Термохимические расчеты

Термохимия.

Превращение энергии при химических реакциях.

Химические реакции протекают с выделением или поглощением энергии. Эта энергия выделяется или поглощается в виде теплоты. Реакции образования веществ протекают с выделение теплоты, а реакции разложения протекают с поглощение тепла. Выделение теплоты при взаимодействии различных веществ заставляет признать, что эти вещества еще до реакции обладали определенной энергией. При химических реакциях освобождается часть содержащейся в веществах энергии.

При протекании химических реакций происходит разрыв химических связей в исходных веществах происходит разрыв химических связей в исходных веществах, который требует затрат энергии и сопровождается поглощением теплоты. Образование химических связей в продуктах реакций происходит с выделением энергии.

Реакции, протекающие с выделением энергии, называют экзотермическими (+), а реакции, при которых энергия поглощается – эндотермическими (-).

Установлено, что если при образовании какого – либо соединения выделяется (или поглощается) некоторое количество теплоты, то при разложении этого соединения в тех же условиях такое же количество теплоты поглощается (или выделяется). Это положение вытекает из закона сохранения энергии, из которого следует, что чем больше теплоты выделяется при образовании того или иного соединения, тем больше энергии надо затратить на его разложение.

Результаты термохимических измерений - тепловые эффекты реакций – принято относить к одному моль образующегося вещества. Количество теплоты, которое выделяется при образовании 1 моль соединения из простых веществ, называется теплотой образования.

Тепловые эффекты можно включать в уравнения реакций. Химические уравнения, в которых указано количество выделяющейся или поглощаемой теплоты, называют термохимическими уравнениями.

Термохимические уравнения.

Существует определенная разница между химическими и термохимическими уравнениями. Например, в термохимических уравнениях коэффициенты могут быть как целыми, так и дробными числами; в химическом уравнении только целыми.

При составлении химических уравнений часто указывается агрегатное состояние участвующих в реакции веществ. Это объясняется тем, что тепловой эффект химической реакции зависит от агрегатного состояния реагирующих веществ и продуктов реакции, их природы.

С термохимическим уравнениями можно производить все действия как и с алгебраическими: переносить значения теплового эффекта из одной части в другую с противоположным знаком:

С(тв) + О₂(г) = СО₂(г) + 396 кДж

С(тв) + О₂(г) -396 кДж = СО₂(г)

 

Условлено все термохимические расчеты производить при одинаковом состоянии исходных веществ и продуктов. В качестве такого состояния, называемого стандартным, выбрали температуру 298К (25°С) и давление 101,325 кПа.

Экзотермические процессы:

1) Горение простых и сложных веществ в кислороде, кроме реакции образования NO из N₂ и О₂

2) Образования молекул из атомов (Н+Н=Н₂)

3) Переход веществ из парообразного состояния в жидкое или твердое

4) Переход атомов и молекул из возбужденного состояния в основное

Эндотермические процессы:

1) Разложение сложных и простых веществ

2) Диссоциация веществ в водных растворах

3) Гидролиз (взаимодействие с водой)

4) Переход атомов из основного состояния в возбужденное

5) Переход веществ из твердого состояния в газообразное.

 

Термохимические расчеты.

Основной принцип, на котором основываются все термохимические расчеты, установлен в 1840 г русским химиком Гессом. Этот принцип, известный под названием закон Гесса и являющийся частным случаем закона сохранения энергии, можно сформулировать так: «Тепловой эффект реакции зависит от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса».

Тепловой эффект реакции не зависит от стадии реакций, зависит от природы реагирующих веществ, агрегатного состояния, условий протекания реакций.

Например,

1) Смешать раствор, содержащий 2 моль NaOH, с раствором, содержащим 1 моль серной кислоты.

2) Смешать раствор, содержащий 1 моль NaOH с 1 моль серной кислоты и к полученному раствору кислой соли прилить раствор, содержащий 1 моль NaOH.

Запишем термохимические уравнения этих реакций:

1) 2 NaOH + H₂SO₄= Na₂SO₄ + 2H₂O + 131, 4 кДж.

2) NaOH + H₂SO₄= NaНSO₄ + H₂O + 61,7 кДж

NaНSO₄+ NaOH = Na₂SO₄ + H₂O + 69,7 кДж

Согласно закону Гесса, тепловой эффект в обоих случаях должен быть одним и тем же. Складывая тепловые эффекты, отвечающие двум стадиям второго способа, получаем тот же суммарный тепловой эффект, который наблюдается при первом случае.

При вычислении теплового эффекта реакции допустимо использование дробных коэффициентов при формуле веществ. Это объясняется тем, что коэффициенты при формулах веществ в термохимических уравнениях обозначают только химические количества веществ, а они могут быть разными.

Следствие из закона Гесса: «Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплоты образования получающихся веществ за вычетом суммы теплот образования исходных веществ».

 

При решении задач на эту тему следует помнить:

1) Тепловой эффект относится к тем значениям стехиометрических коэффициентов, которые указаны в термохимическом уравнении; поэтому изменяя в определенное число раз эти коэффициенты, необходимо пропорционально изменить количество теплоты.

2) Величину теплового эффекта можно переносить из одной части уравнения в другую, при этом знак Q меняется на противоположный.

3) Расчеты по термохимическим уравнениям можно производить как по массам (объемам), так и с использованием количества вещества.

Подобным образом находится тепловой эффект реакции растворения ионных соединений в воде. В этом случае необходимо знать энергию кристаллической решетки ионного соединения Е_кр.реш, т.е энергию связи между ионами, и энергией гидратации Е_гидр ионов водой (это справочные величины). Тогда тепловой эффект растворения

Q_раств= Е_кр.реш + Е_гидр

При этом Е_кр.реш берется со знаком «минус» (на разрыв связей между ионами затрачивается энергия), а Е_гидр - со знаком плюс.