Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУВПО «Алтайский государственный технический университет имени И.И.Ползунова»

И.Н.Охтеменко, О.И.Рубан, , Н.С.Дозорцева

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Методические указания к самостоятельной работе по курсу «Общая химия» для студентов первого курса нехимических специальностей всех форм обучения

Изд-во АлтГТУ

Барнаул 2007

УДК 546:681.3.06+536.7+541.124 (075.5)

Охтеменко И.Н. Химическая термодинамика. Методические указания к самостоятельной работе для студентов первого курса нехимических специальностей всех форм обучения / И.Н.Охтеменко, О.И.Рубан, , Н.С.Дозорцева; Алт. гос. техн. ун‑т им. И.И.Ползунова. – Барнаул: Изд‑во АлтГТУ, 2007. – 23с.

Методические указания содержат теоретический материал для самоподготовки, список рекомендуемой литературы, детальный разбор примеров, 30 вариантов заданий по данному разделу курса. Могут быть использованы студентами для самоподготовки и текущего контроля знаний.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры общей химии. Протокол №3 от 12.01.07.

Энергетика химических реакций

Любые химические реакции всегда сопровождаются теми или иными энергетическими эффектами: выделением или поглощением теплоты, света, совершением электрической или механической работы.

Раздел химии, изучающий превращения энергии в ходе химических реакций и способность систем выполнять полезную работу, называется химической термодинамикой.

Изучение химической термодинамики ставит перед собой следующие задачи:

1. Вычисление количества энергии, необходимого для протекания химической реакции или, наоборот, выделяющегося в ходе химической реакции;

2. Предсказание принципиальной возможности самопроизвольного протекания химической реакции при смешении реагентов.

1. Энтальпия и тепловые эффекты химических реакций

Для характеристики энергетического состояния системы используются термодинамические функции: энтальпия, энтропия и энергия Гиббса.

Энтальпия (Н)– термодинамическая функция, являющаяся мерой теплосодержания системы. Изменение энтальпии (ΔН) в ходе химической реакции равно тепловому эффекту данной реакции, измеренному при постоянном давлении.

Реакции, протекающие с выделением тепла, называются экзотермическими(для них изменение энтальпииΔН<0), а, реакции, сопровождающиеся поглощением тепла –эндотермическими (ΔН>0).

Изменение энтальпии зависит от условий протекания процесса. Таким образом, чтобы иметь возможность сравнивать ΔН для разных реакций, необходимо ввести понятие стандартного состояния.

Стандартное состояниесистемы предполагает равенство температур реагентов и продуктов реакции при постоянном давлении, равном 101,325кПа ( 1 атмосфера).

Большинство термодинамических параметров, в том числе и изменения энтальпии, определены при температуре 298 К (средняя комнатная температура). В дальнейшем для стандартных условий протекания реакции мы будем принимать давление 101,325 кПа и температуру 298 К.

Изменение энтальпии в ходе процесса, протекающего в стандартных условиях, называют стандартным изменением энтальпии и обозначаютΔНº_298. Стандартное состояние отмечают верхним индексом^„о”,а температуру в Кельвинах – нижним индексом_“298”.

Химические уравнения, в которых записано изменение энтальпии (или тепловой эффект), называют термохимическими. В термохимических уравнениях допускаются дробные коэффициенты, и обязательно указывается агрегатное состояние веществ. Важно отметить, что величинаΔНº_Тдолжна однозначно соответствовать конкретному химическому уравнению, например:

Н_{2 (г)} + ½ O_{2 (г)} = H₂O_(ж); ΔНº_298. = – 286 кДж.

Эта запись указывает, что если один моль газообразного водорода Н_2(г) соединяется с 0,5 моль газообразного кислородаO_2(г), образуя один моль жидкой водыH₂O_(ж) при давлении 1 атмосфера и температуре 298 К, то такая реакция сопровождается изменением энтальпии, равным –286 кДж. Отрицательный знак изменения энтальпии означает, что реакция экзотермическая, т.е. происходит с выделением тепла. Если теперь ту же реакцию представить приведённым ниже уравнением, то изменение энтальпии этой реакции оказывается вдвое больше приведённого выше значения.

2 Н_{2 (г)} + O_{2 (г)} = 2 H₂O_(ж); ΔНº_298. = – 572 кДж;

Изменение энтальпии может характеризовать с энергетической стороны не только реакцию, но и химическое соединение, полученное в этой реакции. Поскольку синтезировать одно и то же вещество можно различными способами, для термодинамической характеристики применяют реакцию, в которой реагентами являются простые вещества. Например:

3/2 Н_{2 (г)} + Р _(к) + 2 O_{2 (г)} = H₃PO_{4 (ж)}; ΔНº₂₉₈ = – 1279 кДж.

С _{(графит)} + ½ O_{2 (г)} = СО _(г); ΔНº_298. = – 110,52 кДж.

Стандартная энтальпия образования вещества (ΔНº_f) равна стандартному изменению энтальпии реакции получения 1 моль этого вещества из простых веществ.

Величины стандартных энтальпий образования сложных веществ приводятся в справочниках, для простых веществ ΔНº_{f, 298} = 0. Стандартная энтальпия образования вещества имеет размерность [ΔНº_f] =кДж/моль. ЗначениеΔНº_f может служить мерой устойчивости соединения: чем меньше значение энтальпии образования соединения, тем оно устойчивее.