Термохимические уравнения

Химические уравнения, в которых указаны тепловые эффекты реакций, называются термохимическими.

В термохимических уравнениях обязательно указывают агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции: г  газообразное, ж  жидкое, к  кристаллическое или тв  твердое. В зависимости от обозначения теплового эффекта (Q или H) термохимическое уравнение экзотермической реакции образования воды (Н₂О_(ж)) из простых веществ H₂ и O₂ записывается следующим образом:

2H_2(г) + O_2(г) = 2Н₂О_(ж) + 571,6 кДж

или

2H_2(г) + O_2(г) = 2Н₂О_(ж); H =  571,66 кДж.

Это термохимическое уравнение показывает, что при взаимодействии двух моль водорода и одного моль кислорода образуется два моль воды и выделяется 571,66 кДж теплоты. Чтобы показать тепловой эффект при образовании 1 моль вещества в термохимических уравнениях применяют дробные коэффициенты:

H_2(г) + 1/2O_2(г) = Н₂О_(ж) + 285,83 кДж

или H_2(г) + 1/2O_2(г) = Н₂О_(ж); H = 285,83 кДж.

По термохимическим уравнениям реакций можно проводить различные расчеты.

Закон Гесса

Важнейшим законом, на котором основано большинство термохимических расчетов, является закон Гесса.

Закон Гесса: тепловой эффект химической реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное.

Например, тепловой эффект реакции окисления углерода в оксид углерода (IV) не зависит от того, проводится ли это окисление непосредственно, сжигая уголь до СО₂:

С_(тв) + О_2(г) = СО_2(г) (Н₁)

или в две стадии, получая на первой стадии СО, а затем сжигая СО до СО₂:

первая стадия: С_(тв) + 1/2О_2(г) = СО_(г) (Н ₂),

вторая стадия: СО_(г) + 1/2О_2(г) = СО_2(г) (Н ₃).

Наглядно это можно иллюстрировать в виде схемы, рис. 4.

H₁

C, O₂

CO₂

H₂ H₃

CO, 1/2O₂

Рисунок 4 – Схема определения теплового эффекта (Н) при образовании СО₂

Согласно закону Гесса тепловые эффекты связаны между собой соотношением Н₁ = Н₂ + Н₃, пользуясь которым можно определить один из них, если другие два известны. Таким образом, на основании закона Гесса можно рассчитать тепловые эффекты таких реакций, для которых экспериментально измерить невозможно. Например, практически невозможно измерить теплоту сгорания углерода до оксида углерода (II), т.к. продукт реакции всегда будет состоять из смеси СО и СО₂. Но экспериментально можно измерить теплоту полного сгорания углерода до СО₂ (H₁ = 393 кДж/моль) и теплоту сгорания СО до СО₂ (H₃ = = 283 кДж/моль). Имея эти данные, по закону Гесса легко рассчитать теплоту сгорания углерода до СО, т.е. H₂:

H₂ = H₁  H₃ = 393  (283) = 110 кДж/моль

Термохимические расчеты

В термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

Для реакции: aA + bB = cC + dD

H х.р. = [сH(C) + dH(D)]  [aH(A) + bH(B)],

(8)

где H _х.р.  тепловой эффект химической реакции;

a, b, c, d  стехиометрические коэффициенты;

H(A) и H(B)  теплоты (энтальпии) образования исходных веществ;

H(C) и H(D)  теплоты (энтальпии) образования продуктов реакции.

Для экзотермической реакции H_х.р. < 0, для эндотермической реакции H_х.р. > 0.

Изменение энтропии и изменение энергии Гиббса (по справочным данным) можно рассчитать по уравнения аналогичным (8):

S х.р. = [сS(C) + dS(D)]  [aS(A) + bS(B)],	(9)
G х.р. = [сG(C) + dG(D)]  [aG(A) + bG(B)].	(10)

Особое значение при расчетах тепловых эффектов реакций имеют теплоты (энтальпии) образования соединений. Стандартная теплота (энтальпия) образования соединения  это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании одного моль химического соединения из простых веществ при стандартных условиях (температура 298 К, давление 101,3 кПа). Она измеряется в кДж/моль и обозначается H⁰₂₉₈ (иногда индексы опускаются и обозначают H).

Стандартная теплота (энтальпия) образования простого вещества равна нулю.

Пример 1. Вычислите тепловой эффект химической реакции

2H₂ + CO  CH₃OH_(ж)

при 298 К и определите, насколько при этой температуре отличается H и U.