Лекція 5

Тема. Тепловий ефект хімічної реакції. Закон Гесса та його наслідки.

План лекції

1. Внутрішня енергія і ентальпія.

2. Реакції екзотермічні і ендотермічні. Термохімія.

3. Закон Гесса і наслідки із нього. Розрахунки теплових ефектів хімічних реакцій.

Література

1. Голубєв А.В., Лисін В.І., Коваленко, Тарасенко Г.В, Хімія. - К.: Кондор, 2013 стр. 126-128

2. Цвєткова Л.Б. Неорганічна хімія: теорії і задачі. Львів: «Магнолія», 2013. § 5.7-5.8;

3. Романова Н.В. Загальна та неорганічна хімія. - К.:Ірпінь, 2004 § 5.1-5.2.

Зміст лекції:

1. Внутрішня енергія і ентальпія.

Характерною ознакою хімічних перетворень є зміна внутрішньої енергії реагуючих речовин і енергії системи в цілому.

Під час хімічних реакцій відбувається перебудова електронних структур атомів, іонів і молекул, яка призводить до виділення або поглинання теплоти, світла, електричного струму та інших форм енергії. Так, згоряння багатьох речовин (вуглецю, сірки, заліза тощо) відбувається з виділенням теплоти і світла, розкладання більшості оксидів і солей (HgO, МnО2, СаСО3) – з поглинанням теплоти. Під час роботи гальванічного елемента енергія хімічної реакції перетворюється в електричну і, навпаки, під час електролізу за рахунок електричного струму можна здійснити реакцію розкладання, наприклад води на кисень і водень. У деяких реакціях хімічна енергія перетворюється в механічну, наприклад під час вибуху артилерійського снаряда. При інших хімічних перетвореннях відбувається одночасне виділення енергії в різних формах.

Отже, всі хімічні реакції супроводжуються з перетворенням хімічної енергії в інші форми енергії.

Для кількісної характеристики енергетичних ефектів хімічних реакцій різні форми енергії додають і виражають у Джоулях (Дж), а цю сумарну величину називають тепловим ефектом реакції. Тепловий ефект реакції завжди відносять до певного числа молів реагуючих речовин або продуктів реакції, а саме до кількості, зазначеної в рівнянні реакції.

Хімічні перетворення характеризувались досі масою і такими параметрами як температура, тиск, об’єм, енергія. У цьому розділі стан системи і енергетичні зміни, які в ній відбуваються, характеризуються такими функціями, як внутрішня енергія U і ентальпія Н.

Внутрішня енергія – це повна енергія системи (за винятком потенціальної та кінетичної енергій системи в цілому), яка складається з енергії руху молекул, енергії міжмолекулярного зв’язку, енергії руху атомів у молекулі тощо.

Різні системи по-різному здатні обмінюватися енергією. По-різному відбувається також обмін енергією залежно від термодинамічного типу реакції.

Під час ізохорного процесу, коли система не виконує зовнішньої роботи, пов’язаної із зміною об’єму, вся теплота (QV), що виділяється або поглинається, призводить до зміни внутрішньої енергії:

QV = U2 – U1 = dU.

У термодинаміці збільшення внутрішньої енергії вважають позитивним [U = + (U2 – U1) при U1 < U2], а зменшення – негативним [U = – (U2 – U1) при U1 < U2].

Під час ізобарного процесу крім зміни внутрішньої енергії в системі за рахунок зміни об’єму виконується певна робота, яка дорівнює добутку тиску Р на зміну об’єму системи dV:

А = Р(V2 – V1) = РdV

Отже, для ізобарного процесу тепловий ефект реакції дорівнює:

QР = dU + РdV,

звідки

QР = (U2 – U1) + Р(V2 – V1) = (U2 + РV2 ) – (U1 + РV1);

прийнявши, що

U + РV = Н,

матимемо:

QР = Н2 – Н1 = dН

де величина Н має назву ентальпії, або теплоємності системи.

Позитивна величина зміни ентальпії dН відповідає збільшенню ентальпії, або поглинанню теплоти системою. Негативна зміна ентальпії відповідає зменшенню ентальпії, або виділенню теплоти системою.

Отже, при ізохорному процесі тепловий ефект реакції дорівнює зміні внутрішньої енергії, а при ізобарному – зміні ентальпії системи dН.

Між внутрішньою енергією і ентальпією системи є зв’язок:

dН = dU + РdV.

Оскільки легше досліджувати процеси при сталому тиску, і переважна більшість хімічних реакцій відбувається саме при сталому тиску, то для характеристики енергетичних ефектів застосовують зміну ентальпії dН.