Тепловые эффекты химических реакций. Термохимические уравнения.

Вариант 2.

Вариант 1.

Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал).

Энтропия.

Закон Гесса.

Тепловые эффекты химических реакций. Термохимические уравнения.

Закон сохранения энергии.

Энергетика и направленность химических процессов

Лекция

 

Термодинамика представляет собой научную дисциплину, которая изучает: 1) переход энергии из одной формы в другую, от одной части системы к дру­гой; 2) энергетические эффекты, сопровождающие химические и физические процессы; 3) возможность и направление самопроизвольного протекания про­цессов.

Термодинамика является тео­ретической основой современной неорганической химии.

 

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии.

Этот закон выражается равенством

Q = DU + A,

которое означает, что если к системе (веществу или совокуп­ности веществ) подводится теплота Q, то в общем случае она расходуется на изменение внутренней энергии DU и на соверше­ние работы А.

Под внутренней энергией системы U подразуме­вается общий ее запас (включая энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электро­нов в атомах, внутриядерную энергию и т. д., т. е. все виды энергии, кроме кинетической энергии системы как целого и ее потенциальной энергии).

Под работой А имеют в виду работу против всех сил, дейст­вующих на систему (внешнее давление, электрическое или маг­нитное поле и т. д.).

В лабораторной практике чаще всего имеют дело с изобарными процессами (р = const).Это все процессы протекающие при атмосферном давлении.

Работа, производимая в изобарномпроцессе (р = const), равна

A = p(V₂-V₁) = pDV,

где DV - изменение объема системы в процессе.

 

 

Для системы, в которой осуществляется химическая реакция, величина DV равна разности между суммарными объемами про­дуктов реакции и исходных веществ. Так, в результате, хими­ческого процесса, записанного в общем виде (заглавные буквы - вещества, строчные - коэффициенты)

аА + вВ + ... = dD + eE +...

изменение объема системы составит

DV = S V_кон - SDV_{нач =} (dV_D + eV_E + ...) - (aV_A + bV_B + ...),

где Vа, Ув, ..., Vd, V_E - мольные объемы веществ А, В, ...,D, E ...

 

Тогда, применительно к изобарному процессу закон сохранения энергии запишется так:

Q_p = (U₂ + pV₂) - (U₁ + pV₁).

Сумму внутренней энергии и произведения объема вещества на внешнее давление называют энтальпией (эту величину обоз­начают буквой H):

H = U + pV

Энтальпию можно рассматривать как энергию расширенной системы. Это теплотосодержание вещества.

Энтальпия, подобно объему, давлению, температуре и внут­ренней энергии, является характеристикой состояния системы. Научное и практическое значение имеет изменение энтальпии в ходе процесса, т. е. разность DН = Н₂ - Н₁ (абсолютные зна­чения Н неизвестны, так как точно не известна величина внут­ренней энергии U).

При изохорном процессе (V = const), (например, реакции, протекающие в автоклавах), поскольку изменения объема системы не происходит, то А = 0. Тогда переходу системы из состояния 1 в состояние 2 отвечает равенство: Qv = U₂ - U₁ = DU. Таким образом, если химическая реакция протекает при постоянном объеме, то выделение или поглощение теплоты Qv связано с изменением внутренней энергии системы.

Химические процессы протекают либо с выделением, либо с по­глощением теплоты: первые называются экзотермическими, вто­рые - эндотермическими. Количество выделенной (или поглощен­ной) теплоты называют тепловым эффектом процесса.

Изучением тепловых эффектов химических процессов занимается термо­химия.

Почти все процессы протекают или при постоянном объеме, т. е. в закрытом сосуде, например в автоклаве, или при постоянном давлении, т. е. в открытом сосуде, например в кол­бе, причем подавляющее большинство процессов проводится при р= const. Изобарный режим (как правило, р = 101кПа) наибо­лее типичен для лабораторных и промышленных процессов. По­этому обычно рассматривают тепловой эффект при р, Т = const. т. е. энтальпию процесса DН, характеризующую “теплоспособность системы” в данном процессе.

Тепловой эффект изобарного процесса (р = const):

Q_p = DН

Тепловой эффект изохорных процессов (V = const) равен:

Qv = DU.

Из приведенных уравнений видно, что Qp ¹ Qv, таким образом, тепловой эффект реакции зависит от условий ее протекания.

Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции при постоянных давлении и температуре (DН процесса), называются термохимическими. Тепловой эффект DН считают по­ложительным для эндотермических процессов и отрицательным для экзотермических.

 

Значение DН реакции (в кДж) записывают после уравнения реакции (через точку с запятой), при этом значение DН относят к числу молей веществ, участ­вующих в реакции, которое указывают стехиометрическими коэф­фициентами, они бывают не равны 1 и дробными (поэтому слово “моль” в единицах энтальпии кДж/моль опускают). Кроме того, в термохимических уравнениях отмечают состояние веществ: (к) - кристаллическое, (ж) - жидкое, (r) - газообразное, (р) - растворенное.

Если спе­циально не оговорено, то энтальпия реакции приводится для стандартной температуры 25 ⁰С (298,15 К) и стандартного дав­ления 101 кПа (1 атм), т. е. указывается стандартная энталь­пия DН°. В термохимических уравнениях между системами реа­гентов и продуктов реакции ставят знак равенства (а не стрелку).

1/2Н₂(г) + 1/2Сl₂(г) = НСl(г); DН⁰ = -92 кДж

Изменение энтальпии DН может быть найдено не только для химических реакций, но и для других процессов, в частности, для фазовых переходов.

Фаза - однородная, т. е. имеющая оди­наковые состав и свойства во всех своих точках часть системы, отделенная от других частей поверхностями раздела. Например, в растворе с осадком имеют­ся две фазы: твердая - осадок и жидкая - раствор.

К фазовым переходам относятся такие про­цессы, как плавление, испарение, возгонка, и обратные Про­цессы - затвердевание, конденсация, сублимация, а также пе­реход кристаллического вещества в другую форму.