Тепловой эффект реакции.

Энергетический эффект хим. процесса возникает за счет изменения в системе внутренней энергии U. Внутренняя энергия системы складывается из энергии движения и взаимодействия составляющих её частиц (молекул, атомов, ядер, ё-нов).

Предположим, что некоторая система за счёт поглощения теплоты Q переходит из состояния 1 в состояние 2. Эта теплота расходуется на изменение внутренней энергии системы U и на совершение работы против внешних сил A:

Q= Δ U+A – закон сохранения энергии.

Внутренняя энергия является функцией состояния вещества и зависит только от параметров состояния.

Δ U=Q-A – первый закон термодинамики.

Под работой против внешних сил подразумевается работа против внешнего давления P. Она равна произведению давления Р на изменение объёма системы V:

А=р(V₂-V₁)=p Δ V; Q= Δ U+p Δ V

Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении (изобарными) или при постоянном объёме (изохорными).

При изохорном процессе (V=const), переходу системы из состояния 1 в состояние 2 отвечает равенство:

Q_V=U₂-U₁= Δ U (Δ V=0)

При изобарном процессе (Р=const) тепловой эффект:

Q_P=(U₂-U₁)+p(V₂-V₁)

Или Q_Р=(U₂+pV₂)-(U₁+pV₁)

Обозначим U+pV=H, тогда

Q_Р=H₂-H₁= Δ H

Величину Н называют энтальпией. Энтальпия - функция состояния вещества, т.е. она определяется химической природой вещества, его фазовым состоянием и параметрами состояния (температурой и давлением).

Величину Δ Н называют изменением энтальпии в процессе или тепловым эффектом процесса, но часто используют сокращенные названия: теплота или энтальпия процесса.

Для того чтобы можно было сравнивать энергетические эффекты различных процессов, расчёты относят 1 моль вещества и условиям, принятым за стандартные: давление 101, 3 кПа и температура 298, 15 К. (Δ Н^о₂₉₈)- стандартная величина или Δ Н^о. Единица энтальпии в СИ Дж (кДж).

Если в химическом уравнении кроме реагентов, продуктов указывается тепловой эффект, то уравнение называется термохимическим.

С_(Г)+Н₂О=СО_(Г)+Н_2(Г), Δ Н^о=+132 кДж

2С_(Г)+О_(Г)=2СО_(Г), Δ Н^о=-220 кДж

Если Δ Н< 0, то реакция является экзотермической, (тепло выделяется)

Если Δ H> 0, то реакция является эндотермической. (тепло поглощается)

Термохимические расчёты проводят, используя энтальпии (теплоты) образования веществ.

Энтальпия реакции образования многоэлементного соединения из простых веществ, отнесённая к 1 моль продукта реакции, называется энтальпией образования вещества.

Единица энтальпии образования вещества в СИ Дж/моль (кДж/моль).

Пример:

1)Энтальпия образования газообразного диоксида углерода равна

Δ Н^о_СО2=-393 кДж/моль, т.к.

С_(Г)+О_2(Г)=СО_2(Г); Δ Н^о=-393 кДж,

т.е. при образовании 1 моль СО₂ по этой реакции выделяется во внешнюю среду теплота, равная 393 кДж.

2)Из термохимического уравнения реакции

2N_2(Г)+5O_2(Г)=2N₂O₅; Δ H^о=+22 кДж

следует, что Δ Н^о_N2O5=+22/2 (моль)=+11 кДж, т.е. при образовании 1 моль N₂O₅ в этой реакции из внешней среды в систему передаётся теплота, равная 11 кДж.

Энтальпия образования простых веществ принята равной нулю.

Закон Гесса.

В основе закона термохимических расчётов лежит закон Гесса: (1840 г., русский учёный Г.И.Гесс)

Тепловой эффект не зависит от пути, по которому проходит процесс, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Пример: реакция окисления графита кислородом может быть осуществлена или прямо до СО₂, или с промежуточным образованием СО и последующим его окислением:

1) С_{(графит)}+1/2 О_2(г)=СО_(г), Δ Н^о₁=-110 кДж

+ +

2)СО_(г)+1/2 О_2(Г)=СО_2(г) Δ Н^о₂ =-283 кДж

3)С_{(графит)}+О_2(г)=СО_2(г) Δ Н^о₁ + Н^о₂=-393 кДж

Δ Н^о₃=-393 кДж

Следствие из закона Гесса:

Закон Гесса применяют для расчёта тепловых эффектов любых реакций, если известны энтальпия образования всех реагентов и продуктов реакции.

Согласно этого закона тепловой эффект реакции представляет собой разность между суммой энтальпии образования продуктов реакции суммой энтальпии образования исходных веществ:

Δ Н^о= Σ nΔ Н^о_прод.- Σ n Δ Н^о_{исх.в.в.}, где n – стехиометрические количества веществ.

С помощью термохимических расчётов можно определить энергию химических связей, энергии кристаллических решёток, теплоты растворения и гидратации, тепловые эффекты фазовых превращений и т.д.