Тепловой эффект химических реакций. Термохимические расчеты

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 термохимичеких расчетов.

Тепловым эффектом химической реакции называется количество теплоты, выделенное или поглощенное в результате химического взаимодействия. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, а реакции, 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 = Δ H.

В экзотермических реакциях теплота выделяется в окружающее пространство, энтальпия или внутренняя энергия системы уменьшается и значения Δ H 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:

2Н₂ (г) + О₂ (г) = 2Н₂О (ж); ΔH⁰₂₉₈ = -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) + 5О₂(г) = 2Р₂О₅(к); Δ H= –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) + O₂ (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) + O₂ (г) =2MgO(т); Δ H= –1228,8 кДж

Пример 3. По термохимическому уравнению

С(т) + О₂(г) = СО₂(г); Δ H = – 394 кДж

Определите, сколько л 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 СО₂(н.у.) выделяется 394 кДж теплоты

При образовании X моль СО₂(н.у.) выделяется 591 кДж теплоты

1/ X = 394/591; X = 591/394 = 1,5 моль СО₂(н.у.)

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

1 моль СО₂(н.у.) занимает объем 22,4 л

1,5 моль СО₂(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 к стандартным состояниям и стандартным условиям. За стандартные условия приняты: давление 101 325 Па и температура 25⁰С (298К). Стандартным состоянием вещества является состояние, устойчивое при стандартных условиях. Тепловой эффект при стандартных условиях называется стандартным тепловым эффектом реакции и обозначается ΔH⁰₂₉₈ или ΔH⁰.

Основным законом термохимии является закон Г.И.Гесса (1841): 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:

ΔH

время

Рис.2. Изменение энтальпии реакции с течением времени

По закону Гесса тепловой эффект процесса может быть рассчитан:

ΔH₁ = ΔH₂ + ΔH₃ + ΔH₄ + ΔH₅ = ΔH₆ + ΔH₇

Согласно следствию из закона Гесса: тепловой эффект (энтальпия) реакции реакции равен разности суммы энтальпий образования продуктов реакции и суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

ΔH⁰ = ∑ΔH⁰_{f прод} - ∑ ΔH _{f исх.в-в}

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 ΔH⁰_{обр, 298} или ΔH⁰_f,298. Индекс f соответствует formation – образование. Часто один их индексов опускают. Стандартные энтальпии образования простых веществ, устойчивых в стандартных условиях (газообразный кислород O₂ (г), жидкий бром Br₂(ж), кристаллический иод J₂(к), ромбическая сера S(р), графит 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, энергию 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 2.1. На основаниизначений стандартной энтальпии образования вычислить тепловой эффект реакции, сделать вывод, экзотермической или эндотермической она является:

Сu₂S (к) + 2 O₂ (г) = 2 CuO (к) + SO₂ (г)

Решение. Выпишем из Приложения 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Соединение………… Cu₂S (к) O₂ (г) CuO (к) SO₂ (г)

ΔH⁰_f , кДж/моль……..-82,01 0 -165,3 -296,9

Согласно следствию из закона Гесса:

ΔH⁰ = (2 ΔH⁰_{f, CuO (к)} + ΔH⁰_{f, SO2 (г)}) - (ΔH⁰_{f, Cu2S (к)} + 2 ΔH⁰_{f, O2 (г)}) =

= [2(-165,3) + (-296,9)] – [ (-82,01) + 2·0] = -545,5 кДж

Так как ΔH⁰ < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 545,5 кДж тепла.

Пример 2.2. Рассчитать тепловой эффект реакции взаимодействия кристаллического оксида алюминия и газообразного оксида серы (IV).

Al₂O₃ (к) + 3 SO₃ (г) = Al₂(SO₄)₃ (к)

Решение. Выпишем из Приложения 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Соединение…………….. Al₂O₃ (к) SO₃ (г) Al₂(SO₄)₃ (к)

ΔH⁰_f , кДж/моль………….-1676,0 -396,1 -3442,2

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

ΔH⁰ = ΔH⁰_{f, Al2(SO4)3 (к)} – (ΔH⁰_{f, Al2O3 (к)} + 3 ΔH⁰_{f, SO3 (г)}) =

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

Так как ΔH⁰ < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением -577,9 кДж энергии.

Пример 2.3. Рассчитать тепловой эффект реакции образования сероуглерода CS₂ и паров воды из газообразных сероводорода и оксида углерода (IV).

2H₂S (г) + CO₂ (г) = CS₂ (г) + 2H₂O (г)

Решение. Выпишем из Приложения 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Соединение…………….. H₂S (г) CO₂ (г) CS₂ (г) H₂O (г)

ΔH⁰_f , кДж/моль…………. -20,15 -393,51 115,28 -241,88

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

ΔH⁰ = [ ΔH⁰_{f, CS2 (г)} + 2 ΔH⁰_{f, H2O (г)}] – [ 2 ΔH⁰_{f, H2S (г)} + ΔH⁰_{f, CO2 (г)} ]=

= [115?28 +2(-241,88)] – [2(-20,15) + (-393,51)] = +65,33 кДж

Тепловой эффект реакции составляет ΔH⁰ = +65,33 кДж, так как ΔH⁰ > 0, следовательно, реакция эндотермическая, протекает с поглощением тепла.

Пример 2.4. Определить тепловой эффект растворения КОН.

КОН (к) = К⁺(р) + ОН^-(р)

Решение. Выпишем из Приложения 1 значения стандартных энтальпий образования веществ

Соединение………КОН (к) К⁺(р) ОН^-(р)

ΔH⁰_f , кДж/моль…..-425,8 -251,2 -230,2

ΔH⁰_раств. = [(-251,2) + (230,2)] – (-425,8) = -55,6 кДж

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

Пример 2.5. Определитетепловой эффект фазового перехода:

SO₃ (ж) = SO₃ (г)

Решение: Выпишем из Приложения 1 значения стандартных энтальпий образования.

Соединение…………. SO₃ (ж) SO₃ (г)

ΔH⁰_f , кДж/моль…….. -439,0 -396,1

Тепловой эффект фазового перехода рассчитывается по уравнению:

ΔH⁰_исп. = (ΔH⁰_f , _{SO3 (г)}) – (ΔH⁰_f , _{SO3 (ж)} ) = (-396,1) – (-439,0) = 42,9 кДж

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