2.5. Теплота химической реакции (общие положения)

Химические процессы обычно сопровождаются поглощением или выделением тепла. Реакции с выделением тепла называются экзотермическими, реакции с поглощением тепла – эндотермическими. Количество тепла пропорционально массе прореагировавших веществ, поэтому сравнение количества тепла, выделяющегося в реакции, относят к единице количества вещества. Обычно это 1 моль. Экспериментально теплоты химических реакций определяют при постоянном объеме Q_vили постоянном давленииQ_p.

Установим связи между Q_pиQ_v.

В соответствии с уравнением (2.12) имеем:

Н = U +pV,

но из уравнений (2.13) и (2.7) следует, что

Q_p=Н, аН =U, то Q_p= Q_v+pV.

Если вещества газообразны и подчиняются уравнению Клапейрона-Менделеева, тогда pV₁= n₁RT, apV₂ = n₂RT. Следовательно,

pV=n₂RT-n₁RT=Q_p=Q_v+nRT, (2.22)

где n = n_i - n_j ,т.е. сумма продуктов минус сумма исходных веществ.

Другими словами, n– изменение числа молей реагирующих веществ в результате протекания реакции.

Из уравнения (2.22) следует, что если число молей в результате реакции не меняется, то Q_p = Q_v .

Если реакция протекает в конденсированной системе, то объем системы меняется мало и в этом случае Q_pиQ_v приблизительно равны.

2.6. Закон Гесса

Изучая тепловые эффекты разных химических реакций, русский ученый Г.М. Гесс в 1840 году установил закон, который назван его именем: теплота химической реакции, протекающей при постоянном объеме или постоянном давлении, определяется только природой исходных веществ и продуктов и не зависит от числа и последовательности промежуточных стадий при условии, что теплоты измерены при одинаковых температурах.

Интересно, что закон Гесса был открыт раньше установления первого начала термодинамики. После установления первого начала стало ясно, что закон Гесса является одним из следствий этого начала, согласно которому Q_v = UиQ_p = H, гдеUиH– функции состояния и не зависят от пути процесса. Закон Гесса имеет большое практическое значение, так как позволяет рассчитать теплоты химических реакций, для которых они не могут быть определены экспериментально или это очень сложно сделать. Обычно для этого решают систему термохимических уравнений.

Термохимическим называют такое уравнение, в котором в правой части наряду с химическими формулами продуктов реакции указывают теплоту реакции. При этом для реагирующих веществ указывается агрегатное состояние участников реакции. Если вещество в твердом состоянии существует в нескольких полиморфных модификациях, то необходимо указать эту модификацию.

Стехиометрические коэффициенты могут быть и дробными, так как они указывают молярные количества реагирующих веществ.

С термохимическими уравнениями можно проводить такие же математические операции, как и с алгебраическими. Например, превращение глюкозы в молочную кислоту при анаэробной ферментации используется некоторыми микроорганизмами для получения энергии.

Непосредственно измерить теплоту этого процесса трудно, поскольку параллельно с молочной кислотой образуются и другие продукты.

Однако можно экспериментально определить теплоты следующих реакций:

1. С₆Н₁₂О_{6 (Т)}+ 6О₂→ 6CO_{2 (Г)}+ 6 Н₂О_(Ж) – 2808кДж;

2. СН₃СН(ОН)СООН_(Ж) + 3О_{2 (Г)}→ 3СО_{2 (Г)} + 3Н₂О_(Ж)– 321кДж;

3. С₆Н₁₂О_{6 (Т)}+ aqua → С₆Н₁₂О_{6 (aqua)} + 10,7 кДж.

Вычитая из уравнения 1 удвоенное 2 и затем 3, получим:

С₆Н₁₂О_{6 (Т)}- 2СН₃СН(ОН)СООН_(Ж) +6О_{2 (Г)}- 6О_{2 (Г)}- С₆Н₁₂О_{6 (Т)}=

6CO_{2 (Г)}- 6CO_{2 (Г)}+ 6Н₂О_(Ж)- 6Н₂О_(Ж)- С₆Н₁₂О_6(aqua)– 2808 +2321 – 10,7.

После сокращения: 2СН₃СН(ОН)СООН_(Ж)→ С₆Н₁₂О_{6 (aqua)}– 2155,3 кДж.