Глава 5. Энергетика химических процессов. Тепловые эффекты химических реакций. Термохимия.

Раздел химии, изучающий тепловые эффекты химических реакций называется термохимией. При протекании любых химических реакций происходит разрыв химических связей между атомами в молекулах одних веществ и образование химических связей между атомами в молекулах других веществ. Разрыв химических связей связан с затратами энергии, а образование новых химических связей приводит к выделению энергии. Суммы энергий всех разорванных и всех образованных связей не являются равными, поэтому все реакции проходят либо с выделением, либо с поглощением энергии. Энергия может выделяться или поглощаться в виде звуковых волн, света, работы расширения или сжатия и т.п. В большинстве случаев энергия химической реакции выделяется или поглощается в виде тепла.

5.1. Тепловой эффект химической реакции

Количество теплоты, которое выделяется или поглощается при протекании химической реакции, называется тепловым эффектом реакции.

Тепловой эффект реакции, протекающей в условиях постоянства давления и постоянства температуры (р = const, T = const), равен изменению энтальпии системы ∆Н.

Энтальпия Н  это свойство вещества, являющееся мерой энергии, накапливаемой веществом при его образовании. Часто энтальпию вещества называют его теплосодержанием. Размерность энтальпии - [кДж/моль}

Тепловой эффект химической реакции обозначается символами Q или ΔH, причем их значения равны по величине, но противоположны по знаку:

+Q = –ΔH.

Реакции, протекающие с выделением теплоты в окружающую среду, называются экзотермическими.

Они характеризуются положительным тепловым эффектом (Q> >0), и соответственно уменьшением энтальпии (теплосодержания) системы (ΔH<0).

Реакции, протекающие с поглощением теплоты из окружающей среды, т.е. с отрицательным тепловым эффектом (Q<0), и приводящие к росту энтальпии (теплосодержания системы) (ΔH>0), называются эндотермическими.

Тепловой эффект реакций можно измерить с помощью специальных приборов – калориметров. В качестве основной единицы измерения теплоты в системе СИ установлен джоуль. В качестве единицы измерения теплоты ранее использовалась также калория, равная 4,184 Дж.

5.2. Термохимические уравнения реакций

Уравнения химических реакций, в которых указаны изменения энтальпии (тепловые эффекты реакций), называются термохимическими. При написании термохимических уравнений указывается агрегатное состояние вещества. Твердое вещество, жидкость и газ обозначаются соответствующими символами – (тв), (ж) и (г), т.к. величина изменения энтальпии зависит от агрегатного состояния реагирующих веществ и продуктов реакции.

Тепловые эффекты реакций выражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или (реже) для моля продукта реакции.

Например, термохимическое уравнение реакции синтеза аммиака:

N_2(г) + 3Н_{2 (г)} = 2NH_{3 (г)}, ∆ = – 92,4 кДж

показывает, что при взаимодействии 1 моль азота N₂ и 3 моль водорода Н₂ образуется 2 моль аммиака NH₃ и выделяется количество теплоты, равное 92,4 кДж (∆ = – 92, 4 кДж).

Представленное ниже термохимическое уравнение реакции сгорания водорода в кислороде:

H₂(г) + 1/2 O₂(г) = H₂О(ж) + 286 кДж

показывает, что на 1 моль сгоревшего водорода или на 1 моль образовавшейся воды выделяется 286 кДж теплоты (Q = 286 кДж, Δ = 286 кДж). Эта реакция является экзотермической и характеризуется значительным тепловым эффектом. Недаром водород считается эффективным топливом будущего.

Термохимические уравнения подчиняются закону Лавуазье-Лапласа:

тепловой эффект прямой реакции равен по абсолютной величине, но противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции.

Это означает, что при образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества. Например, реакция горения водорода в кислороде является экзотермической:

H₂(г) + 1/2 O₂(г) = H₂О(ж) + 286 кДж (ΔH₁ = – 286 кДж).

В то же время, реакция разложения воды электрическим током требует затрат энергии и является эндотермической:

H₂О(ж) = H₂(г) + 1/2 O₂(г)  286 кДж (ΔH₁ = + 286 кДж).

Закон Лавуазье–Лапласа является следствием закона сохранения энергии.