Топлинен ефект на химическа реакция. Енталпия. Законът на Хес. Приложения на закона на Хес. Какъв е топлинният ефект на реакцията

ТОПЛИНЕН ЕФЕКТ, топлина, отделена или погълната термодинамично. система, когато през нея протича химикал. области. Определя се при условие, че системата не извършва никаква работа (с изключение на възможна работа по разширяване), а t-ry и продуктите са равни. Тъй като топлината не е функция на състоянието, т.е. по време на прехода между състоянията зависи от пътя на прехода, тогава в общия случай топлинният ефект не може да служи като характеристика на конкретен район. В два случая безкрайно малко количество топлина (елементарна топлина) d Q съвпада с общия диференциал на функцията на състоянието: с постоянен обем d Q = = dU (U е вътрешната енергия на системата) и с постоянен d Q = dH (H - енталпия на системата).

Практически важни са два вида топлинни ефекти: изотермично-изобарен (при постоянни температури T и p) и изотермично-изохоричен (при постоянен T и обем V). Има диференциални и интегрални топлинни ефекти. Диференциалният топлинен ефект се определя от изразите:

където u i, h i -респ. частичен моларен екстр. енергия и ; v i -стехиометричен коефициент (v i > 0 за продукти, v i<0 для ); x = (n i - n i 0)/v i ,-хим. переменная, определяющая состав системы в любой момент протекания р-ции (n i и n i0 - числа i-го компонента в данный момент времени и в начале хим. превращения соотв.). Размерность дифференциального теплового эффекта реакции-кДж/ . Если u T,V , h T,p >0, ж.к ендотермичен, с обратен знак на ефекта - екзотермичен. Двата вида ефекти са свързани по:

Дадена е температурната зависимост на топлинния ефект, чието прилагане, строго погледнато, изисква познаване на частичните молари на всички вещества, участващи в разтвора, но в повечето случаи тези величини са неизвестни. Тъй като за процеси, протичащи в реални разтвори и други термодинамично неидеални среди, топлинните ефекти, подобно на други, значително зависят от състава на системата и експеримента. условия е разработен подход, който улеснява сравнението на различни области и таксономията на топлинните ефекти. Тази цел се обслужва от концепцията за стандартен топлинен ефект (обозначен). Под стандарт разбираме топлинен ефект, осъществяван (често хипотетично) при условия, когато всички субекти, участващи в района, са в дадените условия. Диференциал и интегралните стандартни топлинни ефекти винаги са числово еднакви. Стандартният топлинен ефект може лесно да се изчисли с помощта на таблици със стандартни топлини на образуване или топлини на изгаряне (виж по-долу). За неидеалните среди има голямо несъответствие между действително измерените и стандартните топлинни ефекти, което трябва да се има предвид при използване на топлинни ефекти в термодинамичните изчисления. Например, за алкален диацетимид [(CH 3 CO) 2 NH (sol) + H 2 O (l) = CH 3 SOKH 2 (sol) + CH 3 COOH (l) +] в 0,8 n. Воден разтвор на NaOH (58% тегловни) при 298 K измерен топлинен ефект DH 1 = - 52,3 kJ/. За същата област при стандартни условия се получава = - 18,11 kJ/. Толкова много означава. разликата се обяснява с топлинните ефекти, съпътстващи веществото в посочения разтвор (топлина). За твърда, течна оцетна киселина и топлина са равни съответно: D H 2 = 13,60; DH3 = - 48.62; D H 4 = - 0,83 kJ/, следователно = D H 1 - D H 2 - D H 3 + D H 4. От примерния изгледно че когато се изучават топлинните ефекти, е важно да се измерват топлинните ефекти на придружаващите ги физико-химични. процеси.

Изследването на топлинните ефекти е много важна задача. Основен нека експериментираме метод - калориметрия. Модерен Апаратурата позволява да се изследват топлинни ефекти в газова, течна и твърда фази, на повърхността на раздела, както и в сложни. системи. Диапазонът на типичните стойности на измерените топлинни ефекти е от стотици J/ до стотици kJ/. В табл дадени са калориметрични данни. измервания на топлинните ефекти на определени райони. Измерването на топлинни ефекти, разреждане и топлина позволява да се премине от реално измерени топлинни ефекти към стандартни.

Важна роля принадлежи на топлинните ефекти от два вида - топлината на образуване на съединението. от прости вещества и топлината на изгаряне на чисти вещества с образуването на висши елементи, от които се състои веществото. Тези топлинни ефекти се привеждат в стандартни условия и се представят в таблица. С тяхна помощ е лесно да се изчисли всеки термичен ефект; то е равно на алгебричното. сумата от топлините на образуване или топлините на изгаряне на всички вещества, участващи в процеса:

Приложение на таблични стойности позволяваизчисляване на топлинни ефекти мн.ч. хиляди рубли, въпреки че самите тези стойности са известни само за няколко. хиляди връзки. Този метод на изчисление обаче е неподходящ за райони с малки топлинни ефекти, тъй като изчислената малка стойност, получена като алгебрична количество няколко големи стойности, характеризиращи се с грешка, ръбове в абс. може да надхвърли топлинния ефект. Изчисляване на топлинните ефекти с помощта на количества въз основа на факта, че има държавна функция. Това прави възможно съставянето на термохимични системи. уравнения за определяне на топлинния ефект на необходимото решение (виж). Стандартните топлинни ефекти почти винаги се изчисляват. В допълнение към метода, обсъден по-горе, изчисляването на топлинните ефекти се извършва с помощта на температурната зависимост на -eq.

Всяка химическа реакция е придружена от освобождаване или поглъщане на енергия под формата на топлина.

Въз основа на отделянето или поглъщането на топлина те разграничават екзотермиченИ ендотермиченреакции.

Екзотермиченреакциите са реакции, по време на които се отделя топлина (+Q).

Ендотермичните реакции са реакции, по време на които се абсорбира топлина (-Q).

Топлинен ефект на реакцията (Q) е количеството топлина, което се отделя или абсорбира по време на взаимодействието на определено количество изходни реагенти.

Термохимичното уравнение е уравнение, което определя топлинния ефект на химическа реакция. Така например термохимичните уравнения са:

Трябва също да се отбележи, че термохимичните уравнения трябва задължително да включват информация за агрегатните състояния на реагентите и продуктите, тъй като стойността на топлинния ефект зависи от това.

Изчисления на топлинния ефект на реакцията

Пример за типичен проблем за намиране на топлинния ефект на реакция:

Когато 45 g глюкоза реагира с излишния кислород съгласно уравнението

C 6 H 12 O 6 (твърд) + 6O 2 (g) = 6CO 2 (g) + 6H 2 O (g) + Q

Отделена е 700 kJ топлина. Определете топлинния ефект на реакцията. (Напишете числото до най-близкото цяло число.)

Решение:

Нека изчислим количеството глюкоза:

n(C 6 H 12 O 6) = m (C 6 H 12 O 6) / M (C 6 H 12 O 6) = 45 g / 180 g/mol = 0,25 mol

Тези. Когато 0,25 mol глюкоза взаимодейства с кислорода, се отделя 700 kJ топлина. От термохимичното уравнение, представено в условието, следва, че взаимодействието на 1 мол глюкоза с кислорода произвежда количество топлина, равно на Q (термичен ефект на реакцията). Тогава следната пропорция е правилна:

0,25 mol глюкоза - 700 kJ

1 мол глюкоза - Q

От тази пропорция следва съответното уравнение:

0,25 / 1 = 700 / Q

Решавайки кое, намираме, че:

Така топлинният ефект на реакцията е 2800 kJ.

Изчисления с помощта на термохимични уравнения

Много по-често в USE задачи по термохимия стойността на топлинния ефект вече е известна, т.к. условието дава пълното термохимично уравнение.

В този случай е необходимо да се изчисли или количеството топлина, отделена/погълната с известно количество реагент или продукт, или, обратно, от известна стойност на топлината е необходимо да се определи масата, обема или количеството на вещество на всеки участник в реакцията.

Пример 1

Според уравнението на термохимичната реакция

3Fe 3 O 4 (тв.) + 8Al (тв.) = 9Fe (тв.) + 4Al 2 O 3 (тв.) + 3330 kJ

Образуват се 68 g алуминиев оксид. Колко топлина се е отделила? (Напишете числото до най-близкото цяло число.)

Решение

Нека изчислим количеството вещество алуминиев оксид:

n(Al 2 O 3) = m(Al 2 O 3) / M(Al 2 O 3) = 68 g / 102 g/mol = 0,667 mol

В съответствие с термохимичното уравнение на реакцията, когато се образуват 4 мола алуминиев оксид, се отделят 3330 kJ. В нашия случай се образува 0,6667 mol алуминиев оксид. След като обозначихме количеството отделена топлина в този случай с x kJ, създаваме пропорцията:

4 mol Al 2 O 3 - 3330 kJ

0,667 mol Al 2 O 3 - x kJ

Тази пропорция съответства на уравнението:

4 / 0,6667 = 3330 / х

Решавайки което, намираме, че x = 555 kJ

Тези. когато се образуват 68 g алуминиев оксид в съответствие с термохимичното уравнение в условието, се отделят 555 kJ топлина.

Пример 2

В резултат на реакция, чието термохимично уравнение

4FeS 2 (тв.) + 11O 2 (g) = 8SO 2 (g) + 2Fe 2 O 3 (тв.) + 3310 kJ

Отделена е 1655 kJ топлина. Определете обема (l) на отделения серен диоксид (бр.). (Напишете числото до най-близкото цяло число.)

Решение

В съответствие с термохимичното уравнение на реакцията, когато се образуват 8 мола SO 2, се отделя 3310 kJ топлина. В нашия случай се отделя 1655 kJ топлина. Нека количеството на образувания SO 2 в този случай е x mol. Тогава следната пропорция е справедлива:

8 mol SO 2 - 3310 kJ

x mol SO 2 - 1655 kJ

От което следва уравнението:

8 / x = 3310 / 1655

Решавайки кое, намираме, че:

По този начин количеството образувано вещество SO 2 в този случай е 4 mol. Следователно неговият обем е равен на:

V(SO 2) = V m ∙ n(SO 2) = 22,4 l/mol ∙ 4 mol = 89,6 l ≈ 90 l(закръглено до цели числа, тъй като това се изисква в условието.)

Могат да се намерят още анализирани проблеми върху топлинния ефект на химична реакция.

Всички химични процеси, както и редица физически трансформации на вещества (изпаряване, кондензация, топене, полиморфни трансформации и др.) Винаги са придружени от промяна във вътрешния енергиен резерв на системите. Термохимия е дял от химията, който изучава промяната в количеството топлина по време на процес. Един от основоположниците на термохимията е руският учен Г. И. Хес.

Топлинен ефект на химическа реакцияе топлината, която се отделя или абсорбира по време на химическа реакция. Стандартен топлинен ефект на химическа реакция е топлината, която се отделя или абсорбира по време на химическа реакция при стандартни условия. Всички химични процеси могат да бъдат разделени на две групи: екзотермични и ендотермични.

Екзотермичен- Това са реакции, при които се отделя топлина в околната среда. В този случай запасът от вътрешна енергия на изходните вещества (U 1) е по-голям от този на получените продукти (U 2). Следователно ∆U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.

ЕндотермиченТова са реакции, при които топлината се абсорбира от околната среда. В този случай запасът от вътрешна енергия на изходните вещества (U 1) е по-малък от този на получените продукти (U 2). Следователно ∆U > 0 и това води до образуването на термодинамично нестабилни вещества. За разлика от термодинамиката, в термохимията отделената топлина се счита за положителна, а погълнатата – за отрицателна. Топлината в термохимията се означава с Q. Единицата за топлина е J/mol или kJ/mol. В зависимост от условията на процеса се разграничават изохорни и изобарни топлинни ефекти.

Изохоричен (Q V)Топлинният ефект е количеството топлина, което се отделя или абсорбира по време на даден процес при постоянен обем (V = const) и равни температури на крайното и началното състояние (T 1 = T 2).

изобарен (Q p)Топлинният ефект е количеството топлина, което се отделя или абсорбира по време на даден процес при постоянно налягане (p = const) и равни температури на крайното и началното състояние (T 1 = T 2).

За течни и твърди системи промяната в обема е малка и може да се приеме, че Q p » Q V . За газови системи

Q р = Q V – ∆nRT, (4.3)

където ∆n е промяната в броя на моловете участници в газообразната реакция

∆n = ån прод. реакции – ån ref. вещества. (4.4)

Във всички случаи преобразуването на част от вътрешната (химическа) енергия в топлинна (или други видове) и обратно, топлинна в химическа, се извършва в строго съответствие със закона за запазване на енергията и първия закон на термодинамиката.

В термохимията е обичайна употреба термохимични уравнения Това са уравнения на химични реакции, в които изходните вещества са дадени от лявата страна на уравнението, а реакционните продукти плюс (или минус), топлинният ефект е показан отдясно, а агрегатното състояние на веществата и техните показани са и кристални форми. Например,

C графит + O 2 = CO 2 (g) + 393,77 kJ

H 2 + 1/2O 2 = H 2 O (l) + 289,95 kJ

C (диамант) + 2S (диамант) = CS 2 (g) – 87,9 kJ

С термохимичните уравнения можете да извършвате всички алгебрични операции: събиране, изваждане, умножение, прехвърляне на членове и др.

Топлинните ефекти на много химични и физични процеси се определят експериментално (калориметрия) или се изчисляват теоретично, като се използват стойностите на топлината на образуване (разлагане) и топлината на изгаряне на определени химични съединения.

Топлината на образуванена дадено съединение е количеството топлина, отделена или погълната, когато 1 мол от него се образува от прости вещества в kJ. Топлините на образуване на прости вещества, които са в стабилно състояние при стандартни условия, се приемат за нула. В реакциите

K (tv) + 1/2Cl (g) = KS1 (tv) + 442,13 kJ

C (tv) + 1/2H 2 (g) + 1/2N (g) = HCN (g) – 125,60 kJ

топлинните ефекти от 442,13 kJ и -125,60 kJ са топлината на образуване съответно на KCl и HCN. Топлина на разлагане на посочените съединения в прости вещества, съгласно закона за запазване на енергията, са равни по абсолютна стойност, но противоположни по знак, т.е. за KCl топлината на разпадане е -442,13 kJ, а за HCN е +125,60 kJ.

Колкото повече топлина се отделя по време на образуването на съединение, толкова повече топлина трябва да се изразходва за неговото разлагане и толкова по-силно е даденото съединение при нормални условия. Химически стабилни и издръжливи вещества са: SiO 2, A1 2 O 3, P 2 O 5, KCl, NaCl и др. Веществата, образувани при абсорбиране на топлина, са нестабилни (например NO, CS 2, C 2 H 2, HCN и всички експлозиви). Топлината на образуване на органични съединения не може да се определи експериментално. Те се изчисляват теоретично въз основа на стойностите на топлината на изгаряне на тези съединения, открити експериментално.

Топлина на изгарянее топлината, отделена при пълното изгаряне на 1 мол вещество в поток от кислород. Топлината на изгаряне се определя в калориметрична инсталация, основните части на която са: кислороден цилиндър, калориметрична бомба, калориметър с претеглено количество вода и бъркалка и електрическо запалително устройство.

Големината на топлинните ефекти на химичните реакции зависи от много фактори: естеството на реагиращите вещества, състоянието на агрегация на първоначалните и крайните вещества, условията на реакцията (температура, налягане, обем на системите, концентрация).

Топлинният ефект на химическа реакция или промяната в енталпията на система поради протичането на химическа реакция е количеството топлина, приписвано на промяната в химическа променлива, получена от системата, в която е протекла химическата реакция и реакцията продуктите поемат температурата на реагентите.

За да бъде топлинният ефект величина, която зависи само от естеството на протичащата химическа реакция, трябва да са изпълнени следните условия:

· Реакцията трябва да протича или при постоянен обем Q v (изохорен процес) или при постоянно налягане Q p (изобарен процес).

· В системата не се извършва никаква работа, с изключение на възможното разширение при P = const.

Ако реакцията се провежда при стандартни условия при T = 298,15 K = 25 ˚C и P = 1 atm = 101325 Pa, топлинният ефект се нарича стандартен топлинен ефект на реакцията или стандартна енталпия на реакцията ΔH r O. В термохимията стандартната топлина на реакцията се изчислява с помощта на стандартни енталпии на образуване.

Стандартна енталпия на образуване (стандартна топлина на образуване)

Стандартната топлина на образуване се разбира като топлинен ефект от реакцията на образуване на един мол вещество от прости вещества и неговите компоненти, които са в стабилни стандартни състояния.

Например стандартната енталпия на образуване на 1 мол метан от въглерод и водород е равна на топлинния ефект на реакцията:

C(tv) + 2H2 (g) = CH4 (g) + 76 kJ/mol.

Стандартната енталпия на образуване се обозначава с ΔHfO. Тук индексът f означава образуване, а зачеркнатият кръг, напомнящ диск на Плимсол, означава, че стойността се отнася за стандартното състояние на материята. В литературата често се среща друго обозначение за стандартна енталпия - ΔH 298.15 0, където 0 показва равенство на налягането на една атмосфера (или, малко по-точно, стандартни условия), а 298.15 - температура. Понякога индексът 0 се използва за количества, свързани с чисто вещество, като се уточнява, че може да се използва за означаване на стандартни термодинамични количества само когато чисто вещество е избрано като стандартно състояние. Например, състоянието на дадено вещество в изключително разреден разтвор също може да се приеме за стандарт. „Plimsoll disk“ в този случай означава действителното стандартно състояние на материята, независимо от неговия избор.

Енталпията на образуване на прости вещества се приема равна на нула, а нулевата стойност на енталпията на образуване се отнася до състоянието на агрегация, стабилно при T = 298 K. Например, за йод в кристално състояние ΔH I2(s) 0 = 0 kJ/mol, а за течен йод ΔH I2 (g) 0 = 22 kJ/mol. Енталпиите на образуване на прости вещества при стандартни условия са техните основни енергийни характеристики.

Топлинният ефект на всяка реакция се намира като разликата между сумата от топлините на образуване на всички продукти и сумата от топлините на образуване на всички реагенти в дадена реакция (следствие от закона на Хес):

ΔH реакция O = ΣΔH f O (продукти) - ΣΔH f O (реагенти)

Термохимичните ефекти могат да бъдат включени в химичните реакции. Химичните уравнения, които показват количеството отделена или погълната топлина, се наричат ​​термохимични уравнения. Реакциите, придружени от отделяне на топлина в околната среда, имат отрицателен топлинен ефект и се наричат ​​екзотермични. Реакциите, придружени от поглъщане на топлина, имат положителен топлинен ефект и се наричат ​​ендотермични. Термичният ефект обикновено се отнася до един мол реагирал изходен материал, чийто стехиометричен коефициент е максимален.

Температурна зависимост на топлинния ефект (енталпия) на реакцията

За да се изчисли температурната зависимост на енталпията на реакцията, е необходимо да се знаят моларните топлинни мощности на веществата, участващи в реакцията. Промяната в енталпията на реакцията с повишаване на температурата от T 1 до T 2 се изчислява съгласно закона на Кирхоф (приема се, че в този температурен диапазон моларните топлинни мощности не зависят от температурата и няма фазови трансформации):

Ако се появят фазови трансформации в даден температурен диапазон, тогава при изчислението е необходимо да се вземат предвид топлината на съответните трансформации, както и промяната в температурната зависимост на топлинния капацитет на веществата, които са претърпели такива трансформации:

където ΔC p (T 1 ,T f) е промяната в топлинния капацитет в температурния диапазон от T 1 до температурата на фазов преход; ΔC p (T f ,T 2) е промяната в топлинния капацитет в температурния диапазон от температурата на фазовия преход до крайната температура, а T f е температурата на фазовия преход.

Стандартната енталпия на горене е ΔH horo, топлинният ефект от реакцията на изгаряне на един мол вещество в кислород до образуването на оксиди в най-високата степен на окисление. Топлината на изгаряне на незапалими вещества се приема за нула.

Стандартната енталпия на разтвора е ΔH разтвор, топлинният ефект от процеса на разтваряне на 1 мол вещество в безкрайно голямо количество разтворител. Състои се от топлината на разрушаване на кристалната решетка и топлината на хидратация (или топлината на солватация за неводни разтвори), освободени в резултат на взаимодействието на молекулите на разтворителя с молекулите или йоните на разтвореното вещество с образуването на съединения с променлив състав - хидрати (солвати). Разрушаването на кристалната решетка по правило е ендотермичен процес - ΔH resh > 0, а хидратацията на йони е екзотермична, ΔH хидрат< 0. В зависимости от соотношения значений ΔH реш и ΔH гидр энтальпия растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Так растворение кристаллического гидроксида калия сопровождается выделением тепла:

ΔH разтвор KOH o = ΔH разтвор о + ΔH hydrK +o + ΔH hydroOH −o = −59 KJ/mol

Енталпията на хидратация - ΔH hydr, се отнася до топлината, която се отделя, когато 1 мол йони преминават от вакуум към разтвор.

Стандартна енталпия на неутрализация - ΔH неутронна енталпия на реакцията на силни киселини и основи с образуването на 1 мол вода при стандартни условия:

HCl + NaOH = NaCl + H2O

H + + OH − = H 2 O, ΔH neutr ° = −55,9 kJ/mol

Стандартната енталпия на неутрализация за концентрирани разтвори на силни електролити зависи от концентрацията на йони, поради промяната в стойността на ΔH на хидратация ° на йони при разреждане

Енталпията е свойство на вещество, което показва количеството енергия, което може да се превърне в топлина.

Енталпията е термодинамично свойство на вещество, което показва нивото на енергия, съхранявана в неговата молекулярна структура. Това означава, че въпреки че дадено вещество може да има енергия, базирана на температура и налягане, не цялата тя може да се преобразува в топлина. Част от вътрешната енергия винаги остава в веществото и поддържа неговата молекулна структура. Част от кинетичната енергия на дадено вещество е недостъпна, когато температурата му се доближи до температурата на околната среда. Следователно енталпията е количеството енергия, което е налично за преобразуване в топлина при определена температура и налягане. Единиците за енталпия са британска топлинна единица или джаул за енергия и Btu/lbm или J/kg за специфична енергия.

Енталпийно количество

Количеството енталпия на дадено вещество се основава на неговата зададена температура. Тази температура е стойността, която е избрана от учени и инженери като основа за изчисления. Това е температурата, при която енталпията на дадено вещество е нула J. С други думи, веществото няма налична енергия, която може да се преобразува в топлина. Тази температура е различна за различните вещества. Например тази температура на водата е тройната точка (0 °C), на азота -150 °C, а на базираните на метан и етан хладилни агенти -40 °C.

Ако температурата на дадено вещество е по-висока от зададената му температура или промени състоянието си в газообразно състояние при дадена температура, енталпията се изразява като положително число. Обратно, при температура под тази, енталпията на дадено вещество се изразява като отрицателно число. Енталпията се използва в изчисленията за определяне на разликата в енергийните нива между две състояния. Това е необходимо за настройка на оборудването и определяне на ефективността на процеса.

Енталпията често се определя като общата енергия на дадено вещество, тъй като е равна на сумата от неговата вътрешна енергия (u) в дадено състояние заедно със способността му да извършва работа (pv). Но в действителност енталпията не показва общата енергия на дадено вещество при дадена температура над абсолютната нула (-273°C). Следователно, вместо да определяме енталпията като общата топлина на дадено вещество, тя е по-точно дефинирана като общото количество налична енергия на веществото, което може да се преобразува в топлина.
H = U + pV

ЗАКОН НА ХЕС: топлинен ефект на химията. r-цията зависи само от началното и крайното състояние на системата и не зависи от нейните интервали. държави. Г. з. е израз на закона за запазване на енергията за системи, в които протичат химични реакции. r-ция, и следствие от първия закон на термодинамиката, но той е формулиран по-рано от първия закон. Валиден за процеси, протичащи при постоянен обем или постоянно налягане; за първите топлинният ефект е равен на промяната във вътрешния енергия на системата поради хим r-ция, за второто - изменението на енталпията. За изчисляване на топлинните ефекти на квартали, вкл. практически невъзможно, представляват термохимична система. уравнения, които представляват уравненията на областите, записани заедно със съответните топлинни ефекти при дадена температура. В този случай е важно да се посочи състоянието на агрегация на реагиращите вещества, т.к От това зависи големината на топлинния ефект на района.

Термохимична система Уравнението може да бъде решено чрез работа с формули в идентични състояния, както с обикновените термини на математиката. ур.

(Страницата е изготвена с помощта на материали от сайтаhttp://www.hemi.nsu.ru/ucheb211.htm )

Всяко вещество съхранява определено количество енергия. Срещаме това свойство на веществата още на закуска, обяд или вечеря, тъй като храната позволява на тялото ни да използва енергията на голямо разнообразие от химични съединения, съдържащи се в храната. В тялото тази енергия се превръща в движение, работа и се използва за поддържане на постоянна (и доста висока!) телесна температура.

Енергията на химичните съединения е концентрирана главно в химичните връзки. За да се прекъсне връзката между два атома, е необходимо харчат енергия. Когато се образува химична връзка, се освобождава енергия.

Атомите не биха се свързали помежду си, ако това не доведе до „печалба“ (т.е. освобождаване) на енергия. Тази печалба може да е голяма или малка, но със сигурност съществува, когато молекулите се формират от атоми.

Всяка химическа реакция се състои в разкъсване на едни химични връзки и образуване на други.

Когато в резултат на химическа реакция по време на образуването на нови връзки се отделя повече енергия, отколкото е необходимо за разрушаване на „старите“ връзки в изходните вещества, излишната енергия се освобождава под формата на топлина. Пример са реакциите на горене. Например природният газ (метан CH 4) изгаря в кислород във въздуха, освобождавайки голямо количество топлина.

Реакцията може да се случи дори с експлозия - толкова много енергия се съдържа в тази трансформация. Такива реакции се наричат екзотермичен от латинското "exo" - навън (означава освободена енергия).

В други случаи разрушаването на връзките в първоначалните вещества изисква повече енергия, отколкото може да се освободи при образуването на нови връзки. Такива реакции възникват само когато енергията се доставя отвън и се извикват ендотермичен (от латинското "ендо" - вътре). Пример за това е образуването на въглероден оксид (II) CO и водород H2 от въглища и вода, което се случва само при нагряване.

Изобразяване на химични реакции с помощта на молекулярни модели: а) екзотермична реакция, б) ендотермична реакция. Моделите ясно показват как при постоянен брой атоми между тях старите химични връзки се разрушават и възникват нови химични връзки.

По този начин всяка химическа реакция е придружена от освобождаване или поглъщане на енергия. Най-често енергията се отделя или абсорбира под формата на топлина (по-рядко под формата на светлина или механична енергия). Тази топлина може да бъде измерена. Резултатът от измерването се изразява в килоджаули (kJ) за един мол реагент или (по-рядко) за един мол реакционен продукт. Това количество се нарича топлинен ефект на реакцията . Например, топлинният ефект от реакцията на горене на водород в кислород може да бъде изразен чрез всяко от двете уравнения:

2 H 2 (g) + O 2 (g) = 2 H 2 O (l) + 572 kJ

или

H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) = H 2 O (l) + 286 kJ

И двете уравнения са еднакво правилни и изразяват топлинния ефект на екзотермичната реакция на образуване на вода от водород и кислород. Първият е за 1 мол използван кислород, а вторият е за 1 мол изгорял водород или 1 мол образувана вода.

Икони (d), (g) показват газообразното и течното състояние на веществата. Има и обозначения (tv) или (k) - твърдо, кристално вещество, (aq) - вещество, разтворено във вода и др.

Определянето на агрегатното състояние на дадено вещество е важно. Например при реакцията на горене на водорода водата първоначално се образува под формата на пара (газообразно състояние), при кондензация на която може да се освободи още малко енергия. Следователно, за образуването на вода под формата на течност, измереният топлинен ефект на реакцията ще бъде малко по-голям, отколкото за образуването само на пара, тъй като когато парата кондензира, ще се освободи друга порция топлина.

Използва се и специален случай на топлинния ефект на реакцията - топлина на изгаряне. От самото име става ясно, че топлината на изгаряне служи за характеризиране на веществото, използвано като гориво. Топлината на изгаряне се отнася за 1 мол вещество, което е гориво (редуциращ агент в окислителна реакция), например:

C 2 H 2 +2.5 O 2 =2 CO 2 + H 2 O + 1300 kJ

ацетилен топлината на изгаряне на ацетилена

Енергията (E), съхранявана в молекулите, може да бъде нанесена върху енергийната скала. В този случай топлинният ефект на реакцията (ΔE) може да бъде показан графично.

Графично представяне на топлинния ефект: а) екзотермична реакция на горене на водород; б) ендотермична реакция на разлагане на водата под въздействието на електрически ток. Координатата на реакцията (хоризонталната ос на графиката) може да се разглежда например като степен на превръщане на веществата (100% е пълното превръщане на изходните вещества).

Уравненията на химичните реакции, в които топлинният ефект на реакцията е написан заедно с реагентите и продуктите, се наричат термохимични уравнения .

Особеността на термохимичните уравнения е, че когато работите с тях, можете да прехвърляте формулите на веществата и големината на топлинните ефекти от една част на уравнението в друга. По правило това не може да се направи с обикновени уравнения на химичните реакции.

Допуска се също почленно събиране и изваждане на термохимични уравнения. Това може да е необходимо за определяне на топлинните ефекти на реакциите, които са трудни или невъзможни за измерване експериментално.

Да дадем пример. В лабораторни условия е изключително трудно да се извърши чиста форма„реакция на получаване на метан CH 4 чрез директно комбиниране на въглерод с водород:

C + 2H 2 = CH 4

Но можете да научите много за тази реакция чрез изчисления. Например разберете дали тази реакция ще бъде екзо- или ендотермична и дори количествено изчислете големината на топлинния ефект.

Топлинните ефекти на реакциите на горене на метан, въглерод и водород са известни (тези реакции протичат лесно):

а) CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (l) + 890 kJ

b) C (tv) + O 2 (g) = CO 2 (g) + 394 kJ

в) 2H 2 (g) + O2 (g) = 2H 2 O (l) + 572 kJ

Нека извадим последните две уравнения (b) и (c) от уравнение (a). Ще извадим левите части на уравненията от лявата и десните страни от дясната. В този случай всички молекули O 2, CO 2 и H 2 O ще се свият. Получаваме:

CH 4 (g) - C (tv) - 2H 2 (g) = (890 - 394 - 572) kJ = -76 kJ

Това уравнение изглежда малко необичайно. Нека умножим двете страни на уравнението по (-1) и преместим CH 4 в дясната страна с противоположния знак. Получаваме уравнението, от което се нуждаем за образуването на метан от въглища и водород:

C (tv) + 2H 2 (g) = CH 4 (g) + 76 kJ/mol

И така, нашите изчисления показаха, че топлинният ефект от образуването на метан от въглерод и водород е 76 kJ (на мол метан) и този процес трябва да е екзотермичен (при тази реакция ще се освободи енергия).

Важно е да се обърне внимание на факта, че само вещества, които са в идентични агрегатни състояния, могат да се добавят, изваждат и намаляват член по член в термохимичните уравнения, в противен случай ще направим грешка при определяне на топлинния ефект върху стойността на топлината преход от едно агрегатно състояние към друго.

Основни закони на термохимията

Разделът от химията, който изучава трансформацията на енергията при химични реакции, се нарича термохимия .

Има два най-важни закона на термохимията. Първият от тях, законът Лавоазие–Лаплас , се формулира по следния начин:

Топлинният ефект на права реакция винаги е равен на топлинния ефект на обратна реакция с обратен знак.

Това означава, че по време на образуването на всяко съединение се освобождава (абсорбира) същото количество енергия, каквото се абсорбира (освобождава) по време на разграждането му до първоначалните вещества. Например:

2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (l) + 572 kJ (изгаряне на водород в кислород)

2 H 2 O (l) + 572 kJ = 2H 2 (g) + O 2 (g) (разлагане на вода чрез електрически ток)

Законът на Лавоазие-Лаплас е следствие от закона за запазване на енергията.

Вторият закон на термохимията е формулиран през 1840 г. от руски академик Г. И. Гесъм:

Топлинният ефект на реакцията зависи само от началното и крайното състояние на веществата и не зависи от междинните етапи на процеса.

Това означава, че общият топлинен ефект на поредица от последователни реакции ще бъде същият като този на всяка друга поредица от реакции, ако началните и крайните вещества са еднакви в началото и в края на тези серии. Тези два основни закона на термохимията придават на термохимичните уравнения известно сходство с математическите, когато в уравненията на реакцията е възможно да се прехвърлят термини от една част в друга, да се добавят, изваждат и редуцират формулите на химичните съединения член по член. В този случай е необходимо да се вземат предвид коефициентите в уравненията на реакциите и да не се забравя, че веществата, които се добавят, изваждат или редуцират с молове, трябва да бъдат в едно и също състояние на агрегат.

Приложение на топлинния ефект в практиката

Топлинните ефекти на химичните реакции са необходими за много технически изчисления. Например, помислете за мощната руска ракета „Енергия“, способна да изстрелва космически кораби и други полезни товари в орбита. Двигателите на един от неговите етапи работят на втечнени газове - водород и кислород.

Да предположим, че знаем работата (в kJ), която ще трябва да бъде изразходвана за доставяне на ракета с товар от повърхността на Земята до орбита, знаем също работата за преодоляване на въздушното съпротивление и други енергийни разходи по време на полета. Как да изчислим необходимия запас от водород и кислород, които (във втечнено състояние) се използват в тази ракета като гориво и окислител?

Без помощта на топлинния ефект на реакцията на образуване на вода от водород и кислород това е трудно да се направи. В крайна сметка топлинният ефект е самата енергия, която трябва да изведе ракетата в орбита. В горивните камери на ракетата тази топлина се преобразува в кинетична енергия на молекули горещ газ (пара), които излизат от дюзите и създават реактивна тяга.

В химическата промишленост топлинните ефекти са необходими за изчисляване на количеството топлина за загряване на реактори, в които протичат ендотермични реакции. В енергийния сектор производството на топлинна енергия се изчислява с помощта на топлината на изгаряне на горивото.

Диетолозите използват термичните ефекти от окисляването на храната в организма, за да създадат правилни диети не само за пациенти, но и за здрави хора - спортисти, работници с различни професии. Традиционно изчисленията тук не използват джаули, а други енергийни единици - калории (1 кал = 4,1868 J). Енергийното съдържание на храната се отнася за всяка маса хранителни продукти: 1 g, 100 g или дори стандартна опаковка на продукта. Например, на етикета на кутия кондензирано мляко можете да прочетете следния надпис:

"калорично съдържание 320 kcal/100 g."