Kémiai reakció termikus hatása. Entalpia. Hess törvénye. A Hess-törvény alkalmazásai. Mi a reakció termikus hatása

HŐHATÁS, termodinamikailag felszabaduló vagy elnyelt hő. rendszer, amikor vegyszerek áramlanak át rajta. kerületek. Meghatározása azzal a feltétellel történik, hogy a rendszer semmilyen munkát nem végez (kivéve az esetleges bővítési munkákat), és a t-ry és a termékek egyenlőek. Mivel a hő nem állapotfüggvény, i.e. az állapotok közötti átmenet során az átmeneti úttól függ, akkor általános esetben a termikus hatás nem szolgálhat egy adott körzet jellemzőjeként. Két esetben végtelenül kicsi hőmennyiség (elemi hő) d Q egybeesik az állapotfüggvény teljes differenciáljával: állandó térfogatú d Q = = dU (U a rendszer belső energiája), és állandó d mellett Q = dH (H - a rendszer entalpiája).

Gyakorlatilag kétféle hőhatás fontos: izoterm-izobár (állandó T és p hőmérsékleten) és izoterm-izokór (állandó T és V térfogat mellett). Vannak differenciális és integrált hőhatások. A differenciális hőhatást a következő kifejezések határozzák meg:

ahol u i, h i -ill. részleges moláris extr. energia és ; v i -sztöchiometrikus együttható (v i > 0 termékeknél, 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, kerület hívott endoterm, a hatás ellenkező előjelével - exoterm. A két hatástípus összefügg:

Adott a termikus hatás hőmérsékletfüggése, melynek alkalmazása szigorúan véve az oldatban részt vevő összes anyag parciális molárisainak ismeretét igényli, de a legtöbb esetben ezek a mennyiségek ismeretlenek. Mivel a valós oldatokban és más termodinamikailag nem ideális környezetben végbemenő folyamatok esetében a hőhatások, mint mások, jelentősen függnek a rendszer és a kísérlet összetételétől. körülmények között olyan megközelítést dolgoztak ki, amely megkönnyíti a különböző körzetek összehasonlítását és a hőhatások taxonómiáját. Ezt a célt szolgálja a standard hőhatás fogalma (jelöljük). Szabványon olyan hőhatást értünk (gyakran hipotetikusan) olyan körülmények között, amikor a kerületben résztvevő összes entitás az adott körülmények között van. Differenciális és az integrál szabványos hőhatások számszerűen mindig azonosak. A szabványos hőhatás könnyen kiszámítható a szabványos képződéshők vagy égéshők táblázataival (lásd alább). A nem ideális közegek esetében nagy az eltérés a ténylegesen mért és a standard hőhatások között, amit a termodinamikai számítások hőhatásainak alkalmazásakor szem előtt kell tartani. Például lúgos diacetimidre [(CH 3 CO) 2 NH (szol) + H 2 O (l) = CH 3 SOKH 2 (szol) + CH 3 COOH (l) +] 0,8 n alatt. NaOH oldat vizes (58 tömeg%-os) 298 K hőmérsékleten mért hőhatás DH 1 = - 52,3 kJ/. Ugyanerre a körzetre normál körülmények között = - 18,11 kJ/ kaptunk. Ez annyit jelent. a különbséget a meghatározott oldatban (hőben) az anyagot kísérő hőhatások magyarázzák. Szilárd anyag esetén folyékony ecetsav és hő egyenlő: D H 2 = 13,60; DH3=-48,62; D H 4 = - 0,83 kJ/, tehát = D H 1 - D H 2 - D H 3 + D H 4. A példa nézetbőlde hogy a termikus hatások vizsgálatánál fontos a kísérő fizikai-kémiai hőhatások mérése. folyamatokat.

A hőhatások vizsgálata nagyon fontos feladat. Alapvető kísérletezzünk módszer - kalorimetria. Modern A berendezés lehetővé teszi a hőhatások vizsgálatát gáz-, folyadék- és szilárd fázisban, határfelületen, valamint komplexekben. rendszerek. A mért hőhatások jellemző értékeinek tartománya száz J/-től több száz kJ/-ig terjed. táblázatban kalorimetriai adatok vannak megadva. egyes kerületek hőhatásainak mérése. A hőhatások, a hígítások és a hő mérése lehetővé teszi, hogy a ténylegesen mért hőhatásoktól a standard hatások felé haladjunk.

Fontos szerepe van a kétféle hőhatásnak - a vegyület képződési hőjének. egyszerű anyagokból és a tiszta anyagok égéshőjéből magasabb elemek képződésével, amelyekből az anyag áll. Ezeket a hőhatásokat szabványos körülményekre hozzák, és táblázatba foglalják. Segítségükkel könnyen kiszámítható bármilyen hőhatás; egyenlő az algebraival. a folyamatban részt vevő összes anyag képződés- vagy égéshőjének összege:

Táblázatos értékek alkalmazása lehetővé teszhőhatások kiszámítása többes számban. ezer rubel, bár maguk ezek az értékek csak többen ismertek. ezer kapcsolat. Ez a számítási módszer azonban nem alkalmas kis termikus hatású körzetekre, mivel a számított kis értéket algebraiként kapjuk. összeg több nagy értékek, hibával jellemezve, élek ab. meghaladhatja a hőhatást. Termikus hatások számítása mennyiségek felhasználásával azon alapul, hogy van állami funkció. Ez lehetővé teszi termokémiai rendszerek összeállítását. egyenletek a szükséges megoldás termikus hatásának meghatározására (lásd). A szabványos hőhatásokat szinte mindig kiszámítják. A hőhatások számítását a fent tárgyalt módszeren kívül a -eq hőmérséklet-függésével végezzük.

Bármilyen kémiai reakciót hő formájában felszabaduló vagy energiafelvétel kísér.

A hő felszabadulása vagy elnyelése alapján megkülönböztetik hőtermelőÉs endoterm reakciók.

Hőtermelő A reakciók olyan reakciók, amelyek során hő szabadul fel (+Q).

Az endoterm reakciók olyan reakciók, amelyek során hő abszorbeálódik (-Q).

A reakció termikus hatása (K) az a hőmennyiség, amely bizonyos mennyiségű kezdeti reagens kölcsönhatása során felszabadul vagy elnyelődik.

A termokémiai egyenlet egy kémiai reakció termikus hatását meghatározó egyenlet. Tehát például a termokémiai egyenletek a következők:

Azt is meg kell jegyezni, hogy a termokémiai egyenleteknek szükségszerűen tartalmazniuk kell információkat a reagensek és termékek aggregált állapotáról, mivel a hőhatás értéke ettől függ.

A reakció termikus hatásának számítása

Példa egy tipikus problémára a reakció termikus hatásának meghatározására:

Amikor az egyenlet szerint 45 g glükóz oxigénfelesleggel reagál

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

700 kJ hő szabadult fel. Határozza meg a reakció termikus hatását! (Írja a számot a legközelebbi egész számra.)

Megoldás:

Számítsuk ki a glükóz mennyiségét:

n(C6H12O6) = m(C6H12O6) / M(C6H12O6) = 45 g / 180 g/mol = 0,25 mol

Azok. Amikor 0,25 mol glükóz kölcsönhatásba lép az oxigénnel, 700 kJ hő szabadul fel. A feltételben bemutatott termokémiai egyenletből az következik, hogy 1 mól glükóz oxigénnel való kölcsönhatása Q-val egyenlő hőmennyiséget eredményez (a reakció termikus hatása). Ekkor a következő arány a helyes:

0,25 mol glükóz - 700 kJ

1 mol glükóz - Q

Ebből az arányból a megfelelő egyenlet következik:

0,25 / 1 = 700 / Q

Ennek megoldásával azt találjuk, hogy:

Így a reakció termikus hatása 2800 kJ.

Számítások termokémiai egyenletekkel

Sokkal gyakrabban a termokémia USE feladatokban már ismert a termikus hatás értéke, mert a feltétel megadja a teljes termokémiai egyenletet.

Ebben az esetben vagy egy ismert mennyiségű reagenssel vagy termékkel felszabaduló/elnyelt hőmennyiséget kell kiszámítani, vagy fordítva, ismert hőértékből meg kell határozni a hő tömegét, térfogatát vagy mennyiségét. a reakció bármely résztvevőjének anyaga.

1. példa

A termokémiai reakcióegyenlet szerint

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

68 g alumínium-oxid képződik. Mennyi hő szabadult fel? (Írja a számot a legközelebbi egész számra.)

Megoldás

Számítsuk ki az alumínium-oxid anyag mennyiségét:

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

A reakció termokémiai egyenlete szerint 4 mol alumínium-oxid képződésekor 3330 kJ szabadul fel. Esetünkben 0,6667 mol alumínium-oxid keletkezik. Miután az ebben az esetben felszabaduló hőmennyiséget x kJ-vel jelöljük, létrehozzuk az arányt:

4 mol Al 2 O 3 - 3330 kJ

0,667 mol Al 2 O 3 - x kJ

Ez az arány megfelel a következő egyenletnek:

4 / 0,6667 = 3330 / x

Ezt megoldva azt kapjuk, hogy x = 555 kJ

Azok. 68 g alumínium-oxid képződésekor a termokémiai egyenletnek megfelelően az állapotban 555 kJ hő szabadul fel.

2. példa

Egy reakció eredményeként, melynek termokémiai egyenlete

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

1655 kJ hő szabadult fel. Határozzuk meg a felszabaduló kén-dioxid térfogatát (l) (sz.). (Írja a számot a legközelebbi egész számra.)

Megoldás

A reakció termokémiai egyenlete szerint 8 mol SO 2 képződésekor 3310 kJ hő szabadul fel. Esetünkben 1655 kJ hő szabadult fel. Legyen ebben az esetben a képződött SO 2 mennyisége x mol. Akkor igazságos a következő arány:

8 mol SO 2 - 3310 kJ

x mol SO 2 - 1655 kJ

Amiből az egyenlet következik:

8/x = 3310/1655

Ennek megoldásával azt találjuk, hogy:

Így a keletkező SO 2 anyag mennyisége ebben az esetben 4 mol. Ezért a térfogata egyenlő:

V(SO 2) = V m ∙ n(SO 2) = 22,4 l/mol ∙ 4 mol = 89,6 l ≈ 90 l(egész számokra kerekítve, mivel ez kötelező a feltételben.)

A kémiai reakciók termikus hatásával kapcsolatban több elemzett probléma található.

Bármilyen kémiai folyamat, valamint az anyagok számos fizikai átalakulása (párolgás, kondenzáció, olvadás, polimorf átalakulások stb.) mindig a rendszerek belső energiatartalékának változásával jár együtt. Termokémia a kémia egyik ága, amely a hőmennyiség változását vizsgálja egy folyamat során. A termokémia egyik alapítója G. I. Hess orosz tudós.

Kémiai reakció termikus hatása a kémiai reakció során felszabaduló vagy elnyelt hő. Kémiai reakció standard termikus hatása az a hő, amely normál körülmények között egy kémiai reakció során felszabadul vagy elnyelődik. Minden kémiai folyamat két csoportra osztható: exoterm és endoterm.

Hőtermelő- Ezek olyan reakciók, amelyek során hő kerül a környezetbe. Ebben az esetben a kiindulási anyagok belső energiatartaléka (U 1) nagyobb, mint a keletkező termékeké (U 2). Ezért ∆U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.

Endoterm Ezek olyan reakciók, amelyek során hőt vesznek fel a környezetből. Ebben az esetben a kiindulási anyagok belső energiatartaléka (U 1) kisebb, mint a keletkező termékeké (U 2). Következésképpen ∆U > 0, és ez termodinamikailag instabil anyagok képződéséhez vezet. A termodinamikától eltérően a termokémiában a felszabaduló hőt pozitívnak, az elnyelt hőt negatívnak tekintik. A hőt a termokémiában Q-val jelöljük. A hő mértékegysége J/mol vagy kJ/mol. A folyamat körülményeitől függően izokhorikus és izobár hőhatásokat különböztetnek meg.

Izokór (Q V) A termikus hatás az a hőmennyiség, amely egy adott folyamat során állandó térfogat (V = const) és azonos vég- és kiindulási állapot (T 1 = T 2) hőmérsékleten szabadul fel vagy vesz fel.

Izobár (Q p) A termikus hatás az a hőmennyiség, amely egy adott folyamat során állandó nyomáson (p = const) és azonos vég- és kezdeti hőmérsékleten (T 1 = T 2) szabadul fel vagy vesz fel.

Folyékony és szilárd rendszerek esetén a térfogatváltozás kicsi, és feltételezhető, hogy Q p » Q V . Gáznemű rendszerekhez

Q р = Q V – ∆nRT, (4.3)

ahol ∆n a gáznemű reakcióban résztvevők mólszámának változása

∆n = ån cont. reakciók – ån ref. anyagokat. (4.4)

A belső (kémiai) energia egy részének termikussá (vagy más típusúvá), és fordítva, a termikusnak kémiai átalakulása minden esetben szigorúan az energia-megmaradás törvényének és a termodinamika első törvényének megfelelően történik.

A termokémiában általánosan használatos termokémiai egyenletek Ezek kémiai reakcióegyenletek, amelyekben az egyenlet bal oldalán a kiindulási anyagok, a jobb oldalon pedig a reakciótermékek plusz (vagy mínusz), a termikus hatás, valamint az anyagok aggregált állapota és azok aggregált állapota látható. kristályos formák is láthatók. Például,

C grafit + O 2 = CO 2 (g) + 393,77 kJ

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

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

A termokémiai egyenletekkel minden algebrai művelet elvégezhető: összeadás, kivonás, szorzás, átviteli tagok stb.

Számos kémiai és fizikai folyamat termikus hatását kísérletileg (kalorimetria) határozzák meg, vagy elméletileg számítják ki bizonyos kémiai vegyületek képződéshőinek (bomlási) és égési hőinek értékei alapján.

A képződés hője Egy adott vegyületből az egyszerű anyagokból 1 mól keletkezésekor felszabaduló vagy elnyelt hő mennyisége kJ-ban. A normál körülmények között stabil állapotban lévő egyszerű anyagok képződéshőjét nullának vesszük. A reakciókban

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

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

a 442,13 kJ és -125,60 kJ hőhatás a KCl és a HCN képződéshője. Bomláshő A feltüntetett vegyületek egyszerű anyagokká az energiamegmaradás törvénye szerint abszolút értékben egyenlők, de ellentétes előjelűek, azaz a KCl-nél a bomláshő -442,13 kJ, a HCN-nél pedig +125,60 kJ.

Minél több hő szabadul fel egy vegyület képződése során, annál több hőt kell a bomlására fordítani, és normál körülmények között annál erősebb az adott vegyület. Kémiailag stabil és tartós anyagok a következők: SiO 2, A1 2 O 3, P 2 O 5, KCl, NaCl stb. A hő elnyelésével képződő anyagok instabilak (például NO, CS 2, C 2 H 2, HCN és minden robbanóanyag). A szerves vegyületek képződéshője kísérletileg nem határozható meg. Elméletileg ezeknek a vegyületeknek az égéshőjének kísérletileg megállapított értékei alapján számítják ki.

Égéshő 1 mól anyag oxigénáramban történő teljes égése során felszabaduló hő. Az égéshő meghatározása kalorimetriás berendezésben történik, melynek fő részei: oxigénpalack, kalorimetrikus bomba, kaloriméter lemért vízzel és keverővel, valamint elektromos gyújtószerkezet.

A kémiai reakciók termikus hatásainak nagysága számos tényezőtől függ: a reagáló anyagok jellegétől, a kiindulási és végső anyagok aggregációs állapotától, a reakció körülményeitől (hőmérséklet, nyomás, rendszerek térfogata, koncentráció).

Egy kémiai reakció hőhatása vagy egy rendszer entalpiájának kémiai reakció következtében bekövetkező változása az a hőmennyiség, amelyet egy kémiai változó változásának tulajdonítanak, amelyet a rendszer fogad, amelyben a kémiai reakció és a reakció lezajlott. termékek felvették a reagensek hőmérsékletét.

Ahhoz, hogy a hőhatás olyan mennyiség legyen, amely csak a folyamatban lévő kémiai reakció természetétől függ, a következő feltételeknek kell teljesülniük:

· A reakciónak vagy állandó Q v térfogaton (izokór folyamat), vagy állandó Q p nyomáson (izobár folyamat) kell lezajlania.

· A rendszerben nem végeznek munkát, kivéve a P = állandó tágítási munkákat.

Ha a reakciót standard körülmények között hajtjuk végre, T = 298,15 K = 25 ˚C és P = 1 atm = 101325 Pa, akkor a hőhatást a reakció standard hőhatásának vagy a reakció standard entalpiájának ΔH r O nevezzük. A termokémiában a reakcióhőt standard képződésentalpiák segítségével számítják ki.

Szabványos képződési entalpia (standard képződéshő)

Normál képződéshő alatt egy mól anyag egyszerű anyagokból és stabil standard állapotú komponenseiből való képződésének hőhatását értjük.

Például 1 mól metán szénből és hidrogénből képződésének standard entalpiája megegyezik a reakció termikus hatásával:

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

A képződés standard entalpiáját ΔHfO-val jelöljük. Itt az f index képződést jelent, az áthúzott kör, amely egy Plimsol korongra emlékeztet, azt jelenti, hogy az érték az anyag standard állapotára vonatkozik. Az irodalomban a standard entalpia másik megjelölése gyakran megtalálható - ΔH 298,15 0, ahol a 0 a nyomás egyenlőségét jelöli egy atmoszférával (vagy, valamivel pontosabban, standard feltételekkel), és 298,15 - a hőmérsékletet. Néha a 0 indexet a tiszta anyagra vonatkozó mennyiségekre használják, ami azt írja elő, hogy csak akkor használható standard termodinamikai mennyiségek megjelölésére, ha tiszta anyagot választunk standard állapotként. Például egy anyag rendkívül híg oldatban lévő állapota is elfogadható szabványnak. A „Plimsoll lemez” ebben az esetben az anyag tényleges standard halmazállapotát jelenti, függetlenül annak választásától.

Az egyszerű anyagok képződési entalpiáját nullának tekintjük, és a képződési entalpiának nulla értéke az aggregáció állapotára vonatkozik, amely T = 298 K hőmérsékleten stabil. Például a kristályos állapotú jód esetében ΔH I2(s) 0 = 0 kJ/mol, és folyékony jód esetén ΔH I2 (g) 0 = 22 kJ/mol. Az egyszerű anyagok normál körülmények közötti képződésének entalpiája a fő energetikai jellemzőik.

Bármely reakció hőhatása az összes termék képződéshőinek összege és az adott reakcióban lévő összes reagens képződéshőinek összege közötti különbség (a Hess-törvény következménye):

ΔH reakció O = ΣΔH f O (termékek) - ΣΔH f O (reagensek)

A hőkémiai hatások beépíthetők a kémiai reakciókba. A felszabaduló vagy elnyelt hő mennyiségét jelző kémiai egyenleteket termokémiai egyenleteknek nevezzük. Azokat a reakciókat, amelyeket hőkibocsátás kísér a környezetbe, negatív termikus hatásuk van, és exotermnek nevezik. A hőelnyeléssel járó reakciók pozitív termikus hatást fejtenek ki és endotermnek nevezik. A termikus hatás általában egy mól reagált kiindulási anyagra vonatkozik, amelynek sztöchiometrikus együtthatója maximális.

A reakció termikus hatásának (entalpiájának) hőmérsékletfüggése

A reakció entalpiája hőmérsékletfüggésének kiszámításához ismerni kell a reakcióban részt vevő anyagok moláris hőkapacitását. A reakció entalpiájának változását T 1-ről T 2-re emelkedő hőmérséklettel a Kirchhoff-törvény alapján számítjuk ki (feltételezzük, hogy ebben a hőmérséklet-tartományban a moláris hőkapacitások nem függnek a hőmérséklettől, és nincsenek fázisátalakulások):

Ha egy adott hőmérsékleti tartományban fázisátalakítások következnek be, akkor a számítás során figyelembe kell venni a megfelelő átalakulások hőjét, valamint az ilyen átalakuláson átesett anyagok hőkapacitása hőmérséklet-függésének változását:

ahol ΔC p (T 1 ,T f) a hőkapacitás változása a T 1 és a fázisátalakulási hőmérséklet közötti hőmérséklet-tartományban; ΔC p (T f ,T 2) a hőkapacitás változása a fázisátalakulási hőmérséklettől a végső hőmérsékletig terjedő hőmérséklet-tartományban, T f pedig a fázisátalakulási hőmérséklet.

Az égés standard entalpiája ΔH horo, egy mól anyag oxigénben történő égési reakciójának termikus hatása a legmagasabb oxidációs állapotú oxidok képződésére. A nem éghető anyagok égési hőjét nullának kell tekinteni.

Az oldat standard entalpiája a ΔH-oldat, az 1 mól anyag végtelen nagy mennyiségű oldószerben való feloldódási folyamatának termikus hatása. A kristályrács bomlási hőjéből és a hidratációs hőből (vagy nem vizes oldatok esetén a szolvatációs hőből) áll, amely az oldószermolekulák és az oldott anyag molekuláival vagy ionjaival való kölcsönhatás eredményeként szabadul fel. változó összetételű vegyületekből - hidrátok (szolvátok). A kristályrács pusztulása általában endoterm folyamat - ΔH resh > 0, és az ionok hidratációja exoterm, ΔH hydr< 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 oldatKOH o = ΔH old o + ΔH hydrK +o + ΔH hydroOH −o = -59 KJ/mol

A hidratáció entalpiája - ΔH hydr - arra a hőre utal, amely akkor szabadul fel, amikor 1 mol ion vákuumból oldatba megy át.

Normál semlegesítési entalpia - Erős savak és bázisok reakciójának ΔH neutronentalpiája 1 mol víz képződésével standard körülmények között:

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O

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

Erős elektrolitok koncentrált oldatainál a közömbösítés standard entalpiája az ionkoncentrációtól függ, mivel hígításkor megváltozik az ionok hidratációjának ΔH értéke °

Az entalpia az anyag olyan tulajdonsága, amely azt jelzi, hogy mekkora energiát lehet hővé alakítani.

Az entalpia egy anyag termodinamikai tulajdonsága, amely jelzi a molekulaszerkezetében tárolt energia szintjét. Ez azt jelenti, hogy bár egy anyagnak van energiája a hőmérséklet és a nyomás alapján, nem minden alakítható hővé. A belső energia egy része mindig az anyagban marad, és megtartja molekuláris szerkezetét. Egy anyag kinetikus energiájának egy része nem elérhető, ha hőmérséklete megközelíti a környezeti hőmérsékletet. Ezért az entalpia az az energiamennyiség, amely bizonyos hőmérsékleten és nyomáson hővé alakítható. Az entalpia mértékegységei a brit hőegység vagy joule az energia és a Btu/lbm vagy J/kg a fajlagos energia.

Entalpia mennyisége

Egy anyag entalpiájának mértéke az adott hőmérsékleten alapul. Ezt a hőmérsékletet választják a tudósok és mérnökök számításai alapjául. Ez az a hőmérséklet, amelyen az anyag entalpiája nulla J. Más szóval, az anyagnak nincs hővé alakítható energiája. Ez a hőmérséklet különböző anyagoknál eltérő. Például ez a vízhőmérséklet a hármaspont (0 °C), a nitrogéné -150 °C, a metán- és etánalapú hűtőközegeké pedig -40 °C.

Ha egy anyag hőmérséklete magasabb, mint adott hőmérséklete, vagy adott hőmérsékleten állapota gáz halmazállapotúvá változik, az entalpiát pozitív számként fejezzük ki. Fordítva, ez alatti hőmérsékleten az anyag entalpiája negatív számként van kifejezve. Az entalpiát a két állapot közötti energiaszint-különbség meghatározására használják számítások során. Ez szükséges a berendezés beállításához és a folyamat hatékonyságának meghatározásához.

Az entalpiát gyakran úgy definiálják, mint egy anyag összenergiáját, mivel ez egyenlő az adott állapotban lévő belső energiájának (u) és munkavégző képességének (pv) összegével. A valóságban azonban az entalpia nem jelzi az anyag teljes energiáját egy adott abszolút nulla (-273 °C) feletti hőmérsékleten. Ezért ahelyett, hogy az entalpiát egy anyag teljes hőjeként határoznánk meg, pontosabban az anyag hővé alakítható rendelkezésre álló energiájának teljes mennyiségeként határozzuk meg.
H = U + pV

HESS TÖRVÉNYE: a kémia termikus hatása. Az r-tion csak a rendszer kezdeti és végső állapotától függ, és nem függ intervallumaitól. Államok. G. z. az energiamegmaradás törvényének kifejezése olyan rendszerekre, amelyekben kémiai reakciók játszódnak le. r-tion, és a termodinamika első főtételének következménye, azonban korábban megfogalmazódott, mint az első törvény. Állandó térfogatú vagy állandó nyomáson folyó folyamatokra érvényes; az előbbinél a hőhatás megegyezik a belső változásával a rendszer energiája a vegyi anyagok miatt r-ció, a második - az entalpia változása. A kerületek hőhatásainak kiszámításához, beleértve a gyakorlatilag lehetetlen, termokémiai rendszert alkotnak. egyenletek, amelyek a kerületek egyenleteit reprezentálják, egy adott hőmérsékleten a megfelelő hőhatásokkal együtt. Ebben az esetben fontos feltüntetni a reagáló anyagok aggregáltsági állapotát, mert Ettől függ a kerület hőhatásának nagysága.

Termokémiai rendszer Az egyenlet megoldható úgy, hogy azonos állapotú képletekkel dolgozunk, mint a matematikai közönséges kifejezéseknél. ur.

(Az oldal az oldalról származó anyagok felhasználásával készülthttp://www.hemi.nsu.ru/ucheb211.htm )

Minden anyag bizonyos mennyiségű energiát tárol. Az anyagoknak ezzel a tulajdonságával már reggelinél, ebédnél vagy vacsoránál találkozunk, hiszen az étel lehetővé teszi szervezetünk számára, hogy a táplálékban található sokféle kémiai vegyület energiáját felhasználja. A szervezetben ez az energia mozgássá, munkává alakul, és állandó (és elég magas!) testhőmérséklet fenntartására szolgál.

A kémiai vegyületek energiája főként kémiai kötésekben koncentrálódik. Két atom közötti kötés megszakításához szükséges energiát költeni. Amikor kémiai kötés jön létre, energia szabadul fel.

Az atomok nem kapcsolódnának egymással, ha ez nem vezetne energia „nyeréshez” (vagyis felszabadulásához). Ez a nyereség lehet nagy vagy kicsi, de biztosan létezik, amikor molekulák keletkeznek atomokból.

Bármely kémiai reakció abból áll, hogy egyes kémiai kötéseket megszakítanak, és mások képződnek.

Amikor az új kötések kialakulása során egy kémiai reakció eredményeként több energia szabadul fel, mint amennyi a kiindulási anyagokban lévő „régi” kötések elpusztításához szükséges, a felesleges energia hő formájában szabadul fel. Ilyen például az égési reakciók. Például a földgáz (metán CH 4) ég a levegő oxigénjében, és nagy mennyiségű hő szabadul fel.

A reakció akár robbanással is bekövetkezhet – ennyi energiát tartalmaz ez az átalakulás. Az ilyen reakciókat ún hőtermelő a latin "exo" szóból - kifelé (jelentése: felszabadult energia).

Más esetekben az eredeti anyagokban lévő kötések lebontása több energiát igényel, mint amennyi új kötések kialakulása során felszabadul. Ilyen reakciók csak akkor mennek végbe, ha kívülről energiát szolgáltatnak, és hívják endoterm (a latin "endo" szóból - belül). Példa erre a szén-monoxid (II) CO és a hidrogén H2 képződése szénből és vízből, ami csak melegítéskor megy végbe.

Kémiai reakciók ábrázolása molekuláris modellekkel: a) exoterm reakció, b) endoterm reakció. A modellek világosan bemutatják, hogy a köztük lévő állandó számú atom mellett a régi kémiai kötések tönkremennek és új kémiai kötések keletkeznek.

Így minden kémiai reakció energia felszabadulásával vagy elnyelésével jár. Leggyakrabban az energia hő formájában szabadul fel vagy nyelődik el (ritkábban fény vagy mechanikai energia formájában). Ez a hő mérhető. A mérési eredményt kilojoule-ban (kJ) adják meg egy mol reagensre vagy (ritkábban) egy mol reakciótermékre. Ezt a mennyiséget ún a reakció termikus hatása . Például a hidrogén oxigénben való égési reakciójának termikus hatása két egyenlet bármelyikével kifejezhető:

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

vagy

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

Mindkét egyenlet egyformán helyes, és mindkettő a hidrogénből és oxigénből történő vízképződés exoterm reakciójának termikus hatását fejezi ki. Az első 1 mól felhasznált oxigénre, a második pedig 1 mól elégetett hidrogénre vagy 1 mól képződött vízre vonatkozik.

Az ikonok (d), (g) jelzik az anyagok gáz- és folyékony halmazállapotát. Vannak még megnevezések (tv) vagy (k) - szilárd, kristályos anyag, (aq) - vízben oldott anyag stb.

Fontos az anyag aggregációs állapotának megjelölése. Például a hidrogén égési reakciójában a víz kezdetben gőz formájában (gáz halmazállapotú) képződik, melynek kondenzálódása során több energia szabadul fel. Következésképpen a folyadék formájú víz képződésénél a reakció mért hőhatása valamivel nagyobb lesz, mint a csak gőz képződésénél, mivel a gőz lecsapódása során további hő szabadul fel.

A reakció termikus hatásának egy speciális esetét is alkalmazzák - égéshő. Már a névből is kitűnik, hogy az égéshő az üzemanyagként használt anyag jellemzésére szolgál. Az égéshő 1 mól olyan anyagra vonatkozik, amely üzemanyag (oxidációs reakcióban redukálószer), például:

C 2 H 2 +2,5 O 2 = 2 CO 2 + H 2 O + 1300 kJ

Acetilén az acetilén égéshője

A molekulákban tárolt energia (E) az energiaskálán ábrázolható. Ebben az esetben a reakció termikus hatása (ΔE) grafikusan ábrázolható.

A termikus hatás grafikus ábrázolása: a) a hidrogén égésének exoterm reakciója; b) elektromos áram hatására a víz bomlásának endoterm reakciója. A reakciókoordináta (a grafikon vízszintes tengelye) tekinthető például az anyagok átalakulási fokának (100% a kiindulási anyagok teljes átalakulása).

A kémiai reakciók egyenleteit, amelyekben a reakció termikus hatása a reagensekkel és termékekkel együtt fel van írva, ún. termokémiai egyenletek .

A termokémiai egyenletek sajátossága, hogy amikor velük dolgozik, átviheti az anyagok képleteit és a hőhatások nagyságát az egyenlet egyik részéből a másikba. Általában ezt nem lehet megtenni a kémiai reakciók szokásos egyenleteivel.

Termokémiai egyenletek távonkénti összeadása és kivonása is megengedett. Ez szükséges lehet olyan reakciók termikus hatásainak meghatározásához, amelyek kísérletileg nehezen vagy egyáltalán nem mérhetők.

Mondjunk egy példát. A laboratóriumban rendkívül nehéz elvégezni tiszta forma"metán CH 4 előállításának reakciója szén és hidrogén közvetlen elegyítésével:

C+2H2=CH4

De sokat megtudhat erről a reakcióról számításokkal. Például derítse ki, hogy ez a reakció exo- vagy endoterm lesz-e, és még mennyiségileg is számítsa ki a termikus hatás nagyságát.

A metán, szén és hidrogén égési reakcióinak termikus hatásai ismertek (ezek a reakciók könnyen mennek végbe):

a) 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

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

Vonjuk ki az utolsó két (b) és (c) egyenletet az (a) egyenletből. Az egyenletek bal oldalát kivonjuk a balból, a jobb oldalát pedig a jobbból. Ebben az esetben az összes O 2, CO 2 és H 2 O molekula összehúzódik.

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

Ez az egyenlet kissé szokatlannak tűnik. Szorozzuk meg az egyenlet mindkét oldalát (-1)-gyel, és mozgassuk a CH 4-et a jobb oldalra ellentétes előjellel. Megkapjuk a metán szénből és hidrogénből történő képződéséhez szükséges egyenletet:

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

Tehát számításaink azt mutatták, hogy a metán szénből és hidrogénből történő képződésének termikus hatása 76 kJ (per mól metán), és ennek a folyamatnak exotermnek kell lennie (ebben a reakcióban energia szabadul fel).

Fontos figyelni arra, hogy a termokémiai egyenletekben csak az azonos aggregációs állapotú anyagokat lehet távonként összeadni, kivonni és csökkenteni, különben hibát követünk el a hő értékére gyakorolt ​​hőhatás meghatározásában. az egyik halmozódási állapotból a másikba való átmenet.

A termokémia alaptörvényei

A kémia azon ágát, amely az energia kémiai reakciókban történő átalakulását vizsgálja, az ún termokémia .

A termokémia két legfontosabb törvénye van. Közülük az első, a törvény Lavoisier–Laplace , a következőképpen van megfogalmazva:

Az előre irányuló reakció hőhatása mindig egyenlő az ellenkező előjelű fordított reakció termikus hatásával.

Ez azt jelenti, hogy bármely vegyület képződése során ugyanannyi energia szabadul fel (abszorbeálódik), mint amennyi az eredeti anyagokká való bomlása során felszívódik (felszabadult). Például:

2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (l) + 572 kJ (hidrogén égése oxigénben)

2 H 2 O (l) + 572 kJ = 2H 2 (g) + O 2 (g) (a víz elektromos áram általi bomlása)

Lavoisier–Laplace törvénye az energiamegmaradás törvényének következménye.

A termokémia második törvényét 1840-ben fogalmazta meg egy orosz akadémikus G. I. Gessom:

A reakció termikus hatása csak az anyagok kezdeti és végső állapotától függ, és nem függ a folyamat közbenső szakaszaitól.

Ez azt jelenti, hogy az egymást követő reakciók teljes hőhatása megegyezik bármely más reakciósorozatéval, ha a kiinduló és a befejező anyagok azonosak a sorozat elején és végén. A termokémia e két alaptörvénye némi hasonlóságot ad a termokémiai egyenleteknek a matematikai egyenletekkel, amikor a reakcióegyenletekben lehetőség nyílik tagok áthelyezésére egyik részből a másikba, a kémiai vegyületek képletei tagról tagra történő összeadásra, kivonásra és redukcióra. Ebben az esetben figyelembe kell venni a reakcióegyenletekben szereplő együtthatókat, és nem szabad megfeledkezni arról, hogy a hozzáadandó, kivonandó vagy mólszámmal csökkentett anyagoknak azonos aggregációs állapotban kell lenniük.

A termikus hatás alkalmazása a gyakorlatban

A kémiai reakciók termikus hatásaira számos műszaki számításhoz szükség van. Vegyük például a nagy teljesítményű orosz Energia rakétát, amely képes űrhajókat és más hasznos terheket pályára állítani. Egyik fokozatának motorjai cseppfolyósított gázokkal - hidrogénnel és oxigénnel - működnek.

Tegyük fel, hogy ismerjük azt a munkát (kJ-ban), amelyet el kell költeni egy rakéta rakétával a Föld felszínéről a pályára való eljuttatásához, valamint ismerjük a repülés közbeni légellenállás és egyéb energiaköltségek leküzdését is. Hogyan lehet kiszámítani a szükséges hidrogén- és oxigénellátást, amelyeket (folyékony állapotban) ebben a rakétában üzemanyagként és oxidálószerként használnak?

A víz hidrogénből és oxigénből történő képződése reakciójának hőhatása nélkül ez nehéz megtenni. Végül is a hőhatás az az energia, aminek a rakétát pályára kell bocsátania. A rakéta égésterében ez a hő a forró gáz (gőz) molekuláinak mozgási energiájává alakul át, amely a fúvókákból kiszabadul, és tolóerőt hoz létre.

A vegyiparban termikus hatásokra van szükség ahhoz, hogy kiszámítsa a hőmennyiséget olyan reaktorokban, amelyekben endoterm reakciók mennek végbe. Az energiaszektorban a hőenergia-termelést a tüzelőanyag égéshőjének felhasználásával számítják ki.

A dietetikusok az élelmiszerek szervezetben történő oxidációjának termikus hatásait használják fel, hogy megfelelő étrendet állítsanak elő nemcsak a betegek, hanem az egészséges emberek - sportolók, különböző szakmákban dolgozók - számára is. Hagyományosan itt a számítások nem joule-t használnak, hanem más energiaegységeket - kalóriát (1 cal = 4,1868 J). Az élelmiszerek energiatartalma bármilyen tömegű élelmiszerre vonatkozik: 1 g, 100 g, vagy akár a termék szabványos csomagolása. Például egy doboz sűrített tej címkéjén a következő felirat olvasható:

"kalóriatartalom 320 kcal/100 g."