Термохимия – это раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций.

Закон Гесса является основным законом термохимии (1840 г.):

Тепловой эффект химической реакции не зависит от механизма протекания реакции, а зависит лишь от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции (при условии V=const; P=const).

Проиллюстрируем данное утверждение на примере.

Димер оксида азота (IV) может быть получен несколькими способами.

Во-первых, 1) N₂ + O₂ = 2NO, DH₁= 180900 Дж/моль;

2) 2NO + O₂ = 2NO₂, DH₂= -77100 Дж/моль;

3) 2NO₂ = N₂O₄, DH₃=-10800 Дж/моль.

Или, во-вторых,

4) N₂+ 2O₂ = N₂O₄, DH₄=93000 Дж/моль.

DH₁ + DH₂ + DH₃ = DH₄.

Более наглядно графическое выражение этих процессов:

Рис.6

Поскольку в определение энтальпии входит внутренняя энергия, то абсолютное значение энтальпии системы (или какого-либо вещества) неизвестно. Поэтому энтальпию вещества характеризуют энтальпиями образования и сгорания.

DН⁰₂₉₈₍обр₎(стандартная энтальпия образования) – это теплота реакции образования вещества (Х) из простых веществ (или элементов) при стандартных условиях: простые вещества ® Х.

Для простых веществ DН⁰_обр равно нулю (в устойчивых агрегатных состояниях).

DН⁰_сг (стандартная энтальпия сгорания) – теплота реакции сгорания вещества до оксидов (с максимальной степенью окисления) при стандартных условиях: Х + О₂ ® оксиды (с максимальной степенью окисления).

Значения DН⁰_обр и DН⁰_сг содержатся в справочных таблицах.

Энтальпии многих реакций не поддаются экспериментальному определению, так как их проведение в лабораторных условиях невозможно. Например, в лабораторных условиях невозможно определить энтальпию образования этанола, так как его невозможно синтезировать из атомов С, Н, О. Энтальпии подобных реакций могут быть вычислены по известным энтальпиям других реакций с помощью одного из следствий закона Гесса.

Следствия из закона Гесса:

Тепловой эффект химической реакции может быть найден, как разность между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов.

DН_х.р. = SDН⁰_.298(обр) продуктов реакции – SDН⁰_298(обр) исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов.

Тепловой эффект химической реакции может быть найден, как разность между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции, с учетом стехиометрических коэффициентов.

DН_х..р. = SDН⁰_{298(сгор)} исходных веществ– SН⁰_{298(сгор)} продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов.

S - греческая буква сигма, обозначающая математическую операцию суммирования.

Задача: Определить стандартную энтальпию образования DН⁰_обр (РН₃), исходя из уравнения.

2РН₃(г) + 4О₂(г) = Р₂О₅(к) + 3Н₂О (ж), DН_х.р= -2360 кДж.

Решение:

DН_{х. р.} = [DН⁰_обр (Р₂О₅(к)) +3DН⁰_обр (Н₂О (ж))] - 2DН⁰_обр (РН₃);

2DН⁰_обр (РН₃)= [DН⁰_обр (Р₂О₅(к))+3DН⁰_обр (Н₂О (ж))] - DН⁰_{х. р.},

DН⁰_обр (Р₂О₅(к)) = -1492 кДж/моль, DН⁰_обр (Н₂О (ж)) = -285,8 кДж/моль.

2DН⁰_обр (РН₃)= [(-1492 + 3(-285,8))] – (-2360)= 10.6 кДж/моль.

DН⁰_обр (РН₃)= 10,6/2=5,3 кДж/моль.

(т) - твердое агрегатное состояние, (ж)-жидкое агрегатное состояние, (г)- газообразное агрегатное состояние.

Не только химические, но и физико-химические процессы могут сопровождаться выделением или поглощением теплоты.

Растворение веществ.

Если вещество находится в твердом состоянии, то процесс можно представить в две стадии:

Вещество с кристаллической структурой

DН⁰_кр

молекулы сольватированные молекулы

DН⁰_сольв.

На первой стадии разрушается кристаллическая решетка, обычно это эндотермический процесс (DН⁰_кр>0). На второй – происходит сольватация (гидратация, если растворитель вода) молекул вещества, это экзотермический процесс (DН⁰_сольв<0). Результирующая теплота растворения DН⁰_раств = DН⁰_кр + DН⁰_сольв может иметь как положительный, так и отрицательный знак.

При растворении газов отсутствует стадия разрушения кристаллической решетки. Остается экзотермическая сольватация. Поэтому растворение газов, как правило, экзотермично.

При растворении кристаллогидратов отсутствует стадия сольватации. Остается лишь эндотермическое разрушение кристаллической решетки. Процесс идет с поглощением теплоты.

В качестве примера рассмотрим:

1.Растворение безводной соли CuSO₄ (т) сульфата меди:

CuSO₄(т) ® CuSO₄(ж)® CuSO₄ ^. 5 H₂O.

DН⁰_кр = +11,7 кДж/моль; DН⁰_сольв = -78,2 кДж/моль;

DН⁰_раств = 11,7 – 78,2 = -66,5 кДж/моль

2.Растворение кристаллогидрата CuSO₄ ^. 5 H₂O

1. CuSO₄ ^. 5 H₂O (т) ® CuSO₄ ^. 5 H₂O (ж)

DН⁰_раств = DН⁰_кр = +11,7 кДж/моль.

Реакция нейтрализации.

Сильные кислоты и основания в растворе диссоциированы полностью, и поэтому теплота реакции нейтрализации (не зависимо от природы реагирующих веществ) одна и та же.

Рассчитаем ее:

Н⁺ (ж) + ОН^- (ж) ® Н₂О (ж)

DН⁰_обр. кДж/моль 0 -230 -285.8

DН⁰_нейтр. = -285.8 + 230 = -55.8 кДж/моль.

Если же в подобной реакции участвует слабый электролит, то процесс можно записать в две стадии:

ОН^-

НА ® Н⁺ + А^- ® А^- + Н₂О

DН⁰_дис.DН⁰_нейтр.

Первая стадия – это ионизация слабого электролита. Она обычно является эндотермической, когда для полной ионизации всех молекул слабого электролита требуется передать веществу теплоту. И чем слабее кислота, тем больше надо теплоты.

Итак, в реакции нейтрализации, идущей с участием слабого электролита, результирующее выделение энергии оказывается меньше, чем в случае сильного электролита.

<6 7 8910 11 12 >

Дата добавления: 2020-04-12; просмотров: 409;