Efectul termic al unei reacții chimice. Entalpie. legea lui Hess. Aplicații ale legii lui Hess. Care este efectul termic al unei reacții

EFECT TERMIC, căldură eliberată sau absorbită termodinamică. sistem în timpul fluxului de substanțe chimice în el. raioane. Se determină cu condiția ca sistemul să nu funcționeze (cu excepția posibilelor lucrări de expansiune), iar t-ry și produsele sunt egale. Deoarece căldura nu este o funcție de stare, de ex. în timpul tranziției între state depinde de calea de tranziție, atunci în cazul general efectul termic nu poate servi ca o caracteristică a unui anumit district. În două cazuri, o cantitate infinit de căldură (căldură elementară) d Q coincide cu diferența totală a funcției de stare: cu un volum constant d Q \u003d dU (U este energia internă a sistemului) și cu o constantă d Q \u003d dH (H este entalpia sistemului).

Două tipuri de efecte termice sunt practic importante - izoter izobar (la t-re T și p constant) și izoter izocoric (la T constant și volum V). Există efecte termice diferențiale și integrale. Efectul termic diferențial este determinat de expresiile:

unde u i , h i -acc. molar parțial ext. energie și ; v i -stoichiometrice. coeficient (v i > 0 pentru produse, 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, raion numit. endotermic, cu semnul opus efectului, exotermic. Cele două tipuri de efecte sunt legate de relație:

Este dată dependența de temperatură a efectului termic, a cărui aplicare, strict vorbind, necesită cunoașterea valorilor molare parțiale ale tuturor substanțelor implicate în district, dar în majoritatea cazurilor aceste cantități sunt necunoscute. Deoarece pentru districtele care curg în soluții reale și alte medii termodinamice neideale, efectele termice, ca și altele, depind în mod semnificativ de compoziția sistemului și de experimente. condiții, a fost dezvoltată o abordare care facilitează compararea diferitelor districte și sistematica efectelor termice. Acest scop este servit de conceptul de efect termic standard (notat). Standardul este înțeles ca efectul termic, realizat (deseori hiprtetic) în condițiile în care toate insulele care participă la raion sunt în cele date. Diferenţial iar efectele termice standard integrale sunt întotdeauna aceleași numeric. Efectul termic standard este ușor de calculat folosind tabelele de călduri standard de formare sau călduri de ardere în interior (vezi mai jos). Pentru mediile neideale, există o mare discrepanță între efectele termice măsurate efectiv și cele standard, de care trebuie reținută atunci când se utilizează efectele termice în calculele termodinamice. De exemplu, pentru diacetimida alcalină [(CH 3 CO) 2 NH (tv) + H 2 O (l) \u003d \u003d CH 3 SOCH 2 (tv) + CH 3 COOH (l) +] în 0,8 n. soluție de NaOH în apă (58% din masă) la 298 K, efectul termic măsurat D H 1 \u003d - 52,3 kJ / . Pentru același raion, în condiții standard, s-a obținut = - 18,11 kJ/. Înseamnă atât de mult. diferența se explică prin efectele termice care însoțesc in-in-ul în p-solventul (încălziri) indicat. Pentru solid, acidul acetic lichid și, respectiv, căldura sunt egale: D H 2 = 13,60; DH3 = - 48,62; D H 4 \u003d - 0,83 kJ / deci \u003d D H 1 - D H 2 - D H 3 + D H 4. Din vizualizarea exempludar că în studiul efectelor termice, este important să se măsoare efectele termice ale fizice concomitente. proceselor.

Studiul efectelor termice este cea mai importantă sarcină. Principal experimental metoda este calorimetria. Modern Echipamentul face posibilă studierea efectelor termice în fazele gazoase, lichide și solide, la limita de fază, precum și în cele complexe. sisteme. Gama de efecte termice măsurate tipice variază de la sute de J/ la sute de kJ/. În tabel. sunt date date calorimetrice. măsurători ale efectelor termice ale anumitor cartiere. Măsurarea efectelor termice, a diluției și a căldurii vă permite să treceți de la efectele termice măsurate efectiv la cele standard.

Un rol important revine efectelor termice de două tipuri - căldurile de formare Comm. de la in-in simplu si caldura de ardere in-in in pur cu formarea de elemente superioare, din care consta in-in. Aceste efecte termice sunt reduse la condiții standard și sunt tabulate. Cu ajutorul lor este ușor de calculat orice efect termic; este egal cu algebricul suma căldurilor de formare sau căldurilor de ardere ale tuturor participanților în districtul în-in:

Aplicarea valorilor tabelare permitecalcula efecte termice pl. mii de districte, deși aceste valori însele sunt cunoscute doar de câțiva. mii de conexiuni. Această metodă de calcul este însă nepotrivită pentru raioanele cu efecte termice mici, deoarece valoarea mică calculată este obținută ca algebric. suma mai multor valori mari, caracterizate printr-o eroare, margini în abs. poate depăși efectul termic. Calculul efectelor termice folosind marimi se bazează pe faptul că există o funcţie de stat. Acest lucru face posibilă alcătuirea sistemelor termochimice. ur-tions pentru a determina efectul termic al p-tionului necesar (vezi). Calculați aproape întotdeauna efectele termice standard. Pe lângă metoda discutată mai sus, calculul efectelor termice se realizează în funcție de dependența de temperatură a ecuației

Orice reacție chimică este însoțită de eliberarea sau absorbția de energie sub formă de căldură.

Pe baza eliberării sau absorbției de căldură, se disting exotermicȘi endotermic reactii.

exotermic reacții - astfel de reacții în timpul cărora se eliberează căldură (+ Q).

Reacții endoterme - reacții în timpul cărora căldura este absorbită (-Q).

Efectul termic al reacției (Q) este cantitatea de căldură care este eliberată sau absorbită în timpul interacțiunii unei anumite cantități de reactivi inițiali.

O ecuație termochimică este o ecuație în care este indicat efectul termic al unei reacții chimice. De exemplu, ecuațiile termochimice sunt:

De asemenea, trebuie remarcat faptul că ecuațiile termochimice trebuie să includă în mod necesar informații despre stările agregate ale reactanților și produșilor, deoarece valoarea efectului termic depinde de aceasta.

Calcule de căldură de reacție

Un exemplu de problemă tipică pentru găsirea efectului de căldură al unei reacții:

Când interacționează 45 g de glucoză cu un exces de oxigen în conformitate cu ecuația

C 6 H 12 O 6 (solid) + 6O 2 (g) \u003d 6CO 2 (g) + 6H 2 O (g) + Q

S-au eliberat 700 kJ de căldură. Determinați efectul termic al reacției. (Notați numărul la cel mai apropiat număr întreg.)

Soluţie:

Calculați cantitatea de substanță glucoză:

n (C 6 H 12 O 6) \u003d m (C 6 H 12 O 6) / M (C 6 H 12 O 6) \u003d 45 g / 180 g / mol \u003d 0,25 mol

Acestea. interacţiunea a 0,25 mol de glucoză cu oxigenul eliberează 700 kJ de căldură. Din ecuația termochimică prezentată în condiție rezultă că atunci când 1 mol de glucoză interacționează cu oxigenul, se formează o cantitate de căldură egală cu Q (căldura reacției). Atunci următoarea proporție este adevărată:

0,25 mol glucoză - 700 kJ

1 mol de glucoză - Q

Din această proporție rezultă ecuația corespunzătoare:

0,25 / 1 = 700 / Q

Rezolvând care, aflăm că:

Astfel, efectul termic al reacției este de 2800 kJ.

Calcule după ecuații termochimice

Mult mai des, în sarcinile de USE în termochimie, valoarea efectului termic este deja cunoscută, deoarece. ecuația termochimică completă este dată în condiție.

În acest caz, este necesar să se calculeze fie cantitatea de căldură eliberată/absorbită cu o cantitate cunoscută de reactant sau produs, fie, dimpotrivă, este necesar să se determine masa, volumul sau cantitatea de substanță a oricărei persoane implicate în reacția de la valoarea cunoscută a căldurii.

Exemplul 1

În conformitate cu ecuația reacției termochimice

3Fe 3 O 4 (solid) + 8Al (solid) \u003d 9Fe (solid) + 4Al 2 O 3 (solid) + 3330 kJ

a format 68 g de oxid de aluminiu. Câtă căldură se eliberează în acest caz? (Notați numărul la cel mai apropiat număr întreg.)

Soluţie

Calculați cantitatea de substanță oxid de aluminiu:

n (Al 2 O 3) \u003d m (Al 2 O 3) / M (Al 2 O 3) \u003d 68 g / 102 g / mol \u003d 0,667 mol

În conformitate cu ecuația termochimică a reacției, se eliberează 3330 kJ în timpul formării a 4 moli de oxid de aluminiu. În cazul nostru, se formează 0,6667 mol de oxid de aluminiu. Indicând cantitatea de căldură degajată în acest caz, prin x kJ vom alcătui proporția:

4 mol Al203 - 3330 kJ

0,667 mol Al203-x kJ

Această proporție corespunde ecuației:

4 / 0,6667 = 3330 / x

Rezolvând care, aflăm că x = 555 kJ

Acestea. în formarea a 68 g de oxid de aluminiu, în conformitate cu ecuația termochimică, se eliberează 555 kJ de căldură în condiție.

Exemplul 2

Ca rezultat al reacției, a cărei ecuație termochimică

4FeS 2 (solid) + 11O 2 (g) \u003d 8SO 2 (g) + 2Fe 2 O 3 (solid) + 3310 kJ

S-au eliberat 1655 kJ de căldură. Determinați volumul (l) de dioxid de sulf eliberat (n.a.s.). (Notați numărul la cel mai apropiat număr întreg.)

Soluţie

În conformitate cu ecuația reacției termochimice, formarea a 8 moli de SO 2 eliberează 3310 kJ de căldură. În cazul nostru, s-au eliberat 1655 kJ de căldură. Fie cantitatea de substanță SO 2 formată în acest caz să fie egală cu x mol. Atunci este valabilă următoarea proporție:

8 mol S02 - 3310 kJ

x mol S02 - 1655 kJ

Din care rezultă ecuația:

8 / x = 3310 / 1655

Rezolvând care, aflăm că:

Astfel, cantitatea de substanță SO2 formată în acest caz este de 4 moli. Prin urmare, volumul său este:

V (SO 2) \u003d V m ∙ n (SO 2) \u003d 22,4 l / mol ∙ 4 mol \u003d 89,6 l ≈ 90 l(rotunjiți la numere întregi, deoarece acest lucru este necesar în condiție.)

Pot fi găsite probleme mai analizate cu privire la efectul termic al unei reacții chimice.

Orice procese chimice, precum și o serie de transformări fizice ale substanțelor (evaporare, condensare, topire, transformări polimorfe etc.) sunt întotdeauna însoțite de o modificare a energiei interne a sistemelor. Termochimie - Aceasta este o ramură a chimiei care studiază modificarea cantității de căldură în cursul unui proces. Unul dintre fondatorii termochimiei este omul de știință rus G. I. Hess.

Efectul termic al unei reacții chimice este căldura eliberată sau absorbită în timpul unei reacții chimice. Efectul termic standard al unei reacții chimice este căldura eliberată sau absorbită în timpul unei reacții chimice în condiții standard. Toate procesele chimice pot fi împărțite în două grupe: exoterme și endoterme.

exotermic sunt reacții în care căldură este eliberată în mediu. În acest caz, stocul de energie internă al substanțelor inițiale (U 1) este mai mare decât produsele rezultate (U 2). Prin urmare, ∆U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.

Endotermic Acestea sunt reacții în care căldura este absorbită din mediu. În acest caz, stocul de energie internă al substanțelor inițiale (U 1) este mai mic decât cel al produselor rezultate (U 2). În consecință, ∆U > 0, iar aceasta duce la formarea unor substanțe instabile termodinamic. Spre deosebire de termodinamică, în termochimie, căldura degajată este considerată pozitivă, iar căldura absorbită este considerată negativă. Căldura în termochimie se notează cu Q. Unitatea de măsură a căldurii este J/mol sau kJ/mol. În funcție de condițiile procesului, există efecte termice izocorice și izobare.

izocoric (Q V) efectul termic este cantitatea de căldură care este eliberată sau absorbită în timpul unui proces dat la un volum constant (V \u003d const) și la temperaturi egale ale stărilor finale și inițiale (T 1 \u003d T 2).

izobar (Q p) efectul termic este cantitatea de căldură care este eliberată sau absorbită în timpul unui proces dat la presiune constantă (p \u003d const) și temperaturi egale ale stărilor finale și inițiale (T 1 \u003d T 2).

Pentru sistemele lichide și solide, modificarea volumului este mică și se poate presupune că Q p » Q V . Pentru sistemele gazoase

Q р = Q V – ∆nRT, (4.3)

unde ∆n este modificarea numărului de moli de participanți gazoși în reacție

∆n = ån cont. reacții – ån ref. substante. (4,4)

În toate cazurile, transformarea unei părți a energiei interne (chimice) în termică (sau alte tipuri) și invers, termică în chimică are loc în strictă conformitate cu legea conservării energiei și cu prima lege a termodinamicii.

În termochimie, se obișnuiește să se utilizeze ecuații termochimice acestea sunt ecuațiile reacțiilor chimice, în care substanțele inițiale sunt date în partea stângă a ecuației, iar produsele de reacție plus (sau minus), efectul termic sunt date în partea dreaptă și starea agregată a substanțelor și sunt prezentate şi formele lor cristaline. De exemplu,

C grafit + O 2 \u003d CO 2 (g) + 393,77 kJ

H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O (l) + 289,95 kJ

C (diamant) + 2S (romb) \u003d CS 2 (g) - 87,9 kJ

Cu ecuațiile termochimice, puteți efectua toate operațiile algebrice: adunați, scădeți, înmulțiți, transferați termeni etc.

Efectele termice ale multor procese chimice și fizice sunt determinate empiric (calorimetrie) sau calculate teoretic folosind căldurile de formare (descompunere) și căldurile de combustie ale anumitor compuși chimici.

Căldura educației a unui compus dat este cantitatea de căldură eliberată sau absorbită în timpul formării a 1 mol din el din substanțe simple, în kJ. Căldura de formare a substanțelor simple care se află într-o stare stabilă în condiții standard sunt luate ca zero. În reacții

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

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

efectele termice 442,13 kJ și -125,60 kJ sunt căldurile de formare a KCl și, respectiv, HCN. Căluri de descompunere dintre acești compuși în substanțe simple, conform legii conservării energiei, sunt egali în valoare absolută, dar opus în semn, adică pentru KCl, căldura de descompunere este de -442,13 kJ, iar pentru HCN este de +125,60 kJ.

Cu cât se eliberează mai multă căldură în timpul formării compusului, cu atât mai multă căldură trebuie consumată pentru a-l descompune și cu atât compusul dat este mai puternic în condiții normale. Substanțele stabile din punct de vedere chimic și durabile sunt: ​​SiO 2, A1 2 O 3, P 2 O 5, KCl, NaCl etc. Substanțele formate cu absorbția de căldură nu sunt foarte stabile (de exemplu, NO, CS 2, C 2 H 2, HCN) și toți explozivii). Căldura de formare a compușilor organici nu poate fi determinată experimental. Ele sunt calculate teoretic din valorile puterilor calorice ale acestor compuși, găsite empiric.

Căldura de ardere Căldura degajată în timpul arderii complete a 1 mol dintr-o substanță într-un curent de oxigen se numește. Căldura de ardere se determină pe o unitate calorimetrică, ale cărei părți principale sunt: ​​o butelie de oxigen, o bombă calorimetrică, un calorimetru cu o cantitate cântărită de apă și un agitator și un dispozitiv electric de aprindere.

Mărimea efectelor termice ale reacțiilor chimice depinde de mulți factori: natura substanțelor care reacţionează, starea de agregare a substanțelor inițiale și finale, condițiile de reacție (temperatura, presiunea, volumul sistemului, concentrația).

Efectul termic al unei reacții chimice sau o modificare a entalpiei unui sistem ca urmare a unei reacții chimice este cantitatea de căldură legată de modificarea variabilei chimice primite de sistemul în care a avut loc reacția chimică și au luat produse de reacție. temperatura reactanţilor.

Pentru ca efectul termic să fie o cantitate care depinde numai de natura reacției chimice în curs, trebuie îndeplinite următoarele condiții:

· Reacția trebuie să se desfășoare fie la un volum constant Q v (proces izocor), fie la o presiune constantă Q p (proces izobar).

· Nu se lucrează în sistem, cu excepția lucrărilor de extindere posibile cu P = const.

Dacă reacția se desfășoară în condiții standard la T \u003d 298,15 K \u003d 25 ° C și P \u003d 1 atm \u003d 101325 Pa, efectul termic se numește efectul termic standard al reacției sau entalpia standard a reacției. ΔH r O. În termochimie, efectul termic standard al unei reacții este calculat folosind entalpiile standard de formare.

Entalpia standard de formare (caldura standard de formare)

Căldura standard de formare este înțeleasă ca efectul termic al reacției de formare a unui mol de substanță din substanțe simple, constituenții săi, care se află în stări standard stabile.

De exemplu, entalpia standard de formare a 1 mol de metan din carbon și hidrogen este egală cu căldura reacției:

C (tv) + 2H2 (g) \u003d CH4 (g) + 76 kJ / mol.

Entalpia standard de formare se notează ΔH f O . Aici indicele f înseamnă formare (educație), iar cercul tăiat, asemănător unui disc Plimsol, înseamnă că valoarea se referă la starea standard a materiei. În literatură, se găsește adesea o altă desemnare pentru entalpia standard - ΔH 298,15 0, unde 0 indică egalitatea presiunii cu o atmosferă (sau, ceva mai precis, condiții standard), iar 298,15 este temperatura. Uneori, indicele 0 este folosit pentru cantități legate de o substanță pură, prevăzând că este posibil să se desemneze mărimi termodinamice standard cu acesta numai atunci când substanța pură este aleasă ca stare standard. Standardul mai poate fi luat, de exemplu, starea unei substanțe într-o soluție extrem de diluată. „Disc Plimsol” în acest caz înseamnă starea standard reală a materiei, indiferent de alegerea acesteia.

Se presupune că entalpia de formare a substanțelor simple este zero, iar valoarea zero a entalpiei de formare se referă la starea de agregare, care este stabilă la T = 298 K. De exemplu, pentru iodul în stare cristalină, ΔH I2 (s) 0 = 0 kJ/mol, iar pentru iod lichid, ΔH I2 (g) 0 = 22 kJ/mol. Entalpiile de formare a substanțelor simple în condiții standard sunt principalele lor caracteristici energetice.

Efectul termic al oricărei reacții se găsește ca diferența dintre suma căldurilor de formare a tuturor produselor și suma căldurilor de formare a tuturor reactanților din această reacție (o consecință a legii lui Hess):

Reacția ΔH O = ΣΔH f O (produse) - ΣΔH f O (reactivi)

Efectele termochimice pot fi incluse în reacțiile chimice. Ecuațiile chimice în care este indicată cantitatea de căldură eliberată sau absorbită se numesc ecuații termochimice. Reacțiile însoțite de eliberarea de căldură în mediu au un efect termic negativ și se numesc exoterme. Reacțiile însoțite de absorbția căldurii au un efect termic pozitiv și se numesc endoterme. Efectul termic se referă de obicei la un mol din materialul de pornire reacţionat, al cărui coeficient stoichiometric este maxim.

Dependența de temperatură a efectului termic (entalpie) al reacției

Pentru a calcula dependența de temperatură a entalpiei de reacție, este necesar să se cunoască capacitățile termice molare ale substanțelor implicate în reacție. Modificarea entalpiei reacției cu creșterea temperaturii de la T 1 la T 2 se calculează conform legii Kirchhoff (se presupune că în acest interval de temperatură capacitățile de căldură molare nu depind de temperatură și nu există transformări de fază):

Dacă transformările de fază au loc într-un anumit interval de temperatură, atunci în calcul este necesar să se ia în considerare căldura transformărilor corespunzătoare, precum și modificarea dependenței de temperatură a capacității termice a substanțelor care au suferit astfel de transformări:

unde ΔC p (T1,Tf) este modificarea capacităţii termice în domeniul de temperatură de la T1 la temperatura de tranziţie de fază; ΔC p (Tf,T2) este modificarea capacității termice în domeniul de temperatură de la temperatura de tranziție de fază la temperatura finală, iar Tf este temperatura de tranziție de fază.

Entalpia standard de ardere este ΔHhor, efectul termic al reacției de ardere a unui mol dintr-o substanță în oxigen la formarea de oxizi în cea mai mare stare de oxidare. Se presupune că căldura de ardere a substanțelor incombustibile este zero.

Entalpia standard de dizolvare este soluția ΔH, efectul termic al procesului de dizolvare a 1 mol de substanță într-o cantitate infinită de solvent. Constă în căldura de distrugere a rețelei cristaline și căldura de hidratare (sau căldura de solvatare pentru soluțiile neapoase) eliberată ca urmare a interacțiunii moleculelor de solvent cu moleculele sau ionii solutului pentru a forma compuși de variabilitate. compoziție - hidrați (solvați). Distrugerea rețelei cristaline, de regulă, este un proces endotermic - ΔH sol > 0, iar hidratarea ionilor este exotermă, ΔH hidr.< 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:

Soluție ΔHKOH o \u003d ΔH sol o + ΔH hydrK + o + ΔH hidroOH - o \u003d -59 kJ / mol

Entalpia de hidratare - ΔH hydr, se referă la căldura care este eliberată în timpul tranziției a 1 mol de ioni de la vid la soluție.

Entalpia standard de neutralizare - Entalpia de neutralizare ΔH a reacției de interacțiune a acizilor și bazelor puternice cu formarea a 1 mol de apă în condiții standard:

HCl + NaOH = NaCI + H2O

H + + OH - \u003d H 2 O, ΔH neutru ° \u003d -55,9 kJ / mol

Entalpia standard de neutralizare pentru soluțiile concentrate de electroliți puternici depinde de concentrația de ioni, datorită modificării valorii ΔH a ionilor de hidratare ° la diluare.

Entalpia este o proprietate a materiei care indică cantitatea de energie care poate fi transformată în căldură.

Entalpia este o proprietate termodinamică a unei substanțe care indică nivelul de energie stocat în structura sa moleculară. Aceasta înseamnă că, deși materia poate avea energie bazată pe temperatură și presiune, nu toată ea poate fi transformată în căldură. O parte din energia internă rămâne întotdeauna în substanță și își menține structura moleculară. O parte din energia cinetică a unei substanțe nu este disponibilă atunci când temperatura acesteia se apropie de temperatura ambiantă. Prin urmare, entalpia este cantitatea de energie disponibilă pentru conversie în căldură la o anumită temperatură și presiune. Unitățile de entalpie sunt unități termice britanice sau jouli pentru energie și Btu/lbm sau J/kg pentru energie specifică.

Cantitatea de entalpie

Cantitatea de entalpie a unei substanțe se bazează pe temperatura dată. Această temperatură este valoarea aleasă de oamenii de știință și ingineri ca bază pentru calculele lor. Aceasta este temperatura la care entalpia unei substanțe este zero J. Cu alte cuvinte, substanța nu are energie disponibilă care să poată fi transformată în căldură. Această temperatură este diferită pentru diferite substanțe. De exemplu, această temperatură a apei este punctul triplu (0°C), azotul este -150°C, iar agenții frigorifici pe bază de metan și etan sunt -40°C.

Dacă temperatura unei substanțe este peste temperatura sa dată sau se schimbă în stare gazoasă la o anumită temperatură, entalpia este exprimată ca număr pozitiv. În schimb, la o temperatură sub o anumită entalpie a unei substanțe este exprimată ca număr negativ. Entalpia este utilizată în calcule pentru a determina diferența de niveluri de energie între două stări. Acest lucru este necesar pentru a configura echipamentul și a determina eficiența procesului.

Entalpia este adesea definită ca energia totală a unei substanțe, deoarece este egală cu suma energiei sale interne (u) într-o stare dată, împreună cu capacitatea sa de a lucra (pv). Dar, în realitate, entalpia nu indică energia totală a unei substanțe la o temperatură dată peste zero absolut (-273°C). Prin urmare, mai degrabă decât să definim entalpia ca fiind căldura totală a unei substanțe, este mai precis să o definim ca fiind cantitatea totală de energie disponibilă a unei substanțe care poate fi transformată în căldură.
H=U+pV

LEGEA HESS: efectul termic al chimiei. p-țiunea depinde numai de stările inițiale și finale ale sistemului și nu depinde de intervalele acestuia. state. G. h. este o expresie a legii conservării energiei pentru sistemele în care chem. p-tion, și o consecință a primei legi a termodinamicii, totuși, a fost formulată mai devreme decât prima lege. Valabil pentru raioanele care curge la volum constant sau la presiune constantă; pentru prima, efectul termic este egal cu modificarea ext. energia sistemului datorată substanțelor chimice. p-tion, pentru al doilea, modificarea entalpiei. Pentru a calcula efectele termice ale districtelor, incl. practic impracticabil, alcătuiesc un sistem termochimic. ur-tions, to-rye sunt ur-tions de p-tions, înregistrate împreună cu efectele termice corespunzătoare la un t-re dat. În acest caz, este important să se indice starea de agregare a substanţelor care reacţionează, deoarece de aceasta depinde amploarea efectului termic al districtului.

sistem termochimic. Ur-urile pot fi rezolvate prin operarea cu f-lams in-in, care se află în stări identice, ca membri obișnuiți ai mat. ur-tion.

(Pagina a fost pregătită folosind materiale de pe sitehttp://www.hemi.nsu.ru/ucheb211.htm )

Fiecare substanță are o anumită cantitate de energie stocată în ea. Întâmpinăm această proprietate a substanțelor deja la micul dejun, prânz sau cină, deoarece produsele alimentare permit organismului nostru să folosească energia unei game largi de compuși chimici conținuti în alimente. În organism, această energie este transformată în mișcare, muncă și este folosită pentru a menține o temperatură constantă (și destul de ridicată!) a corpului.

Energia compușilor chimici este concentrată în principal în legături chimice. Pentru a rupe o legătură între doi atomi, este nevoie cheltuiește energie. Când se formează o legătură chimică, se eliberează energie.

Atomii nu s-ar conecta între ei dacă acest lucru nu ar duce la un „câștig” (adică, eliberare) de energie. Acest câștig poate fi mare sau mic, dar este sigur că va exista în formarea de molecule din atomi.

Orice reacție chimică constă în ruperea unor legături chimice și formarea altora.

Când, în urma unei reacții chimice în timpul formării noilor legături, este eliberată mai multă energie decât a fost nevoie pentru a distruge legăturile „vechi” din substanțele originale, atunci excesul de energie este eliberat sub formă de căldură. Reacțiile de ardere sunt un exemplu. De exemplu, gazul natural (metan CH 4) arde în oxigenul atmosferic cu degajarea unei cantități mari de căldură.

Reacția poate merge chiar și cu o explozie - atât de multă energie este conținută în această transformare. Astfel de reacții se numesc exotermic din latinescul „exo” – spre exterior (referindu-se la energia eliberată).

În alte cazuri, distrugerea legăturilor din substanțele inițiale necesită mai multă energie decât poate fi eliberată în timpul formării de noi legături. Astfel de reacții apar numai cu furnizarea de energie din exterior și sunt numite endotermic (din latinescul "endo" - interior). Un exemplu este formarea de monoxid de carbon (II) CO și hidrogen H 2 din cărbune și apă, care are loc numai atunci când este încălzit.

Reprezentarea reacțiilor chimice folosind modele moleculare: a) reacție exotermă, b) reacție endotermă. Modelele arată clar cum, cu un număr constant de atomi, vechile legături chimice dintre ele sunt distruse și apar noi legături chimice.

Astfel, orice reacție chimică este însoțită de eliberarea sau absorbția de energie. Cel mai adesea, energia este eliberată sau absorbită sub formă de căldură (mai rar, sub formă de lumină sau energie mecanică). Această căldură poate fi măsurată. Rezultatul măsurării este exprimat în kilojuli (kJ) pentru un mol de reactant sau (mai rar) pentru un mol de produs de reacție. O astfel de valoare este numită efectul termic al reacției . De exemplu, efectul termic al reacției de ardere a hidrogenului în oxigen poate fi exprimat prin oricare dintre cele două ecuații:

2 H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2 H 2 O (g) + 572 kJ

sau

H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) \u003d H 2 O (g) + 286 kJ

Ambele ecuații sunt la fel de corecte și ambele exprimă efectul termic al reacției exoterme de formare a apei din hidrogen și oxigen. Primul este la 1 mol de oxigen folosit, iar al doilea este la 1 mol de hidrogen ars sau la 1 mol de apă format.

Pictogramele (d), (g) indică starea gazoasă și lichidă a substanțelor. Există, de asemenea, denumiri (tv) sau (k) - o substanță solidă, cristalină, (aq) - o substanță dizolvată în apă etc.

Este importantă desemnarea stării de agregare a unei substanțe. De exemplu, în reacția de ardere a hidrogenului, apa se formează inițial sub formă de abur (stare gazoasă), în timpul condensării căruia se poate elibera ceva mai multă energie. În consecință, pentru formarea apei sub formă de lichid, efectul termic măsurat al reacției va fi oarecum mai mare decât pentru formarea numai a aburului, deoarece o altă porțiune de căldură va fi eliberată în timpul condensării aburului.

Se folosește și un caz special al efectului termic al reacției - caldura de ardere. Din numele însuși reiese clar că căldura de ardere servește la caracterizarea substanței folosite ca combustibil. Căldura de ardere se referă la 1 mol dintr-o substanță care este un combustibil (un agent reducător într-o reacție de oxidare), de exemplu:

C 2 H 2 +2,5 O 2 \u003d 2 CO 2 + H 2 O + 1300 kJ

Acetilenă puterea calorică a acetilenei

Energia (E) stocată în molecule poate fi reprezentată pe o scară de energie. În acest caz, efectul termic al reacției (?E) poate fi prezentat grafic.

Reprezentarea grafică a efectului termic: a) reacția exotermă a arderii hidrogenului; b) reacție endotermă de descompunere a apei sub influența curentului electric. Coordonata de reacție (axa orizontală a graficului) poate fi considerată, de exemplu, ca grad de conversie a substanțelor (100% - conversia completă a materiilor prime).

Ecuațiile reacțiilor chimice, în care, împreună cu reactanții și produșii, se scrie și efectul termic al reacției, se numesc ecuații termochimice .

O caracteristică a ecuațiilor termochimice este că atunci când se lucrează cu ele, este posibil să se transfere formulele substanțelor și mărimile efectelor termice dintr-o parte a ecuației în alta. De regulă, este imposibil să faci acest lucru cu ecuațiile obișnuite ale reacțiilor chimice.

Adunarea și scăderea în termeni a ecuațiilor termochimice sunt de asemenea permise. Acest lucru poate fi necesar pentru a determina efectele termice ale reacțiilor care sunt dificil sau imposibil de măsurat experimental.

Să luăm un exemplu. În laborator, este extrem de dificil să se efectueze „în formă pură„reacția de obținere a metanului CH4 prin combinarea directă a carbonului cu hidrogenul:

C + 2H2 = CH4

Dar puteți afla multe despre această reacție cu ajutorul calculelor. De exemplu, aflați dacă această reacție va fi exotermă sau endotermă și chiar cuantificați magnitudinea efectului termic.

Efectele termice ale reacțiilor de ardere a metanului, carbonului și hidrogenului sunt cunoscute (aceste reacții sunt ușoare):

a) CH 4 (g) + 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (g) + 890 kJ

b) C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 394 kJ

c) 2H 2 (g) + O2 (g) \u003d 2H 2 O (l) + 572 kJ

Scădeți ultimele două ecuații (b) și (c) din ecuația (a). Părțile din stânga ecuațiilor vor fi scăzute din stânga, dreapta - din dreapta. În acest caz, toate moleculele de O 2 , CO 2 și H 2 O vor fi reduse. Se obține:

CH 4 (g) - C (tv) - 2H 2 (g) \u003d (890 - 394 - 572) kJ \u003d -76 kJ

Această ecuație pare oarecum neobișnuită. Înmulțiți ambele părți ale ecuației cu (-1) și mutați CH 4 în partea dreaptă cu semnul opus. Obținem ecuația de care avem nevoie pentru formarea metanului din cărbune și hidrogen:

C (tv) + 2H 2 (g) \u003d CH 4 (g) + 76 kJ / mol

Deci, calculele noastre au arătat că efectul termic al formării metanului din carbon și hidrogen este de 76 kJ (per mol de metan), iar acest proces trebuie să fie exotermic (energia va fi eliberată în această reacție).

Este important să acordăm atenție faptului că numai substanțele care se află în aceleași stări agregate pot fi adăugate, scăzute și reduse termen cu termen în ecuații termochimice, altfel vom face o greșeală în determinarea efectului termic prin valoarea căldurii. de trecere de la o stare agregată la alta.

Legile de bază ale termochimiei

Ramura chimiei care se ocupă cu conversia energiei în reacții chimice se numește termochimie .

Există două cele mai importante legi ale termochimiei. Prima, legea Lavoisier-Laplace , se formulează după cum urmează:

Efectul termic al reacției directe este întotdeauna egal cu efectul termic al reacției inverse cu semnul opus.

Aceasta înseamnă că în timpul formării oricărui compus, aceeași cantitate de energie este eliberată (absorbită) precum este absorbită (eliberată) în timpul dezintegrarii sale în substanțele originale. De exemplu:

2H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2H 2 O (g) + 572 kJ (combustie hidrogen în oxigen)

2 H 2 O (g) + 572 kJ \u003d 2H 2 (g) + O 2 (g) (descompunerea apei prin curent electric)

Legea Lavoisier-Laplace este o consecință a legii conservării energiei.

A doua lege a termochimiei a fost formulată în 1840 de un academician rus G. I. Hess:

Efectul termic al reacției depinde doar de starea inițială și finală a substanțelor și nu depinde de etapele intermediare ale procesului.

Aceasta înseamnă că efectul termic total al unei serii de reacții succesive va fi același cu cel al oricărei alte serii de reacții, dacă la începutul și la sfârșitul acestor serii aceleași substanțe inițiale și finale. Aceste două legi de bază ale termochimiei dau ecuațiilor termochimice o oarecare asemănare cu cele matematice, când în ecuațiile de reacție se pot transfera termeni dintr-o parte în alta, se pot adăuga, scădea și abreviera formulele compușilor chimici termen cu termen. În acest caz, este necesar să se țină cont de coeficienții din ecuațiile de reacție și să nu uite că molii adaugă, scăzuți sau redusi ai substanței trebuie să fie în aceeași stare de agregare.

Aplicarea efectului termic în practică

Efectele termice ale reacțiilor chimice sunt necesare pentru multe calcule tehnice. De exemplu, luați în considerare puternica rachetă Energia a Rusiei, capabilă să lanseze nave spațiale și alte sarcini utile pe orbită. Motoarele uneia dintre treptele sale funcționează cu gaze lichefiate - hidrogen și oxigen.

Să presupunem că cunoaștem munca (în kJ) care va trebui cheltuită pentru a livra o rachetă cu o sarcină de pe suprafața Pământului pe orbită, cunoaștem și munca de depășire a rezistenței aerului și a altor costuri de energie în timpul zborului. Cum se calculează cantitatea necesară de hidrogen și oxigen, care (în stare lichefiată) sunt folosite în această rachetă ca combustibil și oxidant?

Fără ajutorul efectului termic al reacției de formare a apei din hidrogen și oxigen, acest lucru este dificil de realizat. La urma urmei, efectul termic este însăși energia care ar trebui să pună racheta pe orbită. În camerele de ardere ale rachetei, această căldură este convertită în energia cinetică a moleculelor de gaz fierbinte (abur), care iese din duze și creează propulsie de jet.

În industria chimică, efectele termice sunt necesare pentru a calcula cantitatea de căldură pentru a încălzi reactoarele în care au loc reacții endoterme. În sectorul energetic, folosind căldura de ardere a combustibilului, se calculează generarea de energie termică.

Dieteticienii folosesc efectele termice ale oxidării alimentelor în organism pentru a formula diete adecvate nu numai pentru pacienți, ci și pentru oameni sănătoși - sportivi, lucrători de diverse profesii. În mod tradițional, pentru calcule, aici nu se folosesc jouli, ci alte unități de energie - calorii (1 cal = 4,1868 J). Conținutul energetic al alimentelor se referă la o anumită masă de produse alimentare: la 1 g, la 100 g sau chiar la ambalajul standard al produsului. De exemplu, pe eticheta unui borcan de lapte condensat, puteți citi următoarea inscripție:

„conținut caloric 320 kcal / 100 g”.