Тепловой эффект химической реакции

Энергетика химических процессов. Учебный фильм по химии // EduLibNet

Энергетика химических процессов (1976) [18:51]

Тепловой эффект химической реакции — отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция.

Энергетический эффект химического процесса возникает за счет изменения в системе внутренней энергии или энтальпии.

Общие уравнения

Предположим, что некоторая система за счет поглощения теплоты Q переходит из состояния 1 в состояние 2. В общем случае эта теплота расходуется на изменение внутренней энергии системы ΔU и на совершение работы против внешних сил W: Q = ΔU + W (согласно закону сохранения энергии).

Предположим, что система за счет поглощения теплоты Q переходит из начального состояния 1 в конечное состояние 2, тогда:

ΔU = U₂- U₁.

Для химических реакций под работой против внешних сил подразумевается работа против внешнего давления. Обычно она совершается за счет расширения системы, например, при выделении газа. Работа против внешнего давления равна произведению давления р на изменение объема системы ΔV при переходе ее из состояния 1 в состояние 2:

W = р ΔV, ΔV = V₂ — V₁, W = р(V₂ — V₁).

При изохорном процессе (V = const), поскольку изменения объема системы не происходит, W = 0. Тогда переходу системы из состояния 1 в состояние 2 отвечает равенство: Q_v = U₂ — U₁ = ΔU.

При изобарном процессе (р = cost, характерно для подавляющего большинства химических реакций) тепловой эффект Q_p равен

Q_p = Δ U + р ΔV, Q_p = (U₂ — U₁) + p(V₂ — V₁)

или

Q = (U2 + p U₂)-(U₁ + pU₁).

Закон сохранения энергии называют также первым законом термодинамики.

Величину U + pV называют энтальпией. Таким образом, если при изохорном процессе энергетический эффект реакции равен изменению внутренней энергии системы, то в случае изобарного процесса он равен изменению энтальпии системы.

Виды реакций

Реакции, при которых теплота выделяется (энтальпия уменьшается), называются экзотермическими. Реакции, при которых теплота поглощается (энтальпия растет), называются эндотермическими. Обычно экзотермическими являются те реакции, при которых продукты обладают более прочными химическими связями, чем исходные вещества, а эндотермические — наоборот.

Тепловые эффекты в термохимических уравнениях

Для того чтобы можно было сравнить энергетические эффекты различных процессов, термохимические расчеты обычно относят к 1 моль вещества и условиям, принятым за стандартные. За стандартные принимают давление 101 325 Па и температуру чаще всего 25°С (298,15 К).

Тепловые эффекты обычно мало зависят от температуры и давления.

Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют термохимическими уравнениями. Помимо теплового эффекта, в термохимических уравнениях часто указывается также фазовое состояние и полиморфная модификация веществ.

Если имеется несколько реакций, итоговый тепловой эффект рассчитывают по закону Гесса

Энтальпия образования

Под энтальпией образования понимают тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ. Обычно используют стандартные энтальпии образования (которые в стандартных условиях). Стандартные энтальпии образования веществ, устойчивых в стандартных условиях (кислород, жидкий бром, кристаллы иода и так далее), считаются равными нулю. Остальные имеются в таблицах в справочниках.

По закону Гесса тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции :

ΔH_{реакции}^O = ΣΔH_f^O (продукты) — ΣΔH_f^O (реагенты)

Поэтому зная стандартные энтальпии образования веществ, участвующих в реакции, можно получить тепловой эффект этой реакции (в стандартных условиях), только надо энтальпию каждого вещества еще умножать на количество его молей.

Энтальпии образования известны примерно для 4 тыс. веществ в различных состояниях. Это позволяет чисто расчетным путем установить энергетические эффекты самых разнообразных процессов.

Энтальпия гидратации ионов

Энтальпия гидратации ионов - количество теплоты, которое выделяется при переходе 1 моль ионов из вакуума в водный раствор.

Значение энтальпии гидратации можно рассчитать, используя известные значения энтальпии других процессов. Так, растворение ионного соединения можно представить в виде двух стадий: разрушение кристаллической решетки на свободные ионы и гидратация ионов. Тогда, согласно закону Гесса, тепловой эффект (энтальпию) растворения можно представить в виде алгебраической суммы энергии (энтальпии) разрушения кристаллической решетки и энтальпии гидратации ионов, а отсюда выразить энтальпию гидратации.

Энтальпия гидратации зависит от заряда и размера гидратируемого иона. В ряду ионов с однотипной электронной конфигурацией энтальпия гидратации возрастает с уменьшением размера иона.

Разрушение кристаллической решетки на свободные ионы — процесс эндотермический, гидратация ионов — процесс экзотермический, следовательно, общий тепловой эффект растворения может быть как отрицательным, так и положительным, в зависимости от размера этих двух энтальпий в данном конкретном случае. Так, при растворении KOH тепло выделяется, а на растворение нитрата калия тепло, наоборот, нужно затрачивать.

Ссылки

• Тепловой эффект химической реакции. distedu.ru.
• Тепловой эффект химической реакции. Основные законы термохимии.. hemi.nsu.ru. Проверено 3 октября 2011.
• Тепловой эффект реакции. chemistry.ssu.samara.ru. Проверено 3 октября 2011.