2.3. Термохімічні розрахунки

2.3. Термохімічні розрахунки

Закон Гесса дозволяє обчислити теплові ефекти процесів, для яких відсутні експериментальні дані. Це стосується не тільки хімічних реакцій, але й процесів розчинення, випарювання, сублімації, кристалізації та ін. При термохімічних розрахунках особливо значущі два види теплових ефектів: ентальпія утворення та ентальпія згоряння сполук.

Ентальпія утворення сполуки є тепловим ефектом реакції утворення одного моля даної сполуки із простих речовин за стандартних умов. Наприклад, стандартна ентальпія утворення DfН карбонату кальцію – це тепловий ефект реакції

Са(т) + С(графіт) + 1,5О2(г) = СаСО3(т), DfН0298 = - 1206 кДж.

При цьому ентальпія утворення простих речовин (Н2, О2, Са, С та ін.) дорівнює нулю, а ентальпії утворення більшості відомих речовин можна відшукати в довідниках.

За значною кількістю стандартних ентальпій утворення можна обчислити теплові ефекти багатьох хімічних реакцій. При цьому використовують правило, яке випливає із закону Гесса:

тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці суми ентальпій утворювання кінцевих речовин та суми ентальпій утворювання вихідних речовин із урахуванням коефіцієнтів, що подані перед позначенням речовин у рівнянні реакції.

Нехай хімічна реакція проходить відповідно до рівняння

аА + bВ = сС + dDDН - ?

Тут а, b, с, d –коефіцієнти перед речовинами А, В, С, D. Тоді

DН = (сDfНС + dDfНD) – ( aDfНA + bDfНB).(2.4)

Для наочності розглянемо конкретний приклад. Реакція горіння етану С2Н6 описується рівнянням

С2Н6(г) + 3,5О2(г) = 2СО2(г)+3Н2О(ж),

DН298 =-1559,87 кДж/моль.

Обчислити ентальпію утворення етану, якщо відомі ентальпії утворення вуглекислого газу та води:

DfН298(СО2)=-393,51кДж/моль, DfН298(Н2О)=-285,84кДж/моль (табл. 2.1).

Відповідно до закону Гесса маємо:

DН298 = 2DfН(СО2) + 3DfН(Н2О) - DfН(С2Н6).

Звідси DfН298(С2Н6) = 2DfН298(СО2) + 3DfН298(Н2О) - DН298 =

=2(-393,51) + 3(-285,84) – ( - 1559,87) = -84,67 кДж/моль.

Ентальпія згоряння сполуки – це тепловий ефект реакції окиснення даної сполуки киснем за стандартних умов із утворенням вищих оксидів елементів, що входять до складу цієї сполуки. Наприклад, стандартна ентальпія згоряння DСН етилового спирту – це тепловий ефект реакції

С2Н5ОН(ж) + 3О2 = 2СО2(г) + 3Н2О(ж).

Продуктами згоряння є СО2, Н2О(г) або Н2О(ж), SO3 та інші. Якщо серед продуктів реакції, крім оксидів, наявні інші речовини (наприклад, N2, HCl), то це спеціально обумовлюється. Ентальпії згоряння вищих оксидів та інших продуктів згоряння, а також кисню слід брати за нуль. За допомогою ентальпій згоряння можна також розрахувати теплові ефекти хімічних реакцій, використовуючи таке правило:

тепловий ефект хімічної реакції дорівнює різниці суми ентальпій згоряння вихідних речовин та сумі ентальпій згоряння продуктів реакції з урахуванням коефіцієнтів, що подані перед позначенням речовин у рівнянні реакції.

Для наведеної в даному розділі абстрактної реакції

DН = (аDСНА + вDСНВ)-(сDСНС + dDСНD)(2.5)

розрахуємо тепловий ефект реакції етерифікації щавлевої кислоти метиловим спиртом, яка проходить за стандартних умов:

(СООН)2(т) + 2СН3ОН(ж) = (СООСН3)2(ж) + 2Н2О(ж).

У довіднику знаходимо значення стандартних ентальпій згоряння речовин:

DСН[(СООН)2]= -251,8 кДж/моль,

DСН[(СН3ОН)] = -727,6 кДж/моль,

DСН[(СООСН3)2] = -1680,2 кДж/моль,

DСН(Н2О) = 0.

Звідси DН298 = -251,8 + 2(-727,6) – (-1680,2) = -26,8 кДж/моль.