Тепловые эффекты различных процессов

1. Теплота растворения – это количество энергии, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моля вещества в количестве растворителя, достаточном для полной сольватации (на 1 моль вещества 300 – 400 молей растворителя).

Теплота растворения равна сумме двух слагаемых:

Н_{растворения} = Н₁ + Н₂

где Н₁ – теплота перехода твердого или газообразного вещества в то состояние, в котором оно существует в растворе.

Н₂ – теплота взаимодействия растворяемого вещества с растворителем (теплота сольватации или теплота гидратации, если растворителем является вода).

Н₂ всегда отрицательна, а _Н₁ может быть и положительна и отрицательна.

П

ример. Вычислить тепловой эффект перехода CuSO₄ CuSO₄5H₂O (теплоту гидратации), если теплота растворения CuSO₄ и CuSO₄5H₂O равны 66,5 и –11,7 кДж соответственно. Исходя из закона Гесса:

66,5 = Q_x –11,7.

Отсюда: Q_х = + 78,2 кДж; Н = –78,2кДж

2. Теплота нейтрализации – это количество энергии, которое выделяется при образовании одного моля воды из Н⁺ (Н₃О⁺) и ОН^– при стандартных условиях:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O или

H⁺(aq) + OH^–(aq) = H₂O(ж) + 56,98 кДж

При взаимодействии сильной кислоты и сильного основания, независимо от их природы, теплота нейтрализации будет постоянной и равна 56,98 кДж.

Если в реакцию вступает слабая кислота или слабое основание, то теплота нейтрализации будет меньше, так как ионизация кислоты (основания) потребует затраты энергии.

HCN + NaOH = NaCN + H₂O + Q

HCN + OH^– = CN^– + H₂O + Q; Q < 56,98 кДж

3. Теплота фазовых превращений – это количество энергии, которое выделяется или поглощается в процессе перехода компонентов системы из одной фазы в другую.

Пример. Вычислить тепловой эффект перехода Si _{(аморфный)}  Si _{(кристаллический)}, если теплоты сгорания этих модификаций составляют 867,3 и 850,6 кДж соответственно. Аморфный кремний можно сразу окислить до SiO₂:

Si(ам) + О₂ =SiO₂ + 867,3 кДж, а можно сначала превратить его в кристаллическую модификацию, которую затем подвергнуть окислению.

1. Si _(ам) = Si _{(крист.)} + Q_x

2. Si _{(крист.)} + О₂ = SiO₂ + 850,6 кДж

867,3 – 850,6 = 16,7 кДж

Н = – 16,7 кДж

Термохимические расчеты и их использование для характеристики

Биохимических процессов

Значения стандартных энтальпий образования и сгорания различных веществ имеются в справочниках. Эти значения используются для расчета тепловых эффектов различных процессов, в том числе и биохимических реакций.

Типовая задача. Рассчитать тепловой эффект реакции окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₆(г) + 6О₂(г) = 6Н₂О(ж) + 6СО₂(г); Н⁰ = ?

Н⁰_обр.[C₆H₁₂O₆(т)] = –1260 кДж/моль;

Н⁰_обр.[CO₂(г)] = –393,5 кДж/моль;

Н⁰_обр.[H₂O(ж)] = –285,8 кДж/моль.

Решение

Н⁰_{реакции} = (6Н⁰_обр[H₂O_(ж)] + 6H⁰_обр[CO_2(г)]) – H⁰_обр[C₆H₁₂O_6(т)] =

((6(–285,8) + 6(–393,5)) – (–1260) = –2815,8 кДж.

Исходя из закона Гесса, следует, что при окислении 1 моль глюкозы в живых организмах выделится такое же количество энергии.

Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики позволяет составить энергетический баланс протекающего в системе процесса, но не указывает, в каком направлении и до какого предела будет протекать этот процесс. Согласно первому закону термодинамики, возможен, например, самопроизвольный переход энергии как от горячего тела к холодному, так и от холодного к горячему. Однако, опыт показывает, что энергия самопроизвольно переходит от тела более нагретого к телу менее нагретому. Обратный процесс не протекает. Сколько бы мы не ждали, вода в чайнике, стоящем на столе, не закипит за счет энергии окружающей среды.

С точки зрения первого закона термодинамики все процессы, происходящие без нарушения закона сохранения энергии, возможны. Однако, опыт показывает, что самопроизвольные процессы в природе протекают только в определенном направлении и до определенного предела. Первый закон термодинамики необходимо дополнить законом, который позволял бы судить о направлении самопроизвольных процессов и пределах их протекания. Таким законом является эмпирический закон, установленный на основании большого человеческого опыта. Справедливость этого закона подтверждается тем, что ни одно из его следствий не находится в противоречии с опытом.

Второй закон термодинамики тесно связан с существованием необратимых процессов. Прежде, чем рассмотреть содержание и формулировку второго закона термодинамики, познакомимся с понятием «необратимые» и «обратимые» процессы в термодинамическом смысле.