Лабораторная работа №1 « химическая термодинамика»

Работу выполнил Работу принял__________________

Дата выполнения_______________ Отметка о зачете________________

1. Основные понятия.

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты реакций, их направление и пределы самопроизвольного протекания. Объект изучения в химической термодинамике - тер­модинамическая система (в дальнейшем просто система) - это совокупность взаимодействующих веществ, мысленно или реально обособленная от окружающей среды.

По характеру энерго- и массообмена с окружающей средой системы подразделяются на изолированные, закрытые и открытые: изолированные системы не обмениваются с окружающей средой ни массой (Δm = 0), ни энергией (ΔU = 0); в закрытых системах имеет место только энергообмен ((Δm = 0, ΔU≠0); открытые системы обмениваются с окружающей средой и массой (Δm≠0) и энергией (ΔU≠ 0).

Система может находиться в различных состояниях. Состояние системы определяется чис­ленными значениями термодинамических параметров: температуры, давления, концентраций ве­ществ и пр. При изменении значения хотя бы одного из термодинамических параметров, например, температуры происходит изменение состояния системы. Изменение состояния системы называется термодинамическим процессом (или просто процессом).

В зависимости от условий перехода системы из одного состояния в другое, в химической термо­динамике различают несколько типов процессов, простейшими из которых являются: изотермический, протекающий при постоянной температуре (T=const), изобарный, протекающий при постоянном давле­нии (p=const) и изохорный, протекающий при постоянном объёме (V=const). Изотермический процесс называется изобарно-изотермическим, если он протекает при постоянном давлении (p=const, T=const), и изохорно-изотермическим, если в ходе процесса неизменным остаётся объём (V=const, T=const).

Чаще всего в химической термодинамике рассматриваются реакции, протекающие в стандарт­ных условиях, т.е. при стандартной температуре и стандартном состоянии всех веществ. В качестве стандартной принята температура 298К. Стандартным состоянием вещества является его состоя­ние при давлении 101,3 кПа. Если вещество находится в растворе, за стандартное принимается его состояние при концентрации 1 моль/л.

Химическая термодинамика изучает не свойства термодинамических систем, а термодина­мические процессы. Для характеристики процессов химическая термодинамика оперирует осо­быми величинами, называемыми функциями состояния: U - внутренняя энергия, Н - энтальпия, S - энтропия, G - энергия Гиббса и F - энергия Гельмгольца. В любом процессе происходит изменение всех функций состояния. Поэтому задачей химической термодинамики является не определение значений функций состояния для каждого конкретного состояния системы, а определение их из­менения в термодинамическом процессе: ΔU, ΔН, ΔS, ΔG, ΔF.

2. Теплота реакции и термохимические расчёты.

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 заключается в 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 практически всегда 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 + O₂ = 2СO₂ ΔН - ?

В качестве вспомогательных используем реакции: 1)С + О₂ = С0₂; ΔН₁= -393,51 кДж и 2)2С + О₂ = 2СО; ΔН₂ = -220,1 кДж, где ΔН_/ и ΔН₂ - 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 = 2ΔH₁ - ΔН₂ = 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_oбр - 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 модификациях¹*. Например, теплота образования воды в парообразном состоянии равна половине теплоты реакции, выражаемой уравнением: 2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(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,o6p,D) - (аΔН°_298,обрA + 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 реакции, выраженной уравнением:

4NH₃(r) + 5O₂(г) = 4NO(г) + 6Н₂О(г).

Согласно следствию из закона Гесса записываем ^3*:

ΔН⁰₂₉₈ ⁼( 4ΔН⁰_298.oбp.No + 6ΔH⁰_{298. одр.Н20} ) - 4ΔH⁰_{298 обр.NHз}. 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. Такие уравнения с обозначенным тепловым эффектом называются термохимическими. Например, термохимическое уравнение рассмотренной в примере 2.2 реакции записывается:

4NH₃(г) + 50₂(г) = 4NО(г) + 6Н₂0(г); ΔН°₂₉8 = - 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.