Практические занятия № 2

Тема: «Тепловой эффект физико-химических превращений. Расчет теплового эффекта процессов»

Цель занятия: - приобретение знаний и умений выполнения расчетов теплового эффекта процессов.

Теоретические основы занятия

Закон Гесса.

Если процесс протекает термодинамически необратимо и при постоянном объеме или давлении, а получаемые продукты имеют ту же температуру, что и исходные вещества, то теплоту, выделяемую или поглощаемую при этом процессе, называют тепловым эффектом.

Закон Гесса гласит: тепловой эффект процесса не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы. При этом подразумевается, что единственной работой, совершаемой системой, является работа против сил внешнего давления. Давление или объем в течение всего процесса остаются неизменными. Процесс термодинамически необратим.

Из закона Гесса можно сделать следующие выводы:

1. Теплота образования соединения из исходных веществ не зависит от способа, каким это соединение получено.

2. Теплота разложения соединения до тех же исходных веществ равна по значению и противоположна по знаку теплоте образования соединения из этих же веществ.

3. Если из двух разных систем в результате различных процессов образуются одинаковые продукты, то разность между значениями тепловых эффектов этих процессов равна теплоте перехода первой системы во вторую. Если же, наоборот, совершается переход из одинаковых начальных состояний к различным конечным состояниям, то разность между значениями тепловых эффектов процессов равна теплоте превращения одних конечных продуктов в другие. Отсюда вытекают два важных следствия, которые находят широкое применение:

1. Тепловой эффект реакции равен алгебраической сумме теплот образования реагентов из простых веществ, т. е. сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ:

ΔН = Σ(ΔН_обр)_прод - Σ(ΔН_обр)_исх.в (2.1)

2. Тепловой эффект реакции равен алгебраической сумме теплот сгорания реагентов до одинаковых продуктов, т. е. сумме теплот сгорания исходных веществ за вычетом суммы теплот сгорания продуктов реакции:

ΔН = Σ(ΔН_сгор)_исх.в - Σ(ΔН_сгор)_прод (2.2)

Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры (при постоянном давлении или объеме) определяется уравнением Кирхгофа в интегральной форме вида:

(2.3)

Уравнение дает возможность вычислить тепловые эффекты реакций при любой температуре Т, если известна зависимость теплоемкостей всех реагентов в рассматриваемом интервале температур и тепловой эффект реакции при какой-либо одной температуре.

После интегривования уравнения (2.5) получим зависимость теплового эффекта от температуры в общем виде:

(2.4)

Где- постоянная интегрирования, которая обычно определяется пополученному опытному тепловому эффекту при стандартной температуре Т = 298К по соотношению вида :

(2.5)

Уравнение (2.4) справедливо только для того интервала температур, для которого справедливо эмпирическое уравнение (1.4) для теплоемкостей веществ, участвующих в реакции.

Подставляя в интегральное уравнение (2.4) пределы интегрирования от Т₁ до Т₂ получим конечное расчетное выражение в виде:

(2.6)

Где индекс 1 обычно соответствует стандартной температуре 298 К, а индекс 2 некоторой заданной конечной температуре Т₂ в кельвинах.

Примеры задач:

Задача 1. Определить тепловой эффект реакции

2NaCl + H₂SO₄ Na₂SO₄ + 2HCl

при стандартных услолвиях для температуры 298⁰К на основании первого следствия из закона Гесса, пользуясь теплотами образования веществ, входящую в данную реакцию

Задача 2. Вывести температурную зависимость теплового эффекта реакции

N_2(г) + O_2(г) = 2NO_(г)

если зависимость мольных теплоемкостей реагентов от температуры выражается уравнениями:

= 29,58 + 3,85·10^-3 Т – 0,59·10⁵ Т^-2Дж/моль·град

= 27,87 + 4,27·10^-3 Т Дж/моль·град

= 31,46 + 3,39·10^-3 Т – 3,77·10⁵ Т^-2Дж/моль·град

Задача 3. Рассчитать тепловой эффект реакции

С_(т) + Н₂О_(г)) = СО_(г) + Н_2(г)

при 1000⁰К, если мольные теплоемкости участников реакции выражаются уравнениями:

= 11,19 + 10,95·10^-3 Т – 4,89·10⁵ Т^-2Дж/моль·град

= 28,41 + 4,10·10^-3 Т – 0,46·10⁵ Т^-2Дж/моль·град

= 30,00 + 10,71·10^-3 Т + 0,33·10⁵ Т^-2Дж/моль·град

= 27,28 + 3,26·10^-3 Т + 0,502·10⁵ Т^-2Дж/моль·град

Задача 4. Вычислить тепловой эффект реакции образования термической фосфорной кислоты при 350⁰К.

Задача 5.

Вычислить тепловой эффект реакции образования экстракционной фосфорной кислоты при 370⁰К.

Контрольные вопросы:

1. Теоретическая сущность первого начала термодинамики.

2. Термохимические закономерности.

3. Законы Лавуазье-Лапласа.

4. Законы Гесса.

5. Тепловой эффект процесса.

6. Влияние внешних факторов на тепловой эффект процесса.

7. Влияние температуры на тепловой эффект процесса.

Задание для самостоятельной работы

Студент должен выполнить СРС по следующим темам:

1. Расчет теплот образования веществ по энергиям кристаллических решеток, примеры расчетов.

2. Расчет теплот образования веществ по энергиям связей, примеры расчетов.

3. Расчет теплот образования веществ с использованием метода ионных инкрементов, примеры расчетов.

4. Расчет теплот образования веществ с использованием данных о произведении растворимости, примеры расчетов.

5. Расчет теплот образования веществ по методам Беркенгейма и Капустинского, примеры расчетов.

6. Расчет теплот образования веществ по методам Лотье-Карапетьянца, Резницкого , примеры расчетов.

7. Расчет теплот образования сложных соединений, примеры расчетов.

8. Расчет теплот образования соединений на основе термических и энергетических характеристик.