Термохимические и термодинамические уравнения их особенности

Особенности термохимических уравнений.

Тепловые эффекты химических реакций

Тепловой эффект реакции —количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой в результате протекания химической реакции. Это может быть DН (Р,Т = const) или DU (V,T = const).

Если в результате реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия системы понижается (DН 0),называются эндотермическими.

Как и другие функции состояния, энтальпия зависит от количества вещества, поэтому ее велечену (DН) обычно относят к 1 моль вещества и выражают в кДж/моль.

Обычно функции системы определяют при стандартных условиях, в которые, кроме параметров стандартного состояния, входит стандартная температура T = 298,15 К (25°C). Часто температуру указывают в виде нижнего индекса ( ).

Термохимические уравнения

Термохимические уравнения реакций — уравнения, в которых указан тепловой эффект, условия реакций и агрегатные состояния веществ. Обычно в качестве теплового эффекта указывается энтальпия реакции. Например,

Тепловой эффект можно записать в уравнении реакции:

В химической термодинамике первая форма записи употребляется чаще.

Особенности термохимических уравнений.

1.Тепловой эффект зависит от массы реагирующего вещества, поэ-

тому его обычно рассчитывают на один моль вещества. В связи с этим в термохимических уравнениях можно использовать дробные коэффициенты. Например, для случая образования одного моля хлороводорода термохимическое уравнение записывается так:

или Н₂ + Cl₂ = 2HСl, DH 0 ₂₉₈ = -184 кДж.

2. Тепловые эффекты зависят от агрегатного состояния реагентов; оно указывается в термохимических уравнениях индексами: ж — жидкое, г — газообразное, т — твердое или к – кристаллическое, р – растворенное.

3.С термохимическими уравнениями можно производить алгебраические действия (их можно складывать, вычитать, умножать на любые коэффициенты вместе с тепловым эффектом).

Термохимические уравнения более полно, чем обычные, отражают происходящие при реакции изменения — они показывают не только качественный и количественный состав реагентов и продуктов, но и количественные превращения энергии, которыми данная реакция сопровождается.

Дата добавления: 2016-07-05 ; просмотров: 7791 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения.

Химические реакции протекают либо с выделением теплоты, либо с поглощением теплоты.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (теплота указывается со знаком «+»). Эндотермические реакции – с поглощением теплоты (теплота Q указывается со знаком «–»).

Тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы вследствие протекания химической реакции и превращения исходных веществ (реагентов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.

При протекании химических реакций наблюдаются некоторые закономерности, которые позволяют определить знак теплового эффекта химической реакции:

• Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.

Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:

• Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.

Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:

• Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты. Устойчивость можно примерно определить по активности и стабильности вещества при обычных условиях. Как правило, в быту нас окружают вещества сравнительно устойчивые.

Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды. Следовательно, реакция экзотермическая:

Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях).

Количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.

В термохимии используются термохимические уравнения . Это уравнение реакции с указанием количества теплоты, выделившейся в ней (на число моль вещества, равное коэффициентам в уравнении).

Например, рассмотрим термохимическое уравнение сгорания водорода:

Из термохимического уравнения видно, что 484 кДж теплоты выделяются при сгорании 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Также можно сказать, что при образовании 2 моль воды выделяется 484 кДж теплоты.

Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.

Например, при сгорании алюминия:

теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль. Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:

теплота образования Al₂O₃ все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохъимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.

Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.

Например, при горении метана:

теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.

Разберемся, как решать задачи на термохимические уравнения (задачи на термохимию) из ЕГЭ. Для этого разберем несколько примеров термохимических задач.

1. В результате реакции, термохимическое уравнение которой:

получено 98 л (н.у.) оксида азота (II). Определите количество теплоты, которое затратили при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых.).

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что на образование 2 моль оксида азота (II) потребуется 180 кДж теплоты. 2 моль оксида азота при н.у. занимают объем 44,8 л. Составляем простую пропорцию:

на получение 44,8 л оксида азота (II) затрачено 180 кДж теплоты,

на получение 98 л оксида азота затрачено х кДж теплоты.

Отсюда х= 180*98/44,8 = 393,75 кДж. Округляем ответ до целых, как требуется в условии: Q=394 кДж.

Ответ: потребуется 394 кДж теплоты.

2. В результате реакции, термохимическое уравнение которой

выделилось 1452 кДж теплоты. Вычислите массу образовавшейся при этом воды (в граммах). (Запишите число с точностью до целых.)

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что при образовании 2 моль воды выделится 484 кДж теплоты. Масса 2 моль воды равна 36 г. Составляем простую пропорцию:

при образовании 36 г воды выделится 484 кДж теплоты,

при образовании х г воды выделится 1452 кДж теплоты.

Отсюда х= 1452*36/484 = 108 г.

Ответ: образуется 108 г воды.

3. В результате реакции, термохимическое уравнение которой

израсходовано 80 г серы. Определите количество теплоты, которое выделится при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых).

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что при сгорании 1 моль серы выделится 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы равна 32 г. Составляем простую пропорцию:

при сгорании 32 г серы выделится 296 кДж теплоты,

при сгорании 80 г серы выделится х кДж теплоты.

Отсюда х= 80*296/32 = 740 кДж.

Ответ: выделится 740 кДж теплоты.

Тепловые эффекты химических реакций. Термодинамические и термохимические уравнения реакций

Теплота, которая выделяется (или поглощается) при протекании химической реакции, называется ее тепловым эффектом. Однако, для точного определения теплового эффекта необходимо соблюдение некоторых условий. Прежде всего, нужно, чтобы система не совершала никакой работы кроме расширения. Для наглядности используем следующую модель. Возьмем цилиндр с поршнем, заполненный идеальным газом (т.е. таким газом, в котором нет взаимодействия между молекулами). Поршень может подниматься при расширении газа и его можно зафиксировать, чтобы сохранить постоянным объем. Из уравнения (2.3) первого начала следует, что теплота может приобрести свойства функции состояния, если объем или давление будут оставаться постоянными. Если реакция протекает при постоянном объеме (в нашей модели мы ставим «заглушку» на поршень), то ΔV = V₂ – V₁ = 0 и работа расширения тоже будет равна нулю: А = р ΔV = 0. Тогда, обозначив теплоту, подводимую к системе при постоянном объеме через Q_V (читается «ку вэ»), получим:

Q_V = ΔU + р ΔV = ΔU

Т.е. теплота, подводимая к системе при постоянном объеме равна изменению внутренней энергии.

Q_V = ΔU –это математическое выражение первого закона термодинамики в изохорном процессе.

Однако чаще химические реакции проводят в открытых сосудах, т.е. при практически постоянном атмосферном давлении. В нашем примере мы можем ставить на поршень гирьки, чтобы сохранить постоянное давление, тогда тепло, подводимое к системе при постоянном давлении Q_p (читается «ку пэ») расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы расширения:

Полученное выражение можно упростить, если воспользоваться термодинамической функцией, которая называется энтальпией. Ее обозначают Н (читается «аш») и определяют, как:

Таким образом, теплота, подводимая к системе при постоянном давлении равна изменению энтальпии: Q_p = ΔH

∆H = ∆U + p∆V или Q_p = ΔH — это математическое выражение первого закона термодинамики в изобарном процессе.

Рассматривая нашу систему, состоящую из газа, находящегося в цилиндре с поршнем, легко заметить, что энтальпия равна общей энергии расширенной системы (физический смысл энтальпии), т.е. сумме внутренней энергии и потенциальной энергии поднятого поршня.

Абсолютное значение энтальпии той или иной системы, так же как и абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно. Однако практически важно знать не столько величину энтальпии, сколько разность значения этой функции в исходном и конечном состоянии.

Тепловой эффект химической реакции измеряется при стандартных условиях. Стандартными значениями энтальпии (и вообще термодинамических величин) считают значения, соответствующие температуре 298,15 К и давлению 101,3 кПа (1 атм). Вещество в этих условиях находится в стандартном состоянии, которое отмечается верхним индексом «0» и нижним «298» (ΔН о ₂₉₈).

Различают стандартные энтальпии образования и стандартные энтальпии сгорания вещества.

ΔН о _{f 298} – стандартнаяэнтальпияобразования – это энтальпия образования 1 моля данного соединения из простых веществ, отвечающих наиболее устойчивому состоянию элементов при стандартных условиях. f – первая буква от английского слова «formation» – образование. Стандартные энтальпии образования простых веществ обычно равны нулю.

ΔН о _{сгор. 298} – стандартная энтальпия сгорания – это энтальпия окисления 1 моля данного вещества кислородом с образованием высших оксидов соответствующих элементов при стандартных условиях. Стандартные энтальпии сгорания высших оксидов равны нулю.

Внутреннюю энергию и энтальпию, как правило, выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) исходного или полученного вещества.

Тепловые эффекты химических реакций измеряются с помощью специальных приборов – калориметров. Простейший калориметр – теплоизолированный сосуд с водой, снабженный мешалкой и особо точным термометром. Контейнер, в котором протекает исследуемый процесс (например, химическая реакция), помещают в калориметр и регистрируют изменение температуры. Зная теплоемкость калориметра, рассчитывают количество выделившейся теплоты. Для определения теплоты сгорания обычно используют толстостенный стальной сосуд – калориметрическую колбу. Стандартные энтальпии сгорания и образования табулированы (см. приложение таблица 2).

Исторически сложились две системы отсчета: термохимическая (обычно используемая в школе) и термодинамическая. Уравнения реакций, в которых указаны тепловые эффекты (Q), называются термохимическими. Уравнения реакций, в которых указано изменение энтальпии (ΔН), называются термодинамическими.

Отличия этих уравнений от обычных уравнений. В этих уравнениях коэффициенты перед соединениями читаются как числа моль (а не молекулы), в них могут ставиться дробные коэффициенты и указывается агрегатное состояние вещества (если оно может находиться в разных формах). Например,
Н_2(г) + ½ О_2(г) = Н₂О_(г), ΔН = -241,8 кДж/моль – это термодинамическое уравнение; С_т + ½ О_2(г) = СО_(г) + Q – это термохимическое уравнение. С термодинамическими и термохимическими уравнениями можно производить алгебраические действия: сложение, вычитание, умножение на число.

Объект исследования в термодинамике – термодинамическая система, а термохимии – окружающая среда. Отсюда разная система знаков.

Термодинамическая система отделяется от окружающей среды поверхностью раздела. Если реакция экзотермическая, мы говорим, что тепло выделяется в окружающую среду (Q > 0), тогда теплосодержание термодинамической системы, определяемое как ΔН, уменьшается (ΔН 0).

Физический смысл первого закона термодинамики. Первый закон термодинамики дает нам один из критериев самопроизвольности: самопроизвольному протеканию реакции способствует уменьшение энергии. Если реакция экзотермическая, то говорят, что энтальпийный фактор способствует протеканию прямой реакции (ΔН 0).