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 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 = Δ H.

В экзотермических реакциях теплота выделяется в окружающее пространство, энтальпия или внутренняя энергия системы уменьшается и значения Δ H и Δ U для них отрицательны (Δ Н < 0, Δ U < 0). В эндотермических реакциях теплота поглощается из окружающего пространства, энергосодержание системы увеличивается и изменения Δ H и Δ U положительны (Δ Н > 0, Δ U > 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) = 2Н₂О_(ж); Δ H⁰₂₉₈ = -571, 6 кДж

из уравнения следует, что реакция является экзотермической (Δ Н < 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) = 2Р₂О_5(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) + 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); Δ H = –1228, 8 кДж

Пример №3. По термохимическому уравнению

С_(т) + О_2(г) = СО_{2 (г)}; Δ H = – 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 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, составим 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 стандартным состояниям и условиям. За стандартные условия приняты: давление 101 325 Па и температура 25 ⁰С (298 К). Стандартным состоянием вещества является состояние, устойчивое при стандартных условиях. Тепловой эффект при стандартных условиях называется стандартным тепловым эффектом реакции и обозначается Δ H⁰₂₉₈ или Δ H⁰.

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;

Δ H

τ

Рис.3. Изменение энтальпии реакции с течением времени

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

Δ H₁ = Δ H₂ + Δ H₃ + Δ H₄ + Δ H₅ = Δ H₆ + Δ H₇

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

Δ H⁰ = ∑ Δ H⁰_{f прод} - ∑ Δ H _{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 Δ H⁰_{обр, 298} или Δ H⁰_{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:

Сu₂S_(к) + 2 O_2(г) = 2 CuO_(к) + SO_2(г)

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

Согласно следствию из закона Гесса:

Δ H⁰ = (2 Δ H⁰_{f, CuO(к)} + Δ H⁰_{f, SO2(г)}) - (Δ H⁰_{f, Cu2S(к)} + 2 Δ H⁰_{f, O2(г)}) =

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

Так как Δ H⁰ < 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):

Al₂O_3(к) + 3 SO_3(г) = Al₂(SO₄)_3(к)

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

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

Δ H⁰ = Δ H⁰_{f, Al2(SO4)3(к)} – (Δ H⁰_{f, Al2O3(к)} + 3 Δ H⁰_{f, SO3(г)}) =

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

Так как Δ H⁰ < 0, следовательно, реакция экзотермическая, сопровождается выделением 577, 9 кДж энергии.

Пример №6. Рассчитать тепловой эффект реакции образования сероуглерода CS₂ и паров воды из газообразных сероводорода и оксида углерода (IV).

2H₂S_(г) + CO_2(г) = CS_2(г) + 2H₂O_(г)

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

Тепловой эффект реакции в стандартных условиях определяется:

Δ H⁰ = [ Δ H⁰_{f, CS2 (г)} + 2 Δ H⁰_{f, H2O (г)}] – [2 Δ H⁰_{f, H2S (г)} + Δ H⁰_{f, CO2 (г)} ]=

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

Тепловой эффект реакции составляет Δ H⁰ = 65, 33 кДж, так как Δ H⁰ > 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

Δ H⁰_раств. = (Δ H⁰_{f, К(к)}⁺ + Δ H⁰_{f, ОН(р)}^-) - Δ H⁰_{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…………. SO₃ (ж) SO₃ (г)

Δ H⁰_f , кДж/моль…….. -439, 0 -396, 1

Тепловой эффект фазового перехода рассчитывается по уравнению:

Δ H⁰_исп. = (Δ H⁰_f , _{SO3 (г)}) – (Δ H⁰_f , _{SO3 (ж)} ) = (-396, 1) – (-439, 0) = 42, 9 кДж

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