Что такое тепловой эффект химической реакции. Тепловые эффекты химических реакций. Техногенное сырьё для производства цемента

Здесь T {\displaystyle T} - абсолютная температура , S {\displaystyle S} - энтропия , P {\displaystyle P} - давление, V {\displaystyle V} - объём , n i {\displaystyle n_{i}} - количество (или масса) i {\displaystyle i} -го составляющего систему вещества , μ i {\displaystyle \mu _{i}} - химический потенциал этого вещества (см. Энтропия открытой системы).

Таким образом, теплота бесконечно малого квазистатического изохорного процесса q V {\displaystyle q_{V}} равна

q V = d U − ∑ i = 1 k μ i d n i , {\displaystyle q_{V}=dU-\sum _{i=1}^{k}\mu _{i}dn_{i},}

(Теплота бесконечно малого квазистатического изохорного процесса)

а теплота бесконечно малого квазистатического изобарного процесса q P {\displaystyle q_{P}} равна

q P = d H − ∑ i = 1 k μ i d n i . {\displaystyle q_{P}=dH-\sum _{i=1}^{k}\mu _{i}dn_{i}.}

(Теплота бесконечно малого квазистатического изобарного процесса)

Энергетический эффект химической реакции всегда рассматривают применительно к конкретному термохимическому уравнению , которое может не иметь отношения к реальному химическому процессу. Термохимическое уравнение лишь показывает, какие наборы начальных и конечных индивидуальных веществ, находящихся в определенных состояниях и количественных соотношениях, исчезают и образуются. В начальном состоянии должны присутствовать только исходные вещества (реактанты), а в конечном - только продукты химической реакции. Единственным условием при записи термохимического уравнения является соблюдение материального и зарядового баланса. Вещества в растворённом или адсорбированном состоянии тоже считаются индивидуальными соединениями; если растворитель или адсорбент не участвует непосредственно в химической реакции и не реагирует с растворённым веществом, то он рассматривается просто как фактор, влияющий на термодинамические свойства рассматриваемого вещества. Наконец, в термохимическом уравнении могут фигурировать частицы, не способные к самостоятельному существованию (электроны , протоны , ионы , радикалы , атомарные простые вещества) .

Энергетический эффект реального процесса с химической реакцией зависит от условий проведения процесса и не может служить стандартной характеристикой конкретной химической реакции . Химическая же термодинамика нуждается в показателе, связанном с энергетикой химической реакции, но не зависящем от условий её проведения. Покажем, как может быть получен интересующий нас показатель. Для этого рассмотрим следующий мысленный эксперимент . Возьмем чистые индивидуальные исходные вещества в мольных количествах, соответствующих стехиометрическим коэффициентам интересующего нас термохимического уравнения, и находящиеся при определенных температуре и давлении. Если привести эти вещества в контакт, то энтальпия образовавшейся неравновесной системы в начальный момент времени будет равна сумме энтальпий исходных веществ. Теперь рассмотрим конечное состояние изучаемой системы в предположении, что реактанты прореагировали полностью и продукты реакции находятся при той же температуре и том же давлении, что и реактанты. Энтальпия системы (в общем случае неравновесной) из продуктов химической реакции будет равна сумме энтальпий этих веществ. Поскольку энтальпия - функция состояния, то разность энтальпий Δ H {\displaystyle \Delta H} системы в конце и начале рассмотренного мысленного эксперимента не зависит от условий проведения химической реакции. Эту разность энтальпий и называют изобарным тепловым эффектом (термохимической теплотой) химической реакции, соответствующей определённому термохимическому уравнению . Важно, что реальная осуществимость рассмотренного мысленного эксперимента, гипотетические условия его проведения и неравновесность исходного и конечного состояний термохимической системы не сказываются на дефиниции теплового эффекта химической реакции.

Часто тепловой эффект химической реакции относят к 1 молю одного из продуктов реакции .

Резюмируем сказанное: теплота процесса, связанного с фактическим протеканием химической реакции, и энергетический эффект химической реакции отнюдь не одно и то же, а дефиниция теплового эффекта химической реакции вообще не предполагает действительного осуществления реакции, соответствующей рассматриваемому термохимическому уравнению .

И внутренняя энергия, и энтальпия представляют собой функции состояния , поэтому тепловой эффект химической реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, то есть от числа и характера промежуточных стадий (закон Гесса) .

Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении, и равный изменению энтальпии системы в процессе, соответствующем термохимическому уравнению, называется изобарным тепловым эффектом или энтальпией химической реакции . Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном объёме , и равный изменению внутренней энергии системы в процессе, соответствующем термохимическому уравнению, называют изохорным тепловым эффектом .

Для отдельных типов химических реакций вместо общего термина «тепловой эффект химической реакции» используют специальные (сокращённые) термины: теплота образования , теплота сгорания и т. п.

Дефиниции тепловых эффектов должны быть дополнены указанием на начальные точки отсчёта значений энергии и энтальпии. Для сравнения тепловых эффектов и упрощения термодинамических расчётов все величины тепловых эффектов реакций относят к стандартным условиям (все вещества находятся в стандартных состояниях) . Если реакцию - реально или гипотетически - проводят при стандартных условиях (T = 298,15 К = 25 °С и P = 1 бар = 100 кПа ) , то тепловой эффект называют стандартным тепловым эффектом реакции или стандартной энтальпией реакции ΔH o
r .

Химические реакции, сопровождающиеся повышением температуры, называют экзотермическими , понижением температуры - эндотермическими . В термодинамической системе знаков тепловой эффект экзотермической реакции ( Δ U < 0 {\displaystyle \Delta U<0} или Δ H < 0 {\displaystyle \Delta H<0} ) считают отрицательным, эндотермической ( Δ U > 0 {\displaystyle \Delta U>0} или Δ H > 0 {\displaystyle \Delta H>0} ) - положительным. В устаревшей и не рекомендуемой к употреблению термохимической системе знаков положительным, наоборот, считается тепловой эффект экзотермической реакции, а отрицательным - эндотермической .

Тепловые эффекты химических реакций важны для теоретической химии и необходимы при расчётах равновесных составов смесей, выхода продуктов реакций, удельной тяги топлив реактивных двигателей и для решения многих других прикладных задач .

Изучение тепловых эффектов химических реакций составляет важнейшую задачу термохимии . Для расчёта стандартных тепловых эффектов химических реакций используют таблицы стандартных теплот образования или сгорания .

Стандартная энтальпия образования (стандартная теплота образования)

Под стандартной теплотой образования понимают тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивых стандартных состояниях .

Например, стандартная энтальпия образования 1 моля метана из углерода и водорода равна тепловому эффекту реакции:

С(тв) + 2H 2 (г) = CH 4 (г) + 74,9 кДж/моль.

Стандартная энтальпия образования обозначается ΔH o
f . Здесь индекс f означает formation (образование), а знак «O» в верхнем индексе указывает, что величина относится к стандартному состоянию вещества: один моль индивидуального химического соединения, взятого в чистом виде при стандартных условиях в том агрегатном состоянии, которое устойчиво в этих условиях (если нет специальной оговорки) . Иногда для обозначения стандартного состояния используют перечёркнутый символ « O » в верхнем индексе; согласно рекомендациям ИЮПАК по использованию обозначений в физической химии , перечёркнутый и неперечёркнутый символ «O», используемые для обозначения стандартного состояния, одинаково приемлемы. В литературе часто встречается другое обозначение стандартной энтальпии - ΔH o
298,15 , где знак «O» указывает на равенство давления одной атмосфере (или, несколько более точно, на стандартные условия ), а 298,15 - температура. Иногда индекс «O» используют для величин, относящихся к чистому веществу , оговаривая, что обозначать им стандартные термодинамические величины можно только тогда, когда в качестве стандартного состояния выбрано именно чистое вещество . Стандартным также может быть принято, например, состояние вещества в предельно разбавленном растворе.

Энтальпия образования простых веществ принимается равной нулю, причем нулевое значение энтальпии образования относится к агрегатному состоянию, устойчивому при T = 298,15 K . Например, для иода в кристаллическом состоянии ΔH o (I 2 , тв) = 0 кДж/моль , а для жидкого иода ΔH o (I 2 , ж) = 22 кДж/моль . Энтальпии образования простых веществ при стандартных условиях являются их основными энергетическими характеристиками.

Тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции (следствие закона Гесса):

ΔH o реакции = ΣΔH o
f (продукты) - ΣΔH o
f (реагенты).

Термохимические эффекты можно включать в химические реакции. Химические уравнения в которых указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, называются термохимическими уравнениями. Реакции, сопровождающиеся выделением тепла в окружающую среду имеют отрицательный тепловой эффект и называются экзотермическими . Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла имеют положительный тепловой эффект и называются эндотермическими . Тепловой эффект обычно относится к одному молю прореагировавшего исходного вещества, стехиометрический коэффициент которого максимален.

Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции

Чтобы рассчитать температурную зависимость энтальпии реакции, необходимо знать мольные теплоемкости веществ, участвующих в реакции. Изменение энтальпии реакции при увеличении температуры от Т 1 до Т 2 рассчитывают по закону Кирхгофа (предполагается, что в данном интервале температур мольные теплоемкости не зависят от температуры и нет фазовых превращений):

Δ H (T 2) = Δ H (T 1) + ∫ 1 2 Δ C p (T 1 , T 2) d (T) . {\displaystyle \Delta {H(T_{2})}=\Delta {H(T_{1})}+\int \limits _{1}^{2}{\Delta {C_{p}}(T_{1}{,}T_{2})d(T)}.}

Если в данном интервале температур происходят фазовые превращения, то при расчёте необходимо учесть теплоты соответствующих превращений, а также изменение температурной зависимости теплоемкости веществ, претерпевших такие превращения:

Δ H (T 2) = Δ H (T 1) + ∫ 1 T φ Δ C p (T 1 , T φ) d (T) + ∫ T φ 2 Δ C p (T φ , T 2) d (T) , {\displaystyle \Delta {H(T_{2})}=\Delta {H(T_{1})}+\int \limits _{1}^{T_{\varphi }}{\Delta {C_{p}}(T_{1}{,}T_{\varphi })d(T)}+\int \limits _{T_{\varphi }}^{2}{\Delta {C_{p}}(T_{\varphi }{,}T_{2})d(T)},}

где ΔC p (T 1 , T φ) - изменение теплоемкости в интервале температур от Т 1 до температуры фазового перехода; ΔC p (T φ , T 2) - изменение теплоемкости в интервале температур от температуры фазового перехода до конечной температуры, и T φ - температура фазового перехода.

Стандартная энтальпия сгорания - ΔH о
гор. , тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в кислороде до образования оксидов в высшей степени окисления. Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю.

Стандартная энтальпия растворения - ΔH о
раств. , тепловой эффект процесса растворения 1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя. Складывается из теплоты разрушения кристаллической решётки и теплоты гидратации (или теплоты сольватации для неводных растворов), выделяющейся в результате взаимодействия молекул растворителя с молекулами или ионами растворяемого вещества с образованием соединений переменного состава - гидратов (сольватов). Разрушение кристаллической решетки, как правило, эндотермический процесс - ΔH реш. > 0 , а гидратация ионов - экзотермический, ΔH гидр. < 0 . В зависимости от соотношения значений ΔH реш. и ΔH гидр. энтальпия растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Так растворение кристаллического гидроксида калия сопровождается выделением тепла:

ΔH о
раств.KOH = ΔH о
реш. + ΔH о
гидр.К + + ΔH о
гидр.OH − = −59 кДж/моль.

Под энтальпией гидратации ΔH гидр. понимается теплота, которая выделяется при переходе 1 моля ионов из вакуума в раствор.

Стандартная энтальпия нейтрализации ΔH о
нейтр. - энтальпия реакции взаимодействия сильных кислот и оснований с образованием 1 моля воды при стандартных условиях:

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O H + + OH − = H 2 O, ΔH о
нейтр. = −55,9 кДж/моль

Стандартная энтальпия нейтрализации для концентрированных растворов сильных электролитов зависит от концентрации ионов, вследствие изменения значения ΔH о
гидратации ионов при разбавлении.

См. также

Комментарии

Примечания

1. , с. 450.
2. , с. 16.
3. , с. 522-523.
4. , с. 290.
5. , с. 21.
6. , с. 17, 63.
7. , с. 311.
8. , с. 174.
9. , с. 6.
10. Состояние простой термодинамической системы (газы и изотропные жидкости в ситуации, когда поверхностными эффектами и наличием внешних силовых полей можно пренебречь) полностью задано её объёмом, давлением в системе и массами составляющих систему веществ.
11. , с. 143.
12. , с. 103.
13. Бесконечно малым (элементарным , инфинитезимальным ) называют процесс, для которого разница между начальным и конечным состояниями системы бесконечно мала.
14. Под теплотой здесь подразумевается изменение энергии системы в результате теплопередачи через граничную поверхность (см. Теплота).
15. , с. 8.
16. , с. 114.
17. , с. 54.
18. , p. 14.
19. , с. 31.
20. , p. 36.
21. , с. 257.
22. , с. 125.
23. , с. 11.
24. , с. 87.
25. , с. 10.
26. , с. 127.
27. , с. 128.
28. То, что конечное состояние может оказаться недостижимым в действительности, применительно к данному рассмотрению не имеет значения.
29. , с. 130.
30. , с. 24.
31. , с. 17.

Хотя знакомство с термином «тепловой эффект химической реакции» у большинства происходит на уроках химии, тем не менее он применяется более широко. Трудно представить какую-либо область деятельности, где не использовалось бы это явление.

Приведем пример лишь некоторых из них, где необходимо знание того, что такое тепловой эффект реакции. В настоящее время автомобильная промышленность развивается фантастическими темпами: количество машин ежегодно увеличивается в несколько раз. При этом основным источником энергии для них является бензин (альтернативные разработки пока находят свое воплощение лишь в единичных прототипах). Для корректировки силы вспыхивания топлива используют специальные присадки, снижающие интенсивность детонации. Яркий пример - монометиланилин. При его получении рассчитывается тепловой эффект реакции, который в данном случае составляет -11-19 кДж/моль.

Другая область применения - пищевая промышленность. Без сомнения, любой человек обращал внимание на указание калорийности того или иного продукта. В данном случае калорийность и тепловой эффект реакции непосредственно связаны, так как при окислении пищи выделяется теплота. Корректируя свое питание на основе этих данных, можно достичь существенного снижения массы тела. Несмотря на то, что тепловой эффект реакции измеряется в джоулях, между ними и калориями существует прямая взаимосвязь: 4 Дж = 1 ккал. Применительно к пищевым продуктам обычно указывается расчетное количество (масса).

Давайте теперь обратимся к теории и дадим определение. Итак, тепловой эффект указывает на выделившейся или поглощенной системой, при протекании в ней Стоит учитывать, что кроме теплоты может генерироваться излучение. Тепловой эффект химической реакции численно равен разности между уровнями энергии системы: исходным и остаточным. Если в процессе реакции происходит поглощение тепла из окружающего пространства, то говорят о эндотермическом процессе. Соответственно, выделение тепловой энергии характерно для экзотермического процесса. Их довольно просто различать: если значение суммарной энергии, выделившейся в результате протекания реакции, оказывается больше, чем затраченной для ее начала (например, тепловая энергия сгорающего топлива), то это экзотермия. А вот для разложения воды и угля на водород и необходимо затратить дополнительную энергию на нагревание, поэтому имеет место ее поглощение (эндотермия).

Вычислить тепловой эффект реакции можно с помощью известных формул. В расчетах тепловой эффект обозначается буквой Q (или DH). Разница в типе процесса (эндо или экзо), поэтому Q = - DH. Термохимические уравнения предполагают указание теплового эффекта и реагентов (верен и обратный расчет). Особенность подобных уравнений в возможности переноса величины тепловых эффектов и самих веществ в разные части. Возможно проведение почленного вычитания или сложения самих формул, но с учетом

Приведем пример реакций углерода, водорода:

1) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 890 кДж

2) C + O2 = CO2 + 394 кДж

3) 2H2 + O2 = 2H2O + 572 кДж

Теперь вычтем 2 и 3 из 1 (правые части из правых, левые - из левых).

В итоге получаем:

CH4 - C - 2 H4 = 890 - 394 - 572 = - 76 кДж.

Если все части умножить на - 1 (убрать отрицательное значение), то получим:

C + 2H2 = CH4 + 76 кДж/моль.

Как можно трактовать результат? Тепловой эффект, происходящий при образовании метана из водорода и углерода, составит 76 Дж на каждый моль получаемого газа. Также из формул следует, что будет выделяться, то есть речь идет об экзотермическом процессе. Подобные расчеты позволяют избежать необходимости проведения непосредственных лабораторных экспериментов, которые часто сопряжены с трудностями.

Лабораторная работа №3

Тепловой эффект (энтальпия) химической реакции

Цель работы: на основании термодинамических представлений научиться делать заключение о принципиальной возможности и направленности химических процессов.

1. 
   Краткое теоретическое введение.

Химическая термодинамика как раздел общей термодинамики изучает переходы одних форм энергии в другие формы, имеющие место в химических реакциях, процессах растворения и кристаллизации, электродных процессах и ряде других взаимодействий, или вообще в химический системах(под химической системой понимают произвольно выделенную часть пространства с заключенными в ней реагирующими веществами).

Химическая термодинамика, как и общая термодинамика, основана, главным образом, на двух законах.

Согласно первому закону термодинамики, для замкнутых систем, имеющих возможность обмениваться энергией, сообщенное им тепло Q расходуется на приращение внутренней энергии и на совершение работы A против внешних сил:

Q принимает положительные значения, если система поглощает энергию.

Внутренняя энергия – функция состояния системы, определяемого параметрами давления p , объема V , температуры T и т.д., определяется разностью
, и не зависит от пути процесса.

Теплота и работа характеризуют не состояние, а процесс, и поэтому их нельзя считать видами энергии (это способ передачи энергии), они зависят от пути изменения состояния.

Работа совершается системой при изменении объема V 1 до V 2 , равна:

A =
.

Если реакция протекает при постоянном объеме (изохорный процесс), то работа расширения системы (А = p *
) равна нулю. Если при этом не совершаются и другие виды работы (например, электрическая), то

=,

где - количество поглощенной системой теплоты при постоянном объеме.

Химические реакции чаще всего осуществляются не при постоянном объеме, а при постоянном давлении p (
= 0, изобарный процесс). Для этих условий из уравнения первого закона термодинамики ни одной функции исключить нельзя:

= + p* = +p(V 1 - V 2).

Раскрыв скобки можно записать уравнение так:

= (U 2 +pV 2) – (U 1 +pV 1).

Функцию U + pV = H назовем энтальпией или энергосодержанием. Энтальпия – функция состояния, характеризует полную энергию системы в условиях постоянного давления и температуры и представляет сумму внутренней энергии и работы против внешних сих.

Таким образом, сообщенное системе тепло при постоянном давлении идет на приращение ее энтальпии.

=

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния, и абсолютное значение ее определить невозможно.

В термодинамике тепловой эффект рассматривается относительно самой реакционной системы («эгоистическая» система знаков). Тепловому эффекту экзотермических реакций приписывают знак «-» (система отдает тепло), а тепловому эффекту эндотермической реакции – знак»+» (система получает тепло).

Для многих практических целей важно знать тепловой эффект реакции при постоянном давлении, чаще всего при атмосферном. В дальнейшем будем оперировать только тепловым эффектом при постоянном давлении (изменение энтальпии).

= const = + p*=; =.

По закону Гесса тепловой эффект реакции ( ) равен разности сумм теплот (энтальпий) образования ( обр ) ее конечных и начальных продуктов.

При этом следует учитывать стехиометрические коэффициенты уравнения реакций:

где n k и n H – число молей каждого из конечных и начальных продуктов,

обр – соответственно – их теплоты (энтальпии) образования, - общий тепловой эффект (энтальпия).

Тепловой эффект, соответствующий образованию 1 моля соединения из элементарных веществ, устойчивых в стандартных условиях, называется стандартной тепловой (энтальпией) образования данного соединения. Теплоты образования элементарных веществ (H 2 , O 2 , N 2 , C (графит), Cl 2 и т.д.) в стандартных условиях (Р = 1013 Па, Т = 298 К) условно принимают равной нулю. Стандартные теплоты (энтальпии) образования приводятся в справочниках.

Согласно закону сохранения массы и энергии Ломоносова при образовании химического соединения поглощается или выделяется такое количество теплоты, какое выделяется или поглощается при его разложении на первоначальные составные части.

Законами термохимии пользуются для вычисления тепловых эффектов реакций или теплот образования соединений, которые не могут быть определены опытным путем.

В термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние и модификация вещества, если оно и то же вещество может существовать в нескольких различных кристаллических модификациях.

Движущая сила и направление химических реакций. На основе изучения тепловых эффектов химических реакций был сформулирован принцип Бертло (1867г.), утверждающий, что мерой химического сродства служит тепловой эффект химических реакций, что самопроизвольно протекают лишь такие процессы, которые сопровождаются выделением теплоты (), т.е. экзотермические процессы.

Этот принцип соблюдается часто, но далеко не всегда; возможны случаи самопроизвольно протекающих эндотермических реакций. Это объясняется тем, что кроме принципа минимума энергии ( 0 ) действует принцип максимума беспорядка (
>0). S – энтропия, характеризующая возможные состояния вещества и их непрерывные изменения. Чем больше число отдельных непрерывно изменяющихся микросостояний, тем больше неупорядоченность его общего состояния.

S газа > S жидкости > S твердого тела

Энтропия возрастает при переходе вещества из кристаллического состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, при расширении газов, при химических взаимодействиях, приводящих к увеличению числа частиц. Напротив, все процессы, в результате которых упорядоченность системы возрастает (конденсация, полимеризация, сжатие, уменьшение числа частиц) сопровождается уменьшением энтропии. Энтропия выражается в единицах, отнесенных к произведению температуры и количества вещества (Дж/моль К).

Энтропия, как и энтальпия, есть функция состояния системы. Для получения сравнимых данных сопоставляют стандартные измерения энтропии
.

Изменение энтропии системы () в результате химической реакции равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом числа молей, участвующих в реакции:

=
.

В отличи от энтальпии образования энтропия простого вещества, даже находящегося в кристаллическом состоянии, не равна нулю.

В изолированной системе самопроизвольные процессы протекают в сторону увеличения энтропии>0. Если

Таким образом в химических (или физических) системах одновременно действуют две конкурирующие тенденции: принцип минимума энергии (принцип Бертло) и принцип максимума беспорядка (максимума энтропии).

Химическое средство, или движущая сила реакции определяется свободной энергией, т.е. той частью общего теплосодержания, которая может быть использована для совершения максимальной работы. Ее определяют при постоянных значениях Р и Т и называют энергией Гиббса, а в стандартных условиях – стандартной энергией Гиббса, обозначая
и
, точнее и з м е н и н и е м энергии Гиббса. Термины-синонимы: изобарно-изотермический (изобарный) потенциал, свободная энтальпия.

Энергия Гиббса связана с энтропией соотношением G = H – T*, Где Т – абсолютная температура. Для изобарно-изотермического процессов изменение энергии Гиббса равно:

= -Т* .

Значение зависит не только от природы реагирующих веществ, но и от агрегатного состояния и условий. Для получения сравнимых данных, характеризующих различные реакции, сопоставляют стандартные изменения энергии Гиббса:

Энергию Гиббса образования относят к 1 моль вещества, выражают в кДж/моль; при этом образования простого вещества принимают равной нулю.

Изменение энергии Гиббса может быть также записано следующим образом:

Первый член этого выражения представляет энтальпийный фактор, а второй – энтропийный. Первый отражает тенденцию системы к образованию связей в результате взаимного притяжения частиц – молекул или атомов, что приводит к их усложнению, а второй – тенденцию к усилению процесса диссоциации сложных частиц на более простые и их менее упорядоченному состоянию. Оба фактора действуют в противоположных направлениях, и общее направление реакции определяется влиянием преобладающего фактора.

При постоянных значениях Р и Т самопроизвольно протекают лишь такие реакции, изобарные потенциалы которых отрицательны реакции, тем больше ее движущая сила. В ходе реакции увеличивается и при = 0 в системе устанавливается равновесие. Если > 0, то реакция не может идти без затраты энергии извне, и такое неравенство свидетельствует о принципиальной возможность реакции при данных условиях (Р и Т ), а при неравенстве
реакция неосуществима в любых условиях.

Таким образом, - движущая сила процесса, она является истинным критерием возможности протекания процесса.

Если реакции протекают при низких температурах и без участия газообразных веществ, то Т*
и , т.е. критерием реакции может служить изменение энтальпии (действует принцип Бертло). В остальных случаях необходимо рассчитывать изменение энергии Гиббса.

1. 
   Выполнение работы.

Определение теплового эффекта (энтальпии) реакции нейтрализации

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O

Сравнить измеренное значение с теоретическим и вычислить относительную ошибку измерения, написать термодинамическое уравнение реакции нейтрализации.

Лабораторное оборудование.

Калориметр включает в себя внутренний стакан, в котором проводится реакция, внешний стакан, теплоизоляционную прокладку, крышку, в которой имеются отверстия для термометра и воронки. Для измерения массы реагирующих веществ используют лабораторные весы, для измерения объемов – мерные цилиндры. Для перемешивания растворов используют магнитную мешалку.

Материалы и реактивы: растворы HCl и NaOH.

Ход работы.

Взвесить внутренний стакан калориметра (m 1), опустить в него мешалку и взвесить внутренний стакан с мешалкой (m 2). Налить в стакан 45 мл щелочи соответствующей концентрации (1н или 2 н). Взвесить стакан с объемом щелочи (m 3). Собрать калориметрическую установку. Включить магнитную мешалку. Провести предварительный период реакции, регистрируя изменение температуры через 1 минуту в течение 5 минут. Ввести через воронку 40 мл раствора кислоты той же концентрации, что и щелочь. Регистрировать температуру в течение главного периода реакции. Продолжать регистрацию температуры еще в течение 5 минут заключительного периода реакции.

Результаты эксперимента представить в виде двух таблиц.

Таблица 2.1 Результаты измерения масс

Таблица 2.2.Результаты измерения температуры в ходе реакции

Время от начала опыта	Предварительный период					Главный период				Заключительный период
	0,0	1,0	2,0	3,0	4,0	4,25	4,5	4,75	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0	10
Темпе-ратура, о С	19,6	19,75	19,8	19,81	19,83	23,6	26,8	28,8	31,6	31,4	31,1	31	30,8	30,6

1. 
   Практическое решение

1. Теплоемкость калориметрической системы вычисляется по приближенной формуле:

С к = С стакана + С раствора + С термометра + С мешалки.

Теплоемкостью термометра пренебречь, а теплоемкости остальных частей определить по формулам:

С стакана = С стекла m 1 = 0,2 кал/г о С * 48,80 г = 9,76 кал/ о С = 9,76 10 -3 ккал/ о С,

где С стекла = 0,2 кал/г о С;

С раствора = С раствора m p = 1,0 кал/г о С * 92,29 г = 92,29 кал/ о С = 92,29 10 -3 ккал/ о С,

где С раствора = 1,0 кал/г о С;, не искаженное теплообменом, происходящим в течение главного периода, нужно продолжить AB и CD до пересечения их с вертикальной прямой Е. Для этого точки v и n, соответствующие начальной и конечной температурам главного периода, нанести на ось ординат. Через середину отрезка mn провести линию KP. Пересечение этой линии с кривой BC дает точку l, определяющую положение прямой Е. Отрезок Е и будет равен ккал/моль ,

где С к – температура всех частей калориметрической системы, кал/ о С,

- изменение температуры в ходе реакции, о С,

С к - количество выделившегося при реакции тепла, кал,

K – число молей эквивалентов кислоты в заданном объеме.

5. Расчет погрешности эксперимента.

Относительная ошибка определяется по формуле:

Е =
=
= 22,6 % ,

где
- экспериментально определенное значение энтальпии реакции,
- теоретическое значение энтальпии реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Нейтрализация моля эквивалентов любой сильной кислоты любим сильным основанием в разбавленных растворах всегда сопровождается одним и тем же экзотермическим эффектом, равным 13,70 ккал/моль. Этот факт теория электролитической диссоциации тем, что реакция нейтрализации сводится к образованию моля воды:

Т.е.
.

Главным фактором, определяющим точность результата, будет погрешность определения , т.к. ошибки взвешивания не превышают сотых долей процентов.

1. 
   Вывод

Выполняя данную лабораторную работу, я узнала, что такое энтальпия и энтропия, научилась определять тепловой эффект (энтальпию) реакции нейтрализации опытным путем. Я получила, что она равна -16,8 ккал/моль 22,6 % , сравнила с теоретическим значением, они несколько отличаются, т.к. были допущены погрешности при подсчетах и непосредственном выполнении работы.

Термохимия изучает тепловые эффекты химических реакций. Во многих случаях эти реакции протекают при постоянном объеме или постоянном давлении. Из первого закона термодинамики следует, что при этих условиях теплота является функцией состояния. При постоянном объеме теплота равна изменению внутренней энергии:

а при постоянном давлении - изменению энтальпии:

Эти равенства в применении к химическим реакциям составляют суть закона Гесса :

Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении или постоянном объеме, не зависит от пути реакции, а определяется только состоянием реагентов и продуктов реакции.

Другими словами, тепловой эффект химической реакции равен изменению функции состояния.
В термохимии, в отличие от других приложений термодинамики, теплота считается положительной, если она выделяется в окружающую среду, т.е. если H < 0 или U < 0. Под тепловым эффектом химической реакции понимают значение H (которое называют просто "энтальпией реакции") или U реакции.

Если реакция протекает в растворе или в твердой фазе, где изменение объема незначительно, то

H = U + (pV ) U . (3.3)

Если же в реакции участвуют идеальные газы, то при постоянной температуре

H = U + (pV ) = U + n . RT , (3.4)

где n - изменение числа молей газов в реакции.

Для того, чтобы облегчить сравнение энтальпий различных реакций, используют понятие "стандартного состояния". Стандартное состояние - это состояние чистого вещества при давлении 1 бар (= 10 5 Па) и заданной температуре . Для газов - это гипотетическое состояние при давлении 1 бар, обладающее свойствами бесконечно разреженного газа. Энтальпию реакции между веществами, находящимися в стандартных состояниях при температуре T , обозначают (r означает "reaction"). В термохимических уравнениях указывают не только формулы веществ, но и их агрегатные состояния или кристаллические модификации.

Из закона Гесса вытекают важные следствия, которые позволяют рассчитывать энтальпии химических реакций.

Следствие 1.

равна разности стандартных энтальпий образования продуктов реакции и реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов):

Стандартной энтальпией (теплотой) образования вещества (f означает "formation") при заданной температуре называют энтальпию реакции образования одного моля этого вещества из элементов , находящихся в наиболее устойчивом стандартном состоянии. Согласно этому определению, энтальпия образования наиболее устойчивых простых веществ в стандартном состоянии равна 0 при любой температуре. Стандартные энтальпии образования веществ при температуре 298 К приведены в справочниках.

Понятия "энтальпия образования" используют не только для обычных веществ, но и для ионов в растворе. При этом за точку отсчета принят ион H + , для которого стандартная энтальпия образования в водном растворе полагается равной нулю:

Следствие 2. Стандартная энтальпия химической реакции

равна разности энтальпий сгорания реагентов и продуктов реакции (с учетом стехиометрических коэффициентов):

(c означает "combustion"). Стандартной энтальпией (теплотой) сгорания вещества называют энтальпию реакции полного окисления одного моля вещества. Это следствие обычно используют для расчета тепловых эффектов органических реакций.

Следствие 3. Энтальпия химической реакции равна разности энергий разрываемых и образующихся химических связей.

Энергией связи A- B называют энергию, необходимую для разрыва связи и разведения образующихся частиц на бесконечное расстояние:

AB (г) A (г) + B (г) .

Энергия связи всегда положительна.

Большинство термохимических данных в справочниках приведено при температуре 298 К. Для расчета тепловых эффектов при других температурах используют уравнение Кирхгофа :

(дифференциальная форма) (3.7)

(интегральная форма) (3.8)

где C p - разность изобарных теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ. Если разница T 2 - T 1 невелика, то можно принять C p = const. При большой разнице температур необходимо использовать температурную зависимость C p (T ) типа:

где коэффициенты a , b , c и т.д. для отдельных веществ берут из справочника, а знак обозначает разность между продуктами и реагентами (с учетом коэффициентов).

ПРИМЕРЫ

Пример 3-1. Стандартные энтальпии образования жидкой и газообразной воды при 298 К равны -285.8 и -241.8 кДж/моль, соответственно. Рассчитайте энтальпию испарения воды при этой температуре.

Решение . Энтальпии образования соответствуют следующим реакциям:

H 2(г) + ЅO 2(г) = H 2 O (ж) , H 1 0 = -285.8;

H 2(г) + ЅO 2(г) = H 2 O (г) , H 2 0 = -241.8.

Вторую реакцию можно провести в две стадии: сначала сжечь водород с образованием жидкой воды по первой реакции, а затем испарить воду:

H 2 O (ж) = H 2 O (г) , H 0 исп = ?

Тогда, согласно закону Гесса,

H 1 0 + H 0 исп = H 2 0 ,

откуда H 0 исп = -241.8 - (-285.8) = 44.0 кДж/моль.

Ответ. 44.0 кДж/моль.

Пример 3-2. Рассчитайте энтальпию реакции

6C (г) + 6H (г) = C 6 H 6(г)

а) по энтальпиям образования; б) по энергиям связи, в предположении, что двойные связи в молекуле C 6 H 6 фиксированы.

Решение . а) Энтальпии образования (в кДж/моль) находим в справочнике (например, P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5th edition, pp. C9-C15): f H 0 (C 6 H 6(г)) = 82.93, f H 0 (C (г)) = 716.68, f H 0 (H (г)) = 217.97. Энтальпия реакции равна:

r H 0 = 82.93 - 6 716.68 - 6 217.97 = -5525 кДж/моль.

б) В данной реакции химические связи не разрываются, а только образуются. В приближении фиксированных двойных связей молекула C 6 H 6 содержит 6 связей C- H, 3 связи C- C и 3 связи C=C. Энергии связей (в кДж/моль) (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5th edition, p. C7): E (C- H) = 412, E (C- C) = 348, E (C=C) = 612. Энтальпия реакции равна:

r H 0 = -(6 412 + 3 348 + 3 612) = -5352 кДж/моль.

Разница с точным результатом -5525 кДж/моль обусловлена тем, что в молекуле бензола нет одинарных связей C- C и двойных связей C=C, а есть 6 ароматических связей C C.

Ответ. а) -5525 кДж/моль; б) -5352 кДж/моль.

Пример 3-3. Пользуясь справочными данными, рассчитайте энтальпию реакции

3Cu (тв) + 8HNO 3(aq) = 3Cu(NO 3) 2(aq) + 2NO (г) + 4H 2 O (ж)

Решение . Сокращенное ионное уравнение реакции имеет вид:

3Cu (тв) + 8H + (aq) + 2NO 3 - (aq) = 3Cu 2+ (aq) + 2NO (г) + 4H 2 O (ж) .

По закону Гесса, энтальпия реакции равна:

r H 0 = 4 f H 0 (H 2 O (ж)) + 2 f H 0 (NO (г)) + 3 f H 0 (Cu 2+ (aq)) - 2 f H 0 (NO 3 - (aq))

(энтальпии образования меди и иона H + равны, по определению, 0). Подставляя значения энтальпий образования (P.W.Atkins, Physical Chemistry, 5th edition, pp. C9-C15), находим:

r H 0 = 4 (-285.8) + 2 90.25 + 3 64.77 - 2 (-205.0) = -358.4 кДж

(в расчете на три моля меди).

Ответ. -358.4 кДж.

Пример 3-4. Рассчитайте энтальпию сгорания метана при 1000 К, если даны энтальпии образования при 298 К: f H 0 (CH 4) = -17.9 ккал/моль, f H 0 (CO 2) = -94.1 ккал/моль, f H 0 (H 2 O (г)) = -57.8 ккал/моль. Теплоемкости газов (в кал/(моль. К)) в интервале от 298 до 1000 К равны:

C p (CH 4) = 3.422 + 0.0178 . T , C p (O 2) = 6.095 + 0.0033 . T ,

C p (CO 2) = 6.396 + 0.0102 . T , C p (H 2 O (г)) = 7.188 + 0.0024 . T .

Решение . Энтальпия реакции сгорания метана

CH 4(г) + 2O 2(г) = CO 2(г) + 2H 2 O (г)

при 298 К равна:

94.1 + 2 (-57.8) - (-17.9) = -191.8 ккал/моль.

Найдем разность теплоемкостей как функцию температуры:

C p = C p (CO 2) + 2C p (H 2 O (г)) - C p (CH 4) - 2C p (O 2) =
= 5.16 - 0.0094T (кал/(моль. К)).

Энтальпию реакции при 1000 К рассчитаем по уравнению Кирхгофа:

= + = -191800 + 5.16
(1000-298) - 0.0094 (1000 2 -298 2)/2 = -192500 кал/моль.

Ответ. -192.5 ккал/моль.

ЗАДАЧИ

3-1. Сколько тепла потребуется на перевод 500 г Al (т.пл. 658 о С, H 0 пл = 92.4 кал/г), взятого при комнатной температуре, в расплавленное состояние, если C p (Al тв) = 0.183 + 1.096 10 -4 T кал/(г К)?

3-2. Стандартная энтальпия реакции CaCO 3(тв) = CaO (тв) + CO 2(г) , протекающей в открытом сосуде при температуре 1000 К, равна 169 кДж/моль. Чему равна теплота этой реакции, протекающей при той же температуре, но в закрытом сосуде?

3-3. Рассчитайте стандартную внутреннюю энергию образования жидкого бензола при 298 К, если стандартная энтальпия его образования равна 49.0 кДж/моль.

3-4. Рассчитайте энтальпию образования N 2 O 5 (г) при T = 298 К на основании следующих данных:

2NO(г) + O 2 (г) = 2NO 2 (г), H 1 0 = -114.2 кДж/моль,

4NO 2 (г) + O 2 (г) = 2N 2 O 5 (г), H 2 0 = -110.2 кДж/моль,

N 2 (г) + O 2 (г) = 2NO(г), H 3 0 = 182.6 кДж/моль.

3-5. Энтальпии сгорания -глюкозы, -фруктозы и сахарозы при 25 о С равны -2802,
-2810 и -5644 кДж/моль, соответственно. Рассчитайте теплоту гидролиза сахарозы.

3-6. Определите энтальпию образования диборана B 2 H 6 (г) при T = 298 К из следующих данных:

B 2 H 6 (г) + 3O 2 (г) = B 2 O 3 (тв) + 3H 2 O(г), H 1 0 = -2035.6 кДж/моль,

2B(тв) + 3/2 O 2 (г) = B 2 O 3 (тв), H 2 0 = -1273.5 кДж/моль,

H 2 (г) + 1/2 O 2 (г) = H 2 O(г), H 3 0 = -241.8 кДж/моль.

3-7. Рассчитайте теплоту образования сульфата цинка из простых веществ при T = 298 К на основании следующих данных.

I. Горение и медленное окисление

Горение – это первая химическая реакция, с которой познакомился человек. Огонь… Можно ли представить наше существование без огня? Он вошел в нашу жизнь, стал неотделим от нее. Без огня человек не сварит пищу, сталь, без него невозможно движение транспорта. Огонь стал нашим другом и союзником, символом славных дел, добрых свершений, памятью о минувшем.

Мемориал славы в г. Сыктывкаре

Пламя, огонь, как одно из проявлений реакции горения, имеет и свое монументальное отражение. Яркий пример – мемориал славы в г. Сыктывкаре.

Раз в четыре года в мире происходит событие, сопровождающееся переносом «живого» огня. В знак уважения к основателям олимпиад огонь доставляют из Греции. По традиции один из выдающихся спортсменов доставляет этот факел на главную арену олимпиады.

Об огне сложены сказки, легенды. В старину люди думали, что в огне живут маленькие ящерицы – духи огня. А были и такие, которые считали огонь божеством и строили в его честь храмы. Сотни лет горели в этих храмах, не угасая, светильники, посвященные богу огня. Поклонение огню было следствием незнания людьми процесса горения.

Олимпийский огонь

М.В.Ломоносов говорил: «Изучение природы огня и без химии предпринимать отнюдь невозможно».

Горение - реакция окисления, протекающая с достаточно большой скоростью , сопровождающаяся выделением тепла и света.

Схематически этот процесс окисления можно выразить следующим образом:

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими (от греч. «экзо» - наружу).

При горении идет интенсивное окисление, в процессе горения появляется огонь, следовательно, такое окисление протекает очень быстро. Если скорость реакции окажется достаточно большой? Может произойти взрыв. Так взрываются смеси горючих веществ с воздухом или кислородом. К сожалению, известны случаи взрывов смесей воздуха с метаном, водородом, парами бензина, эфира, мучной и сахарной пылью и т.п., приводящие к разрушениям и даже человеческим жертвам.

Для возникновениягорениянеобходимы:

• горючее вещество
• окислитель (кислород)
• нагревание горючего вещества до температуры воспламенения

Температура воспламенения у каждого вещества различна.

В то время как эфир может воспламениться от горячей проволоки, для того чтобы поджечь дрова, нужно нагреть их до нескольких сот градусов. Температура воспламенения веществ различна. Сера и дерево воспламеняются при температуре около 270 °С, уголь – около 350 °С, а белый фосфор – около 40 °С.

Однако не всякое окисление непременно должно сопровождаться появлением света.

Существует значительное число случаев окисления, которые мы не можем назвать процессами горения, ибо они протекают столь медленно, что остаются незаметными для наших органов чувств. Лишь по прошествии определенного, часто весьма продолжительного времени мы можем уловить продукты окисления. Так, например, обстоит дело при весьма медленном окислении (ржавлении) металлов

или при процессах гниения.

Разумеется, при медленном окислении выделяется теплота, но это выделение вследствие продолжительности процесса протекает медленно. Однако сгорит ли кусок дерева быстро или подвергнется медленному окислению на воздухе в течение многих лет, все равно – в обоих случаях при этом выделится одинаковое количество теплоты.

Медленное окисление – это процесс медленного взаимодействия веществ с кислородом с медленным выделением теплоты (энергии).

Примеры взаимодействия веществ с кислородом без выделения света : гниение навоза, листьев, прогоркание масла, окисление металлов (железные форсунки при длительном употреблении становятся тоньше и меньше), дыхание аэробных существ, т. е. дышащих кислородом, сопровождается выделением теплоты, образованием углекислого газа и воды.

Познакомимся с характеристикой процессов горения и медленного окисления приведённой в таблице.

Характеристика процессов горения и медленного окисления

Признаки реакции	Процесс
	Горение	Медленное окисление
Образование новых веществ	Да (оксиды)	Да (оксиды)
Выделение теплоты	Да	Да
Скорость выделения теплоты	Большая	Небольшая (идет медленно)
Появление света	Да	Нет

Вывод : реакции горения и медленного окисления – это экзотермические реакции, отличающиеся скоростью протекания этих процессов.

II. Тепловой эффект химической реакции.

В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного МОЛЯ реагента или (реже) для моля продукта реакции. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q ) . Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений:

2 H 2 (г) + O 2 (г) = 2 H 2 О(ж) + 572 кДж

2 H 2 (г) + O 2 (г) = 2 H 2 О(ж) + Q

Это уравнение реакции называется термохимическимуравнением . Здесь символ "+ Q " означает, что при сжигании водорода выделяется теплота. Эта теплота называется тепловым эффектом реакции . В термохимических уравнениях часто указывают агрегатные состояния веществ.

Реакции протекающие с выделением энергии называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "экзо" – наружу). Например, горение метана:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q

Реакции протекающиес поглощением энергии называются ЭНДОТЕРМИЧЕСКИМИ (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H 2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании.

C + H 2 O = CO + H 2 – Q

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов.

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Представьте себя на минуту конструктором мощной ракеты, способной выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы (рис.).

Рис. Самая мощная в мире российская ракета "Энергия" перед стартом на космодроме Байконур. Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде.

Допустим, вам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя?

Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".

№2. Головоломка «Не повторяющиеся буквы».

Для решения этой головоломки внимательно просмотри каждую строчку. Выбери из них ни разу не повторяющиеся буквы. Если ты сделаешь это правильно, то сможешь из этих букв составить пословицу о правилах обращения с огнем.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО: