Энтальпия. Закон Гесса

(Страница подготовлена с использованием материалов сайта http://www.hemi.nsu.ru/ucheb211.htm )

В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной (и довольно высокой!) температуры тела.

Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется затратить энергию . Когда химическая связь образуется, энергия выделяется .

Атомы не соединялись бы между собой, если бы это не вело к "выигрышу" (то есть высвобождению) энергии. Этот выигрыш может быть большим или малым, но он обязательно есть при образовании молекул из атомов.

Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других.

Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии больше , чем потребовалось для разрушения "старых" связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ (метан CH 4) сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты.

Реакция даже может идти со взрывом - так много энергии заключено в этом превращении. Такие реакции называются экзотермическими от латинского "экзо" - наружу (имея в виду выделяющуюся энергию).

В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются эндотермическими (от латинского "эндо" - внутрь). Примером является образование оксида углерода (II) CO и водорода H 2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании.

Изображение химических реакций при помощи моделей молекул: а) экзотермическая реакция, б) эндотермическая реакция. Модели наглядно показывают, как при неизменном числе атомов между ними разрушаются старые и возникают новые химические связи.

Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или (реже) для моля продукта реакции. Такая величина называется тепловым эффектом реакции . Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений:

2 H 2(г) + O 2(г) = 2 H 2 О (ж) + 572 кДж

или

H 2(г) + 1/2 O 2(г) = H 2 О (ж) + 286 кДж

Оба уравнения одинаково правильны и оба выражают тепловой эффект экзотермической реакции образования воды из водорода и кислорода. Первое - на 1 моль использованного кислорода, а второе - на 1 моль сгоревшего водорода или на 1 моль образовавшейся воды.

Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ. Встречаются также обозначения (тв) или (к) - твердое, кристаллическое вещество, (водн) - растворенное в воде вещество и т.д.

Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение. Например, в реакции сгорания водорода первоначально образуется вода в виде пара (газообразное состояние), при конденсации которого может выделиться еще некоторое количество энергии. Следовательно, для образования воды в виде жидкости измеренный тепловой эффект реакции будет несколько больше, чем для образования только пара, поскольку при конденсации пара выделится еще порция теплоты.

Используется также частный случай теплового эффекта реакции – теплота сгорания. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит для характеристики вещества, применяемого в качестве топлива. Теплоту сгорания относят к 1 молю вещества, являющегося топливом (восстановителем в реакции окисления), например:

C 2 H 2 +2,5 O 2 =2 CO 2 + H 2 O + 1300 кДж

Ацетилен теплота сгорания ацетилена

Запасенную в молекулах энергию (Е) можно отложить на энергетической шкале. В этом случае тепловой эффект реакции (?Е) можно показать графически.

Графическое изображение теплового эффекта: а) экзотермической реакции горения водорода; б) эндотермической реакции разложения воды под действием электрического тока. Координату реакции (горизонтальную ось графика) можно рассматривать, например, как степень превращения веществ (100% - полное превращение исходных веществ).

Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и тепловой эффект реакции, называются термохимическими уравнениями .

Особенность термохимических уравнений заключается в том, что при работе с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из одной части уравнения в другую. С обычными уравнениями химических реакций так поступать, как правило, нельзя.

Допускается также почленное сложение и вычитание термохимических уравнений. Это бывает нужно для определения тепловых эффектов реакций, которые трудно или невозможно измерить в опыте.

Приведем пример. В лаборатории чрезвычайно трудно осуществить "в чистом виде" реакцию получения метана СH 4 путем прямого соединения углерода с водородом:

С + 2H 2 = СH 4

Но можно многое узнать об этой реакции с помощью вычислений. Например, выяснить, будет эта реакция экзо- или эндотермической, и даже количественно рассчитать величину теплового эффекта.

Известны тепловые эффекты реакций горения метана, углерода и водорода (эти реакции идут легко):

а) СH 4(г) + 2O 2(г) = СO 2(г) + 2H 2 О (ж) + 890 кДж

б) С (тв) + O 2(г) = СO 2(г) + 394 кДж

в) 2H 2(г) + O2 (г) = 2H 2 О (ж) + 572 кДж

Вычтем два последних уравнения (б) и (в) из уравнения (а). Левые части уравнений будем вычитать из левой, правые - из правой. При этом сократятся все молекулы O 2 , СO 2 и H 2 О. Получим:

СH 4(г) - С (тв) - 2H 2(г) = (890 - 394 - 572) кДж = -76 кДж

Это уравнение выглядит несколько непривычно. Умножим обе части уравнения на (-1) и перенесем CH 4 в правую часть с обратным знаком. Получим нужное нам уравнение образования метана из угля и водорода:

С (тв) + 2H 2(г) = CH 4(г) + 76 кДж/моль

Итак, наши расчеты показали, что тепловой эффект образования метана из углерода и водорода составляет 76 кДж (на моль метана), причем этот процесс должен быть экзотермическим (энергия в этой реакции будет выделяться).

Важно обращать внимание на то, что почленно складывать, вычитать и сокращать в термохимических уравнениях можно только вещества, находящиеся в одинаковых агрегатных состояниях, иначе мы ошибемся в определении теплового эффекта на величину теплоты перехода из одного агрегатного состояния в другое.

Основные законы термохимии

Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в химических реакциях, называется термохимией .

Существует два важнейших закона термохимии. Первый из них, закон Лавуазье–Лапласа , формулируется следующим образом:

Тепловой эффект прямой реакции всегда равен тепловому эффекту обратной реакции с противоположным знаком.

Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества. Например:

2H 2(г) + O 2(г) = 2H 2 О (ж) + 572 кДж (горение водорода в кислороде)

2 H 2 О (ж) + 572 кДж = 2H 2(г) + O 2(г) (разложение воды электрическим током)

Закон Лавуазье–Лапласа является следствием закона сохранения энергии.

Второй закон термохимии был сформулирован в 1840 г российским академиком Г. И. Гессом :

Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательных реакций будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и в конце этих рядов одни и те же исходные и конечные вещества. Эти два основных закона термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое сходство с математическими, когда в уравнениях реакций можно переносить члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать формулы химических соединений. При этом необходимо учитывать коэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые, вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковом агрегатном состоянии.

Применение теплового эффекта на практике

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Например, рассмотрим мощную российскую ракету "Энергия", способную выводить на орбиту космические корабли и другие полезные грузы. Двигатели одной из её ступеней работают на сжиженных газах - водороде и кислороде.

Допустим, нам известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты, известна также работа по преодолению сопротивления воздуха и другие затраты энергии во время полета. Как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя?

Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке баночки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись:

"калорийность 320 ккал/100 г".

Или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции - отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.

Чтобы тепловой эффект являлся величиной, зависящей только от характера протекающей химической реакции, необходимо соблюдение следующих условий:

Реакция должна протекать либо при постоянном объёме Q v (изохорный процесс), либо при постоянном давлении Q p (изобарный процесс).
В системе не совершается никакой работы, кроме возможной при P = const работы расширения.

Если реакцию проводят при стандартных условиях при Т = 298,15 К = 25 ˚С и Р = 1 атм = 101325 Па, тепловой эффект называют стандартным тепловым эффектом реакции или стандартной энтальпией реакции ΔH r O . В термохимии стандартный тепловой эффект реакции рассчитывают с помощью стандартных энтальпий образования.

Стандартная энтальпия образования (стандартная теплота образования)

Под стандартной теплотой образования понимают тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивых стандартных состояниях .

Например, стандартная энтальпия образования 1 моль метана из углерода и водорода равна тепловому эффекту реакции:

С(тв) + 2H 2 (г) = CH 4 (г) + 76 кДж/моль.

Стандартная энтальпия образования обозначается ΔH f O . Здесь индекс f означает formation (образование), а перечеркнутый кружок, напоминающий диск Плимсоля - то, что величина относится к стандартному состоянию вещества. В литературе часто встречается другое обозначение стандартной энтальпии - ΔH 298,15 0 , где 0 указывает на равенство давления одной атмосфере (или, несколько более точно, на стандартные условия ), а 298,15 - температура. Иногда индекс 0 используют для величин, относящихся к чистому веществу , оговаривая, что обозначать им стандартные термодинамические величины можно только тогда, когда в качестве стандартного состояния выбрано именно чистое вещество . Стандартным также может быть принято, например, состояние вещества в предельно разбавленном растворе. «Диск Плимсоля» в таком случае означает собственно стандартное состояние вещества, независимо от его выбора.

Энтальпия образования простых веществ принимается равной нулю, причем нулевое значение энтальпии образования относится к агрегатному состоянию, устойчивому при T = 298 K. Например, для йода в кристаллическом состоянии ΔH I 2 (тв) 0 = 0 кДж/моль, а для жидкого йода ΔH I 2 (ж) 0 = 22 кДж/моль. Энтальпии образования простых веществ при стандартных условиях являются их основными энергетическими характеристиками.

Тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции (следствие закона Гесса):

ΔH реакции O = ΣΔH f O (продукты) - ΣΔH f O (реагенты)

Термохимические эффекты можно включать в химические реакции. Химические уравнения в которых указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, называются термохимическими уравнениями. Реакции, сопровождающиеcя выделением тепла в окружающую среду имеют отрицательный тепловой эффект и называются экзотермическими . Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла имеют положительный тепловой эффект и называются эндотермическими . Тепловой эффект обычно относится к одному молю прореагировавшего исходного вещества, стехиометрический коэффициент которого максимален.

Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции

Чтобы рассчитать температурную зависимость энтальпии реакции, необходимо знать мольные теплоемкости веществ, участвующих в реакции. Изменение энтальпии реакции при увеличении температуры от Т 1 до Т 2 рассчитывают по закону Кирхгофа (предполагается, что в данном интервале температур мольные теплоемкости не зависят от температуры и нет фазовых превращений):

Если в данном интервале температур происходят фазовые превращения, то при расчёте необходимо учесть теплоты соответствующих превращений, а также изменение температурной зависимости теплоемкости веществ, претерпевших такие превращения:

где ΔC p (T 1 ,T f) - изменение теплоемкости в интервале температур от Т 1 до температуры фазового перехода; ΔC p (T f ,T 2) - изменение теплоемкости в интервале температур от температуры фазового перехода до конечной температуры, и T f - температура фазового перехода.

Стандартная энтальпия сгорания - ΔH гор о, тепловой эффект реакции сгорания одного моля вещества в кислороде до образования оксидов в высшей степени окисления. Теплота сгорания негорючих веществ принимается равной нулю.

Стандартная энтальпия растворения - ΔH раств о, тепловой эффект процесса растворения 1 моля вещества в бесконечно большом количестве растворителя. Складывается из теплоты разрушения кристаллической решетки и теплоты гидратации (или теплоты сольватации для неводных растворов), выделяющейся в результате взаимодействия молекул растворителя с молекулами или ионами растворяемого вещества с образованием соединений переменного состава - гидратов (сольватов). Разрушение кристаллической решетки, как правило, эндотермический процесс - ΔH реш > 0, а гидратация ионов - экзотермический, ΔH гидр < 0. В зависимости от соотношения значений ΔH реш и ΔH гидр энтальпия растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Так растворение кристаллического гидроксида калия сопровождается выделением тепла:

ΔH раствKOH о = ΔH реш о + ΔH гидрК + о + ΔH гидрOH − о = −59 КДж/моль

Под энтальпией гидратации - ΔH гидр, понимается теплота, которая выделяется при переходе 1 моля ионов из вакуума в раствор.

Стандартная энтальпия нейтрализации - ΔH нейтр о энтальпия реакции взаимодействия сильных кислот и оснований с образованием 1 моля воды при стандартных условиях:

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O H + + OH − = H 2 O, ΔH нейтр ° = −55,9 кДж/моль

Стандартная энтальпия нейтрализации для концентрированных растворов сильных электролитов зависит от концентрации ионов, вследствие изменения значения ΔH гидратации ° ионов при разбавлении.

Примечания

Литература

Кнорре Д. Г., Крылова Л. Ф., Музыкантов В. С. Физическая химия. - М. : Высшая школа, 1990
Эткинс П. Физическая химия. - Москва. : Мир, 1980

Wikimedia Foundation . 2010 .

Ненюков, Дмитрий Всеволодович
Witching Hour

Смотреть что такое "Тепловой эффект химической реакции" в других словарях:

тепловой эффект химической реакции - Теплота, поглощаемая (выделяемая) в результате химического превращения исходных веществ в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции при следующих условиях: 1) единственно возможной работой при этом является… … Справочник технического переводчика

Тепловой эффект химической реакции - –теплота, поглощаемая (выделяемая) в результате химического превращения исходных веществ в продуктыреакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции при следующих условиях: … … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

тепловой эффект химической реакции - тепловой эффект химической реакции; тепловой эффект Сумма теплоты, поглощенной системой, и всех видов работы, совершенных над ней, кроме работы внешнего давления, причем все величины отнесены к одинаковой температуре начального и конечного… …

тепловой эффект - химической реакции; тепловой эффект Сумма теплоты, поглощенной системой, и всех видов работы, совершенных над ней, кроме работы внешнего давления, причем все величины отнесены к одинаковой температуре начального и конечного состояний системы … Политехнический терминологический толковый словарь

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ - количество теплоты, выделяемой или поглощаемой системой при химической реакции. Тепловой эффект работы равен изменению внутренней энергии системы при постоянном объеме или изменению ее энтальпии при постоянном давлении и отсутствии работы внешних … Большой Энциклопедический словарь

тепловой эффект реакции - количество теплоты, выделяемой или поглощаемой системой при химической реакции. Тепловой эффект реакции равен изменению внутренней энергии системы при постоянном объёме или изменению её энтальпии при постоянном давлении и отсутствии работы… … Энциклопедический словарь

тепловой эффект реакции - количество теплоты, выделенное или поглощенное в термодинамической системе в ходе протекания химической реакции при условии, что система не совершает работы, кроме работы против внешнего давления, а температура… … Энциклопедический словарь по металлургии

Тепловой эффект реакции - алгебраическая сумма теплоты, поглощённой при данной реакции химической (См. Реакции химические), и совершенной внешней работы за вычетом работы против внешнего давления. Если при реакции теплота выделяется или работа совершается системой … Большая советская энциклопедия

изобарный тепловой эффект - Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении … Политехнический терминологический толковый словарь

изохорный тепловой эффект - Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном объеме … Политехнический терминологический толковый словарь

7. Вычислить тепловой эффект реакции при стандартных условиях: Fe 2 O 3 (т) + 3 CO (г) = 2 Fe (т) + 3 CO 2 (г) ,если теплота образования: Fe 2 O 3 (т) = – 821,3 кДж/моль;СО (г) = – 110,5 кДж/моль;

СО 2 (г) = – 393,5 кДж/моль.

Fe 2 O 3 (т) + 3 CO (г) = 2 Fe (т) + 3 CO 2 (г) ,

Зная стандартные тепловые эффекты сгорания исходных веществ и продуктов реакции, рассчитываем тепловой эффект реакции при стандартных условиях:

16. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Температурный коэффициент реакции.

К реакциям приводят только столкновения между активными молекулами, средняя энергия которых превышает среднюю энергию участников реакции.

При сообщении молекулам некоторой энергии активации Е (избыточная энергия над средней) уменьшается потенциальная энергия взаимодействия атомов в молекулах, связи внутри молекул ослабевают, молекулы становятся реакционноспособными.

Энергия активации не обязательно подводится извне, она может быть сообщена некоторой части молекул путем перераспределения энергии при их столкновениях. По Больцману, среди N молекул находится следующее число активных молекул N   обладающих повышенной энергией  :

N  N·e – E / RT (1)

где Е – энергия активации, показывающая тот необходимый избыток энергии, по сравнению со средним уровнем, которым должны обладать молекулы, чтобы реакция стала возможной; остальные обозначения общеизвестны.

При термической активации для двух температур T 1 и T 2 отношение констант скоростей будет:

, (2)

, (3)

что позволяет определять энергию активации по измерению скорости реакции при двух различных температурах Т 1 и Т 2 .

Повышение температуры на 10 0 увеличивает скорость реакции в 2 – 4 раза (приближенное правило Вант-Гоффа). Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость реакции (следовательно, и константа скорости) при увеличении температуры на 10 0 называется температурным коэффициентом реакции:

 (4)

.(5)

Это означает, например, что при увеличении температуры на 100 0 для условно принятого увеличения средней скорости в 2 раза ( = 2) скорость реакции возрастает в 2 10 , т.е. приблизительно в 1000 раз, а при = 4 –в 4 10 , т.е. в 1000000 раз. Правило Вант-Гоффа применимо для реакций, протекающих при сравнительно невысоких температурах в узком их интервале. Резкое возрастание скорости реакции при повышении температуры объясняется тем, что число активных молекул при этом возрастает в геометрической прогрессии.

25. Уравнение изотермы химической реакции Вант-Гоффа.

В соответствии с законом действующих масс для произвольной реакции

а A + bB = cC + dD

уравнение скорости прямой реакции можно записать:

а для скорости обратной реакции:

По мере протекания реакции слева направо концентрации веществ А и В будут уменьшаться и скорость прямой реакции будет падать. С другой стороны, по мере накопления продуктов реакции C и D скорость реакции справа налево будет расти. Наступает момент, когда скорости υ 1 и υ 2 становятся одинаковыми, концентрации всех веществ остаются неизменными, следовательно,

ОткудаK c = k 1 / k 2 =

Постоянная величина К с, равная отношению констант скоростей прямой и обратной реакций, количественно описывает состояние равновесия через равновесные концентрации исходных веществ и продуктов их взаимодействия (в степени их стехиометрических коэффициентов) и называется константой равновесия. Константа равновесия является постоянной только для данной температуры, т.е.

К с = f (Т). Константу равновесия химической реакции принято выражать отношением, в числителе которого стоит произведение равновесных молярных концентраций продуктов реакции, а в знаменателе – произведение концентраций исходных веществ.

Если компоненты реакции представляют собой смесь идеальных газов, то константа равновесия (К р) выражается через парциальные давления компонентов:

Для перехода от К р к К с воспользуемся уравнением состояния P · V = n·R·T. Поскольку

, то P = C·R·T. .

Из уравнения следует, что К р = К с при условии, если реакция идет без изменения числа моль в газовой фазе, т.е. когда (с + d) = (a + b).

Если реакция протекает самопроизвольно при постоянных Р и Т или V и Т, то значенияG и F этой реакции можно получить из уравнений:

где С А, С В, С С, С D – неравновесные концентрации исходных веществ и продуктов реакции.

где Р А, Р В, Р С, Р D – парциальные давления исходных веществ и продуктов реакции.

Два последних уравнения называются уравнениями изотермы химической реакции Вант-Гоффа. Это соотношение позволяет рассчитать значения G и F реакции, определить ее направление при различных концентрациях исходных веществ.

Необходимо отметить, что как для газовых систем, так и для растворов, при участии в реакции твердых тел (т.е. для гетерогенных систем) концентрация твердой фазы не входит в выражение для константы равновесия, поскольку эта концентрация практически постоянна. Так, для реакции

2 СО (г) = СО 2 (г) + С (т)

константа равновесия записывается в виде

Зависимость константы равновесия от температуры (для температуры Т 2 относительно температуры Т 1) выражается следующим уравнением Вант-Гоффа:

где Н 0 – тепловой эффект реакции.

Для эндотермической реакции (реакция идет с поглощением тепла) константа равновесия увеличивается с повышением температуры, система как бы сопротивляется нагреванию.

34. Осмос, осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа и осмотический коэффициент.

Осмос – самопроизвольное движение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую растворы разной концентрации, из раствора меньшей концентрации в раствор с более высокой концентрацией, что приводит к разбавлению последнего. В качестве полупроницаемой мембраны, через маленькие отверстия которой могут селективно проходить только небольшие по объему молекулы растворителя и задерживаются крупные или сольватированные молекулы или ионы, часто служит целлофановая пленка – для высокомолекулярных веществ, а для низкомолекулярных – пленка из ферроцианида меди. Процесс переноса растворителя (осмос) можно предотвратить, если на раствор с большей концентрацией оказать внешнее гидростатическое давление (в условиях равновесия это будет так называемое осмотическое давление, обозначаемое буквой ). Для расчета значения  в растворах неэлектролитов используется эмпирическое уравнение Вант-Гоффа:

где С – моляльная концентрация вещества, моль/кг;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль · К.

Величина осмотического давления пропорциональна числу молекул (в общем случае числу частиц) одного или нескольких веществ, растворенных в данном объеме раствора, и не зависит от их природы и природы растворителя. В растворах сильных или слабых электролитов общее число индивидуальных частиц увеличивается вследствие диссоциации молекул, поэтому в уравнение для расчета осмотического давления необходимо вводить соответствующий коэффициент пропорциональности, называемый изотоническим коэффициентом.

i · C · R · T,

где i – изотонический коэффициент, рассчитываемый как отношение суммы чисел ионов и непродиссоциировавших молекул электролита к начальному числу молекул этого вещества.

Так, если степень диссоциации электролита, т.е. отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества, равна  и молекула электролита распадается при этом на n ионов, то изотонический коэффициент рассчитывается следующим образом:

i = 1 + (n – 1) · ,(i > 1).

Для сильных электролитов можно принять  = 1, тогда i = n, и коэффициент i (также больше 1) носит название осмотического коэффициента.

Явление осмоса имеет большое значение для растительных и животных организмов, поскольку оболочки их клеток по отношению к растворам многих веществ обладают свойствами полупроницаемой мембраны. В чистой воде клетка сильно набухает, в ряде случаев вплоть до разрыва оболочки, а в растворах с высокой концентрацией солей, наоборот, уменьшается в размерах и сморщивается из-за большой потери воды. Поэтому при консервировании пищевых продуктов к ним добавляется большое количество соли или сахара. Клетки микроорганизмов в таких условиях теряют значительное количество воды и гибнут.

Хотя знакомство с термином «тепловой эффект химической реакции» у большинства происходит на уроках химии, тем не менее он применяется более широко. Трудно представить какую-либо область деятельности, где не использовалось бы это явление.

Приведем пример лишь некоторых из них, где необходимо знание того, что такое тепловой эффект реакции. В настоящее время автомобильная промышленность развивается фантастическими темпами: количество машин ежегодно увеличивается в несколько раз. При этом основным источником энергии для них является бензин (альтернативные разработки пока находят свое воплощение лишь в единичных прототипах). Для корректировки силы вспыхивания топлива используют специальные присадки, снижающие интенсивность детонации. Яркий пример - монометиланилин. При его получении рассчитывается тепловой эффект реакции, который в данном случае составляет -11-19 кДж/моль.

Другая область применения - пищевая промышленность. Без сомнения, любой человек обращал внимание на указание калорийности того или иного продукта. В данном случае калорийность и тепловой эффект реакции непосредственно связаны, так как при окислении пищи выделяется теплота. Корректируя свое питание на основе этих данных, можно достичь существенного снижения массы тела. Несмотря на то, что тепловой эффект реакции измеряется в джоулях, между ними и калориями существует прямая взаимосвязь: 4 Дж = 1 ккал. Применительно к пищевым продуктам обычно указывается расчетное количество (масса).

Давайте теперь обратимся к теории и дадим определение. Итак, тепловой эффект указывает на выделившейся или поглощенной системой, при протекании в ней Стоит учитывать, что кроме теплоты может генерироваться излучение. Тепловой эффект химической реакции численно равен разности между уровнями энергии системы: исходным и остаточным. Если в процессе реакции происходит поглощение тепла из окружающего пространства, то говорят о эндотермическом процессе. Соответственно, выделение тепловой энергии характерно для экзотермического процесса. Их довольно просто различать: если значение суммарной энергии, выделившейся в результате протекания реакции, оказывается больше, чем затраченной для ее начала (например, тепловая энергия сгорающего топлива), то это экзотермия. А вот для разложения воды и угля на водород и необходимо затратить дополнительную энергию на нагревание, поэтому имеет место ее поглощение (эндотермия).

Вычислить тепловой эффект реакции можно с помощью известных формул. В расчетах тепловой эффект обозначается буквой Q (или DH). Разница в типе процесса (эндо или экзо), поэтому Q = - DH. Термохимические уравнения предполагают указание теплового эффекта и реагентов (верен и обратный расчет). Особенность подобных уравнений в возможности переноса величины тепловых эффектов и самих веществ в разные части. Возможно проведение почленного вычитания или сложения самих формул, но с учетом

Приведем пример реакций углерода, водорода:

1) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 890 кДж

2) C + O2 = CO2 + 394 кДж

3) 2H2 + O2 = 2H2O + 572 кДж

Теперь вычтем 2 и 3 из 1 (правые части из правых, левые - из левых).

В итоге получаем:

CH4 - C - 2 H4 = 890 - 394 - 572 = - 76 кДж.

Если все части умножить на - 1 (убрать отрицательное значение), то получим:

C + 2H2 = CH4 + 76 кДж/моль.

Как можно трактовать результат? Тепловой эффект, происходящий при образовании метана из водорода и углерода, составит 76 Дж на каждый моль получаемого газа. Также из формул следует, что будет выделяться, то есть речь идет об экзотермическом процессе. Подобные расчеты позволяют избежать необходимости проведения непосредственных лабораторных экспериментов, которые часто сопряжены с трудностями.

Лабораторная работа №3

Тепловой эффект (энтальпия) химической реакции

Цель работы: на основании термодинамических представлений научиться делать заключение о принципиальной возможности и направленности химических процессов.

Краткое теоретическое введение.

Химическая термодинамика как раздел общей термодинамики изучает переходы одних форм энергии в другие формы, имеющие место в химических реакциях, процессах растворения и кристаллизации, электродных процессах и ряде других взаимодействий, или вообще в химический системах(под химической системой понимают произвольно выделенную часть пространства с заключенными в ней реагирующими веществами).

Химическая термодинамика, как и общая термодинамика, основана, главным образом, на двух законах.

Согласно первому закону термодинамики, для замкнутых систем, имеющих возможность обмениваться энергией, сообщенное им тепло Q расходуется на приращение внутренней энергии и на совершение работы A против внешних сил:

Q принимает положительные значения, если система поглощает энергию.

Внутренняя энергия – функция состояния системы, определяемого параметрами давления p , объема V , температуры T и т.д., определяется разностью
, и не зависит от пути процесса.

Теплота и работа характеризуют не состояние, а процесс, и поэтому их нельзя считать видами энергии (это способ передачи энергии), они зависят от пути изменения состояния.

Работа совершается системой при изменении объема V 1 до V 2 , равна:

A =
.

Если реакция протекает при постоянном объеме (изохорный процесс), то работа расширения системы (А = p *
) равна нулю. Если при этом не совершаются и другие виды работы (например, электрическая), то

где - количество поглощенной системой теплоты при постоянном объеме.

Химические реакции чаще всего осуществляются не при постоянном объеме, а при постоянном давлении p (
= 0, изобарный процесс). Для этих условий из уравнения первого закона термодинамики ни одной функции исключить нельзя:

= + p* = +p(V 1 - V 2).

Раскрыв скобки можно записать уравнение так:

= (U 2 +pV 2) – (U 1 +pV 1).

Функцию U + pV = H назовем энтальпией или энергосодержанием. Энтальпия – функция состояния, характеризует полную энергию системы в условиях постоянного давления и температуры и представляет сумму внутренней энергии и работы против внешних сих.

Таким образом, сообщенное системе тепло при постоянном давлении идет на приращение ее энтальпии.

Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состояния, и абсолютное значение ее определить невозможно.

В термодинамике тепловой эффект рассматривается относительно самой реакционной системы («эгоистическая» система знаков). Тепловому эффекту экзотермических реакций приписывают знак «-» (система отдает тепло), а тепловому эффекту эндотермической реакции – знак»+» (система получает тепло).

Для многих практических целей важно знать тепловой эффект реакции при постоянном давлении, чаще всего при атмосферном. В дальнейшем будем оперировать только тепловым эффектом при постоянном давлении (изменение энтальпии).

= const = + p*=; =.

По закону Гесса тепловой эффект реакции ( ) равен разности сумм теплот (энтальпий) образования ( обр ) ее конечных и начальных продуктов.

При этом следует учитывать стехиометрические коэффициенты уравнения реакций:

где n k и n H – число молей каждого из конечных и начальных продуктов,

обр – соответственно – их теплоты (энтальпии) образования, - общий тепловой эффект (энтальпия).

Тепловой эффект, соответствующий образованию 1 моля соединения из элементарных веществ, устойчивых в стандартных условиях, называется стандартной тепловой (энтальпией) образования данного соединения. Теплоты образования элементарных веществ (H 2 , O 2 , N 2 , C (графит), Cl 2 и т.д.) в стандартных условиях (Р = 1013 Па, Т = 298 К) условно принимают равной нулю. Стандартные теплоты (энтальпии) образования приводятся в справочниках.

Согласно закону сохранения массы и энергии Ломоносова при образовании химического соединения поглощается или выделяется такое количество теплоты, какое выделяется или поглощается при его разложении на первоначальные составные части.

Законами термохимии пользуются для вычисления тепловых эффектов реакций или теплот образования соединений, которые не могут быть определены опытным путем.

В термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние и модификация вещества, если оно и то же вещество может существовать в нескольких различных кристаллических модификациях.

Движущая сила и направление химических реакций. На основе изучения тепловых эффектов химических реакций был сформулирован принцип Бертло (1867г.), утверждающий, что мерой химического сродства служит тепловой эффект химических реакций, что самопроизвольно протекают лишь такие процессы, которые сопровождаются выделением теплоты (), т.е. экзотермические процессы.

Этот принцип соблюдается часто, но далеко не всегда; возможны случаи самопроизвольно протекающих эндотермических реакций. Это объясняется тем, что кроме принципа минимума энергии ( 0 ) действует принцип максимума беспорядка (
>0). S – энтропия, характеризующая возможные состояния вещества и их непрерывные изменения. Чем больше число отдельных непрерывно изменяющихся микросостояний, тем больше неупорядоченность его общего состояния.

S газа > S жидкости > S твердого тела

Энтропия возрастает при переходе вещества из кристаллического состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, при расширении газов, при химических взаимодействиях, приводящих к увеличению числа частиц. Напротив, все процессы, в результате которых упорядоченность системы возрастает (конденсация, полимеризация, сжатие, уменьшение числа частиц) сопровождается уменьшением энтропии. Энтропия выражается в единицах, отнесенных к произведению температуры и количества вещества (Дж/моль К).

Энтропия, как и энтальпия, есть функция состояния системы. Для получения сравнимых данных сопоставляют стандартные измерения энтропии
.

Изменение энтропии системы () в результате химической реакции равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом числа молей, участвующих в реакции:

=
.

В отличи от энтальпии образования энтропия простого вещества, даже находящегося в кристаллическом состоянии, не равна нулю.

В изолированной системе самопроизвольные процессы протекают в сторону увеличения энтропии>0. Если

Таким образом в химических (или физических) системах одновременно действуют две конкурирующие тенденции: принцип минимума энергии (принцип Бертло) и принцип максимума беспорядка (максимума энтропии).

Химическое средство, или движущая сила реакции определяется свободной энергией, т.е. той частью общего теплосодержания, которая может быть использована для совершения максимальной работы. Ее определяют при постоянных значениях Р и Т и называют энергией Гиббса, а в стандартных условиях – стандартной энергией Гиббса, обозначая
и
, точнее и з м е н и н и е м энергии Гиббса. Термины-синонимы: изобарно-изотермический (изобарный) потенциал, свободная энтальпия.

Энергия Гиббса связана с энтропией соотношением G = H – T*, Где Т – абсолютная температура. Для изобарно-изотермического процессов изменение энергии Гиббса равно:

= -Т* .

Значение зависит не только от природы реагирующих веществ, но и от агрегатного состояния и условий. Для получения сравнимых данных, характеризующих различные реакции, сопоставляют стандартные изменения энергии Гиббса:

Энергию Гиббса образования относят к 1 моль вещества, выражают в кДж/моль; при этом образования простого вещества принимают равной нулю.

Изменение энергии Гиббса может быть также записано следующим образом:

Первый член этого выражения представляет энтальпийный фактор, а второй – энтропийный. Первый отражает тенденцию системы к образованию связей в результате взаимного притяжения частиц – молекул или атомов, что приводит к их усложнению, а второй – тенденцию к усилению процесса диссоциации сложных частиц на более простые и их менее упорядоченному состоянию. Оба фактора действуют в противоположных направлениях, и общее направление реакции определяется влиянием преобладающего фактора.

При постоянных значениях Р и Т самопроизвольно протекают лишь такие реакции, изобарные потенциалы которых отрицательны реакции, тем больше ее движущая сила. В ходе реакции увеличивается и при = 0 в системе устанавливается равновесие. Если > 0, то реакция не может идти без затраты энергии извне, и такое неравенство свидетельствует о принципиальной возможность реакции при данных условиях (Р и Т ), а при неравенстве
реакция неосуществима в любых условиях.

Таким образом, - движущая сила процесса, она является истинным критерием возможности протекания процесса.

Если реакции протекают при низких температурах и без участия газообразных веществ, то Т*
и , т.е. критерием реакции может служить изменение энтальпии (действует принцип Бертло). В остальных случаях необходимо рассчитывать изменение энергии Гиббса.

Выполнение работы.

Определение теплового эффекта (энтальпии) реакции нейтрализации

HCl + NaOH = NaCl + H 2 O

Сравнить измеренное значение с теоретическим и вычислить относительную ошибку измерения, написать термодинамическое уравнение реакции нейтрализации.

Лабораторное оборудование.

Калориметр включает в себя внутренний стакан, в котором проводится реакция, внешний стакан, теплоизоляционную прокладку, крышку, в которой имеются отверстия для термометра и воронки. Для измерения массы реагирующих веществ используют лабораторные весы, для измерения объемов – мерные цилиндры. Для перемешивания растворов используют магнитную мешалку.

Материалы и реактивы: растворы HCl и NaOH.

Ход работы.

Взвесить внутренний стакан калориметра (m 1), опустить в него мешалку и взвесить внутренний стакан с мешалкой (m 2). Налить в стакан 45 мл щелочи соответствующей концентрации (1н или 2 н). Взвесить стакан с объемом щелочи (m 3). Собрать калориметрическую установку. Включить магнитную мешалку. Провести предварительный период реакции, регистрируя изменение температуры через 1 минуту в течение 5 минут. Ввести через воронку 40 мл раствора кислоты той же концентрации, что и щелочь. Регистрировать температуру в течение главного периода реакции. Продолжать регистрацию температуры еще в течение 5 минут заключительного периода реакции.

Результаты эксперимента представить в виде двух таблиц.

Таблица 2.1 Результаты измерения масс

Таблица 2.2.Результаты измерения температуры в ходе реакции

Время от начала опыта	Предварительный период					Главный период				Заключительный период
	0,0	1,0	2,0	3,0	4,0	4,25	4,5	4,75	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0	10
Темпе-ратура, о С	19,6	19,75	19,8	19,81	19,83	23,6	26,8	28,8	31,6	31,4	31,1	31	30,8	30,6

Практическое решение

1. Теплоемкость калориметрической системы вычисляется по приближенной формуле:

С к = С стакана + С раствора + С термометра + С мешалки.

Теплоемкостью термометра пренебречь, а теплоемкости остальных частей определить по формулам:

С стакана = С стекла m 1 = 0,2 кал/г о С * 48,80 г = 9,76 кал/ о С = 9,76 10 -3 ккал/ о С,

где С стекла = 0,2 кал/г о С;

С раствора = С раствора m p = 1,0 кал/г о С * 92,29 г = 92,29 кал/ о С = 92,29 10 -3 ккал/ о С,

где С раствора = 1,0 кал/г о С;, не искаженное теплообменом, происходящим в течение главного периода, нужно продолжить AB и CD до пересечения их с вертикальной прямой Е. Для этого точки v и n, соответствующие начальной и конечной температурам главного периода, нанести на ось ординат. Через середину отрезка mn провести линию KP. Пересечение этой линии с кривой BC дает точку l, определяющую положение прямой Е. Отрезок Е и будет равен ккал/моль ,

где С к – температура всех частей калориметрической системы, кал/ о С,

- изменение температуры в ходе реакции, о С,

С к - количество выделившегося при реакции тепла, кал,

K – число молей эквивалентов кислоты в заданном объеме.

5. Расчет погрешности эксперимента.

Относительная ошибка определяется по формуле:

Е =
=
= 22,6 % ,

где
- экспериментально определенное значение энтальпии реакции,
- теоретическое значение энтальпии реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Нейтрализация моля эквивалентов любой сильной кислоты любим сильным основанием в разбавленных растворах всегда сопровождается одним и тем же экзотермическим эффектом, равным 13,70 ккал/моль. Этот факт теория электролитической диссоциации тем, что реакция нейтрализации сводится к образованию моля воды:

Т.е.
.

Главным фактором, определяющим точность результата, будет погрешность определения , т.к. ошибки взвешивания не превышают сотых долей процентов.

Вывод

Выполняя данную лабораторную работу, я узнала, что такое энтальпия и энтропия, научилась определять тепловой эффект (энтальпию) реакции нейтрализации опытным путем. Я получила, что она равна -16,8 ккал/моль

22,6 % , сравнила с теоретическим значением, они несколько отличаются, т.к. были допущены погрешности при подсчетах и непосредственном выполнении работы.