Что такое ТЕРМОХИМИЯ

Термохимия — это часть физической химии, которая занимается тепловыми эффектами химических реакций и физических превращений.

Любая химическая реакция сопровождается поглощением или выделением теплоты — тепловым эффектом. Термохимическиминазываются такие уравнения химических реакций, в которых наряду с формулами веществ, участвующих в реакции, указывается тепловой эффект реакции.

В качестве примера приведем реакцию спиртового брожения глюкозы — одну из основных в винодельческой технологии; эту реакцию можно представить следующим образом:

С6H12O6(тв) →2 С2H5OH(ж)+2СO2(г); ∆H⁰= - 71,56 кДж/моль

где ∆H — тепловой эффект реакции в изобарно — изотермических условиях; тв., ж., г. — соответственно твердое, жидкое и газообразное агрегатное состояния.

Тепловой эффект реакции — это максимально возможное количество теплоты, которое может выделиться или поглотиться в ходе данного процесса.

Тепловой эффект реакции не зависит от пути протекания, а определяется начальным и конечным состояниями процесса.

 

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ РЕАКЦИЙ

ПРИ ИЗОБАРНОМ И ИЗОХОРНОМ ПРОЦЕССЕ

В большинстве химических превращений единственным видом работы является работа расширения

W=p∆V; δW=pdV

Q=∆U+ p∆V; δQ=dU+ pdV

Все химические процессы протекают при постоянном давлении или объеме.

1. Изохорные условия V= const

W = p∆V;

δW=pdV;

δQ = ∆U + p∆V; т.к V=const, то p∆V=0

δQ = ∆U

Теплота изохорного процесса равна изменению внутренней энергии.

2. Изобарные условия P= const

H = U + p∆V;

dH = dU + pdV + Vdp; т.к P=const, то Vdp =0;

δQ = ∆U + p∆V;

δQ = ∆H

Теплота изобарного процесса равна изменению энтальпии.

При постоянном давлении или объеме теплота Q приобретает свойства функции состоянии.

СВЯЗЬ МЕЖДУ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ ВЕЛИЧИНАМИ

ИЗОБАРНЫХ И ИЗОХОРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Различие между теплотой изобарного и изохорного процессов наблюдается только в том случае, когда осуществляется изменением объема системы.

Для конденсированных сред (жидкость, твердое тело) различие между ∆H и ∆U несущественно — или обычно пренебрегают

В газовой среде в результате химической реакци может измениться число молей на величину ∆n=nk-nн, где nk, nн - число молей продуктов реакции (конечных) и исходных (начальных) веществ соответственно. При постоянной температуре pV есть величина постоянная, и для n молей ее можно выразить через уравнение состояния или уравнения Менделеева-Клапейрона: pV= nRT

Для химических реакций: ∆(pV)=(nk-nн) RT=∆nRT

∆U=∆H-∆nRT

dU=dH-∆nRT

сопоставим с уравнением dU=δQ-δW и с уравнением δQ=dH, получаем δW=∆nRT, т.е. работу изобарно-изотермического процесса можно определить из уравнения состояния.

Таким образом, внутреннюю энергию и энтальпию можно связать между собой и выразить тепловые эффекты процесса через ∆U, если известна ∆H, и наоборот.

Уравнение ∆H—∆U=∆nRT определяет соотношение между внутренней энергией и энтальпией, зависящее от изменения числа молей в процессе реакции:

При ∆n˃0 ∆H˃∆U, изменение энтальпии больше изменения внутренней энергии, поскольку ∆H учитывает работу, противодействующую окружающей среды;

При ∆n˂0 ∆H˂∆U, возникают ситуация, обратная предыдущей;

При ∆n=0 ∆H=∆U,т.е. тепловой эффект процесса, выраженный через энтальпию и внутреннюю энергию, в изобарных и изохорных условиях один и тот же.

где R= 8,314 [Дж/ (моль*К)]; Т- тем-ра [К];

Напр.: C2H2(г) + 2H2(г) → C2H6(г)

∆n = n(C2H6) —[ n(C2H2) + n(H2) ] = 1— [1+2]= -2

Для конденсированных систем( жидких, твердых) ∆n = 0

 

ЗАКОН ГЕССА

Определить тепловой эффект реакции можно по закону Гесса, который формулируется следующим образом:

при постоянном давлении или объеме тепловой эффект химической реакции зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути перехода.

В общем виде закон Гесса можно представить в виде схемы. Через 1 и 2 обозначим соответственно исходное (до хим. реакции) и конечное (после реакции) состояние системы, тепловой эффект этой реакции будет ∆H. Однако кроме кратчайшего пути реакции из состояния 1 в состояние 2 можно перейти через ряд промежуточных стадий.

Тогда ∆H= ∆H1+∆H2+∆H3++∆Hк.

При постоянном давлении изменение теплоты выражается через ∆H. При постоянном объеме — через ∆U.

∆U=∆U1+∆U2+∆U3++∆Uк

 

Закон Гесса используют для различных термохимических расчетов. Он позволяет вычислить тепловые эффекты процессов в отсутствии экспериментальных данных и в тех случаях, когда нельзя получить их в нужных условиях (при изменении температуры и давления, например).

Существует три способа расчета теплового эффекта:

1. По термохимическим уравнениям:

Для примера возьмем реакцию окисления углерода кислородом до моно оксида углерода:

Cграфит + 1/2 O2 → CO(г) ∆H-?

Пусть известны две термохимические реакции:

Вычтем одно уравнение из другого и получим:

Cграфит + 1/2 O2 → CO(г) ∆H-?

Тепловой эффект этой реакции равен: ∆H=∆H1—∆H2

2. По термохимическим схемам:

Любую химическую реакцию можно представить в виде схемы. Возьмём ту же реакцию: Cграфит + 1/2 O2 → CO(г) ∆H-?

Окисление углерода кислородом происходит по следующей схеме:

Тогда окисление углерода до СО2 будет происходить с тепловым эффектом ∆H1, который равен: ∆H1=∆Hх+H2, отсюда искомый тепловой эффект реакции окисления углерода до монооксида углерода равен: ∆Hх=∆H1—∆H2

3. Расчет по табличным данным;

а) Теплоты образования ∆H°f,298(образования);

б) Теплоты сгорания ∆H°c,298(сгорания);

в) По теплотам атомизации (энергия связи).

Рассмотрим подробнее третий способ.

Определение тепловых эффектов по теплоте образования и сгорания (следствие из закона Гесса).

а) Теплота образования — это тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых соединений в стандартных условиях. ∆H°f,298 или ∆H°обр,298.

Например, соединение сульфат алюминия Al2(SO4)3 образуется из простых веществ:

2Al (тв.) + 3S (ромб.) + 6O2 (г.) = Al2(SO4)3(тв.) ∆H°f,298= - 2273 кДж/моль.

Теплоты образования простых веществ равны = 0 (Напр.: Fe,Al и др.)

Стандартное состояние вещества относится к чистому веществу, находящемуся в точно определенном состоянии (твердом, жидком, газообразном). Символы термодинамических функций в стандартном состоянии обозначают с верхним индексом «градус», например ∆H°, ∆U°. Стандартные условия: Т= 298,15 К (25°С); Р= 1,013*105 Па (1атм).

Для определения теплового эффекта в термохимических уравнениях по теплотам образования пользуется первым следствием из закона Гесса:

тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты образования продуктов и теплоты образования исходных веществ, взятых с учетом стехиометрических коэффициентов.

Представим это следствие в общем виде:

aA + bB = cC + dD, где A,B — исходные вещества; C, D — конечные продукты; a, b, c, d — стехиометрические коэффициенты.

Таким образом, чтобы рассчитать тепловой эффект реакции, нужно знать теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции. Их находят либо расчетным путем, либо по табличным данным. В настоящее время известны теплоты образования более 4000 различных веществ. Это дает возможность чисто расчетным путем, не прибегая к дорогостоящим и не всегда доступным непосредственным изменением, определить тепловые эффекты десятков тысяч реакций между веществами, чьи образования известны.

Пример. Используя табличные сведения о стандартных теплотах образования, рассчитайте тепловой эффект реакции гидрирования пропена:

CH2=CH—CH3 + H2 → CH3—CH2—CH3, ∆H°-?

 

б) Теплоты сгорания — это тепловой эффект реакции сгорания 1 моль вещества в кислороде, до образования высших оксидов при стандартных условиях. ∆H⁰c и ∆H⁰cг.

Например: C5H12(г) + 8O2(г) = 5CO2(г) + 6H2O (ж)

∆H⁰c= - 3536,15 кДж/моль

Теплоты сгорания высших оксидов = 0

В этом случае ипользуется II следствие из закона Гесса:

тепловой эффект химической реакции равен разности сумме теплот сгорания исходных веществ и теплот сгорания продуктов реакции, взятых с учетом стехиометрических коэффициентов.

aA + bB = cC + rR

Значение теплоты сгорания используют для определения тепловых эффектов реакций главным образом органических соединений.

Термин «теплота сгорания» применительно к топливу характеризует количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива в кислороде. Её также называют теплотворной способностью топлива, или калорийностью.

По известной теплоте сгорания можно определить теплоту образования и наоборот.

Пример. Известна теплота сгорания бензола

Если определить тепловой эффект этой реакции по теплоте образования, получим:

 

Отсюда следует ,

в) Расчет теплового эффекта по энергии связи. Данный способ является очень приблизительным методом расчета тепловых эффектов.

Энергией связи называется количество энергии, выделяющееся при образовании одного моля данного вещества из свободных атомов элементов. Энергия обратного процесса называется энергией атомизации.

Для двухатомных молекул энергия связи численно равна их атомной энергии образования, взятой с обратным знаком.

H(г) + Cl(г) = HCl(г∆H°обр,298.= - 427,5 кДж/моль

 

ЕH-Cl = - ∆H°обр.= 427,5 кДж/моль.

Пример: Вычислить тепловой эффект реакции:

(CH3)2C=O(г) + HCN(г) → (CH3)2C(OH)(CN)(г)

Связи разрываются Образуются

ЕCЕО-H

ЕH-C ЕC-C

ЕC-O

Если известны стандартные энергии связей ( в кДж/моль): ЕC= 743, ЕH-C =412, ЕC-O= =360, ЕC-C = 348, ЕО-H =463.

∆H⁰ = (ЕC+ ЕH-C ) — ( ЕО-H + ЕC-C + ЕC-O) = (743+412) — (463-348+360) = -16 кДж/моль.

 

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Расчет шпоночных соединений | Сложная теплопередача.


Дата добавления: 2017-09-01; просмотров: 107; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2017 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.015 сек.