Тепловой эффект химической реакции
Тепловой эффект химической реакции – изменение энергии системы в результате протекания химической реакции при условии, что система не совершает никакой другой работы, кроме работы расширения.
Если в результате реакции теплота выделяется, т.е. энтальпия системы понижается (DН<0), то реакция называется экзотермической.
Реакция, протекающая с поглощением теплоты, т.е. с повышением энтальпии (DН>0), называется эндотермической.
Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении называют энтальпией химической реакции.
Тепловой эффект, приведенный к стандартным термодинамическим условиям, называется стандартным изменением энтальпии реакции (DНо298, реакции ).
Термохимические расчеты
Так как изменение энтальпии не зависит от пути протекания, то и тепловой эффект реакции не зависит от того, по какому пути протекает реакция. Это положение было экспериментально установлено Г.И. Гессом в 1840 году и известно как закон Гесса.
Закон Гесса. Тепловой эффект химической реакции зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции, т.е. от числа и характера промежуточных стадий.
Например, процесс окисления углерода Ств до СО2(Г) можно осуществить как через стадию непосредственного сгорания углерода до углекислого газа с тепловым эффектом DН (путь I), так и через стадию
+ О2(Г)
|
+ ½ О2(Г), + ½ О2(Г), DН1 DН2, (путь II) |
C(тв)
СО2(Г)
, DН
(путь I)
СО(Г)
образования промежуточного продукта – окиси углерода – СО(Г) с тепловым эффектом DН1, с последующим окислением СО(Г) до СО2(Г) с тепловым эффектом DН2 (путь II) в соответствии с уравнениями реакций:
|
СТВ.
+ О2(Г)
СТВ.
+ ½ О2(Г)
СО(Г)
+ ½ О2(Г)
------------------------------------------- СТВ.
+ О2(Г)
Из сопоставления тепловых эффектов реакций следует, что DН = DН1 + DН2, т.е. каким бы путем не осуществлялась реакция, ее тепловой эффект будет одинаков, если не меняется конечное и исходное состояния системы. Уравнения реакций, записанные с соответствующим тепловым эффектом, называются термохимическими. В термохимических уравнениях указывается агрегатное состояние вещества. Термохимические уравнения допускают наличие дробных коэффициентов, поскольку они указывают не количество молекул, а количество молей вещества. Согласно закону Гесса с термохимическими уравнениями можно оперировать как с алгебраическими. Закон Гесса позволяет рассчитать энтальпию химических реакций. Энтальпия химической реакции DНо298, реакции равна разнице суммы стандартных энтальпий образования продуктов реакции и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов DНо298,
реакции =
|
|
|
В общем случае, для реакции в стандартных условиях
аА(Г)
+ bВ(Г)
DНо298, реакции = [(cDНоC + dDНоD) – (аDНоА + bDНоВ)], кДж,
где DНо298, реакции – энтальпия химической реакции, кДж; DНоА, DНоB, DНоC, DНоD – стандартные значения энтальпий образования веществ, участвующих в реакции, кДж/моль; а, b, с, d – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции. Можно также рассчитать значение стандартной энтальпии образования одного из исходных веществ или продуктов, если известны энтальпии образования остальных реагентов и энтальпия химической реакции. Например, для реакции
аА(Г)
+ bВ(Г)
DНоА(Г) = cDНоC(Г) + dDНоD(Г) – bDНоВ(Г) - DНо298, реакции , кДж/моль А(Г).
|
|
|
Зная теплоты образования веществ, можно определить и их теплоты разложения по закону Лавуазье – Лапласа: При разложении сложного вещества на простые поглощается (или выделяется) столько же теплоты, сколько выделяется (или поглощается) при его образовании из простых веществ в тех же условиях. Так, если
Н2(Г) +½ О2(Г) ® Н2О(Г) , DНореакции = - 241,8 кДж, то Н2О(Г) ® Н2(Г) +½О 2(Г), DНореакции = 241,8 кДж.
|
|
СО2(Г),
DН
(I)
СО(Г),
DН1
СО(Г),
DН2
(II)
СО2(Г),
DН1+
DН2.
.
сС(Г)
+ dD(Г)
сС(Г)
+ dD(Г),
DНо298,
реакции
> 0.