Важным разделом химической термодинамики является термохимия – наука, которая изучает тепловые эффекты химических реакций.
Для описания тепловых эффектов химических реакций используется термодинамическая функция – энтальпия.
Энтальпия Н – это функция состояния, которая при постоянном давлении характеризует внутреннюю энергию системы и ее способность выполнять работу.
Изменение энтальпии системы (DH) в результате химического взаимодействия между веществами называется тепловым эффектом химической реакции.
Если в результате реакции энтальпия системы уменьшается (H2 < H1,DH < 0), то понятно, что теплота выделяется в окружающую среду, т. е. протекает экзотермический процесс (рис. 6.6 а, 6.7). И наоборот, увеличение энтальпии системы (H2 > H1,DH > 0) вследствие химической реакции свидетельствует о поглощении системой теплоты из окружающей среды и протекании эндотермического процесса (рис.6.6 б, 6.7).
Энтальпия химической реакции ?Нх.р и теплота реакции Q отличаются по физическому смыслу. Величина Q показывает количество теплоты, которое выделилось (+Q) в окружающую среду или поглотилось из нее (–Q) при любых условиях и при любом количестве вещества, а энтальпияDН относится к 1 моль вещества при постоянном давлении (Р = const). Другим отличием является знак («+» или «–») перед величинами Q иDН. Экзотермические реакции (+Q) сопровождаются выделением теплоты, значит, теплосодержание в системе уменьшается:DНпродуктов <DНреагентов,DH < 0. А при эндотермических реакциях (–Q) за счет поглощения теплоты (DНпродуктов >DНреагентов) количество теплоты в системе возрастает:DH > 0 (рис. 6.2). Количество теплоты Q и энтальпия реакцииDH имеют противоположные знаки и связаны зависимостью:
DH = – Q /n или Q = –DH·n,
гдеn– количество вещества, моль.
Рисунок 6.7 – Изменение энергии реакционной системы в результате протекания экзо- и эндотермической реакции
Тепловые эффекты зависят от условий протекания реакций, поэтому для проведения термохимических расчетов нужны термохимические величины, измеренные при одинаковых условиях. Поэтому были приняты стандартные условия (Т = 298 К (250С) и Р = 101325 Па) и стандартное состояние – устойчивое состояние вещества при стандартных условиях. Например, при Т = 298 К (250С) и Р = 101325 Па стандартным состоянием для Н2О является жидкая вода, для Al – твердый алюминий, для NH3 – газообразный аммиак, хотя каждое из этих веществ можно перевести в другие агрегатные состояния.
Тепловой эффект реакции при стандартных условиях обозначают ?H298 и измеряют в [кДж/моль].
Для термохимических расчетов используют термохимические уравнения химических реакций.
Термохимическим уравнением называют уравнение химической реакции, в котором указаны ее тепловой эффект и фазовые состояния веществ.
Фазовое состояние вещества может быть: твердым (т), жидким (ж), газообразным (г). Например: С3Н6О(г) + 4О2(г) = 3СО2(г) + 3Н2О(ж) ?H = –1817,0 кДж/моль.
Это термохимическое уравнение читается так: 1 моль газообразного ацетона (С3Н6О) реагирует с 4 моль газообразного кислорода (О2) и образуется 3 моль газообразного углекислого газа (СО2), 3 моль жидкой воды (Н2О) и выделяется 1817,0 кДж теплоты.
С термохимическими уравненими можно производить такие же математические действия, как и с алгебраическими уравнениями: складывать (вычитать) друг с другом вместе с их тепловыми эффектами, умножать или делить каждый член термохимического уравнения на одно и то же число.
Тепловые эффекты химических реакций определяют экспериментально или на основании расчетов. Рассмотрим примеры использования термохимических уравнений для расчетов.
Пример 6.1. Рассчитайте тепловой эффект реакции разложения NO, если известны тепловые эффекты двух реакций:
1) , ,
2) , .
Решение. Сложим уравнения (1) и (2) – отдельно левые и правые части:
.
После сокращения остается
.- ?
Тепловой эффект этой реакции равен
.
Пример 6.2. Определите количество теплоты, которая поглощается при образовании 11,2 л NO при стандартных условиях, если тепловой эффект реакцииDН0х.р.= +180,8кДж.
Решение. Составим термохимическое уравние реакции
N2(г) + O2(г) 2NO(г), DН0 х.р.= +180,8 кДж.
Рассчитаем количество вещества NO:
?(NO) =V/VM = 11,2 л / 22,4 л/моль = 0,5 моль.
Воспользуемся уравнением Q = –DH·n:
Q = –DH·n= –180,0 кДж/моль·0,5 моль = –45,2 кДж.
Пример 6.3. Составьте термохимическое уравнение реакции горения этанола, если извстно, что при сжигании 4,6г С2Н5ОН выделяется 136,7 кДж теплоты.
Решение. Для составления термохимического уравнения следует рассчитать тепловой эффект реакции в расчете на сгорание 1 моль С2Н5ОН.
Найдем количество вещества этанола
?(С2Н5ОН) = m/M =4,6 / 46 = 0,1 моль.
Согласно условию задачи Q =136,7 кДж, тогда тепловой эффект реакции
определите количество теплоты, которое выделится или поглотится, если в реакцию вступит 0,5 моль железа:
а) выделится 100,3 кДж; б) поглотится 100,3 кДж;
в) поглотится 50,15 кДж; г) выделится 50,15 кДж.
Энтальпия образования аммиакаDН0f,NH3 = –46,2 кДж/моль. Сколько теплоты выделится (или поглотится) при разложении 2 моль NH3:
а) выделится 46,2 кДж; б) поглотится 46,2 кДж;
в) поглотится 92,4 кДж; г) выделится 92,4 кДж?
Используя термохимическое уравнение , рассчитайте: а) количество теплоты, которое выделится при получении объемом 44,8 м3; б) объем кислорода, который вступил в химическую реакцию (н. у.), если выделилось 3000 кДж теплоты.
По термохимическому уравнению , рассчитайте: а) количество теплоты, которое выделится при получении объемом 1 л (н. у.); б) количество теплоты, которое выделится, если в реакцию вступило 10 кг ; в) объем , если выделилось 204,4 кДж теплоты.
По термохимическому уравнению , рассчитайте: а) объем кислорода, который вступает в реакцию (н. у.), если выделилось 12,67 кДж теплоты; б) массу , которая образуется, если выделилось 253,42 кДж теплоты; в) количество теплоты, которое выделится при окислении объемом 20 л.