Лекция 6. Тепловой эффект химической реакции
Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Подобно тому, как одной из физических характеристик человека является физическая сила, важнейшей характеристикой любой химической связи является сила связи, т.е. её энергия. Напомним, что энергия химической связи – эта та энергия, которая выделяется при образовании химической связи или та энергия, которую нужно истратить, чтобы эту связь разрушить. Химическая реакция в общем случае – это превращение одних веществ в другие. Следовательно, в ходе химической реакции происходит разрыв одних связей и образование других, т.е. превращения энергии. Фундаментальный закон физики гласит, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одного вида в другой. В силу своей универсальности данный принцип, очевидно, применим и к химической реакции. Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, выделившееся (или поглотившееся) в ходе реакции и относимое к 1 моль прореагировавшего (или образовавшегося) вещества. Тепловой эффект обозначается буквой Q и, как правило, измеряется в кДж/моль или в ккал/моль. Если реакция происходит с выделением тепла ( Q > 0), она называется экзотермической, а если с поглощением тепла ( Q < 0) – эндотермической. Если схематично изобразить энергетический профиль реакции, то для эндотермических реакций продукты находятся выше по энергии, чем реагенты, а для экзотермических – наоборот, продукты реакции располагаются ниже по энергии (более стабильны), чем реагенты. Ясно, что чем больше вещества прореагирует, тем большее количество энергии выделится (или поглотится), т.е. тепловой эффект прямо пропорционален количеству вещества. Поэтому отнесение теплового эффекта к 1 моль вещества обусловлено нашим стремлением сравнивать между собой тепловые эффекты различных реакций.
Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Пример 1 . При восстановлении 8,0 г оксида меди(II) водородом образовалась металлическая медь и пары воды и выделилось 7,9 кДж теплоты. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида меди(II). Решение . Уравнение реакции CuO (тв.) + H 2 (г.) = Cu (тв.) + H 2 O (г.) + Q (*)
| В реакцию вступило ν = | m | = | 8,0 | = 0,1 моль оксида меди(II). |
| M | 63,5 +16 | |||
Составим пропорцию при восстановлении 0,1 моль – выделяется 7,9 кДж при восстановлении 1 моль – выделяется x кДж Откуда x = + 79 кДж/моль. Уравнение (*) принимает вид CuO (тв.) + H 2 (г.) = Cu (тв.) + H 2 O (г.) + 79 кДж Термохимическое уравнение – это уравнение химической реакции, в котором указаны агрегатное состояние компонентов реакционной смеси (реагентов и продуктов) и тепловой эффект реакции.
| Изменение агрегатного состояния вещества также обычно | сопряжено |
| с тепловыми эффектами. Наиболее известные Вам примеры | связаны с |
| изменением агрегатного состояния воды. |
Так, чтобы расплавить лед или испарить воду, требуется затратить определенные количества теплоты, тогда как при замерзании жидкой воды или конденсации водяного пара такие же количества теплоты выделяются. Именно поэтому нам холодно, когда мы выходим из воды (испарение воды с поверхности тела требует затрат энергии), а потоотделение является биологическим защитным механизмом от перегрева организма. Напротив, морозильник замораживает воду и нагревает окружающее помещение, отдавая ему избыточное тепло. На данном примере показаны тепловые эффекты изменения агрегатного состояния воды. Теплота плавления (при 0 o C) λ = 3,34×10 5 Дж/кг (физика), или Q пл. = — 6,02 кДж/моль (химия), теплота испарения (парообразования) (при 100 o C) q = 2,26×10 6 Дж/кг (физика) или Q исп. = — 40,68 кДж/моль (химия).
| кристаллизация | конденсация |
| Q > 0 | Q > 0 |
Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Разумеется, возможны процессы сублимации, когда твердое вещество переходит в газовую фазу, минуя жидкое состояние и обратные процессы осаждения (кристаллизации) из газовой фазы, для них также возможно рассчитать или измерить тепловой эффект. Ясно, что в каждом веществе есть химические связи, следовательно, каждое вещество обладает некоторым запасом энергии. Однако далеко не все вещества можно превратить друг в друга одной химической реакцией. Поэтому договорились о введении стандартного состояния. Стандартное состояние вещества – это агрегатное состояние вещества при температуре 298 К, давлении 1 атмосфера в наиболее устойчивой в этих условиях аллотропной модицикации. Стандартные условия – это температура 298 К и давление 1 атмосфера. Стандартные условия (стандартное состояние) обозначается индексом 0 . Стандартной теплотой образования соединения называется тепловой эффект химической реакции образования данного соединения из простых веществ, взятых в их стандартном состоянии. Теплота образования соединения обозначается символом Q 0 Для множества соединений стандартные теплоты образования приведены в справочниках физикохимических величин. Стандартные теплоты образования простых веществ равны 0. Например, Q 0 обр,298 (O 2 , газ) = 0, Q 0 обр,298 (C, тв., графит) = 0. Например . Запишите термохимическое уравнение образования сульфата меди(II). Из справочника Q 0 обр,298 (CuSO 4 ) = 770 кДж/моль. Cu (тв.) + S (тв.) + 2O 2 (г.) = CuSO 4 (тв.) + 770 кДж. Замечание : термохимическое уравнение можно записать для любого вещества, однако надо понимать, что в настоящей жизни реакция происходит совершенно по-другому: из перечисленных реагентов образуются при нагревании оксиды меди(II) и серы(IV), но сульфат меди(II) не образуется. Важный вывод: термохимическое уравнение – модель, которая позволяет производить расчеты, она хорошо согласуется с другими термохимическими данными, но не выдерживает проверки практикой (т.е. неспособна правильно предсказать возможность или невозможность реакции).
Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Уточнение . Для того, чтобы не вводить Вас в заблуждение, сразу добавлю, что химическая термодинамика может предсказывать возможность / невозможность реакции , однако для этого требуются более серьезные «инструменты», которые выходят за рамки школьного курса химии. Термохимическое уравнение по сравнению с этими приемами – первая ступенька на фоне пирамиды Хеопса – без него не обойтись, но высоко не подняться. Пример 2 . Вычислите тепловой эффект конденсации воды массой 5,8г. Решение . Процесс конденсации описывается термохимическим уравнением H 2 O (г.) = H 2 O (ж.) + Q – конденсация обычно экзотермический процесс Теплота конденсации воды при 25 o C 37 кДж/моль (справочник).
| Количество вещества ν = | m | = | 5,8 | = 0,32 моль |
| M | ||||
| 18 | ||||
Следовательно, Q = 37 × 0,32 = 11,84 кДж. В 19 веке русским химиком Гессом, изучавшим тепловые эффекты реакций, был экспериментально установлен закон сохранения энергии применительно к химическим реакциям – закон Гесса . Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса и определяется только разностью конечного и начального состояний. С точки зрения химии и математики данный закон означает, что мы вольны для расчета процесса выбрать любую «траекторию расчета», ведь результат от нее не зависит. По этой причине очень важный закон Гесса имеет невероятно важное следствие закона Гесса . Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов). С точки зрения здравого смысла данное следствие соответствует процессу, в котором сначала все реагенты превратились в простые вещества, которые затем собрались по-новому, так что получились продукты реакции.
В форме уравнения следствие закона Гесса выглядит так Уравнение реакции: a 1 A 1 + a 2 A 2 + … + a n A n = b 1 B 1 + b 2 B 2 + … b При этом a i и b j – стехиометрические коэффициенты, A i – реагенты, B j – продукты реакции. Тогда следствие закона Гесса имеет вид Q = ∑ b j × Q обр 0 ,298
Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Поскольку стандартные теплоты образования многих веществ а) сведены в специальные таблицы или б) могут быть определены экспериментально, то становится возможным предсказать (рассчитать) тепловой эффект очень большого количества реакций с достаточно высокой точностью. Пример 3 . (Следствие закона Гесса). Рассчитайте тепловой эффект паровой конверсии метана, происходящей в газовой фазе при стандартных условиях: CH 4 (г.) + H 2 O (г.) = CO (г.) + 3 H 2 (г.) Определите, является ли данная реакция экзотермической или эндотермической? Решение: Следствие закона Гесса
| Q = 3 Q 0 | ( H | , г ) + Q 0 | ( CO , г ) − Q 0 | ( CH | , г ) − Q 0 | ( H | O , г ) — в общем виде. | ||
| обр ,298 | 2 | обр ,298 | обр ,298 | 4 | обр ,298 | 2 | |||
| Q обр 0 | ,298 ( H 2 , г ) = 0 | — простое вещество в стандартном состоянии | |||||||
Из справочника находим теплоты образования остальных компонентов смеси.
| Q 0 | ( H | O , г ) = 241,8 | кДж | , Q 0 | ( СO , г ) = 110,5 | кДж | , Q 0 | ( CH | , г ) = 74,6 | кДж | . |
| обр ,298 | 2 | моль | обр ,298 | моль | обр ,298 | 4 | моль | ||||
Подставляем значения в уравнение Q = 0 + 110,5 – 74,6 – 241,8 = -205,9 кДж/моль, реакция сильно эндотермична. Ответ: Q = -205,9 кДж/моль, эндотермическая Пример 4. (Применение закона Гесса). Известны теплоты реакций C (тв.) + ½ O (г.)= CO (г.) + 110,5 кДж 2 С (тв.) + O 2 (г.) = CO 2 (г.) + 393,5 кДж Найти тепловой эффект реакции 2CO (г.) + O 2 (г.) = 2CO 2 (г.). Решение Умножим первое и второе уравнение на 2 2C (тв.) + O 2 (г.)= 2CO (г.) + 221 кДж 2С (тв.) + 2O 2 (г.) = 2CO 2 (г.) + 787 кДж Вычтем из второго уравнения первое O 2 (г.) = 2CO 2 (г.) + 787 кДж – 2CO ( г.) – 221 кДж, откуда 2CO (г.) + O 2 (г.) = 2CO 2 (г.) + 566 кДж Ответ: 566 кДж/моль. Замечание: При изучении термохимии мы рассматриваем химическую реакцию извне (снаружи). Напротив, химическая термодинамика – наука о поведении химических систем – рассматривает систему изнутри и оперирует понятием «энтальпии» H как тепловой энергии системы. Энтальпия, таким
Источник
5.3. Тепловой эффект химической реакции. Термохимия. Закон Гесса
Все химические процессы сопровождаются тепловыми эффектами.
Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, выделяемая или поглощаемая в результате превращения исходных веществ в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.При этом единственной работой является работа расширения, а исходные вещества и продукты реакции должны иметь одинаковую температуру.
Независимость теплоты химической реакции от пути процесса при р = constи Т =const(A=pV) впервые была установлена в 1836 г. русским ученым Г.И. Гессом. Эта закономерность известна как закон Гесса: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее протекания, а зависит лишь от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции.
Закон составляет теоретическую основу термохимии, т.е. раздела химической термодинамики, в котором вычисляются тепловые эффекты различных физико-химических процессов: химических реакций, фазовых переходов, процессов растворения и кристаллизации и т. д.
Следует помнить, что все термохимические расчеты проводятся при стандартных условиях: Т = 298 К (25 0 С), р = 101,3 кПа (1 атм.),например:Н 0 298– стандартная энтальпия.
В термохимии уравнение химической реакции записывается с указанием теплового эффекта реакции (энтальпии) и агрегатного состояния веществ. Эти уравнения называют термохимическими уравнениями:
В термодинамике принято:
в эндотермических процессах теплота поглощается, для них Н > 0 иU > 0 (теплосодержание и внутренняя энергия системы возрастают).
В термохимических расчетах широко используются три следствия из закона Гесса.
Первое следствие:тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком:Нпр.= -Нобр.
Второе следствие:тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот (энтальпий) сгорания исходных веществ и суммой теплот (энтальпий) сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов веществ, участвующих в процессе:
где i– стехиометрический коэффициент дляi-того вещества в уравнении реакции, ∆Нсг i– теплота (энтальпия) сгоранияi-того вещества.
Теплота (энтальпия) сгорания – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании одного моля вещества до высших окислов при данных условиях (р, Т). Численные значения теплот сгорания определяются по справочным изданиям.
Третье следствие:тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот (энтальпий) образования продуктов реакции и суммой теплот (энтальпий) образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов веществ, участвующих в процессе:
где i– стехиометрический коэффициент дляi-того вещества в уравнении реакции, ∆Нобр. i– теплота (энтальпия) образованияi-того вещества.
Под теплотой (энтальпией) образования понимается тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ (измеряется в кДж/моль). Обычно используют стандартные энтальпии образования; их обозначаютН 0 обр,298 илиН 0 f,298 (часто один из индексов опускают и обозначают, например,Н 0 298). Стандартные энтальпии простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (газообразный кислород, жидкий бром, кристаллический йод, ромбическая сера, графит и т.д.) принимаются равными нулю. Численные значения теплот (энтальпий) образования определяются по справочникам.
Источник