Лекция 6. Тепловой эффект химической реакции
.pdfЛекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции
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.) + H2O (г.) + Q (*)
В реакцию вступило ν = |
m |
= |
8,0 |
= 0,1мольоксида меди(II). |
|
|
|||
|
M |
63,5 +16 |
||
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.) + H2O (г.) + 79 кДж
Термохимическое уравнение – это уравнение химической реакции, в котором указаны агрегатное состояние компонентов реакционной смеси (реагентов и продуктов) и тепловой эффект реакции.
Изменение агрегатного состояния вещества также обычно |
сопряжено |
с тепловыми эффектами. Наиболее известные Вам примеры |
связаны с |
изменением агрегатного состояния воды. |
|
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 0oC) λ = 3,34×10 5 Дж/кг (физика), или Qпл. = - 6,02 кДж/моль (химия), теплота испарения (парообразования) (при 100oC) q = 2,26×10 6 Дж/кг (физика) или Qисп. = - 40,68 кДж/моль (химия).
кристаллизация |
конденсация |
Q > 0 |
Q > 0 |
H2O
тв.
плавление
Q < 0
H2O |
|
|
|
H2O |
|
|
|
|
|||
испарение |
|||||
ж. |
г. |
||||
|
Q < 0 |
||||
|
|
|
|||
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 Q0 Для множества соединений стандартные теплоты образования приведены в справочниках физикохимических величин.
Стандартные теплоты образования простых веществ равны 0. Например, Q0обр,298 (O2, газ) = 0, Q0обр,298 (C, тв., графит) = 0.
Например. Запишите термохимическое уравнение образования сульфата меди(II). Из справочника Q0обр,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).
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 H2O (г.) = H2O (ж.) + Q – конденсация обычно экзотермический процесс Теплота конденсации воды при 25oC 37 кДж/моль (справочник).
Количество вещества ν = |
m |
= |
5,8 |
= 0,32 моль |
M |
|
|||
|
18 |
|
||
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: a1A1 + a2A2 + … + a nAn = b1B1 + b2B2 + … b
При этом ai и bj – стехиометрические коэффициенты, Ai – реагенты, Bj – продукты реакции.
Тогда следствие закона Гесса имеет вид Q = ∑b j ×Qобр0 ,298
kBk + Q
( Ai )
j
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.) + H2O (г.) = CO (г.) + 3 H2 (г.)
Определите, является ли данная реакция экзотермической или эндотермической?
Решение: Следствие закона Гесса
Q = 3Q0 |
(H |
, г) +Q0 |
(CO, г) −Q0 |
(CH |
, г) −Q0 |
(H |
O, г) - в общем виде. |
||
|
обр,298 |
2 |
|
обр,298 |
обр,298 |
4 |
обр,298 |
2 |
|
Qобр0 |
,298 (H 2 , г) = 0 |
- простое вещество в стандартном состоянии |
|||||||
Из справочника находим теплоты образования остальных компонентов смеси.
Q 0 |
(H |
O, г) = 241,8 |
кДж |
, Q0 |
(СO, г) = 110,5 |
кДж |
, Q 0 |
(CH |
, г) = 74,6 |
кДж |
. |
|
|
|
|||||||||
обр,298 |
2 |
|
моль |
обр,298 |
|
моль |
обр,298 |
4 |
|
моль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
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
2
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,
откуда
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,
с. 96-100.
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.