отчеты по лабораторным работам / сборник лабораторных работ / Лабораторная работа №04 / var0 / Лабораторная работа4_теория

Теоретическая часть.

Термохимия - раздел химической термодинамики, предметом которой является определение тепловых эффектов химических реакций или фазовых превращений веществ экспериментальными и расчетными методами. При этом она основывается на общих законах термодинамики.

Термодинамической системой принято называть вещество или совокупность взаимодействующих веществ мысленно или реально выделяемых в пространстве. Остальная часть пространства со всем что в ней находится называется окружающей средой. Система считается закрытой если между ней и окружающей средой возможен только обмен теплом. Для описания состояния термодинамической системы вводятся термодинамические параметры (объем температура давление количество вещества) и термодинамические функции (внутренняя энергия энтальпия энтропия энергия Гиббса и др.).

Под внутренней энергией системы следует понимать все возможные виды энергии частиц составляющих систему исключая кинетическую и потенциальную энергии самой системы.

Основным законом термодинамики является закон сохранения энергии который в термодинамической форме выражается уравнением.

Э то уравнение означает, что если к системе подводится теплота Q, то она расходуется на изменение внутренней энергии AU и на совершение работы А. При этом:

где U1 - внутренняя энергия система в начальном состоянии;

U2 - внутренняя энергия системы в конечном состояний;

П од величиной А имеют в виду работу, совершаемую системой против сил, действующих на нее извне: внешнего давления, электрического и магнитного поля и т. д. Если на систему не действуют никакие силы, кроме сил внешнего давления, то работа против сип внешнего давления выражается уравнением:

где = V2 – V1 - изменение объема системы;р - давление в системе.

В термодинамике оказалось удобным ввести новую функцию, характеризующую состояние системы энтальпию Н, которая определяется следующим образом:

Н = U + pV. (4)

Экспериментально невозможно определить абсолютное значение энтальпии и внутренней энергии системы, но можно определить количество тепла, которым обменивается система с окружающей средой, и количество совершаемой работы, поэтому в термодинамике принято учитывать только изменения термодинамических функций.

П одобно изменению внутренней энергии изменение энтальпии не зависит от пути, по которому осуществляется перевод системы из начального состояния в конечное:

Таким образом, выделение теплоты из системы или поглощение ею теплоты из окружающей среды в результате химического процесса или фазового перехода связывают с изменением внутренней энергии системы, если процесс происходит при постоянном объеме

или с изменением энтальпии, если процесс происходит при по­стоянном давлении в системе

Так как внутренняя энергия системы является функцией температуры, то тепловые эффекты процессов также зависят от температуры.

Тепловым эффектом или теплотой химической реакции называется изменение энтальпии системы в результате прохождения реакции, определяемое как Количество теплоты, которое выделяется (поглощается) системой в результате необратимого химического процесса при условии постоянства давления. При этом исходные вещества и продукты реакции должны иметь одинаковую температуру. Обычно тепловой эффект реакции относят к 1 молю вещества и стандартным условиям (температура 298 К (+ 25°С), нормальное атмосферное давление 101325 Па), выражают его в единицах энергии, в кДж/моль. Изменение энтальпии, отвечающее стандартным условиям, обозначают индексом. Изменение энтальпии в термодинамике принято обозначать знаком «-», если тепло выделяется из системы (экзотермическая реакция), и знаком <(+», если тепло поглощается системой (эндотермическая реакция).

Уравнения химических реакций, в которых указывается тепловой эффект химических реакций, получили название термохимических уравнений. В термохимических уравнениях тепловой эффект химической реакции записывается рядом с уравнением баланса масс. При этом указывается также агрегатное состояние веществ

Например:

Н2(г) +1/2 О2(г) -> Н2О(ж); = -285,5 кДж/моль, (6)

где введены обозначения: (г) - газообразное вещество,, (ж) - жидкость.

В термохимии в качестве одной из стандартных характеристик индивидуальных веществ является тепловой эффект, или энтальпия образования, одного моля химического соединения из простых веществ. При этом условно принимается, что энтальпия образования простых веществ равна нулю.

Законы термохимии. Термохимия как экспериментальная часть химический термодинамики имеет свои законы.

Первый закон термохимии (закон Лавуазье-Папласа). В общем виде он формулируется так: тепловой эффект прямой реакции равен тепловому эффекту обратной реакции, но с противоположным знаком. Этот закон часто применяют тогда, когда невозможно или трудно определить опытным путем тепловой эффект, скажем, прямой реакции, но легко определить его для обратной реакции.

Второй закон термохимии (закон Гесса), который можно выразить так: тепловой эффект химической реакции не зависит от промежуточных стадий реакции, но зависит от природы реагирующих веществ (в частности от агрегатного состояния) и условий ее протекания (р, V, Т). Закон Гесса дает возможность вычислить тепловой эффект процесса.

Рассмотренные определения дают возможность сформулировать следствия из закона Гесса.

Первое следствие: тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов е уравнении реакции.

Второе следствие: тепловой эффект реакции между органическими веществами равен сумме теплот сгорания исходных веществ за вычетом суммы теплот сгорания продуктов реакции с учетом стехиометрических коэффициентов.

Практически для расчета теплового эффекта химической реакции необходимо написать уравнение этой реакции и привести для каждого

из участвующих в реакции веществ значение стандартной теплоты его образования.

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры может быть выражена через изменение теплоемкости системы в результате прохождения химического процесса или фазового превращения.

Зависимость теплового эффекта реакции от температуры

И з (11) можно получить

Тогда, если известна теплота реакции при температуре Т, и изменение теплоемкости в результате реакции, можно вычислить теплоту реакции; при температуре Т2.

Е сли считать, что величина DeltaСр практически не меняется с изменением температуры, то уравнение (12) будет выражать дифференциальный закон Кирхгофа:

Опыт показывает, что для большинства реакций их теплота возрастает с ростом температуры, а затем может и убывать.