Тепловой эффект химической реакции формула. Теплота реакции и термохимические расчёты. Определим энергию Гиббса в стандартных условиях

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии обычно в виде теплоты. Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических процессов, называется термохимией. Тепловые эффекты реакций можно определить как экспериментально, так и с помощью термохимических расчетов.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, выделенное или поглощенное в результате химического взаимодействия. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, сопровождающиеся поглощением теплоты – эндотермическими .

Подавляющее большинство химических реакций – изобарные процессы. Поэтому целесообразно оценивать энергетический или тепловой эффект реакции изменением энтальпии системы. Тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении, равен изменению энтальпии системы Q p = ΔH .

В экзотермических реакциях теплота выделяется в окружающее пространство, энтальпия или внутренняя энергия системы уменьшается и значения ΔH и ΔU для них отрицательны (ΔН < 0, ΔU < 0). В эндотермических реакциях теплота поглощается из окружающего пространства, энергосодержание системы увеличивается и изменения Δ H и ΔU положительны (ΔН > 0, ΔU > 0).

Уравнения химических реакций, в которых указаны тепловые эффекты и агрегатные состояния веществ называют термохимическими уравнениями .

В термохимических уравнениях указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация реагирующих и образующихся веществ: (г) – газовое, (ж) – жидкое, (к) – кристаллическое, (т) – твердое, (р) – растворенное и др.

Например, термохимическое уравнение синтеза воды имеет вид

2Н 2(г) + О 2(г) = 2Н 2 О (ж) ; ΔH 0 298 = -571,6 кДж

из уравнения следует, что реакция является экзотермической (ΔН < 0) и при взаимодействии 2 моль водорода и 1 моль кислорода образуется 2 моль воды и выделяется 571,6 кДж теплоты.

По термохимическим уравнениям реакций можно проводить различные расчеты. Для решения задач по термохимическим уравнениям нужно записать уравнение протекающей реакции, затем на основе данных составить пропорцию и решить ее.

Пример №1. Вычислите по термохимическому уравнению

4Р (к) + 5О 2(г) = 2Р 2 О 5(к) ; ΔH= –3010кДж

количество телоты, выделяемой при сгорании 6,2 г фосфора.

Решение: Рассчитаем количество вещества фосфора:

n(P) = m(P)/M(P) = 6,2/31 = 0,2 моль

Составим пропорцию и найдем количество теплоты:

при сгорании 4 моль Р - выделяется 3010 кДж теплоты;

при сгорании 0,2 моль Р - выделяется X кДж теплоты;

4/0,2 = 3010/ X; X = (0,2 · 3010)/4 = 150,5 кДж.

Пример №2. Составьте термохимическое уравнение реакции горения магния, если известно, что при сгорании 6 г магния выделилось 153,6 кДж теплоты.

Решение. Рассчитаем количество вещества сгоревшего магния:

n(Mg) = m(Mg)/M(Mg) = 6/24 = 0,25 моль.

Составим уравнение реакции горения:

2Mg (т) + O 2(г) = 2MgO (т)

найдем количество теплоты, которое выделяется при сгорании 2 моль:

при сгорании 0,25 моль магния - выделяется 153,6 кДж;

при сгорании 2 моль магния - выделяется X кДж теплоты;

0,25/2 = 153,6/X; X = (2 · 153,6)/0,254 = 1228,8 кДж.

Следовательно, термохимическое уравнение реакции имеет вид

2Mg (т) + O 2(г) = 2MgO (т) ; ΔH = –1228,8 кДж

Пример №3. По термохимическому уравнению

С (т) + О 2(г) = СО 2 (г) ; ΔH = – 394 кДж

Определите, сколько литров оксида углерода (IV) (н.у.) образуется, если выделяется 591 кДж теплоты?

Решение. Рассчитаем, при образовании какого количества оксида углерода (IV) выделяется 591 кДж теплоты. Исходя из уравнения реакции составим пропорцию:

При образовании 1 моль СО 2 (н.у.) выделяется 394 кДж теплоты;

При образовании X моль СО 2 (н.у.) выделяется 591 кДж теплоты;

1/X = 394/591; X = 591/394 = 1,5 моль СО 2 (н.у.).

По следствию из закона Авогадро: 1 моль любого газа (при н.у.) занимает объем 22,4 л, составим пропорцию:

1 моль СО 2 (н.у.) занимает объем 22,4 л;

1,5 моль СО 2 (н.у.) занимают X л;

1/1,5 = 22,4/X; X = 1,5 · 22,4/1 = 33,6 л.

Для того, чтобы можно было сравнить тепловые эффекты различных процессов термохимические расчеты обычно относят к 1 моль вещества и стандартным состояниям и условиям. За стандартные условия приняты: давление 101 325 Па и температура 25 0 С (298 К). Стандартным состоянием вещества является состояние, устойчивое при стандартных условиях. Тепловой эффект при стандартных условиях называется стандартным тепловым эффектом реакции и обозначается ΔH 0 298 или ΔH 0 .

Основным законом термохимии является закон Г.И.Гесса (1841г.): тепловой эффект химического процесса зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от пути процесса, т.е. числа и характера промежуточных стадий.

Так, процесс превращения исходных веществ (состояние 1) в продукты (состояние 2) может быть осуществлен несколькими путями, представленными на рис.3;

Рис.3. Изменение энтальпии реакции с течением времени

По закону Гесса тепловой эффект процесса может быть рассчитан следующим образом:

ΔH 1 = ΔH 2 + ΔH 3 + ΔH 4 + ΔH 5 = ΔH 6 + ΔH 7

тепловой эффект реакции равен разности суммы энтальпий образования продуктов реакции и суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

ΔH 0 = ∑ΔH 0 f прод - ∑ ΔH f исх.

Для расчета теплового эффекта реакции используют энтальпии (теплоты) образования веществ. Энтальпией образования называется тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ.

Стандартные энтальпии образования обозначают ΔH 0 обр,298 или ΔH 0 f,298 , где индекс f - formation (образование). Часто один из индексов опускают. Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (газообразный кислород O 2(г) , жидкий бром Br 2(ж) , кристаллический иод I 2(к) , ромбическая сера S (р) , углерод C (графит) и т.д.), равны нулю.

Стандартной энтальпией образования называется изменение энтальпии в реакции образования 1 моль химического соединения из простых веществ, измеренное в стандартных условиях.

С помощью термохимических расчетов можно определить тепловой эффект реакций, энергию химических связей, энергию кристаллической решетки, межмолекулярного взаимодействия, энтальпию растворения и сольватации (гидратации), энергетические эффекты фазовых превращений и т.д.

Значения стандартных энтальпий образования ряда веществ приведены в Приложении 1.

Пример №4. На основаниизначений стандартной энтальпии образования вычислите тепловой эффект реакции, сделайте вывод, экзотермической или эндотермической она является:

Сu 2 S (к) + 2 O 2(г) = 2 CuO (к) + SO 2(г)

Решение. :

Согласно следствию из закона Гесса:

ΔH 0 = (2 ΔH 0 f, CuO (к) + ΔH 0 f, SO 2(г)) - (ΔH 0 f, Cu 2 S(к) + 2 ΔH 0 f, O 2(г)) =

= – (-82,01 + 2 · 0) = -545,5 кДж.

Так как ΔH 0 < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 545,5 кДж тепла.

Пример №5. Рассчитайте тепловой эффект реакции взаимодействия кристаллического оксида алюминия и газообразного оксида серы (IV):

Al 2 O 3(к) + 3 SO 3(г) = Al 2 (SO 4) 3(к)

Решение.

ΔH 0 = ΔH 0 f, Al 2 (SO 4) 3 (к) – ( ΔH 0 f, Al 2 O 3 (к) + 3 ΔH 0 f, SO3(г)) =

= (-3442,2) – [(1676,0 + 3(-396,1)] = -577,9 кДж.

Так как ΔH 0 < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 577,9 кДж энергии.

2H 2 S (г) + CO 2(г) = CS 2(г) + 2H 2 O (г)

Решение. Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

ΔH 0 = [ ΔH 0 f, CS2 (г) + 2ΔH 0 f, H2 O (г) ] – =

= – = 65,33 кДж

Тепловой эффект реакции составляет ΔH 0 = 65,33 кДж, так как ΔH 0 > 0, следовательно, реакция эндотермическая, протекает с поглощением тепла.

Пример №7. Определить тепловой эффект растворения КОН.

КОН (к) = К + (р) + ОН - (р)

Решение. Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

ΔH 0 раств. = (ΔH 0 f , К(к) + + ΔH 0 f, ОН(р) -) - ΔH 0 f, КОН(к) ) =[(-251,2) + (230,2)] – (-425,8) = -55,6 кДж

Процесс растворения щелочи экзотермический, сопровождается выделением 55,6 кДж.

Пример №8. Определитетепловой эффект фазового перехода:

SO 3(ж) = SO 3(г)

Решение: Выпишем из Прил. 1 значения стандартных энтальпий образования.

Соединение…………. SO 3 (ж) SO 3 (г)

ΔH 0 f , кДж/моль…….. -439,0 -396,1

Тепловой эффект фазового перехода рассчитывается по уравнению:

ΔH 0 исп. = (ΔH 0 f , SO3 (г)) – (ΔH 0 f , SO3 (ж) ) = (-396,1) – (-439,0) = 42,9 кДж

Процесс испарения оксида серы (VI) эндотермический, требует затраты энергии в 42,9 кДж.

Подобно тому, как одной из физических характеристик человека является физическая сила, важнейшей характеристикой любой химической связи является сила связи, т.е. её энергия.

Напомним, что энергия химической связи – эта та энергия, которая выделяется при образовании химической связи или та энергия, которую нужно истратить, чтобы эту связь разрушить.

Химическая реакция в общем случае – это превращение одних веществ в другие. Следовательно, в ходе химической реакции происходит разрыв одних связей и образование других, т.е. превращения энергии.

Фундаментальный закон физики гласит, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одного вида в другой. В силу своей универсальности данный принцип, очевидно, применим и к химической реакции.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты,

выделившееся (или поглотившееся) в ходе реакции и относимое к 1 моль прореагировавшего (или образовавшегося) вещества.

Тепловой эффект обозначается буквой Q и, как правило, измеряется в кДж/моль или в ккал/моль.

Если реакция происходит с выделением тепла (Q > 0), она называется экзотермической, а если с поглощением тепла (Q < 0) – эндотермической.

Если схематично изобразить энергетический профиль реакции, то для эндотермических реакций продукты находятся выше по энергии, чем реагенты, а для экзотермических – наоборот, продукты реакции располагаются ниже по энергии (более стабильны), чем реагенты.

Ясно, что чем больше вещества прореагирует, тем большее количество энергии выделится (или поглотится), т.е. тепловой эффект прямо пропорционален количеству вещества. Поэтому отнесение теплового эффекта к 1 моль вещества обусловлено нашим стремлением сравнивать между собой тепловые эффекты различных реакций.

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Пример 1 . При восстановлении 8,0 г оксида меди(II) водородом образовалась металлическая медь и пары воды и выделилось 7,9 кДж теплоты. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида меди(II).

Решение . Уравнение реакции CuO (тв.) + H2 (г.) = Cu (тв.) + H2 O (г.) + Q (*)

Составим пропорцию при восстановлении 0,1 моль – выделяется 7,9 кДж при восстановлении 1 моль – выделяется x кДж

Откуда x = + 79 кДж/моль. Уравнение (*) принимает вид

CuO (тв.) + H2 (г.) = Cu (тв.) + H2 O (г.) + 79 кДж

Термохимическое уравнение – это уравнение химической реакции, в котором указаны агрегатное состояние компонентов реакционной смеси (реагентов и продуктов) и тепловой эффект реакции.

Так, чтобы расплавить лед или испарить воду, требуется затратить определенные количества теплоты, тогда как при замерзании жидкой воды или конденсации водяного пара такие же количества теплоты выделяются. Именно поэтому нам холодно, когда мы выходим из воды (испарение воды с поверхности тела требует затрат энергии), а потоотделение является биологическим защитным механизмом от перегрева организма. Напротив, морозильник замораживает воду и нагревает окружающее помещение, отдавая ему избыточное тепло.

На данном примере показаны тепловые эффекты изменения агрегатного состояния воды. Теплота плавления (при 0o C) λ = 3,34×10 5 Дж/кг (физика), или Qпл. = - 6,02 кДж/моль (химия), теплота испарения (парообразования) (при 100o C) q = 2,26×10 6 Дж/кг (физика) или Qисп. = - 40,68 кДж/моль (химия).

плавление

обр ,298.

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Разумеется, возможны процессы сублимации, когда твердое вещество

переходит в газовую фазу, минуя жидкое состояние и обратные процессы осаждения (кристаллизации) из газовой фазы, для них также возможно рассчитать или измерить тепловой эффект.

Ясно, что в каждом веществе есть химические связи, следовательно, каждое вещество обладает некоторым запасом энергии. Однако далеко не все вещества можно превратить друг в друга одной химической реакцией. Поэтому договорились о введении стандартного состояния.

Стандартное состояние вещества – это агрегатное состояние вещества при температуре 298 К, давлении 1 атмосфера в наиболее устойчивой в этих условиях аллотропной модицикации.

Стандартные условия – это температура 298 К и давление 1 атмосфера. Стандартные условия (стандартное состояние) обозначается индексом0 .

Стандартной теплотой образования соединения называется тепловой эффект химической реакции образования данного соединения из простых веществ, взятых в их стандартном состоянии. Теплота образования соединения обозначается символом Q 0 Для множества соединений стандартные теплоты образования приведены в справочниках физикохимических величин.

Стандартные теплоты образования простых веществ равны 0. Например, Q0 обр,298 (O2 , газ) = 0, Q0 обр,298 (C, тв., графит) = 0.

Например . Запишите термохимическое уравнение образования сульфата меди(II). Из справочника Q0 обр,298 (CuSO4 ) = 770 кДж/моль.

Cu (тв.) + S (тв.) + 2O2 (г.) = CuSO4 (тв.) + 770 кДж.

Замечание : термохимическое уравнение можно записать для любого вещества, однако надо понимать, что в настоящей жизни реакция происходит совершенно по-другому: из перечисленных реагентов образуются при нагревании оксиды меди(II) и серы(IV), но сульфат меди(II) не образуется. Важный вывод: термохимическое уравнение – модель, которая позволяет производить расчеты, она хорошо согласуется с другими термохимическими данными, но не выдерживает проверки практикой (т.е. неспособна правильно предсказать возможность или невозможность реакции).

(B j ) - ∑ a i × Q обр 0 ,298 i

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции

Уточнение . Для того, чтобы не вводить Вас в заблуждение, сразу добавлю, что химическая термодинамика может предсказывать возможность / невозможность реакции , однако для этого требуются более серьезные «инструменты», которые выходят за рамки школьного курса химии. Термохимическое уравнение по сравнению с этими приемами – первая ступенька на фоне пирамиды Хеопса – без него не обойтись, но высоко не подняться.

Пример 2 . Вычислите тепловой эффект конденсации воды массой 5,8г. Решение . Процесс конденсации описывается термохимическим уравнением H2 O (г.) = H2 O (ж.) + Q – конденсация обычно экзотермический процесс Теплота конденсации воды при 25o C 37 кДж/моль (справочник).

Следовательно, Q = 37 × 0,32 = 11,84 кДж.

В 19 веке русским химиком Гессом, изучавшим тепловые эффекты реакций, был экспериментально установлен закон сохранения энергии применительно к химическим реакциям – закон Гесса .

Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса и определяется только разностью конечного и начального состояний.

С точки зрения химии и математики данный закон означает, что мы вольны для расчета процесса выбрать любую «траекторию расчета», ведь результат от нее не зависит. По этой причине очень важный закон Гесса имеет невероятно важное следствие закона Гесса .

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов).

С точки зрения здравого смысла данное следствие соответствует процессу, в котором сначала все реагенты превратились в простые вещества, которые затем собрались по-новому, так что получились продукты реакции.

В форме уравнения следствие закона Гесса выглядит так Уравнение реакции: a 1 A 1 + a 2 A 2 + … + a n A n = b 1 B 1 + b 2 B 2 + … b

При этом a i и b j – стехиометрические коэффициенты, A i – реагенты, B j – продукты реакции.

Тогда следствие закона Гесса имеет вид Q = ∑ b j × Q обр 0 ,298

k Bk + Q

(A i )

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции Поскольку стандартные теплоты образования многих веществ

а) сведены в специальные таблицы или б) могут быть определены экспериментально, то становится возможным предсказать (рассчитать) тепловой эффект очень большого количества реакций с достаточно высокой точностью.

Пример 3 . (Следствие закона Гесса). Рассчитайте тепловой эффект паровой конверсии метана, происходящей в газовой фазе при стандартных условиях:

CH4 (г.) + H2 O (г.) = CO (г.) + 3 H2 (г.)

Определите, является ли данная реакция экзотермической или эндотермической?

Решение: Следствие закона Гесса

Из справочника находим теплоты образования остальных компонентов смеси.

Подставляем значения в уравнение

Q = 0 + 110,5 – 74,6 – 241,8 = -205,9 кДж/моль, реакция сильно эндотермична.

Ответ: Q = -205,9 кДж/моль, эндотермическая

Пример 4. (Применение закона Гесса). Известны теплоты реакций

C (тв.) + ½ O (г.)= CO (г.) + 110,5 кДж

С (тв.) + O2 (г.) = CO2 (г.) + 393,5 кДж Найти тепловой эффект реакции 2CO (г.) + O2 (г.) = 2CO2 (г.). Решение Умножим первое и второе уравнение на 2

2C (тв.) + O2 (г.)= 2CO (г.) + 221 кДж 2С (тв.) + 2O2 (г.) = 2CO2 (г.) + 787 кДж

Вычтем из второго уравнения первое

O2 (г.) = 2CO2 (г.) + 787 кДж – 2CO (г.) – 221 кДж,

2CO (г.) + O2 (г.) = 2CO2 (г.) + 566 кДж Ответ: 566 кДж/моль.

Замечание: При изучении термохимии мы рассматриваем химическую реакцию извне (снаружи). Напротив, химическая термодинамика – наука о поведении химических систем – рассматривает систему изнутри и оперирует понятием «энтальпии» H как тепловой энергии системы. Энтальпия, таким

Лекция 6. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции образом, имеет тот же смысл, что и количество теплоты, но имеет противоположный знак: если энергия выделяется из системы, окружающая среда её получает и греется, а система энергию теряет.

Литература :

1. учебник, В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко и др., Химия 9 класс, параграф 19,

2. Учебно-методическое пособие «Основы общей химии» Часть 1.

Составители – С.Г. Барам, И.Н. Миронова. – взять с собой! на следующее семинарское занятие

3. А.В. Мануйлов. Основы химии. http://hemi.nsu.ru/index.htm

§9.1 Тепловой эффект химической реакции. Основные законы термохимии.

§9.2** Термохимия (продолжение). Теплота образования вещества из элементов.

Стандартная энтальпия образования.

Внимание!

Мы переходим к решению расчетных задач, поэтому на семинары по химии отныне и впредь желателен калькулятор.

Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внутренней энергии систем. Термохимия – это раздел химии, который занимается изучением изменения количества теплоты в ходе протекания процесса. Одним из основоположников термохимии является русский ученый Г. И. Гесс.

Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, которая выделяется или поглощается в ходе химической реакции. Стандартным тепловым эффектом химической реакции называется теплота, которая выделяется или поглощается в ходе химической реакции при стандартных условиях. Все химические процессы можно разделить на две группы: экзотермические и эндотермические.

Экзотермические – это реакции, при которых происходит выделение теплоты в окружающую среду. При этом запас внутренней энергии исходных веществ (U 1) больше, чем образующихся продуктов (U 2). Следовательно, ∆U< 0, а это приводит к образованию термодинамически устойчивых веществ.

Эндотермические это реакции, при которых происходит поглощение теплоты из окружающей среды. При этом запас внутренней энергии исходных веществ (U 1) меньше, чем образующихся продуктов (U 2). Следовательно, ∆U > 0, а это приводит к образованию термодинамически неустойчивых веществ. В отличие от термодинамики, в термохимии выделяемую теплоту считают положительной, а поглощаемую – отрицательной. Теплота в термохимии обозначается Q. Единица измерения теплоты – Дж/моль или кДж/моль. В зависимости от условий протекания процесса, различают изохорный и изобарный тепловые эффекты.

Изохорным (Q V) тепловым эффектом называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе данного процесса при постоянном объеме (V = const) и равенстве температур конечного и начального состояния (Т 1 = Т 2).

Изобарным (Q р) тепловым эффектом называют количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе данного процесса при постоянном давлении (р = const) и равенстве температур конечного и начального состояния (Т 1 = Т 2).

Для жидких и твердых систем изменение объема мало и можно принять, что Q р » Q V . Для газообразных систем

Q р = Q V – ∆nRТ, (4.3)

где ∆n – изменение числа молей газообразных участников реакции

∆n = ån прод. реакции – ån исх. веществ. (4.4)

Во всех случаях преобразование части внутренней (химической) энергии в тепловую (или другие виды) и наоборот, тепловой в химическую происходит в строгом соответствии с законом сохранения энергии и первым законом термодинамики.

В термохимии принято использовать термохимические уравнения это уравнения химических реакций, в которых в левой части равенства приведены исходные вещества, а в правой – продукты реакции плюс (или минус), тепловой эффект, а также показано агрегатное состояние веществ и их кристаллические формы. Например,

С графит + О 2 = СО 2 (г) + 393,77 кДж

Н 2 + 1/2О 2 = Н 2 О (ж) + 289,95 кДж

С (алмаз) + 2S (ромб) = CS 2 (г) – 87,9 кДж

С термохимическими уравнениями можно производить все алгебраические действия: складывать, вычитать, умножать, переносить члены и т.д.

Тепловые эффекты многих химических и физических процессов определяют опытным путем (калориметрия) или рассчитывают теоретически, используя величины теплот образования (разложения) и теплот сгорания тех или иных химических соединений.

Теплотой образования данного соединения называется количество выделяющейся или поглотившейся теплоты при образовании 1 моля его из простых веществ в кДж. Теплоты образования простых веществ, находящихся при стандартных условиях в устойчивом состоянии, принимают за нуль. В реакциях

К (тв) + 1/2Сl (г) = КС1 (тв) + 442,13 кДж

С (тв) + 1/2Н 2(г) + 1/2N (г) = HCN (г) – 125,60 кДж

тепловые эффекты 442,13 кДж и -125,60 кДж представляют собой теплоты образования соответственно КСl и HCN. Теплоты разложения указанных соединений на простые вещества, согласно закону сохране­ния энергии, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку, т. е. для КСl теплота разложения равна -442,13 кДж, а для HCN она составляет +125,60 кДж.

Чем больше выделяется теплоты при образовании соединения, тем, следовательно, больше теплоты необходимо затратить на разложение его, и тем прочнее данное соединение при обычных условиях. Химически устойчивыми и прочными веществами являются: SiO 2 , А1 2 О 3 , Р 2 О 5 , КСl, NaCl и др. Вещества же, образующиеся с поглощением тепла, малоустойчивы (например, NO, CS 2 , С 2 Н 2 , HCN и все взрывчатые вещества). Теплоты образования органических соединений невоз­можно определить на опыте. Их рассчитывают теоретически по величинам теплот сгорания данных соединений, найденным опытным путем.

Теплотой сгорания называется теплота, выделяющаяся при полном сгорании 1 моля вещества в токе кислорода. Теплоты сгорания определяют на калориметрической установке, основными частями которой являются: баллон с кислородом, калориметрическая бомба, калориметр с отвешенным количеством воды и мешалкой и зажигающее электрическое устройство.

Величины тепловых эффектов химических реакций зависят от многих факторов: от природы реагирующих веществ, агрегатного состояния начальных и конечных веществ, условий проведения реакции (температуры, давления, объема систем, концентрации).

Цель работы: определить опытным путем тепловые эффекты процессов растворения из полученных данных, пользуясь законом Гесса, рассчитать теплоты гидратации солей.

Теоретическая часть.

Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии, чаще всего в виде тепла Количество последней может быть измерено и выражено в единицах энергии (Дж, кал и т.д.)

Разница первоначального и конечного уровней энергии системы представляет собой энергетический эффект или изменение энтальпии реакции, который обозначается ΔН r .

При экзотермических реакциях система с большим запасом энергии переходит в состояние с меньшим запасом энергии. Такие реакции сопровождаются выделением тепла, и их тепловой эффект считается отрицательным (ΔН r <0).

При эндотермических реакциях, наоборот, система с меньшим запасом энергии переходит в состояние с более высоким запасом энергии. Такие реакции сопровождаются поглощением тепла, и их тепловой эффект принято считать положительным (ΔН r >0).

Для термохимических расчетов большое значение имеют величины энтальпий образования веществ.

Под энтальпией образования вещества понимается изменение энтальпии реакции образования одного моля сложного вещества из простых веществ, например:

90,4 кДж/моль;

Верхний и нижний индексы при ΔН указывают на то, что энтальпия образования приведена к стандартным условиям (давление 101325 Па или 1 атм и температура 298 К или 25 0 С).

Значения энтальпий образования веществ приведены в таблицах термодинамических потенциалов.

Термохимические расчеты основаны на использовании закона Гесса и вытекающих из него следствий :

1. Тепловой эффект химического процесса равен сумме тепловых эффектов всех промежуточных стадий процесса.

Например, процесс получения двуокиси углерода из угля и кислорода может быть проведен в одну стадию:

С(т) + О 2 (г) = СО 2 (г) ΔН r = -94 ккал

Но этот же процесс можно провести в две стадии:

С(т) + 1/2 О 2 (г) -= СО(г) ΔН r = -26,4 ккал

CO(г) + 1/2O 2 (г) = CO 2 (г) ΔН r =-67,6 ккал

Согласно закону Гесса, сумма тепловых эффектов двух последних реакций должна равняться тепловому эффекту первой реакции, что и наблюдается в действительности: {-26,4-67,6 = -94 (ккал)}.

2. Тепловой эффект химической реакции равен разности теплот образования конечных и исходных участников реакции, умноженных на их стехиометрические коэффициенты (т.e. коэффициенты перед формулами данных веществ в уравнении реакции).

Например, реакция горения пропана протекает по схеме:

С 3 Н 8 (г) + 5О г (г) = ЗСО 2 (г) + 4Н 2 О(г)

Теплоты образования и соответственно равны -103,8; -393,6 и-241,9 кДж/моль.

Тепловой эффект реакции горения С 3 Н 8 (г) рассчитывается по формуле:

Практическая часть

Методика проведения опытов:

Для определения тепловых эффектов процессов, протекающих в водных растворах, используют простейший калориметр, приведенный на рис 2.1.

Рис.2.1. Схема калориметра:

1- внешний стакан калориметра; 2 -внутренний стакан калориметра, 3 - теплоизолирующая прокладка; 4-термометр; 5 - мешалка.

Так как слой воздуха, находящийся между стенками внешнего и внутреннего стаканов калориметра, является хорошим теплоизолятором, то все тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в результате протекания реакции, идет на нагревание (или охлаждение) реакционной смеси и внутреннего стакана калориметра. Экспериментально определяется изменение температуры реакционной смеси, сопровождающее данный процесс. Для этого во внутренний стакан калориметра отмеривают с помощью мерного цилиндра 25 - 30 мл воды и измеряют начальную температуру t нач. с помощью термометра, который помещают непосредственно в жидкость, следя, чтобы он не касался дна и стенок внутреннего стакана (см. рис.1).

Не вынимая термометра из жидкости, во внутренний стакан засыпают сухую соль. Раствор перемешивают мешалкой до полного растворения, следя одновременно за показаниями термометра. Температура в ходе процесса может повышаться или понижаться. Конечную температуру t кон. фиксируют в тот момент, когда столбик термометра останавливается.

Все данные, необходимые для расчетов, сводят в таблицу (форма таблицы дана в описании опытов).

Тепловой эффект процесса, протекающего в калориметре, рассчитывается по формуле:

где С р. ра - удельная теплоемкость раствора, находящегося во внутреннем стакане калориметра, которую можно принять равной удельной теплоемкости воды С н 0 - 4,18 Дж/г град;

т р-ра - масса раствора во внутреннем стакане калориметра, г;

С кал - удельная теплоемкость внутреннего стакана калориметра;

т кал - масса калориметра;

Δt - изменение температуры в ходе опыта, град С.

Учитывая, что удельная теплоёмкость стекла, из которого сделан внутренний стакан калориметра, мала, вторым слагаемым можно пренебречь, тогда формула для расчета теплового эффекта примет вид:

Опыт №1 . Определение мольной теплоты растворения соли.

Опыт проводят согласно описанию с выданной преподавателем навеской соли. Химическая формула соли и ее масса указаны на обертке навески. Данные, необходимые для расчета, сводят в таблицу 2.1.

Таблица 2.1. Параметры для расчета мольной теплоты растворения соли.

Мольную теплоту растворения, то есть теплоту, выделяющуюся или поглощающуюся при растворении в воде 1 моля соли, рассчитывают по формуле:

Пользуясь приведенной в конце работы таблицей, в которой приведены теоретические значения мольных теплот растворения некоторых солей, рассчитайте относительную погрешность определения:

Опыт №2. Определены мольной теплоты гидратации соли .

Гидратацией называют процесс присоединения к соли определенного количества молекул воды с образованием кристаллогидрата данной соли, например:

Na 2 СO 3 + l0H 2 O = Na 2 CO 3 · 10Н 2 О.

Для определения мольной теплоты гидратации в воде растворяют сначала навеску

безводной соли:

Na 2 СO 3 + п H 2 O = Na 2 CO 3 · п Н 2 О; ΔНрастворения безв.соли

а затем навеску кристаллогидрата данной соли

Na 2 CO 3 · 10Н 2 О + (п -10)H 2 O = Na 2 CO 3 · п Н 2 О; ΔНрастворения кристаллогидрата

Оба процесса проводят согласно описанию, данному в практической части, и данные вносят в таблицу 2.1.

Пользуясь формулой для расчета мольной теплоты растворения, приведенной в 1-ом опыте, рассчитывают ΔН растворения безводной соли и кристаллогидрата.

Теплоту гидратации вычисляют, пользуясь законом Гесса:

ΔНрастворения безв.соли = ΔНгидратации + ΔНрастворения кристаллогидрата

Относительную погрешность определения рассчитывают исходя из данных табл.2.

Таблица 2.2. Мольные теплоты растворения и гидратации для некоторых солей и кристаллогидратов

Выводы:

в выводах каждого опыта должно быть указано, какой тип реакций - экзо- или эндотермическая - наблюдается для данной соли и на основании чего можно сделать такое заключение.

Лабораторная работа №3

Теплотой реакции (тепловым эффектом реакции) называется количество выделенной или поглощённой теплоты Q. Если в ходе реакции теплота выделяется, такая реакция называется эк­зотермической, если теплота поглощается, реакция называется эндотермической.

Теплота реакции определяется, исходя из первого закона (начала) термодинамики, матема­тическим выражением которого в его наиболее простой форме для химических реакций является урав­нение:

Q = ΔU + рΔV (2.1)

где Q - теплота реакции, ΔU - изменение внутренней энергии, р -давление, ΔV - изменение объёма.

Термохимический расчёт заключается в определении теплового эффекта реакции. В соот­ветствии с уравнением (2.1) численное значение теплоты реакции зависит от способа её проведения. В изохорном процессе, проводимом при V=const, теплота реакции Q V = ΔU, в изобарном процессе при p=const тепловой эффект Q P = ΔH. Таким образом, термохимический расчёт заключаетсяв определении величины изменения или внутренней энергии, или энтальпии в ходе реакции. Поскольку подавляющее большинство реакций протекает в изобарных условиях (например, это все реакции в открытых сосу­дах. протекающие при атмосферном давлении), при приведении термохимических расчётов практическивсегда производится расчёт ΔН. Если ΔН<0, то реакция экзотермическая, если же ΔН>0, то ре­акция эндотермическая.

Термохимические расчёты производятся, используя или закон Гесса, согласно которому тепло­вой эффект процесса не зависит от его пути, а определяется лишь природой и состоянием исход­ных веществ и продуктов процесса, или, чаще всего, следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции равен сумме теплот (энтальпий) образования продуктов за вычетом суммы теплот (эн­тальпий) образования реагентов.

В расчётах по закону Гесса используются уравнения вспомогательных реакций, тепловые эффек­ты которых известны. Суть операций при расчётах по закону Гесса заключается в том, что над уравне­ниями вспомогательных реакций производят такие алгебраические действия, которые приводят к урав­нению реакции с неизвестным тепловым эффектом.

Пример 2.1. Определение теплоты реакции: 2СО + O 2 = 2СO 2 ΔН - ?

В качестве вспомогательных используем реакции: 1)С + О 2 = С0 2 ; ΔН 1 = -393,51 кДж и 2)2С + О 2 = 2СО; ΔН 2 = -220,1 кДж, где ΔН / и ΔН 2 - тепловые эффекты вспомогательных реакций. Используя уравнения этих реакций, можно получить уравнение заданной реакции, если вспомогатель­ное уравнение 1) умножить на два и из полученного результата вычесть уравнение 2). Поэтому неиз­вестная теплота заданной реакции равна:

ΔН = 2 ΔH 1 - ΔН 2 = 2(-393,51) - (-220,1) = -566,92 кДж.

Если в термохимическом расчёте используется следствие из закона Гесса, то для реакции, выра­женной уравнением aA+bB=cC+dD, пользуются соотношением:

ΔН =(сΔНобр,с + dΔHoбp D) - (аΔНобр A + bΔН обр,в) (2.2)

где ΔН - теплота реакции; ΔН o бр - теплоты (энтальпии) образования, соответственно, продуктов реак­ции С и D и реагентов А и В; с, d, a, b - стехиометрические коэффициенты.

Теплотой (энтальпией) образования соединения называется тепловой эффект реакции, в ходе которой образуется 1 моль этого соединения из простых веществ, находящихся в термодина­мически устойчивых фазах и модификациях 1 *. Например, теплота образования воды в парообразном состоянии равна половине теплоты реакции, выражаемой уравнением: 2Н 2 (г) + О 2 (г) = 2Н 2 О(г). Раз­мерность теплоты образования - кДж/моль.

В термохимических расчётах теплоты реакций, как правило, определяются для стандартных ус­ловий, для которых формула (2.2) приобретает вид:

ΔН°298 = (сΔН° 298,обр,С + dΔH° 298, o 6 p , D) - (аΔН° 298,обр A + bΔН° 298,обр,в) (2.3)

где ΔН° 298 - стандартная теплота реакции в кДж (стандартность величины указывается верхним индек­сом "0") при температуре 298К, а ΔН° 298,обР - стандартные теплоты (энтальпии) образования также при температуре 298К.Значения ΔН° 298 .обР .определены для всех соединений и являются табличны­ми данными. 2 * - см. таблицу приложения.

Пример 2.2. Расчёт стандартной теплоты р еакции, выраженной уравнением:

4NH 3 (r) + 5O 2 (г) = 4NO(г) + 6Н 2 О(г).

Согласно следствию из закона Гесса записываем 3* :

ΔН 0 298 = (4 ΔН 0 298. o б p . No + 6 ΔH 0 298. одр.Н20) - 4 ΔH 0 298 обр. NH з. Подставив табличные значения стандартных теплот образования соединений, представленных в уравнении, получим: ΔН°298 = (4(90,37) + 6(-241,84)) - 4(-46,19) = - 904,8 кДж.

Отрицательный знак теплоты реакции указывает на экзотермичность процесса.

В термохимии тепловые эффекты принято указывать в уравнениях реакций. Такиеуравнения с обозначенным тепловым эффектом называются термохимическими. Например, термохимическое уравнение рассмотренной в примере 2.2 реакции записывается:

4NH 3 (г) + 50 2 (г) = 4NО(г) + 6Н 2 0(г); ΔН° 29 8 = - 904,8 кДж.

Если условия отличаются от стандартных, в практических термохимических расчётах допускает­ся использование приближения:ΔН ≈ ΔН° 298 (2.4) Выражение(2.4) отражает слабую зависимость величины теплоты реакции от условий её протекания.