Термохимия Теоретическое введение

Термохимией называется раздел химической термодинамики, занимающийся изучением тепловых эффектов химических реакций и различных физико-химических процессов.

Основным законом термохимии является закон Гесса, вытекающий из первого начала термодинамики. Закон Гесса читается: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути проведения реакции, а определяется родом веществ и начальным и конечным состоянием этих веществ.

Тепловой эффект равен количеству теплоты, которая выделяется или поглощается в результате протекания химической реакции или физико-химического процесса при соблюдении следующих условий:

• давление или объем постоянные (Р = const, V = const);

• температура постоянная (Т = const);

• совершается только работа расширения (PΔV).

Знание тепловых эффектов необходимо для составления тепловых балансов при разработке технологических процессов в химической, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности. Если химическая реакция или процесс проводится при постоянном объеме, тепловой эффект равен изменению внутренней энергии системы ( ). Многие технологические процессы протекают при постоянном давлении; в этом случае тепловой эффект равен изменению энтальпии системы ( ).

Если теплота в результате реакции или процесса выделяется, то тепловой эффект имеет отрицательное значение (ΔU < 0, ΔН < 0). В случае поглощения теплоты знаки тепловых эффектов будут обратные.

Тепловые эффекты определяют экспериментально калориметрическим методом. Для этого используют прибор, называемый калориметром. Простейший калориметр показан на рис. 1. Опыт проводится в сосуде Дьюара 1, помещенном в водяной термостат 2. В сосуде Дьюара находится термометр Бекмана 3 и мешалка 4. Навеска исследуемого вещества вводится в калориметр через отверстие 5 в крышке калориметра.

Для повышения точности измерения тепловых эффектов теплообмен между калориметром и окружающей средой должен быть сведен до минимума. После определения калориметрическим методом изменение температуры опыта рассчитывают тепловой эффект химической реакции или процесса по уравнению:

, (1)

г де − тепловой эффект реакции или процесса; − количество теплоты, выделившейся или поглотившейся в калориметре при взаимодействии взятых молярных масс; К – коэффициент пересчета, равный отношению молярной массы вещества с учетом стехиометрического коэффициента в термохимическом уравнении реакции к массе этого вещества, взятой для проведения этого процесса.

Величина рассчитывается по уравнению теплового баланса:

, (2)

где − суммарная теплоемкость исследуемой системы и калориметра; ΔТ – изменение температуры, вызванное исследуемым процессом.

Суммарная теплоемкость может быть найдена по равенству:

, (3)

где − теплоемкость исследуемой системы; W – константа калориметра.

Теплоемкость исследуемой системы рассчитывается по справочным данным удельной или молярной теплоемкостей, взятым для опыта веществ с учетом их масс:

или , (4)

где m₁ – масса растворителя, кг; С₁ – удельная теплоемкость растворителя, Дж/(кг∙К); m₂ – масса растворенного вещества, кг; С₂ – удельная теплоемкость растворенного вещества, Дж/(кг∙К); n – число молей растворенного вещества, , моль; − молярная теплоемкость растворенного вещества, Дж/(моль∙К). Удельную теплоемкость можно рассчитать из следующего соотношения:

,

где С_УД и С_М – удельная и молярная теплоемкости; М – молярная масса растворенного вещества г/моль.

РАБОТА 1