0. Энергетика химических процессов (термохимические расчеты)

Для решения задач этого раздела рекомендуем воспользоваться литературой 6, 8, 10, 16 и таблицей 1.

Предметом химической термодинамики является применение законов классической термодинамики к физико-химическим явлениям. Она рассматривает тепловые эффекты химических реакций, фазовые переходы и химические равновесия. Термодинамический метод помогает, не прибегая к опыту, решать вопрос о возможности протекания реакции, ее направлении, пределе протекания, выборе оптимального режима.

Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называют термохимией. Под тепловым эффектом химической реакции понимают количество теплоты, которое выделяется или поглощается в необратимом процессе при постоянном объеме или давлении и при условии равенства температур исходных веществ и продуктов реакции в расчете на 1 моль продукта реакции.

Теплота при р = соnst и Т = const приобретает свойство функции состояния, не зависит от пути, по которому протекает процесс. Теплоту реакции в изобарно-изотермическом процессе принято называть энтальпией системы, а ее изменение ( Н).

Термохимические расчеты основаны на законе Гесса (1840г.): тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода (промежуточных стадий реакции). Часто в термохимических расчетах применяют следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции, (стандартная энтальпия Н⁰) равен сумме стандартных энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов. Под стандартной энтальпией образования вещества _fН⁰₂₉₈ понимают энтальпию образования одного моля вещества при стандартных условиях (Т = 298 К, р = 10⁵ Па) из простых веществ (табл.1) :

Н⁰₂₉₈ = n _fН⁰_{298(прод.)}- n _fН⁰_298(исх.), где

n-стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Кроме того, тепловой эффект реакции можно рассчитать, используя теплоты сгорания исходных веществ и продуктов реакции:

Н⁰₂₉₈ = n _сН⁰_298(исх.) - n _cН⁰_{298(прод.)}, где

_сН⁰₂₉₈- стандартная энтальпия сгорания вещества, равная энтальпии сгорания одного моля вещества при стандартных условиях до СО₂ и Н₂О.

Этим способом чаще пользуются при расчетах тепловых эффектов органических реакций.

Пример 1. Реакция выражается термохимическим уравнением:

2HCl_(г) + 1/2О_2(г) = H₂O_(г) + Cl_2(г); Н =?

Рассчитайте тепловой эффект реакции при стандартных условиях. Сколько теплоты выделится при образовании 44, 8 л СI₂?

Решение: В таблице 1 находим теплоты образования всех участников реакции. Обратим внимание на то, что теплоты образования для простых веществ и элементов в стандартном состоянии приняты равными нулю. Рассчитываем по следствию из закона Гесса:

Н⁰₂₉₈ = ( _fH⁰₂₉₈н₂о_(г) + _fН⁰₂₉₈Cl_2(г)) – (2 _fН⁰_298НСI(г) + 1/2 _fН⁰₂₉₈О_2(г)) Н⁰₂₉₈ = -241,84 – 2 · (-92,30) = -57,24 кДж

Исходя из определения теплового эффекта реакции при образовании 1 моля Сl₂ выделяется 57,24 кДж теплоты. Рассчитаем – сколько молей составляют 44,8 л Сl₂. Так как, 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем, равный 22,4 л, то 44,8 л составят 2 моля. Таким образом, при образовании двух молей Cl₂ выделится 57,2 · 2 = 11,48 кДж теплоты.

Пример 2.

Теплота растворения безводного SrCl₂ равна ( - 47,70 кДж), а теплота растворения кристаллогидрата SrCl₂ · 6Н₂0 равна ( + 30,96 кДж). Вычислите теплоту гидратации SrCl₂.

Решение. Процесс растворения SrCl₂ протекает через посредство двух промежуточных стадий в соответствии с химической теорией растворов Д.И. Менделеева:

SrCl₂ + aq = SrCl₂ · aq; Н, реакция растворения

1. SrCl₂ + 6H₂O = SrCl₂ · 6H₂O; Н_гидр, реакция гидратации

2. SrCl₂ · 6H₂O + aq = SrCl₂ · aq; Н₁, реакция растворения кристаллогидрата

По закону Гесса: Н = Н_гидр.+ Н₁,

т.о. Н_гидр.= Н - Н₁= - 47,70 - 30,96 = 78,66 кДж.