Bei der Verbrennung von einem Mol CO bei konstantem Druck bei 298 K ist die Wärmemenge Δ H3= -283,395 kJ/mol. Δ H1\u003d -393,86 kJ / mol bei 298 K. Dann bei 298K Δ H2\u003d -393,86 + 283,395 \u003d -110,465 kJ / mol.

Das Hesssche Gesetz ermöglicht es, die thermischen Effekte von Prozessen zu berechnen, für die es keine experimentellen Daten gibt oder für die sie nicht unter den erforderlichen Bedingungen gemessen werden können. Dies gilt auch für chemische Reaktionen sowie für die Prozesse des Auflösens, Verdampfens, Kristallisierens, Adsorbierens usw.

Bei der Anwendung des Hessschen Gesetzes sind folgende Bedingungen strikt zu beachten:

Beide Prozesse müssen wirklich die gleichen Startzustände und wirklich die gleichen Endzustände haben;

Nicht nur die chemische Zusammensetzung der Produkte soll gleich sein, sondern auch die Bedingungen für ihre Entstehung (Temperatur, Druck etc.) und der Aggregatzustand, bei kristallinen Stoffen die kristalline Modifikation.

Bei der Berechnung der thermischen Effekte chemischer Reaktionen auf der Grundlage des Hess-Gesetzes werden normalerweise zwei Arten von thermischen Effekten verwendet - die Verbrennungswärme und die Bildungswärme.

Die Hitze der Bildung bezeichnet den thermischen Effekt der Reaktion zur Bildung einer bestimmten Verbindung aus einfachen Substanzen.

Verbrennungswärme bezeichnet den thermischen Effekt der Reaktion der Oxidation einer bestimmten Verbindung mit Sauerstoff unter Bildung höherer Oxide der entsprechenden Elemente oder Verbindungen dieser Oxide.

Referenzwerte von thermischen Effekten und anderen Größen beziehen sich in der Regel auf den Normalzustand der Materie.

Als Standardzustand Einzelne flüssige und feste Substanzen nehmen ihren Zustand bei einer bestimmten Temperatur und einem Druck von einer Atmosphäre an, und für einzelne Gase ist ihr Zustand so, dass sie bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck von 1,01 · 10 5 Pa (1 atm.) Sie haben Eigenschaften eines idealen Gases. Um Berechnungen zu erleichtern, beziehen Sie sich auf Referenzdaten Standardtemperatur 298K.

Wenn ein Element in mehreren Modifikationen existieren kann, wird eine solche Modifikation als Standard akzeptiert, die bei 298 K und einem atmosphärischen Druck von 1,01 · 10 5 Pa (1 atm.) stabil ist.

Alle Größen, die sich auf den Normzustand von Stoffen beziehen, sind mit einem hochgestellten Kreis in Form eines Kreises gekennzeichnet: . Bei metallurgischen Prozessen entstehen die meisten Verbindungen unter Wärmeabgabe, für sie also der Enthalpiezuwachs. Für Elemente im Standardzustand ist der Wert .

Anhand der Referenzdaten der Standardbildungswärmen der an der Reaktion beteiligten Stoffe kann man leicht die Wärmewirkung der Reaktion berechnen.

Aus dem hessischen Gesetz folgt:die thermische Wirkung der Reaktion ist gleich der Differenz der Bildungswärmen aller auf der rechten Seite der Gleichung angegebenen Substanzen(Endstoffe oder Reaktionsprodukte) , und die Bildungswärmen aller Substanzen, die auf der linken Seite der Gleichung angegeben sind(Ausgangsmaterialien) , genommen mit Koeffizienten gleich den Koeffizienten vor den Formeln dieser Substanzen in der Reaktionsgleichung:

wo n- die Molzahl der an der Reaktion beteiligten Substanz.

Beispiel. Berechnen wir den thermischen Effekt der Reaktion Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 . Die Bildungswärmen der an der Reaktion beteiligten Stoffe sind: für Fe 3 O 4, für CO, für FeO, für CO 2.

Thermischer Effekt der Reaktion:

Da ist die Reaktion bei 298K endotherm, d.h. geht mit Wärmeaufnahme einher.

Die Reaktionswärme (Wärmewirkung der Reaktion) ist die freigesetzte bzw. aufgenommene Wärmemenge Q. Wird bei der Reaktion Wärme freigesetzt, nennt man eine solche Reaktion exotherm, wird Wärme aufgenommen, heißt die Reaktion endotherm.

Die Reaktionswärme wird basierend auf dem ersten Hauptsatz (Anfang) der Thermodynamik bestimmt, dessen mathematischer Ausdruck in seiner einfachsten Form für chemische Reaktionen die Gleichung ist:

Q = ΔU + ðΔV (2.1)

wobei Q die Reaktionswärme ist, ΔU die Änderung der inneren Energie ist, p der Druck ist, ΔV die Volumenänderung ist.

Die thermochemische Berechnung besteht darin, die thermische Wirkung der Reaktion zu bestimmen. Der Zahlenwert der Reaktionswärme hängt gemäß Gleichung (2.1) von der Art ihrer Umsetzung ab. Bei einem isochoren Prozess, der bei V=const durchgeführt wird, ist die Reaktionswärme Q V =Δ U, im isobaren Prozess bei p=const thermische Wirkung Q P =Δ H. Somit ist die thermochemische Berechnung in Bestimmung des Betrags der Änderung entweder der inneren Energie oder der Enthalpie während einer Reaktion. Da die überwiegende Mehrheit der Reaktionen unter isobaren Bedingungen abläuft (dies sind beispielsweise alle Reaktionen in offenen Gefäßen, die bei Atmosphärendruck stattfinden), wird bei thermochemischen Berechnungen fast immer ΔН berechnet . Wenn einΔ H<0, то реакция экзотермическая, если же Δ H > 0, dann ist die Reaktion endotherm.

Thermochemische Berechnungen erfolgen entweder nach dem Hess'schen Gesetz, wonach die thermische Wirkung eines Prozesses nicht von seinem Weg abhängt, sondern nur durch Art und Zustand der Ausgangsstoffe und -produkte des Prozesses bestimmt wird, oder meistens a Folge des Hessschen Gesetzes: Die thermische Wirkung einer Reaktion ist gleich der Summe der Wärmen (Enthalpien) der Produktbildung abzüglich der Summe der Bildungswärmen (Enthalpien) der Reaktanden.

Bei Berechnungen nach dem Hessschen Gesetz werden die Gleichungen von Hilfsreaktionen verwendet, deren thermische Wirkung bekannt ist. Das Wesen von Operationen in Berechnungen nach dem Hess-Gesetz besteht darin, dass solche algebraischen Operationen an den Gleichungen von Hilfsreaktionen durchgeführt werden, die zu einer Reaktionsgleichung mit unbekanntem thermischen Effekt führen.

Beispiel 2.1. Bestimmung der Reaktionswärme: 2CO + O 2 \u003d 2CO 2 ΔH - ?

Wir verwenden die Reaktionen als Hilfsmittel: 1) C + O 2 \u003d C0 2;Δ H 1 = –393,51 kJ und 2) 2 C + O 2 = 2 CO;Δ H 2 \u003d -220,1 kJ, woΔ NeinΔ H 2 - thermische Effekte von Hilfsreaktionen. Unter Verwendung der Gleichungen dieser Reaktionen ist es möglich, die Gleichung für eine gegebene Reaktion zu erhalten, wenn die Hilfsgleichung 1) mit zwei multipliziert wird und Gleichung 2) von dem Ergebnis subtrahiert wird. Daher ist die unbekannte Wärme einer gegebenen Reaktion:

Δ H = 2Δ H1-Δ H 2 \u003d 2 (-393,51) - (-220,1) \u003d -566,92 kJ.

Wenn bei der thermochemischen Berechnung eine Folgerung des Hess-Gesetzes verwendet wird, dann wird für die Reaktion, die durch die Gleichung aA+bB=cC+dD ausgedrückt wird, die Beziehung verwendet:

ΔН =(сΔНоbr,с + dΔHobr D) - (аΔНоbr A + bΔН arr,c) (2.2)

wobei ΔН die Reaktionswärme ist; ΔH o br - Bildungswärme (Enthalpie) der Reaktionsprodukte C und D bzw. der Reagenzien A und B; c, d, a, b - stöchiometrische Koeffizienten.

Die Bildungswärme (Enthalpie) einer Verbindung ist die Wärmewirkung einer Reaktion, bei der 1 Mol dieser Verbindung aus einfachen Stoffen, die sich in thermodynamisch stabilen Phasen befinden, und Modifikationen 1 * gebildet wird. Zum Beispiel , die Bildungswärme von Wasser im Dampfzustand ist gleich der Hälfte der Reaktionswärme, ausgedrückt durch die Gleichung: 2H 2 (g)+ Etwa 2 (g)= 2H 2 O(g).Die Einheit der Bildungswärme ist kJ/mol.

Bei thermochemischen Berechnungen werden Reaktionswärmen üblicherweise für Standardbedingungen bestimmt, für die Formel (2.2) die Form annimmt:

ΔН°298 = (сΔН° 298, arr, С + dΔH° 298, o 6 p, D) - (аΔН° 298, arr A + bΔН° 298, arr, c)(2.3)

wobei Δ½° 298 die Standardreaktionswärme in kJ (der Standardwert wird durch den hochgestellten Index „0“ angegeben) bei einer Temperatur von 298 K und Δ½° 298,rev die Standardbildungswärme (Enthalpien) ebenfalls bei einer Temperatur sind von 298K. ΔH° Werte 298 U.sind für alle Verbindungen definiert und sind tabellarische Daten. 2 * - siehe Anwendungstabelle.

Beispiel 2.2. Berechnung der Normwärme p e Anteile ausgedrückt durch die Gleichung:

4NH 3 (r) + 5O 2 (g) \u003d 4NO (g) + 6H 2 O (g).

Nach der Folgerung des Hessschen Gesetzes schreiben wir 3*:

Δ H 0 298 = (4Δ H 0 298. o b p . Nein+6∆H0 298. Code N20) - 4∆H0 298 arr. NH h. Durch Einsetzen der Tabellenwerte der Standardbildungswärmen der in der Gleichung dargestellten Verbindungen erhalten wir:Δ H °298= (4 (90,37) + 6 (-241,84)) - 4 (-46,19) = - 904,8 kJ.

Das negative Vorzeichen der Reaktionswärme zeigt an, dass der Prozess exotherm ist.

In der Thermochemie ist es üblich, thermische Effekte in Reaktionsgleichungen anzugeben. Eine solche Gleichungen mit einem bestimmten thermischen Effekt werden als thermochemisch bezeichnet. Zum Beispiel, die thermochemische Gleichung der in Beispiel 2.2 betrachteten Reaktion lautet:

4NH 3 (g) + 50 2 (g) \u003d 4NO (g) + 6H 2 0 (g);Δ H° 29 8 = - 904,8 kJ.

Wenn die Bedingungen von den Standardbedingungen abweichen, ist dies in praktischen thermochemischen Berechnungen möglich Xia Annäherung verwenden: Δ H ≈Δ Nr. 298 (2.4) Ausdruck (2.4) spiegelt die schwache Abhängigkeit der Reaktionswärme von den Bedingungen ihres Auftretens wider.

So wie eine der körperlichen Eigenschaften einer Person die körperliche Stärke ist, ist die wichtigste Eigenschaft jeder chemischen Bindung die Stärke der Bindung, d.h. ihre Energie.

Denken Sie daran, dass die Energie einer chemischen Bindung die Energie ist, die während der Bildung einer chemischen Bindung freigesetzt wird, oder die Energie, die aufgewendet werden muss, um diese Bindung zu zerstören.

Im Allgemeinen ist eine chemische Reaktion die Umwandlung eines Stoffes in einen anderen. Folglich werden im Verlauf einer chemischen Reaktion einige Bindungen aufgebrochen und andere gebildet, d.h. Energieumwandlung.

Das Grundgesetz der Physik besagt, dass Energie nicht aus dem Nichts entsteht und nicht spurlos verschwindet, sondern nur von einer Form in die andere übergeht. Aufgrund seiner Universalität gilt dieses Prinzip offensichtlich für eine chemische Reaktion.

Thermischer Effekt einer chemischen Reaktion wird Wärmemenge genannt

bei der Reaktion freigesetzt (bzw. absorbiert) und bezogen auf 1 mol der umgesetzten (bzw. gebildeten) Substanz.

Der thermische Effekt wird mit dem Buchstaben Q bezeichnet und üblicherweise in kJ/mol oder kcal/mol gemessen.

Erfolgt die Reaktion unter Wärmeabgabe (Q > 0), spricht man von exotherm, und erfolgt sie unter Wärmeaufnahme (Q< 0) – эндотермической.

Wenn wir das Energieprofil der Reaktion schematisch darstellen, haben die Produkte bei endothermen Reaktionen eine höhere Energie als die Reaktanten, und bei exothermen Reaktionen sind die Reaktionsprodukte im Gegensatz dazu energieärmer (stabiler) als die Reaktanten .

Es ist klar, dass je mehr Materie reagiert, desto mehr Energie wird freigesetzt (oder absorbiert), d.h. die thermische Wirkung ist direkt proportional zur Stoffmenge. Die Zuordnung der thermischen Wirkung zu 1 Mol einer Substanz ist daher unserem Bestreben geschuldet, die thermischen Wirkungen verschiedener Reaktionen miteinander vergleichen zu können.

Vorlesung 6. Thermochemie. Thermischer Effekt einer chemischen Reaktion Beispiel 1 . Bei der Reduktion von 8,0 g Kupfer(II)oxid mit Wasserstoff wurden metallisches Kupfer und Wasserdampf gebildet und 7,9 kJ Wärme freigesetzt. Berechnen Sie den thermischen Effekt der Kupfer(II)oxid-Reduktionsreaktion.

Lösung . Reaktionsgleichung CuO (fest) + H2 (g) = Cu (fest) + H2 O (g) + Q (*)

Machen wir einen Anteil für die Reduktion von 0,1 mol - 7,9 kJ werden freigesetzt, für die Wiederherstellung von 1 mol - x kJ wird freigesetzt

Wobei x = + 79 kJ/mol. Gleichung (*) wird

CuO (fest) + H2 (g) = Cu (fest) + H2O (g) +79 kJ

Thermochemische Gleichung- Dies ist eine Gleichung einer chemischen Reaktion, in der der Aggregatzustand der Komponenten des Reaktionsgemisches (Reagenzien und Produkte) und die thermische Wirkung der Reaktion angegeben sind.

Um Eis zu schmelzen oder Wasser zu verdampfen, muss also eine bestimmte Wärmemenge aufgewendet werden, während beim Gefrieren von flüssigem Wasser oder beim Kondensieren von Wasserdampf die gleiche Wärmemenge freigesetzt wird. Deshalb frieren wir, wenn wir aus dem Wasser steigen (das Verdunsten von Wasser an der Körperoberfläche erfordert Energie), und das Schwitzen ist ein biologischer Abwehrmechanismus gegen Überhitzung des Körpers. Im Gegenteil, der Gefrierschrank gefriert Wasser und heizt den umgebenden Raum auf, wodurch er überschüssige Wärme erhält.

Dieses Beispiel zeigt die thermischen Auswirkungen einer Änderung des Aggregatzustands von Wasser. Schmelzwärme (bei 0o C) λ = 3,34×105 J/kg (Physik), oder Qpl. \u003d - 6,02 kJ / mol (Chemie), Verdampfungswärme (Verdampfung) (bei 100 ° C) q \u003d 2,26 × 106 J / kg (Physik) oder Qisp. \u003d - 40,68 kJ / mol (Chemie).

schmelzen

		Verdunstung

Mod 298.

Vorlesung 6. Thermochemie. Der thermische Effekt einer chemischen Reaktion Natürlich sind bei einem Feststoff auch Sublimationsprozesse möglich

unter Umgehung des flüssigen Aggregatzustandes und der Rückprozesse der Ausfällung (Kristallisation) aus der Gasphase in die Gasphase übergeht, kann auch für diese der thermische Effekt berechnet bzw. gemessen werden.

Es ist klar, dass es in jeder Substanz chemische Bindungen gibt, daher hat jede Substanz eine bestimmte Menge an Energie. Allerdings lassen sich nicht alle Stoffe durch eine einzige chemische Reaktion ineinander umwandeln. Deshalb haben wir uns darauf geeinigt, einen Standardstaat einzuführen.

Standardzustand der Materie ist der Aggregatzustand eines Stoffes bei einer Temperatur von 298 K und einem Druck von 1 Atmosphäre in der unter diesen Bedingungen stabilsten allotropen Modifikation.

Normale Bedingungen ist eine Temperatur von 298 K und ein Druck von 1 Atmosphäre. Normbedingungen (Normzustand) sind mit Index 0 gekennzeichnet.

Die Standardbildungswärme der Verbindung bezeichnet den thermischen Effekt der chemischen Reaktion der Bildung einer bestimmten Verbindung aus einfachen Substanzen in ihrem Standardzustand. Die Bildungswärme einer Verbindung wird mit dem Symbol Q bezeichnet 0 Für viele Verbindungen sind die Standardbildungswärmen in Nachschlagewerken physikalisch-chemischer Größen angegeben.

Die Standardbildungswärmen einfacher Stoffe sind 0. Zum Beispiel ist Q0 arr.298 (O2, Gas) = ​​0, Q0 arr.298 (C, fest, Graphit) = 0.

Zum Beispiel . Schreiben Sie die thermochemische Gleichung für die Bildung von Kupfer(II)-sulfat auf. Aus dem Nachschlagewerk Q0 arr. 298 (CuSO4 ) = 770 kJ/mol.

Cu (s.) + S (s.) + 2O2 (g.) = CuSO4 (s.) + 770 kJ.

Hinweis: Die thermochemische Gleichung kann für jede Substanz geschrieben werden, aber es muss verstanden werden, dass die Reaktion im wirklichen Leben ganz anders abläuft: Beim Erhitzen werden jedoch Kupfer- (II) und Schwefel- (IV) Oxide aus den aufgeführten Reagenzien gebildet Kupfer(II)sulfat wird nicht gebildet . Eine wichtige Schlussfolgerung: Die thermochemische Gleichung ist ein Modell, das Berechnungen zulässt, sie stimmt gut mit anderen thermochemischen Daten überein, hält aber einer praktischen Prüfung nicht stand (d. h. sie ist nicht in der Lage, die Möglichkeit oder Unmöglichkeit einer Reaktion korrekt vorherzusagen).

(B j ) - ∑ a ich × Q arr 0 ,298 ich

Vorlesung 6. Thermochemie. Thermischer Effekt einer chemischen Reaktion

Aufklärung . Um Sie nicht in die Irre zu führen, füge ich gleich noch die chemische Thermodynamik hinzu kann die Möglichkeit / Unmöglichkeit einer Reaktion vorhersagen Dazu bedarf es allerdings seriöserer „Werkzeuge“, die über den Rahmen eines Schulchemieunterrichts hinausgehen. Die thermochemische Gleichung im Vergleich zu diesen Methoden ist der erste Schritt vor dem Hintergrund der Cheops-Pyramide - darauf kann man nicht verzichten, aber man kann nicht hoch hinaus.

Beispiel 2 . Berechnen Sie die thermische Wirkung der Kondensation von Wasser mit einer Masse von 5,8 g Lösung. Der Kondensationsprozess wird durch die thermochemische Gleichung H2 O (g.) = H2 O (l.) + Q beschrieben – die Kondensation ist normalerweise ein exothermer Prozess.Die Kondensationswärme des Wassers bei 25 °C beträgt 37 kJ/mol (Referenzbuch).

Daher ist Q = 37 × 0,32 = 11,84 kJ.

Im 19. Jahrhundert stellte der russische Chemiker Hess, der die thermischen Wirkungen von Reaktionen untersuchte, experimentell das Energieerhaltungsgesetz in Bezug auf chemische Reaktionen auf – das Hesssche Gesetz.

Die thermische Wirkung einer chemischen Reaktion hängt nicht vom Weg des Prozesses ab und wird nur durch die Differenz zwischen End- und Anfangszustand bestimmt.

Aus Sicht der Chemie und Mathematik bedeutet dieses Gesetz, dass wir zur Berechnung des Prozesses jede „Rechenbahn“ frei wählen können, weil das Ergebnis davon nicht abhängt. Aus diesem Grund hat das sehr wichtige hessische Gesetz eine unglaubliche Bedeutung Folge des Hessschen Gesetzes.

Die thermische Wirkung einer chemischen Reaktion ist gleich der Summe der Bildungswärmen der Reaktionsprodukte abzüglich der Summe der Bildungswärmen der Edukte (unter Berücksichtigung stöchiometrischer Koeffizienten).

Aus der Sicht des gesunden Menschenverstandes entspricht diese Konsequenz einem Prozess, bei dem alle Reaktanten zunächst in einfache Substanzen umgewandelt wurden, die dann auf neue Weise zusammengesetzt wurden, so dass die Reaktionsprodukte erhalten wurden.

In Form einer Gleichung sieht die Konsequenz aus dem Hessschen Gesetz so aus Reaktionsgleichung: a 1 A 1 + a 2 A 2 + ... + a n A n = b 1 B 1 + b 2 B 2 + ... b

In diesem Fall sind a i und b j stöchiometrische Koeffizienten, A i sind Reagenzien, B j sind Reaktionsprodukte.

Dann hat die Konsequenz des Hessschen Gesetzes die Form Q = ∑ b j × Q arr 0 ,298

k Bk + Q

(A ich)

Vorlesung 6. Thermochemie. Der thermische Effekt einer chemischen Reaktion Seit den Standardbildungswärmen vieler Substanzen

a) in speziellen Tabellen zusammengefasst sind oder b) experimentell bestimmt werden können, dann wird es möglich, den thermischen Effekt einer sehr großen Zahl von Reaktionen mit ausreichend hoher Genauigkeit vorherzusagen (zu berechnen).

Beispiel 3 . (Folge des Hessschen Gesetzes). Berechnen Sie den thermischen Effekt der Dampfreformierung von Methan, der in der Gasphase unter Standardbedingungen auftritt:

CH4 (g) + H2O (g) = CO (g) + 3 H2 (g)

Bestimmen Sie, ob diese Reaktion exotherm oder endotherm ist?

Lösung: Folge des Hessschen Gesetzes

Q = 3 Q0			D ) + Q 0		(CO ,g ) − Q 0		D ) − Q 0		O, d) - allgemein ausgedrückt.
	Mod, 298			Mod, 298	Mod, 298		Mod, 298
Q arr0	298 (H 2, g) \u003d 0			Eine einfache Substanz in ihrem Standardzustand

Aus dem Nachschlagewerk finden wir die Bildungswärmen der restlichen Komponenten der Mischung.

		O, g) = 241,8			(CO,g) = 110,5				D) = 74,6
Mod, 298				Mod, 298			Mod, 298

Einsetzen der Werte in die Gleichung

Q \u003d 0 + 110,5 - 74,6 - 241,8 \u003d -205,9 kJ / mol, die Reaktion ist stark endotherm.

Antwort: Q \u003d -205,9 kJ / mol, endotherm

Beispiel 4. (Anwendung des Hessschen Gesetzes). Bekannte Reaktionswärmen

C (fest) + ½ O (g) \u003d CO (g) + 110,5 kJ

C (s.) + O2 (g.) = CO2 (g.) + 393,5 kJ Finden Sie die Wärmewirkung der Reaktion 2CO (g.) + O2 (g.) = 2CO2 (g.) Lösung Wir multiplizieren die erste und zweite Gleichungen zu 2

2C (s.) + O2 (g.) \u003d 2CO (g.) + 221 kJ 2C (s.) + 2O2 (g.) \u003d 2CO2 (g.) + 787 kJ

Subtrahiere die erste von der zweiten Gleichung

O2 (g) = 2CO2 (g) + 787 kJ - 2CO (g) - 221 kJ,

2CO (g) + O2 (g) = 2CO2 (g) + 566 kJ Antwort: 566 kJ/mol.

Hinweis: Beim Studium der Thermochemie betrachten wir eine chemische Reaktion von außen (außen). Im Gegensatz dazu betrachtet die chemische Thermodynamik – die Wissenschaft vom Verhalten chemischer Systeme – das System von innen und arbeitet mit dem Begriff der „Enthalpie“ H als der thermischen Energie des Systems. Enthalpie, also

Vorlesung 6. Thermochemie. Die thermische Wirkung einer chemischen Reaktion hat die gleiche Bedeutung wie die Wärmemenge, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen: Wird Energie aus dem System abgegeben, nimmt die Umgebung diese auf und erwärmt sich, und das System verliert Energie.

Literatur:

1. Lehrbuch, V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko und andere, Chemie Klasse 9, Absatz 19,

2. Pädagogisches und methodisches Handbuch „Grundlagen der Allgemeinen Chemie“ Teil 1.

Zusammengestellt von S.G. Baram, I.N. Mironow. - mitnehmen! für das nächste Seminar

3. AV Manuilow. Grundlagen der Chemie. http://hemi.nsu.ru/index.htm

§9.1 Thermischer Effekt einer chemischen Reaktion. Grundgesetze der Thermochemie.

§9.2** Thermochemie (Fortsetzung). Die Bildungswärme von Materie aus Elementen.

Standardbildungsenthalpie.

Aufmerksamkeit!

Wir gehen zur Lösung von Rechenproblemen über, daher ist ab sofort ein Taschenrechner für Seminare in Chemie wünschenswert.