Теплота и энтальпия процесса связаны уравнением

Энергетика химических процессов. Закон Гесса

Материалы портала onx.distant.ru

Тепловой эффект процесса

Количество выделенной (или поглощенной) теплоты Q в данном процессе называют тепловым эффектом процесса. Экзотермической является реакция, протекающая с выделением теплоты, а эндотермической – с поглощением теплоты из окружающей среды.

Для лабораторных и промышленных процессов наиболее типичен изобарный режим (Р=const). Поэтому обычно рассматривают тепловой эффект при Р,Т = const, т.е. изменение энтальпии процесса ΔН.

Следует отметить, что абсолютные значения энтальпии Н определить не представляется возможным, так как не известна абсолютная величина внутренней энергии.

Для экзотермической реакции (Q > 0) ΔН 0.

Термохимические уравнения

Химические уравнения, в которых дополнительно указывается величина изменения энтальпии реакции, а также агрегатное состояние веществ и температура, называются термохимическими уравнениями.

В термохимических уравнениях отмечают фазовое состояние и аллотропные модификации реагентов и образующихся веществ: г – газообразное, ж – жидкое, к – кристаллическое; S_(ромб), S_{(монокл)}, С_{(графит)}, С_(алмаз) и т.д.

Важно подчеркнуть, что с термохимическими уравнениями можно проводить алгебраические операции сложения, вычитания, деления, умножения.

Закон Гесса

Изменение энтальпии (внутренней энергии) химической реакции зависит от вида, состояния и количества исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от пути процесса.

Следствия из закона Гесса

1. Изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов).
2. Изменение энтальпии реакции равно сумме энтальпий сгорания исходных веществ за вычетом суммы энтальпий сгорания продуктов реакции (суммирование проводится с учетом стехиометрических коэффициентов).

Стандартные термодинамические величины

Стандартные термодинамические величины – это такие величины, которые относятся к процессам, все ингредиенты которых находятся в стандартных состояниях.

Стандартным состоянием вещества, находящегося в конденсированной фазе (кристаллической или жидкой), является реальное состояние вещества, находящегося при данной температуре и давлении 1 атм.

Следует подчеркнуть, что стандартное состояние может иметь место при любой температуре.

Обычно тепловой эффект (изменение энтальпии) реакции приводится для температуры 25 о С (298,15 К) и давления 101,325 кПа (1 атм), т.е. указывается стандартная энтальпия ΔН о ₂₉₈.

Стандартные энтальпии образования и сгорания

Стандартная энтальпия образования ΔН о _f,298 (или ΔН о _обр,298) – это изменение энтальпии в процессе образования данного вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии, из простых веществ, также находящихся в стандартном состоянии, причем простые вещества присутствуют в наиболее термодинамически устойчивых состояниях при данной температуре.

Например , ΔН o _f,298(Н₂О(ж)) = — 285,83 кДж/моль соответствует изменению энтальпии в процессе

при Т = 298,15 К и Р = 1 атм.

Стандартная энтальпия образования простых веществ равна нулю по определению (для наиболее устойчивых их модификаций при данной температуре).

Стандартной энтальпией сгорания ΔН o _сгор,298 называют энтальпию сгорания вещества (обычно 1 моль), находящегося в стандартном состоянии с образованием СО_2(г), Н₂О_(ж) и других веществ, состав которых должен быть специально указан. Все продукты сгорания также должны находиться в стандартном состоянии.

Примеры решения задач

Задача 1. Используя справочные термодинамические данные вычислить ΔН o ₂₉₈ реакции:

Решение. Решим задачу, используя оба следствия из закона Гесса. Ниже для исходных веществ и продуктов реакции приведены значения энтальпий образования и сгорания в кДж/моль (энтальпия сгорания сероводорода до SO_2(г) и H₂O_(ж)):

Cогласно первому следствию закона Гесса энтальпия этой реакции ΔН о _х.р. равна:

В соответствии со вторым следствием закона Гесса получаем:

ΔН о _х.р.,298 = 2ΔН о _сгор,298(H₂S(г)) = 2(-562,10) = — 1124,20 кДж.

Задача 2. Вычислите ΔН о ₂₉₈ реакции N₂(г) + 3H₂(г) = 2NH₃(г), используя следующие данные:

Определите стандартную энтальпию образования NH₃(г).

Решение. Поскольку с термохимическими уравнениями можно производить все алгебраические действия, то искомое уравнение получится, если:

• • • разделить на два тепловой эффект первого уравнения и изменить его знак на противоположный, т.е:

• • • умножить на 3/2 второе уравнение и соответствующую ему величину δН o , изменив ее знак на противоположный:

Таким образом, тепловой эффект реакции N_2(г) + 3H_2(г) = 2NH_3(г) равен:

Δ Н о ₂₉₈ = (- ΔН о ₁/2) + (- 3/2·ΔН о ₂) = 765,61 + (- 857,49) = — 91,88 кДж.

Поскольку в рассматриваемой реакции образуется 2 моль NH_3(г), то

ΔН о _f,298(NH_3(г)) = — 91,88/2 = — 45,94 кДж/моль.

Задача 3. Определите энтальпию процесса

если при 298,15 К энтальпия растворения CuSO_4(к) в n моль Н₂О с образованием раствора CuSO₄(р-р, nH₂O) равна –40, а энтальпия растворения CuSO₄·5H₂O_(к) с образованием раствора той же концентрации равна +10,5 кДж/моль.

Решение. Составляем цикл Гесса:

ΔН о ₁ = ΔН о ₂ + ΔН о _х (по закону Гесса). Отсюда получаем:

ΔН о _х = ΔН о ₁ – ΔН о ₂ = – 40,0 – 10,5 = -50,5 кДж.

Другой вариант решения.

По закону Гесса: ΔН о ₁ = ΔН о _х+ ΔН о ₃, т.е. при сложении уравнений (2) и (3) получим уравнение (1).

Задача 4. Вычислите энтальпию образования химической связи С= С в молекуле этилена, если его стандартная энтальпия образования равна 52,3 кДж/моль, энтальпия возгонки графита составляет 716,7 кДж/моль, энтальпия атомизации водорода равна +436,0 кДж/моль, энтальпия образования связи С–Н равна –414,0 кДж/моль.

Решение. Составляем цикл Гесса:

ΔН о _{(С = С)} = 52,3 — 2·716,7 — 2·436,0 + 4·414,0 = — 597,1 кДж/моль.

Задачи для самостоятельного решения

1. Составьте уравнение реакции, для которой ΔН о соответствует стандартной энтальпии образования ВaCl₂·2H₂O_(к).

Теплота реакции и энтальпия

Для химических процессов характерно разрушение старых и образование новых связей между атомами. Отличительным признаком химической реакции является изменение состава системы в результате перераспределения массы между реагирующими веществами. Энергия, проявляющаяся только в результате химической реакции называется химической энергией. Она является частью внутренней энергии системы, рассматриваемой в процессе химического превращения и идет на свободную, выделяющуюся теплоту (теплоту реакции) и различные работы.

Тепловой эффект (теплота) химической реакции – это максимальная теплота процесса, поглощаемая или выделяемая термодинамической системой в результате химического превращения исходных веществ в продукты реакции при постоянных V,T (изохорно-изотермический процесс) или р,Т (изобарно-изотермический процесс), отнесенная к химическому количеству веществ равному стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Основное уравнение первого закона термодинамики применительно к химическим реакциям записывот в виде:

где ∆U – изменение внутренней энергии системы, Q – теплота реакции, поглощенная системой, A_общ. – сумма работ объемной деформации (против внешних сил), против электрических, магнитных, звуковых и других проявляющихся ходе химической реакции.

Различные химические реакции могут протекать как при постоянном объеме, так и при постоянном давлении. Определим, изменению каких функций состояния соответствуют при этом их тепловые эффекты.

Пусть система совершает работу только против сил внешнего давления, тогда изменение внутренней энергии будет равно:

где р — внешнее давление, а DV— изменение объема.

Произведение рDV = А —работа объемной деформации, причем, она положительна (DV>0) при увеличении объема системы и отрицательна при уменьшении (DV

Тепловой эффект химической реакции, протекающей при постоянном давлении, равен изменению энтальпии системы:

где H₁ — энтальпия исходных веществ, а H₂ — энтальпия продуктов реакции.

Иными словами, Q_p,Т , так же как и Q_V,Т , не зависит от пути протекания реакции.

По знаку теплового эффекта реакции делятся на: эндотермические (Q>0)— реакции, протекающие с поглощением тепла, и экзотермические (Q 0 _T, где нижний индекс Т соответствует температуре, к которой относится данное значение теплового эффекта (обычно для Т= 298 К). Верхний индекс «°» означает, что все участники реакции находятся в стандартных состояниях. Этот тепловой эффект реакции называют изменением энтальпии реакции или чаще простоэнтальпией реакции. Уравнение выше упомянутой реакции записывается так:

Отрицательное значение энтальпии реакции свидетельствует о том, что реакция экзотермическая. Очевидно, что система, в которой мы рассматривали изменение энтальпии химической реакции, является закрытой термодинамической системой.

Экспериментальным определением тепловых эффектов различных реакций занимается раздел химии, называемый термохимией.Найденные величины составляют основы справочников. С их помощью можно рассчитать тепловые эффекты других реакций, даже тех, которые провести экспериментально невозможно. Для этого необходимо составить цикл из термохимических реакций, которые можно осуществить экспериментально и результатом сложения которых является искомая реакция. Для составления подобных термохимических циклов необходимо познакомиться с важнейшими определениями, приведенными ниже.

Разница между энтальпией и теплотой

Разница между энтальпией и теплотой — Наука

Содержание:

В ключевое отличие между энтальпией и теплотой заключается в том, что энтальпия — это количество тепла, передаваемого во время химической реакции при постоянном давлении, тогда как тепло — это форма энергии.

В целях изучения химии мы делим Вселенную на две части: систему и окружающую среду. Система является предметом нашего исследования, а все остальное — окружением. Теплота и энтальпия — два термина, описывающие поток энергии и свойства системы.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое энтальпия
3. Что такое тепло
4. Параллельное сравнение — энтальпия и тепло в табличной форме
5. Резюме

Что такое энтальпия?

В термодинамике полная энергия системы — это внутренняя энергия. Внутренняя энергия определяет общую кинетическую и потенциальную энергию молекул в системе. Внутреннюю энергию системы можно изменить, выполняя работу с системой или нагревая ее. Однако изменение внутренней энергии не равно энергии, которая передается в виде тепла, когда система способна изменять свой объем.

Энтальпия — это термодинамическое свойство, и мы можем обозначить его как H. Математическое соотношение для этого термина выглядит следующим образом:

Здесь H — энтальпия, U — внутренняя энергия, P — давление, V — объем системы. Это уравнение показывает, что энергия, поставляемая в виде тепла при постоянном давлении, равна изменению энтальпии. Термин pV учитывает энергию, необходимую системе для изменения объема по сравнению с постоянным давлением. Следовательно, энтальпия — это в основном теплота реакции при постоянном давлении.

Более того, изменение энтальпии (∆H) для реакции при заданных температуре и давлении получается путем вычитания энтальпии реагентов из энтальпии продуктов. Если это значение отрицательное, значит реакция экзотермическая. Если значение положительное, то реакция считается эндотермической. Изменение энтальпии между любой парой реагентов и продуктов не зависит от пути между ними. Кроме того, изменение энтальпии зависит от фазы реагентов. Например, когда газы кислорода и водорода реагируют с образованием водяного пара, изменение энтальпии составляет -483,7 кДж. Но когда те же самые реагенты реагируют с образованием жидкой воды, изменение энтальпии составляет -571,5 кДж.

Что такое тепло?

Способность системы выполнять работу — это энергия этой системы. Мы можем работать с системой, или система может работать, что соответственно приводит к увеличению или уменьшению энергии системы. Энергия системы может быть изменена не только самой работой, но и другими способами. Когда энергия системы изменяется в результате разницы температур между системой и ее окружением, мы называем эту передаваемую энергию теплом (q); то есть энергия передается в виде тепла.

Передача тепла происходит от высокой температуры к низкой, что соответствует температурному градиенту. Более того, этот процесс продолжается до тех пор, пока температура между системой и окружающей средой не достигнет одинакового уровня. Есть два типа процессов теплопередачи. Это эндотермические процессы и экзотермические процессы. Эндотермический процесс — это процесс, при котором энергия поступает в систему из окружающей среды в виде тепла, а экзотермический процесс — это процесс, при котором тепло передается от системы к окружающей среде в виде тепла.

В чем разница между энтальпией и теплом?

В большинстве случаев мы используем термины энтальпия и тепло как синонимы, но между энтальпией и теплотой есть небольшая разница. Ключевое различие между энтальпией и теплом состоит в том, что энтальпия описывает количество тепла, передаваемого во время химической реакции при постоянном давлении, тогда как тепло является формой энергии. Более того, энтальпия является функцией состояния, тогда как тепло — нет, поскольку тепло не является внутренним свойством системы. Кроме того, мы не можем измерить энтальпию напрямую, поэтому мы должны вычислить ее с помощью уравнений; однако мы можем измерить тепло непосредственно по изменению температуры.

Резюме — энтальпия против тепла

Мы часто используем термины энтальпия и тепло как взаимозаменяемые, но есть небольшая разница между энтальпией и теплотой в том, что энтальпия описывает количество тепла, передаваемого во время химической реакции при постоянном давлении, тогда как тепло является формой энергии.