Тепловые эффекты химических реакций. Закон Гесса




Как уже отмечалось ранее, при протекании химических реакций происхо-дит поглощение или выделение тепла, если температура в начале и в конце процесса одинакова. Если тепло выделятся, то реакция называется экзотермической, если тепло поглощается - эндотермической. Причина выделения или поглощения тепла заключается в том, что во время химической реакции связи между атомами в молекулах исходных веществ разрушаются и образуются новые с другой энергией. Излишек энергии, который тоже является внутренней энергией системы. Переходит в кинетическую энергию атомов, молекул, что приводит к нагреву системы.

С учетом анализа первого закона термодинамики можно постулировать:

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ И ДАВЛЕНИИ НЕ ЗАВИСИТ ОТ ПУТИ РЕАКЦИИ, А ЗАВИСИТ ТОЛЬКО ОТ ПРИРОДЫИ СОСТОЯНИЯ ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ И ПРОДУКТОВ РЕАКЦИИ.

Это положение носит название закона Гесса. В термодинамике принято тепловые эффекты химических реакций, эквивалентные ∆U и ∆Н положитель-ны для эндотермических процессов и отрицательны - для экзотермических. В термохимии принята обратная система знаков.

Поскольку тепловой эффект при постоянном давлении равен изменению энтальпии, то для его подсчета можно было бы вычесть из суммарной энтальпии (внутренней энергии) продуктов реакции, энтальпию (внутреннюю энергию) исходных веществ. Однако, абсолютные значения энтальпии и внутренней энергии неизвестны и не могут быть найдены из термодинамичес-ких соображений. Во всех случаях, рассматриваемых в термодинамике, мы имеем дело лишь с изменением этих величин. Поэтому необходимо выбрать некоторое состояние, в котором Н и U условно считать равными нулю. За нулевое состояние принято состояние простых веществ (т.е. веществ, состоя-щих из одинаковых атомов или молекул) в их устойчивом состоянии при

Т = 298 К и Р = 1 атм. Поскольку любое вещество может быть образовано из простых веществ, то от этого условного уровня отсчитывается теплота образования любого вещества в количестве 1 моля. Например, при протекании реакции С тв + О2 = СО2 + 405 кДж выделяется 405 кДж тепла. В связи с чем энтальпия образованная при стандартных условиях ∆Н + - 405 кДж/моль.

Энтальпии образования большого количества неорганических и органических веществ определены колориметрически и имеются в соответствующей справочной литературе.

На основании первого закона термодинамики можно рассчитывать тепло-вые эффекты любых химических реакций, если известны теплоты (энтальпии) образования участвующих в процессе веществ и наоборот, рассчитывать теплоты образования веществ по тепловым эффектам реакции, не проводя трудоемких исследований.

Химические реакции, в которых указываются тепловые эффекты, называются термохимическими уравнениям:

аА + вВ = сС +дД + Q (- ∆Н)

Зная, что ∆Нх.р. = Σ∆Нкон - ∆Нисх получим

∆Нх.р = (с∆НС + д∆НД) - (а∆НА + в∆НВ).

Знание тепловых эффектов необходимо для расчета технологического оборудования, в котором реализуются те или иные химические процессы. Так, например, по известным теплотам образования исходных оксидов и продуктов реакции можно рассчитать тепловые эффекты реакций, протекающих при синтезе минералов портландцементного клинкера и тепловые эффекты, связанные с их гидратацией.

2СаО (тв) + SiO2 (тв) = 2CaO∙ SiO2 (тв), ∆Н°

∆Н° = -551,74 - 2(-151,9) + 215,64 =ь -22,3 кДж

 

СаО (тв) + 2CaO∙ SiO2 (тв) = 3CaO∙ SiO2 (тв), ∆Н°

∆Н° = -700,43 - (-151,3 - 551,74) = +3,21 кДж

∆Н° (СаО (тв) = 151,9 кДж/моль; ∆Н° (SiO2 (тв) = 215,64 кДж/моль; ∆Н° (2CaO∙ SiO2 (тв) = 551,74 кДж/моль;

∆Н° (3CaO∙ SiO2 (тв) = 700,43 кДж/моль.

Первая реакция экзотермическая, вторая – эндотермическая.

Реальные процессы протекают не при стандартных, в первую очередь температурных, условиях. Для реакций, протекающих в конденсированных (жидких или твердых) средах давление можно считать постоянным и равным 1 атм. В этом случае часть выделяющегося или поглощающегося тепла идет на нагревание или охлаждение веществ, участвующих в химическом процессе. Результирующий тепловой эффект реакции окажется иным.

Известно, что тепло, подводимое к телу и его температура связаны между собой через теплоемкость. Удельная теплоемкостьуд) - тепло, необходимое для нагревания 1 г вещества на 1 °С. СМ - молярная теплоемкость - тепло необходимое для нагревания 1 моля вещества на 1 °С. Различают молярную теплоемкость при постоянном объеме (СV) и при постоянном давлении (СР). Теплоемкость, обусловленная колебательно-вращательным или иным движением частиц (атомов, ионов, молекул) сама является функцией температуры С = dQ/dT или , а

откуда .

Эмпирически температурная зависимость теплоемкости выражается уравнением вида Ср = а + вТ + сТ2 или Ср = а + вТ + сТ-2, где а, в, с - числовые коэффициенты.

Температурные зависимости теплоемкостей, определенные калориметрическим методом, имеются в справочной литературе. Если принять Т = 298 к, то ∆НТ = Н° + или, подставив значение Ср и проведя интегрирования, получим в явном виде температурную зависимость теплоты образования любого вещества от температуры. Проведя аналогичные рассуждения, можно сказать, что тепловой эффект химической реакции при любой выбранной температуре , где ∆Ср – разность между теплоемкостями продуктов реакции и исходных веществ, естественно, с учетом коэффициентов.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: