Тепловой эффект химической реакции термохимические уравнения. Тепловой эффект химических реакций. Закон Гесса. Смотреть что такое "Тепловой эффект химической реакции" в других словарях

Подобно тому, как одной из физических характеристик человека является физическая сила, важнейшей характеристикой любой химической связи является сила связи, т.е. её энергия.

Напомним, что энергия химической связи – эта та энергия, которая выделяется при образовании химической связи или та энергия, которую нужно истратить, чтобы эту связь разрушить.

Химическая реакция в общем случае – это превращение одних веществ в другие. Следовательно, в ходе химической реакции происходит разрыв одних связей и образование других, т.е. превращения энергии.

Фундаментальный закон физики гласит, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одного вида в другой. В силу своей универсальности данный принцип, очевидно, применим и к химической реакции.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты,

выделившееся (или поглотившееся) в ходе реакции и относимое к 1 моль прореагировавшего (или образовавшегося) вещества.

Тепловой эффект обозначается буквой Q и, как правило, измеряется в кДж/моль или в ккал/моль.

Если реакция происходит с выделением тепла (Q > 0), она называется экзотермической, а если с поглощением тепла (Q < 0) – эндотермической.

Если схематично изобразить энергетический профиль реакции, то для эндотермических реакций продукты находятся выше по энергии, чем реагенты, а для экзотермических – наоборот, продукты реакции располагаются ниже по энергии (более стабильны), чем реагенты.

Ясно, что чем больше вещества прореагирует, тем большее количество энергии выделится (или поглотится), т.е. тепловой эффект прямо пропорционален количеству вещества. Поэтому отнесение теплового эффекта к 1 моль вещества обусловлено нашим стремлением сравнивать между собой тепловые эффекты различных реакций.

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Пример 1 . При восстановлении 8,0 г оксида меди(II) водородом образовалась металлическая медь и пары воды и выделилось 7,9 кДж теплоты. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида меди(II).

Решение . Уравнение реакции CuO (тв.) + H2 (г.) = Cu (тв.) + H2 O (г.) + Q (*)

Составим пропорцию при восстановлении 0,1 моль – выделяется 7,9 кДж при восстановлении 1 моль – выделяется x кДж

Откуда x = + 79 кДж/моль. Уравнение (*) принимает вид

CuO (тв.) + H2 (г.) = Cu (тв.) + H2 O (г.) + 79 кДж

Термохимическое уравнение – это уравнение химической реакции, в котором указаны агрегатное состояние компонентов реакционной смеси (реагентов и продуктов) и тепловой эффект реакции.

Так, чтобы расплавить лед или испарить воду, требуется затратить определенные количества теплоты, тогда как при замерзании жидкой воды или конденсации водяного пара такие же количества теплоты выделяются. Именно поэтому нам холодно, когда мы выходим из воды (испарение воды с поверхности тела требует затрат энергии), а потоотделение является биологическим защитным механизмом от перегрева организма. Напротив, морозильник замораживает воду и нагревает окружающее помещение, отдавая ему избыточное тепло.

На данном примере показаны тепловые эффекты изменения агрегатного состояния воды. Теплота плавления (при 0o C) λ = 3,34×10 5 Дж/кг (физика), или Qпл. = - 6,02 кДж/моль (химия), теплота испарения (парообразования) (при 100o C) q = 2,26×10 6 Дж/кг (физика) или Qисп. = - 40,68 кДж/моль (химия).

плавление

		испарение

обр ,298.

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Разумеется, возможны процессы сублимации, когда твердое вещество

переходит в газовую фазу, минуя жидкое состояние и обратные процессы осаждения (кристаллизации) из газовой фазы, для них также возможно рассчитать или измерить тепловой эффект.

Ясно, что в каждом веществе есть химические связи, следовательно, каждое вещество обладает некоторым запасом энергии. Однако далеко не все вещества можно превратить друг в друга одной химической реакцией. Поэтому договорились о введении стандартного состояния.

Стандартное состояние вещества – это агрегатное состояние вещества при температуре 298 К, давлении 1 атмосфера в наиболее устойчивой в этих условиях аллотропной модицикации.

Стандартные условия – это температура 298 К и давление 1 атмосфера. Стандартные условия (стандартное состояние) обозначается индексом0 .

Стандартной теплотой образования соединения называется тепловой эффект химической реакции образования данного соединения из простых веществ, взятых в их стандартном состоянии. Теплота образования соединения обозначается символом Q 0 Для множества соединений стандартные теплоты образования приведены в справочниках физикохимических величин.

Стандартные теплоты образования простых веществ равны 0. Например, Q0 обр,298 (O2 , газ) = 0, Q0 обр,298 (C, тв., графит) = 0.

Например . Запишите термохимическое уравнение образования сульфата меди(II). Из справочника Q0 обр,298 (CuSO4 ) = 770 кДж/моль.

Cu (тв.) + S (тв.) + 2O2 (г.) = CuSO4 (тв.) + 770 кДж.

Замечание : термохимическое уравнение можно записать для любого вещества, однако надо понимать, что в настоящей жизни реакция происходит совершенно по-другому: из перечисленных реагентов образуются при нагревании оксиды меди(II) и серы(IV), но сульфат меди(II) не образуется. Важный вывод: термохимическое уравнение – модель, которая позволяет производить расчеты, она хорошо согласуется с другими термохимическими данными, но не выдерживает проверки практикой (т.е. неспособна правильно предсказать возможность или невозможность реакции).

(B j ) - ∑ a i × Q обр 0 ,298 i

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции

Уточнение . Для того, чтобы не вводить Вас в заблуждение, сразу добавлю, что химическая термодинамика может предсказывать возможность / невозможность реакции , однако для этого требуются более серьезные «инструменты», которые выходят за рамки школьного курса химии. Термохимическое уравнение по сравнению с этими приемами – первая ступенька на фоне пирамиды Хеопса – без него не обойтись, но высоко не подняться.

Пример 2 . Вычислите тепловой эффект конденсации воды массой 5,8г. Решение . Процесс конденсации описывается термохимическим уравнением H2 O (г.) = H2 O (ж.) + Q – конденсация обычно экзотермический процесс Теплота конденсации воды при 25o C 37 кДж/моль (справочник).

Следовательно, Q = 37 × 0,32 = 11,84 кДж.

В 19 веке русским химиком Гессом, изучавшим тепловые эффекты реакций, был экспериментально установлен закон сохранения энергии применительно к химическим реакциям – закон Гесса .

Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса и определяется только разностью конечного и начального состояний.

С точки зрения химии и математики данный закон означает, что мы вольны для расчета процесса выбрать любую «траекторию расчета», ведь результат от нее не зависит. По этой причине очень важный закон Гесса имеет невероятно важное следствие закона Гесса .

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов).

С точки зрения здравого смысла данное следствие соответствует процессу, в котором сначала все реагенты превратились в простые вещества, которые затем собрались по-новому, так что получились продукты реакции.

В форме уравнения следствие закона Гесса выглядит так Уравнение реакции: a 1 A 1 + a 2 A 2 + … + a n A n = b 1 B 1 + b 2 B 2 + … b

При этом a i и b j – стехиометрические коэффициенты, A i – реагенты, B j – продукты реакции.

Тогда следствие закона Гесса имеет вид Q = ∑ b j × Q обр 0 ,298

k Bk + Q

(A i )

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Поскольку стандартные теплоты образования многих веществ

а) сведены в специальные таблицы или б) могут быть определены экспериментально, то становится возможным предсказать (рассчитать) тепловой эффект очень большого количества реакций с достаточно высокой точностью.

Пример 3 . (Следствие закона Гесса). Рассчитайте тепловой эффект паровой конверсии метана, происходящей в газовой фазе при стандартных условиях:

CH4 (г.) + H2 O (г.) = CO (г.) + 3 H2 (г.)

Определите, является ли данная реакция экзотермической или эндотермической?

Решение: Следствие закона Гесса

Q = 3 Q0			Г ) +Q 0		(CO , г ) −Q 0		Г ) −Q 0		O , г ) - в общем виде.
	обр ,298			обр ,298	обр ,298		обр ,298
Q обр0	298 (H 2 , г ) = 0			Простое вещество в стандартном состоянии

Из справочника находим теплоты образования остальных компонентов смеси.

		O , г ) = 241,8			(СO , г ) = 110,5				Г ) = 74,6
обр ,298				обр ,298			обр ,298

Подставляем значения в уравнение

Q = 0 + 110,5 – 74,6 – 241,8 = -205,9 кДж/моль, реакция сильно эндотермична.

Ответ: Q = -205,9 кДж/моль, эндотермическая

Пример 4. (Применение закона Гесса). Известны теплоты реакций

C (тв.) + ½ O (г.)= CO (г.) + 110,5 кДж

С (тв.) + O2 (г.) = CO2 (г.) + 393,5 кДж Найти тепловой эффект реакции 2CO (г.) + O2 (г.) = 2CO2 (г.). Решение Умножим первое и второе уравнение на 2

2C (тв.) + O2 (г.)= 2CO (г.) + 221 кДж 2С (тв.) + 2O2 (г.) = 2CO2 (г.) + 787 кДж

Вычтем из второго уравнения первое

O2 (г.) = 2CO2 (г.) + 787 кДж – 2CO (г.) – 221 кДж,

2CO (г.) + O2 (г.) = 2CO2 (г.) + 566 кДж Ответ: 566 кДж/моль.

Замечание: При изучении термохимии мы рассматриваем химическую реакцию извне (снаружи). Напротив, химическая термодинамика – наука о поведении химических систем – рассматривает систему изнутри и оперирует понятием «энтальпии» H как тепловой энергии системы. Энтальпия, таким

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции образом, имеет тот же смысл, что и количество теплоты, но имеет противоположный знак: если энергия выделяется из системы, окружающая среда её получает и греется, а система энергию теряет.

Литература :

1. учебник, В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко и др., Химия 9 класс, параграф 19,

2. Учебно-методическое пособие «Основы общей химии» Часть 1.

Составители – С.Г. Барам, И.Н. Миронова. – взять с собой! на следующее семинарское занятие

3. А.В. Мануйлов. Основы химии. http://hemi.nsu.ru/index.htm

§9.1 Тепловой эффект химической реакции. Основные законы термохимии.

§9.2** Термохимия (продолжение). Теплота образования вещества из элементов.

Стандартная энтальпия образования.

Внимание!

Мы переходим к решению расчетных задач, поэтому на семинары по химии отныне и впредь желателен калькулятор.

1. Термохимия. Тепловые эффекты. Закон Гесса.

2. Применение закона Гесса для расчета тепловых эффектов химических реакций. Стандартные теплоты образования и сгорания.

3. Теплоемкость

4. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры.

Термохимией называют раздел химической термодинамики, исследующий тепловые эффекты химических реакций.

В основе вычисления тепловых эффектов реакций лежит первое начало термодинамики.

Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении (например, в открытой колбе) или при постоянном объеме(в автоклаве), т.е. являются изобарным или изохорным процессами.

При химических превращениях освобождается часть содержащейся в веществах энергии. Согласно закону сохранения и превращения энергии, эта часть внутренней энергии системы при химической реакции идет на совершение работы и выделение или поглощение тепла. Работа обычно мала. Ее можно вычислить или ею можно пренебречь.

Теплота реакции имеет значительную величину, и во многих случаях может быть непосредственно измерена, для чего существуют калориметрические методы.

Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, выделяемая или поглощаемая в результате химической реакции в необратимом процессе при постоянном объеме или давлении и при условии, что продукты реакции и исходные вещества имеют одинаковую температуру и отсутствуют другие виды работ, кроме расширения.

Значение термохимии на практике очень велико, так как тепловой баланс рассчитывается при многих процессах в технологической практике, медицине и биохимии.

Основой термохимии является закон Гесса, который экспериментально установил русский ученый акад. Г.И. Гесс в 1836-40гг. Этот закон носит также название закона постоянства суммы теплот реакции:

Тепловой эффект химической реакции определяется только природой и состоянием исходных веществ и продуктов, но не зависит от промежуточных химических реакций, т.е. от способа перехода от исходного состояния в конечное.

Закон Гесса является частным случаем закона сохранения энергии.

Для пояснения закона Гесса рассмотрим пример получения водного раствора NH 4 Cl из NH 3(г) и HCl (г) и воды. Процесс можно провести двумя путями:

1) NH 3 (г) + HCl(г) = NH 4 Cl(г) (выделяется 41,85 ккал/моль)

2). NH 4 Cl(г) + aq = NH 4 Cl aq (поглощается 3,92 ккал/моль) (-3,92)

Результат: выделяется 37,93 ккал/моль

2-ой путь:

1). NH 3 (г) +aq = NH 3 aq выделяется 8,35 ккал/моль (+8,35)

2). HCl(г) +aq = HCl aq выделяется 17,32 ккал/моль (+17,32)

3). HCl aq + NH 3 aq = NH 4 Cl aq выделяется 12, 27 ккал/моль

Результат: выделяется 37,94 ккал/моль

(Существует два способа записи теплот реакций и соответственно две системы знаков: термодинамическая и термохимическая. В термодинамической теплота считается положительной, если она получена системой. В термохимической положительной – если она выделяется. Поэтому при экзотермических реакциях, когда уменьшается внутренняя энергия системы, энтальпия уменьшается, ΔU и ΔΗ имеет отрицательный знак.

При эндотермических реакциях, когда энергия поглощается системой, наоборот - ΔU и ΔΗ имеют положительные значения.

Термохимические уравнения в связи с этимзаписываются так:

С 6 Н 6 + 7,5 О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О + 780,98 ккал

В термодинамической системе записывают уравнение реакции и рядом указывают величину разности между внутренними энергиями (или энтальпиями) продуктов реакции и исходных веществ:

С 6 Н 6 + 7,5 О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О; Q p = ΔH 0 298 –780, 98 ккал

Химические уравнения, в которых указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, называются термохимическими уравнениями.

Закон Гесса дает возможность вычислить тепловые эффекты реакции в тех случаях, когда их непосредственное измерение неосуществимо по каким-либо причинам.

Обычно химические реакции проводят или при постоянном объеме, или при постоянном давлении. При этом:

Q V =ΔU и Q p = ΔU +pdV =ΔH

из этих уравнений следует, что

Q p - Q V = pdV,

т.е. разность тепловых эффектов при постоянном давлении и постоянном объеме равна работе расширения.

Так как pV = nRT, то pΔV = ΔnRT,

где Δn - изменение числа молей газообразных участников реакции.

Дальнейшая подстановка дает уравнение, выражающее соотношение между изобарным и изохорным тепловыми эффектами:

Q p - Q V = ΔnRT,

или ΔН = ΔU +ΔnRT

если Δn =0, то ΔН = ΔU

Если в реакции участвуют твердые и жидкие вещества, то при вычислении Δn они во внимание не принимаются . При протекании химических реакций изменение числа молей равно разности стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

2.Применение закона Гесса для расчета тепловых эффектов химических реакций. Стандартные теплоты образования и сгорания.

Для удобства сопоставления тепловых эффектов вводится понятие о тепловом эффекте реакции при стандартных условиях.

Тепловым эффектом при стандартных условиях (ΔН) называют такой тепловой эффект, который сопровождает реакцию при стандартном давлении (р 0 = 1,013 10 5 Па) и при стандартной температуре (298 К)

Тепловой эффект при стандартных условиях рассчитывают по стандартным теплотам образования и сгорания.

Стандартной теплотой образования называют тепловой эффект реакции образования 1 моля данного вещества из простых веществ (или элементов) при давлении 1,013 10 5 Па и при условии, что все участники реакции находятся в устойчивых агрегатных состояниях.

Стандартные теплоты образования обозначаются так: ΔН 0 f 298

(formation), определены для примерно 4 тыс. веществ и сведены в таблицы.

Для твердых и жидких веществ стандартным состоянием принимается их устойчивая форма при внешнем давлении 1 атм или 1,013 10 5 Па. Для газов в качестве стандартного принимается состояние идеального газа при том же давлении 1,013 10 5 Па.

Стандартные теплоты образования простых веществ (элементов)

(напр. N 2 , O 2 , S ромб, C гр) принимаются равными 0.

Стандартной теплотой сгорания называют теплоту, выделяющуюся при сгорании в атмосфере кислорода 1 моля вещества при стандартном давлении 1,013 10 5 Па до простейших оксидов. При этом все участники реакции должны быть в устойчивых агрегатных состояниях. Стандартные теплоты образования обозначаются так: ΔН 0 с298 (combustion).

Стандартные теплоты высших окислов, естественно, приняты равными 0.

Пользуясь табличными данными для ΔН 0 f 298 и ΔН 0 с298 , можно рассчитать тепловой эффект реакции при стандартных условиях.

При этом применяют следствия из закона Гесса:

1. тепловой эффект реакции при стандартных условиях равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты:

2. тепловой эффект реакции при стандартных условиях равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты:

Пример1.

Определите теплоту образования HI (г) по реакции:

½ Н 2 + 1/2 I 2 = HI (г)

Решение. Тепловой эффект здесь равен тепловому эффекту образования HI, так как ΔΗ (Н 2) и ΔΗ (I 2) равны 0. По таблицам находим теплоту образования HI, она равна 26,04 кДж/моль.

Пример 2.

Рассчитайте тепловой эффект реакции

СН 4 (г) + СО 2 (г) =2СО (г) + 2Н 2

по стандартным теплотам образования.

Решение Из таблиц находят ΔΗ 0 f для участников реакции:

ΔΗ 0 f 298 СН4 (г) = -74,85, ΔΗ 0 f 298 СО 2 (г) = -393,51, ΔΗ 0 f 298 СО = -110,5, ΔΗ 0 f Н 2 =0

Согласно следствию закона Гесса имеем:

ΔΗ r = 2 ΔΗ 0 f 298 СО + ΔΗ 0 f Н 2 - ΔΗ 0 f 298 СН4 (г) - ΔΗ 0 f 298 СО 2 (г) =

2(-110,5,) + 0 – (-74,85 -393,51) = + 247.39 кДж|моль

реакция эндотермическая

по теплотам сгорания:

ΔΗ r = ΔΗ 0 f 298 СН4 (г) + ΔΗ 0 f 298 СО 2 (г) -(2 ΔΗ 0 f 298 СО + ΔΗ 0 f Н 2) =

ΔΗ 0 с 298 СН4 (г) = -802.32 кДж/моль, ΔΗ 0 с298 СО 2 (г) = 0, ΔΗ 0 с298 СО = -283,0.

ΔΗ 0 сН2 = -241.84.

ΔΗ r = -802.32 +0 - (2 -283,0 –2 -241.84) =+247,36 кДж/моль

Закон Гесса имеет исключительно практическое значение. С его помощью можно узнать тепловой эффект любой реакции, не производя для этого непосредственных измерений. Это особенно ценно в тех случаях, когда проведение реакций неосуществимо или искажается побочными эффектами.

Например, (пример3) теплоту образования глюкозы экспериментально найти нельзя, так как реакция, идущая по уравнению:

6С гр +6Н 2 (г) +3О 2 (г) =С 6 Н 12 О 6 (тв) неосуществима.

Но пользуясь законом Гесса можно скомбинировать термохимические уравнения, из которых можно посчитать этот эффект. Например так:

1. 6С гр +6О 2 (г) =6СО 2 (г) ΔΗ 1 = 6 (-94,0) = - 564 ккал|моль

2. 6Н 2 (г) +3О 2 (г) = 6Н 2 О (ж) ΔΗ 2 =6 (-68,3) = - 410 ккал/моль

3. С 6 Н 12 О 6 (тв) +6О 2 (г) = 6СО 2 (г) + 6Н 2 О (ж) ΔΗ 3 = -670 ккал/моль

Аналогичная комбинация энтальпий дает энтальпию образования глюкозы:

ΔΗ 1 + ΔΗ 2 - ΔΗ 3 = ΔΗ f C 6 H 12 O 6

ΔΗ f C 6 H 12 O 6 = - 304 ккал|моль

Здесь теплота образования рассчитана по теплотам сгорания.

Пример 4

Определить теплоту (энтальпию) фазового перехода:

Na (к) = Na (г)

ΔΗ 0 возг =108,3 –0 = 108,3 кДж/моль

SO 3 (ж) = SO 3 (г)

-439,0 -396.1

ΔΗ 0 исп = -396,1 – (-439) = 42,9 кДж/моль

Пример 5

Определить энергию диссоциации двухатомной молекулы на атомы (энергия химической связи):

Cl 2 (г) = 2Сl(г)

0 2(121,3)

ΔΗ 0 дисс = 2(121,3) -0 =242,6 кДж/моль

Пример6

Определить энергию превращения атома в ион (энергию ионизации):

Н(г) = Н + (г) + e

217,98 1536,2

ΔΗ 0 иониз. =1536,2 – 217,98 = 1318, 22кДж/моль

С помощью термохимических расчетов можно определить энергию химических связей, энергию кристаллической решетки, энергию межмолекулярного взаимодействия, энтальпию растворения (гидратации), эффекты фазовых превращений.

1. Теплоемкость.

3. Значение первого начала термодинамики..

Теплоемкостью называется отношение количества сообщенного системе тепла к наблюдаемому при этом повышению температуры (при отсутствии химической реакции, перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое и при А " = 0.

Теплоемкость обычно рассчитывают на 1 г массы, тогда ее называют удельной (Дж/г*К), или на 1 моль (Дж/моль*К), тогда ее называют молярной.

Различают среднюю и истинную теплоемкости.

Средней теплоемкостью называют теплоемкость в интервале температур, т. е. отношение тепла, сообщенного телу к приращению его температуры на величину ΔТ

Истинной теплоемкостью тела называют отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры.

Между средней и истинной теплоемкостью легко установить связь:

подставив значения Q в выражение для средней теплоемкости, имеем:

Истинная теплоемкость зависит от природы вещества, температуры и условий, при которых происходит переход тепла к системе.

Так, если система заключена в постоянный объем, т. е. для изохорного процесса имеем:

Если же система расширяется или сжимается, а давление остается постоянным, т.е. для изобарного процесса имеем:

Но õQ V = dU а õQ P =dH поэтому

C V = (õU/õT) V а

С P = (õH/õT) P

(если одна или несколько переменных поддерживаются постоянными, в то время как другие изменяются, то производные называются частными по отношению к изменяющейся переменной).

Оба соотношения справедливы для любых веществ и любых агрегатных состояний. Чтобы показать связь между С V и С P , надо продифференцировать по температуре выражение для энтальпии Н=U+pV / Для идеального газа

для одного моля

Разность R представляет собой работу изобарного расширения 1 моля идеального газа при повышении температуры на единицу.

У жидкостей и твердых тел вследствие малого изменения объема при нагревании С P = С V

2. Зависимость теплового эффекта от температуры. Уравнение Кирхгофа.

Используя закон Гесса, можно вычислить тепловой эффект реакции при той температуре (обычно это 298К), при которой измерены стандартные теплоты образования или сгорания всех участников реакции.

Но чаще бывает необходимо знать тепловой эффект реакции при различных температурах.

Рассмотрим реакцию:

ν A А+ν B В= ν C С+ν D D

Обозначим через Н энтальпию участника реакции, отнесенную к 1 молю. Общее изменение энтальпии ΔΗ(Т) реакции выразится равнением:

ΔΗr = (ν C Н С +ν D Н D) (ν A Н А +ν B Н В)

Если реакция протекает при постоянном давлении, то изменение энтальпии будет равно тепловому эффекту реакции. И если мы продифференцируем это уравнение по температуре, то получим:

Так как

4. Значение первого начала термодинамики..

Первый закон термодинамики является универсальным законом природы. Он полностью справедлив и для живых организмов. Протекание процессов в живом организме требует затраты энергии. Она необходима для мышечной деятельности и, в частности, для работы сердца и поддержания постоянной температуры тела. Даже в состоянии покоя человек массой 80 кг отдает окружающей среде 1200 ккал в сутки. Для нормальной жизнедеятельности необходимы потоки веществ из одной части организма в другие. Транспорт этих веществ также требует затраты энергии. В организме совершается и электрическая работа, необходимая для передачи нервных импульсов. Термохимия позволяет составить баланс энергии в живом организме. (Опыты Лавуазье, Лапласа –1780г., на морских свинках – измеряя количество СО 2 и тепла, выделяемого ею, показали, что окисление в организме и прямое сжигание питательных веществ дают близкие тепловые эффекты. Позже У. Этуотер, 1904г. показал на опыте с человеком в калориметре его энергетический суточный баланс).

Наличие энергетического баланса для живого организма показывает, что организм не является источником новой энергии, а подчиняется первому началу термодинамики.

Для изучения тепловых эффектов процессов денатурации белков, взаимодействия их с ионами металлов и ионами гидроксония в организме в последнее время успешно применяется микрокалориметрия. Поскольку тепловые эффекты этих процессов очень малы, (так, теплота денатурации ДНК (переход спираль-клубок) составляет всего лишь 4 ккал на моль), и концентрация этого биополимера в исследуемом объеме очень мала, тепловой эффект измерить возможно только на сверхчувствительном микрокалориметре. Такие приборы - дифференциальные сканирующие микрокалориметры - были сконструированы нашими учеными в академгородке Пущино, под руководством академика Привалова.

Любая химическая реакция протекает либо с выделением, либо с поглощением тепла.

• Экзотермические реакции - реакции, в процессе которых выделяется энергия:
  • C+O 2 = CO 2 - горение угля;
  • H 2 SO 4 +2KOH = K 2 SO 4 +2H 2 O - реакция кислоты со щелочью
• Эндотермические реакции - реакции, в процессе которых поглощается энергия (указанные ниже реакции протекают только при нагревании):
  • CaCO 3 = CaO+CO 2 - разложение карбоната кальция;
  • N 2 +O 2 = 2NO - образование оксида азота.

Тепловой эффект реакции выражается в килоджоулях (кДж) и обозначается буквой Q.

• Q>0 - для экзотермических реакций;
• Q<0 - для эндотермических реакций.

Суть теплового эффекта химической реакции напрямую связана с законом сохранения энергии, согласно которому, энергия не возникает из ничего и никуда не девается бесследно, а всего лишь переходит из одного состояния в другое.

Если в процессе химической реакции происходит выделение энергии, значит, эта энергия была заключена ранее в веществе, вступившем в реакцию, в ходе которой произошло высвобождение этой энергии, которую принято называть внутренней энергией вещества (обозначается U).

И наоборот, если в ходе реакции энергия была поглощена извне, значит она аккумулировалась в продукте эндотермической реакции в виде внутренней энергии вновь образовавшегося вещества.

Таким образом, если при образовании вещества было затрачено определенное кол-во энергии, то при его разложении это же кол-во энергии будет выделено. Отсюда можно сделать очень важный вывод - чем больше энергии выделяется при образовании вещества, столько же ее надо затратить и на его разложение. Поэтому, те вещества, при образовании которых было выделено много энергии, трудно поддаются разложению и являются очень устойчивыми (например, многие полимеры).

Как известно из курса физики, энергия тела складывается из потенциальной и кинетической энергии. В химии кинетическая энергия вещества обусловлена энергией движения его частиц (чем быстрее движутся частицы, тем выше кинетическая энергия вещества); потенциальная энергия определяется силами притяжения и отталкивания между частицами.

Поскольку любое вещество состоит из некоторого кол-ва частиц, которые находятся в постоянном движении, следовательно, оно обладает неким запасом внутренней энергии. В ходе химических реакций происходит превращение веществ с изменением их внутренней энергии в ту или иную сторону, что сопровождается выделением или поглощением теплоты.

В ходе химической реакции в молекулах исходных веществ происходит разрыв внутренних связей, что требует определенного кол-ва энергии (поглощение тепла), одновременно с этими процессами, в молекулах продуктов реакции происходит образование новых связей, что сопровождается выделением тепла. Соотношение поглощенного и выделенного тепла в процессе химической реакции и определяет тип всей реакции в целом, является она экзотермической или эндотермической.

Схематически это можно выразить следующим образом:

(A-A)+(B-B) = 2(A-B) E A +E B = 2E AB

• A-A - химическая связь в молекуле А 2 ;
• В-В - химическая связь в молекуле В 2 ;
• А-В - химическая свзяь в образованной молекуле АВ;
• E A - энергия, поглощаемая при разрыве связи в молекуле А 2 ;
• E В - энергия, поглощаемая при разрыве связи в молекуле В 2 ;
• E AB - энергия, выделившаяся при образовании новой связи в молекуле АВ;
• Если (E A +E B) < 2E AB - реакция экзотермическая;
• Если (E A +E B) > 2E AB - реакция эндотермическая;

Обоначим через U 1 кол-во внутренней энергии начального состояния системы (сумму внутренних энергий исходных компонентов реакции), через U 2 обозначим кол-во внутренней энергии конечного состояния системы (сумму внутренних энергий продуктов реакции). Разность внутренних энергий конечного и начального состояния системы обозначим ΔU.

По закону сохранения энергии, если к системе подводится некое кол-во теплоты Q, она будет расходоваться на изменение внутренней энергии системы (ΔU) и на выполнение работы (А):

Q=ΔU+A, где ΔU=U 2 -U 1

Говоря о работе (A) применительно к химическим реакциям, имеют ввиду работу против внешнего давления земной атмосферы (p). Большинство химических реакций протекают в условиях постоянного давления (p=const), поэтому, работу можно записать, как произведение давления на изменение объёма исходных веществ (V 1) и продуктов реакции (V 2):

A=p(V 2 -V 1)=pΔV

Исходя из принятых обозначений, тепловой эффект химической реакции, которая протекает при постоянном давлении, можно выразить следующим образом:

Q=(U 2 -U 1)+p(V 2 -V 1)

Раскрываем скобки и проводим группировку:

Q=U 2 -U 1 +pV 2 -pV 1 Q=(U 2 +pV 2)-(U 1 +pV 1)

Сумму в скобках обозначим через букву H, тогда равенство примет следующий вид:

Q=H 2 -H 1 H 1 =U 1 +pV 1 H 2 =U 2 +pV 2

Сумма внутренней энергии вещества и произведения давления на его объем называется энтальпией (H).

Энтальпия характеризует теплосодержание вещества (его внутреннюю энергию и энергию, затраченную на преодоление сопротивления внешнего давления).

Исходя из выведенной формулы теплоты через энтальпию, можно сказать, что кол-во выделившегося или поглощенного тепла в ходе химической реакции равно изменению энтальпии полученных продуктов реакции по сравнению с энтальпией исходных веществ.

Применительно к энтальпии, изменения, происходящие в ходе химической реакции, можно охарактеризовать следующим образом: изменение энтальпии (ΔH) реакции равно разности сумм энтальпий продуктов реакции (ΣH 2) и сумм энтальпий ее исходных веществ (ΣH 1) :

ΔH=ΣH 2 -ΣH 1

• ΔH<0 - для экзотермических реакций;
• ΔH>0 - для эндотермических реакций;

Для реакции двух веществ А и В, рассмотренной выше, можно записать:

ΔH=H АВ -(H А2 +H В2)

• H АВ - энтальпия 1 моль вещества АВ;
• H А2 - энтальпия 1 моль вещества А 2 ;
• H В2 - энтальпия 1 моль вещества В 2 .

Поскольку тепловой эффект (Q) экзотермических реакций положителен, а эндотермических - отрицателен, то:

Q=ΔH ΔH=-Q

Из приведенных равенств понятно, что ΔH также измеряется в кДж.

• Q>0; ΔH<0 - для экзотермических реакций;
• Q<0; ΔH>0 - для эндотермических реакций.

Тепловой эффект химической реакции (ΔH) зависит от условий (давление и температура), при которых протекает реакция. Поэтому, тепловые эффекты, как правило, приводятся для нормальных условий (н.у.):

• p=1 атмосфера или 101,325 кПа;
• t=25°C или 298 К.

Молекулярное уравнение химической реакции, в котором указана величина его теплового эффекта, называется термохимическим уравнением .

S(т)+O 2 (г)=SO 2 (г)+297 кДж ΔH°=-297 кДж

Если величина теплового эффекта указана со знаком "плюс" - реакция экзотермическая; если "минус" - эндотермическая.

В термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции:

• г - газообразное состояние;
• ж - жидкое состояние;
• т - твердое состояние.

ВАЖНО! Тепловой эффект реакции, указанный в термохимическом уравнении, относится к мольным кол-вам исходных веществ и продуктов реакции.

Напомним, что стехиометрические коэффициенты, стоящие перед формулами веществ в уравнении, показывают кол-во их молей. Поскольку, расчет Q принято производить для 1 моля продукта реакции, то в термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты.

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии обычно в виде теплоты. Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических процессов, называется термохимией. Тепловые эффекты реакций можно определить как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, выделенное или поглощенное в результате химического взаимодействия. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, сопровождающиеся поглощением теплоты – эндотермическими .

Подавляющее большинство химических реакций – изобарные процессы. Поэтому целесообразно оценивать энергетический или тепловой эффект реакции изменением энтальпии системы. Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, равен изменению энтальпии системы Q p = ΔH .

В экзотермических реакциях теплота выделяется в окружающее пространство, энтальпия или внутренняя энергия системы уменьшается и значения ΔH и ΔU для них отрицательны (ΔН < 0, ΔU < 0). В эндотермических реакциях теплота поглощается из окружающего пространства, энергосодержание системы увеличивается и изменения Δ H и ΔU положительны (ΔН > 0, ΔU > 0).

Уравнения химических реакций, в которых указаны тепловые эффекты и агрегатные состояния веществ называют термохимическими уравнениями .

В термохимических уравнениях указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация реагирующих и образующихся веществ: (г) – газовое, (ж) – жидкое, (к) – кристаллическое, (т) – твердое, (р) – растворенное и др.

Например, термохимическое уравнение синтеза воды имеет вид

2Н 2(г) + О 2(г) = 2Н 2 О (ж) ; ΔH 0 298 = -571,6 кДж

из уравнения следует, что реакция является экзотермической (ΔН < 0) и при взаимодействии 2 моль водорода и 1 моль кислорода образуется 2 моль воды и выделяется 571,6 кДж теплоты.

По термохимическим уравнениям реакций можно проводить различные расчеты. Для решения задач по термохимическим уравнениям нужно записать уравнение протекающей реакции, затем на основе данных составить пропорцию и решить ее.

Пример №1. Вычислите по термохимическому уравнению

4Р (к) + 5О 2(г) = 2Р 2 О 5(к) ; ΔH= –3010кДж

количество телоты, выделяемой при сгорании 6,2 г фосфора.

Решение: Рассчитаем количество вещества фосфора:

n(P) = m(P)/M(P) = 6,2/31 = 0,2 моль

Составим пропорцию и найдем количество теплоты:

при сгорании 4 моль Р - выделяется 3010 кДж теплоты;

при сгорании 0,2 моль Р - выделяется X кДж теплоты;

4/0,2 = 3010/ X; X = (0,2 · 3010)/4 = 150,5 кДж.

Пример №2. Составьте термохимическое уравнение реакции горения магния, если известно, что при сгорании 6 г магния выделилось 153,6 кДж теплоты.

Решение. Рассчитаем количество вещества сгоревшего магния:

n(Mg) = m(Mg)/M(Mg) = 6/24 = 0,25 моль.

Составим уравнение реакции горения:

2Mg (т) + O 2(г) = 2MgO (т)

найдем количество теплоты, которое выделяется при сгорании 2 моль:

при сгорании 0,25 моль магния - выделяется 153,6 кДж;

при сгорании 2 моль магния - выделяется X кДж теплоты;

0,25/2 = 153,6/X; X = (2 · 153,6)/0,254 = 1228,8 кДж.

Следовательно, термохимическое уравнение реакции имеет вид

2Mg (т) + O 2(г) = 2MgO (т) ; ΔH = –1228,8 кДж

Пример №3. По термохимическому уравнению

С (т) + О 2(г) = СО 2 (г) ; ΔH = – 394 кДж

Определите, сколько литров оксида углерода (IV) (н.у.) образуется, если выделяется 591 кДж теплоты?

Решение. Рассчитаем, при образовании какого количества оксида углерода (IV) выделяется 591 кДж теплоты. Исходя из уравнения реакции составим пропорцию:

При образовании 1 моль СО 2 (н.у.) выделяется 394 кДж теплоты;

При образовании X моль СО 2 (н.у.) выделяется 591 кДж теплоты;

1/X = 394/591; X = 591/394 = 1,5 моль СО 2 (н.у.).

По следствию из закона Авогадро: 1 моль любого газа (при н.у.) занимает объем 22,4 л, составим пропорцию:

1 моль СО 2 (н.у.) занимает объем 22,4 л;

1,5 моль СО 2 (н.у.) занимают X л;

1/1,5 = 22,4/X; X = 1,5 · 22,4/1 = 33,6 л.

Для того, чтобы можно было сравнить тепловые эффекты различных процессов термохимические расчеты обычно относят к 1 моль вещества и стандартным состояниям и условиям. За стандартные условия приняты: давление 101 325 Па и температура 25 0 С (298 К). Стандартным состоянием вещества является состояние, устойчивое при стандартных условиях. Тепловой эффект при стандартных условиях называется стандартным тепловым эффектом реакции и обозначается ΔH 0 298 или ΔH 0 .

Основным законом термохимии является закон Г.И.Гесса (1841г.): тепловой эффект химического процесса зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от пути процесса, т.е. числа и характера промежуточных стадий.

Так, процесс превращения исходных веществ (состояние 1) в продукты (состояние 2) может быть осуществлен несколькими путями, представленными на рис.3;

Рис.3. Изменение энтальпии реакции с течением времени

По закону Гесса тепловой эффект процесса может быть рассчитан следующим образом:

ΔH 1 = ΔH 2 + ΔH 3 + ΔH 4 + ΔH 5 = ΔH 6 + ΔH 7

тепловой эффект реакции равен разности суммы энтальпий образования продуктов реакции и суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

ΔH 0 = ∑ΔH 0 f прод - ∑ ΔH f исх.

Для расчета теплового эффекта реакции используют энтальпии (теплоты) образования веществ. Энтальпией образования называется тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ.

Стандартные энтальпии образования обозначают ΔH 0 обр,298 или ΔH 0 f,298 , где индекс f - formation (образование). Часто один из индексов опускают. Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (газообразный кислород O 2(г) , жидкий бром Br 2(ж) , кристаллический иод I 2(к) , ромбическая сера S (р) , углерод C (графит) и т.д.), равны нулю.

Стандартной энтальпией образования называется изменение энтальпии в реакции образования 1 моль химического соединения из простых веществ, измеренное в стандартных условиях.

С помощью термохимических расчетов можно определить тепловой эффект реакций, энергию химических связей, энергию кристаллической решетки, межмолекулярного взаимодействия, энтальпию растворения и сольватации (гидратации), энергетические эффекты фазовых превращений и т.д.

Значения стандартных энтальпий образования ряда веществ приведены в Приложении 1.

Пример №4. На основаниизначений стандартной энтальпии образования вычислите тепловой эффект реакции, сделайте вывод, экзотермической или эндотермической она является:

Сu 2 S (к) + 2 O 2(г) = 2 CuO (к) + SO 2(г)

Решение. :

Согласно следствию из закона Гесса:

ΔH 0 = (2 ΔH 0 f, CuO (к) + ΔH 0 f, SO 2(г)) - (ΔH 0 f, Cu 2 S(к) + 2 ΔH 0 f, O 2(г)) =

= – (-82,01 + 2 · 0) = -545,5 кДж.

Так как ΔH 0 < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 545,5 кДж тепла.

Пример №5. Рассчитайте тепловой эффект реакции взаимодействия кристаллического оксида алюминия и газообразного оксида серы (IV):

Al 2 O 3(к) + 3 SO 3(г) = Al 2 (SO 4) 3(к)

Решение.

ΔH 0 = ΔH 0 f, Al 2 (SO 4) 3 (к) – ( ΔH 0 f, Al 2 O 3 (к) + 3 ΔH 0 f, SO3(г)) =

= (-3442,2) – [(1676,0 + 3(-396,1)] = -577,9 кДж.

Так как ΔH 0 < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 577,9 кДж энергии.

2H 2 S (г) + CO 2(г) = CS 2(г) + 2H 2 O (г)

Решение. Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

ΔH 0 = [ ΔH 0 f, CS2 (г) + 2ΔH 0 f, H2 O (г) ] – =

= – = 65,33 кДж

Тепловой эффект реакции составляет ΔH 0 = 65,33 кДж, так как ΔH 0 > 0, следовательно, реакция эндотермическая, протекает с поглощением тепла.

Пример №7. Определить тепловой эффект растворения КОН.

КОН (к) = К + (р) + ОН - (р)

Решение. Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

ΔH 0 раств. = (ΔH 0 f , К(к) + + ΔH 0 f, ОН(р) -) - ΔH 0 f, КОН(к) ) =[(-251,2) + (230,2)] – (-425,8) = -55,6 кДж

Процесс растворения щелочи экзотермический, сопровождается выделением 55,6 кДж.

Пример №8. Определитетепловой эффект фазового перехода:

SO 3(ж) = SO 3(г)

Решение: Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования.

Соединение…………. SO 3 (ж) SO 3 (г)

ΔH 0 f , кДж/моль…….. -439,0 -396,1

Тепловой эффект фазового перехода рассчитывается по уравнению:

ΔH 0 исп. = (ΔH 0 f , SO3 (г)) – (ΔH 0 f , SO3 (ж) ) = (-396,1) – (-439,0) = 42,9 кДж

Процесс испарения оксида серы (VI) эндотермический, требует затраты энергии в 42,9 кДж.

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии в виде теплоты.

По признаку выделения или поглощения теплоты различают экзотермические и эндотермические реакции.

Экзотермические реакции – такие реакции, в ходе которых тепло выделяется (+Q).

Эндотермические реакции – реакции, при протекании которых тепло поглощается (-Q).

Тепловым эффектом реакции (Q ) называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается при взаимодействии определенного количества исходных реагентов.

Термохимическим уравнением называют уравнение, в котором указан тепловой эффект химической реакции. Так, например, термохимическими являются уравнения:

Также следует отметить, что термохимические уравнения в обязательном порядке должны включать информацию об агрегатных состояниях реагентов и продуктов, поскольку от этого зависит значение теплового эффекта.

Расчеты теплового эффекта реакции

Пример типовой задачи на нахождение теплового эффекта реакции:

При взаимодействии 45 г глюкозы с избытком кислорода в соответствии с уравнением

C 6 H 12 O 6(тв.) + 6O 2(г) = 6CO 2(г) + 6H 2 O(г) + Q

выделилось 700 кДж теплоты. Определите тепловой эффект реакции. (Запишите число с точностью до целых.)

Решение:

Рассчитаем количество вещества глюкозы:

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

Т.е. при взаимодействии 0,25 моль глюкозы с кислородом выделяется 700 кДж теплоты. Из представленного в условии термохимического уравнения следует, что при взаимодействии 1 моль глюкозы с кислородом образуется количество теплоты, равное Q (тепловой эффект реакции). Тогда верна следующая пропорция:

0,25 моль глюкозы - 700 кДж

1 моль глюкозы - Q

Из этой пропорции следует соответствующее ей уравнение:

0,25 / 1 = 700 / Q

Решая которое, находим, что:

Таким образом, тепловой эффект реакции составляет 2800 кДж.

Расчёты по термохимическим уравнениям

Намного чаще в заданиях ЕГЭ по термохимии значение теплового эффекта уже известно, т.к. в условии дается полное термохимическое уравнение.

Рассчитать в таком случае требуется либо количество теплоты, выделяющееся/поглощающееся при известном количестве реагента или продукта, либо же, наоборот, по известному значению теплоты требуется определить массу, объем или количество вещества какого-либо фигуранта реакции.

Пример 1

В соответствии с термохимическим уравнением реакции

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

образовалось 68 г оксида алюминия. Какое количество теплоты при этом выделилось? (Запишите число с точностью до целых.)

Решение

Рассчитаем количество вещества оксида алюминия:

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

В соответствии с термохимическим уравнением реакции при образовании 4 моль оксида алюминия выделяется 3330 кДж. В нашем же случае образуется 0,6667 моль оксида алюминия. Обозначив количество теплоты, выделившейся при этом, через x кДж составим пропорцию:

4 моль Al 2 O 3 - 3330 кДж

0,667 моль Al 2 O 3 - x кДж

Данной пропорции соответствует уравнение:

4 / 0,6667 = 3330 / x

Решая которое, находим, что x = 555 кДж

Т.е. при образовании 68 г оксида алюминия в соответствии с термохимическим уравнением в условии выделяется 555 кДж теплоты.

Пример 2

В результате реакции, термохимическое уравнение которой

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

выделилось 1655 кДж теплоты. Определите объем (л) выделившегося диоксида серы (н.у.). (Запишите число с точностью до целых.)

Решение

В соответствии с термохимическим уравнением реакции при образовании 8 моль SO 2 выделяется 3310 кДж теплоты. В нашем же случае выделилось 1655 кДж теплоты. Пусть количество вещества SO 2 , образовавшегося при этом, равняется x моль. Тогда справедливой является следующая пропорция:

8 моль SO 2 - 3310 кДж

x моль SO 2 - 1655 кДж

Из которой следует уравнение:

8 / х = 3310 / 1655

Решая которое, находим, что:

Таким образом, количество вещества SO 2 , образовавшееся при этом, составляет 4 моль. Следовательно, его объем равен:

V(SO 2) = V m ∙ n(SO 2) = 22,4 л/моль ∙ 4 моль = 89,6 л ≈ 90 л (округляем до целых, т.к. это требуется в условии.)

Больше разобранных задач на тепловой эффект химической реакции можно найти .