Тепловые эффекты химических реакций

Термохимия

Термохимия изучает тепловые эффекты химических реакций, т.е. количества теплоты, которая выделяется или поглощается в ходе химической реакции. Термохимия - это применение первого начала термодинамики к химическим процессам. При разработке новых технологических процессов и проектировании оборудования необходимо знать тепловые эффекты каждого из планируемых процессов. Биологов интересует, достаточна ли энергия, выделяемая в результате протекающих реакций, для поддержания жизни клетки. На эти вопросы позволяют ответить термохимические расчеты.

Прежде всего необходимо ответить на вопрос: почему практически все химические реакции сопровождаются определенными тепловыми эффектами? Для ответа на этот вопрос нужно учесть, что при реакции происходит разрыв и образование химических связей. Рассмотрим в качестве примера взаимодействие водорода с хлором :

Н₂ + Cl₂ = 2 НСl

Очевидно, для образования 2 моль хлороводорода должны быть разорваны связи в 1 моль водорода и 1 моль хлора. Приведем значения энергий связи:

Н-Н – 436,0 кДж/моль;Cl-Cl – 242,3 кДж/моль;Н-Сl – 431,4 кДж/моль

Для разрыва связей в молекулах водорода и хлора должно быть израсходовано 436,0 + 242,3 = 678,3 кДж. Образование связей 2 моль хлороводорода приведет к выделению 431,4×2 = 862,8 кДж. Таким образом, рассматриваемая реакция сопровождается выделением теплоты в количестве 862,8 - 678,3 = 184,5 кДж.

Большинство химических реакций протекают при постоянном давлении (в открытом стакане, колбе). В предыдущем параграфе мы пришли к выводу, что при изобарных процессах количество теплоты измеряется изменением энтальпии. Поэтому тепловые эффекты реакций принято обозначать величинами DН.

Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называются ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИМИ. Если реакция протекает с поглощением теплоты она называется ЭНДОТЕРМИЧЕСКОЙ. В соответствии с принятой в термодинамике системой знаков (см.1.2.4.) для экзотермических реакций DН<0, а для эндотермических – DН>0.

Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции при постоянном давлении называются термохимическимиуравнениями. Значение DН в кДж относят к количеству веществ, участвующих в реакции, причем стехиометрические коэффициенты могут быть дробными. При составлении термохимических уравнений должно быть указано агрегатное состояние каждого вещества: (г) – газообразное, (ж) – жидкое, (к) – кристаллическое, (водн) – в водном растворе. Термохимическое уравнение реакции, рассмотренной в начале этого параграфа, должно быть записано так:

1/2 Н_2(г) + 1/2 Cl_2(г) = HCl_(г); DН = – 92,25 кДж

Составим теперь термохимическое уравнение реакции нейтрализации сильной кислоты сильным основанием. Мы знаем, что любые реакции нейтрализации сильных кислот щелочами могут быть описаны одним и тем же ионно-молекулярным уравнением:

Н⁺ + ОН^– = Н₂О

Указывая состояние частиц в растворе и, рассматривая образование 1 моль воды при температуре 298 К и давлении 1 атм., можем записать термохимическое уравнение:

Н⁺_(водн) + ОН^–_(водн) = Н₂О_(ж) ; DН⁰ = – 57,1 кДж/моль

Изменение энтальпии будет, естественно, одним и тем же независимо от природы сильной кислоты (HCl, HNO₃, H₂SO₄) и сильного основания (КОН, NaOH).

ЛЕКЦИЯ 2