Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения
Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения.
Химические реакции протекают либо с выделением теплоты, либо с поглощением теплоты.
Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (теплота указывается со знаком «+»). Эндотермические реакции – с поглощением теплоты (теплота Q указывается со знаком «–»).
Тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы вследствие протекания химической реакции и превращения исходных веществ (реагентов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.
При протекании химических реакций наблюдаются некоторые закономерности, которые позволяют определить знак теплового эффекта химической реакции:
Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:
Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:
Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды. Следовательно, реакция экзотермическая:
Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях).
Количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.
Например, рассмотрим термохимическое уравнение сгорания водорода:
Из термохимического уравнения видно, что 484 кДж теплоты выделяются при сгорании 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Также можно сказать, что при образовании 2 моль воды выделяется 484 кДж теплоты.
Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.
Например, при сгорании алюминия:
теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль. Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:
теплота образования Al2O3 все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохъимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.
Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.
Например, при горении метана:
теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.
Разберемся, как решать задачи на термохимические уравнения (задачи на термохимию) из ЕГЭ. Для этого разберем несколько примеров термохимических задач.
1. В результате реакции, термохимическое уравнение которой:
получено 98 л (н.у.) оксида азота (II). Определите количество теплоты, которое затратили при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых.).
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что на образование 2 моль оксида азота (II) потребуется 180 кДж теплоты. 2 моль оксида азота при н.у. занимают объем 44,8 л. Составляем простую пропорцию:
на получение 44,8 л оксида азота (II) затрачено 180 кДж теплоты,
на получение 98 л оксида азота затрачено х кДж теплоты.
Отсюда х= 180*98/44,8 = 393,75 кДж. Округляем ответ до целых, как требуется в условии: Q=394 кДж.
Ответ: потребуется 394 кДж теплоты.
2. В результате реакции, термохимическое уравнение которой
выделилось 1452 кДж теплоты. Вычислите массу образовавшейся при этом воды (в граммах). (Запишите число с точностью до целых.)
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что при образовании 2 моль воды выделится 484 кДж теплоты. Масса 2 моль воды равна 36 г. Составляем простую пропорцию:
при образовании 36 г воды выделится 484 кДж теплоты,
при образовании х г воды выделится 1452 кДж теплоты.
Отсюда х= 1452*36/484 = 108 г.
Ответ: образуется 108 г воды.
3. В результате реакции, термохимическое уравнение которой
израсходовано 80 г серы. Определите количество теплоты, которое выделится при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых).
Решение.
Из термохимического уравнения видно, что при сгорании 1 моль серы выделится 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы равна 32 г. Составляем простую пропорцию:
при сгорании 32 г серы выделится 296 кДж теплоты,
при сгорании 80 г серы выделится х кДж теплоты.
Отсюда х= 80*296/32 = 740 кДж.
Ответ: выделится 740 кДж теплоты.
Источник
Тепловой эффект химических реакций. Закон Гесса.
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.
Выделение или поглощение теплоты при протекании химической реакции называют тепловым эффектом реакции и обозначают буквой Q.
Уравнения химических реакций, в которых приведен тепловой эффект реакции, называют термохимическими. В термохимических уравнениях указывают агрегатное состояние веществ (кристаллическое, жидкое, газообразное и т. д.) и могут стоять дробные коэффициенты.
Тепловой эффект реакции зависит от температуры и давления, поэтому, как правило, его приводят для стандартных условий, т. е. температуры 298 К и давления 101,3 кПа.
При образовании любого соединения выделяется (поглощается) столько же энергии, сколько поглощается (выделяется) при его распаде на исходные вещества.
Поэтому реакция разложения воды электрическим током требует затрат энергии и является эндотермической:
H2О(ж) = H2(г) + 1/2 O2(г) — 286 кДж (ΔH1 = + 286 кДж).
Это является следствием закона сохранения энергии.
Большинство термохимических расчетов основано на важнейшем законе термохимии, которым является закон Гесса. Этот закон, установленный русским ученым Г.И. Гессом в 1840 г., называют также основным законом термохимии.
Этот закон гласит:
тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.
Например, тепловой эффект реакции окисления углерода (графит) в оксид углерода (IV) не зависит от того, проводится ли это окисление в одну стадию (при непосредственном сжигании углерода) до углекислого газа:
или реакция протекает через промежуточную стадию образования оксида углерода (II):
с последующим дожиганием угарного газа в углекислый газ:
При обоих способах проведения процесса система переходит из одного и того же начального состояния (графит) в одно и то же конечное состояние оксид углерода (IV). В соответствии с законом Гесса тепловой эффект реакции 1 равен сумме тепловых эффектов реакций 2 и 3:
Используя закон Гесса можно вычислить тепловой эффект промежуточной стадии реакции, если известны общий тепловой эффект реакции и тепловые эффекты других ее промежуточных стадий.
Пример решения задачи на тепловой эффект.
Реакция окисления глюкозы в организме может протекать так:
Какое количество теплоты выделится при окислении 800 г глюкозы?
Ответ. В результате окисления указанного количества глюкозы выделяется 12 458 кДж теплоты.
Источник
ЛЕКЦИЯ 3. 1. Термохимия. Тепловые эффекты
1. Термохимия. Тепловые эффекты. Закон Гесса.
2. Применение закона Гесса для расчета тепловых эффектов химических реакций. Стандартные теплоты образования и сгорания.
4. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры.
Термохимией называют раздел химической термодинамики, исследующий тепловые эффекты химических реакций.
В основе вычислениятепловых эффектов реакций лежит первое начало термодинамики.
Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении (например, в открытой колбе) или при постоянном объеме( в автоклаве), т.е. являются изобарным или изохорным процессами.
При химическихпревращениях освобождается часть содержащейся в веществах энергии. Согласно закону сохранения и превращения энергии, эта часть внутренней энергии системы при химической реакции идет на совершение работы и выделение или поглощение тепла. Работа обычно мала. Ее можно вычислить или ею можно пренебречь.
Теплота реакции имеет значительную величину, и во многих случаях может быть непосредственно измерена, для чего существуют калориметрические методы.
Тепловым эффектом химической реакции называется теплота, выделяемая или поглощаемая в результате химической реакции в необратимом процессе при постоянном объеме или давлении и при условии, что продукты реакции и исходные вещества имеют одинаковую температуру и отсутствуют другие виды работ, кроме расширения.
Значение термохимии на практике очень велико, так как тепловой баланс рассчитывается при многих процессах в технологической практике, медицине и биохимии.
Основой термохимии является закон Гесса, который экспериментально установил русский ученый акад. Г.И. Гесс в 1836-40гг. Этот закон носит также название закона постоянства суммы теплот реакции:
Тепловой эффект химической реакции определяется только природой и состоянием исходных веществ и продуктов, но не зависит от промежуточных химических реакций, т.е. от способа перехода от исходного состояния в конечное.
Закон Гесса является частным случаем закона сохранения энергии.
1) NH3 (г) + HCl(г) = NH 4Cl(г) (выделяется 41,85 ккал/моль)
2). NH 4Cl(г) + aq = NH 4Cl aq (поглощается 3,92 ккал/моль) (-3,92)
Результат: выделяется 37,93 ккал/моль
1). NH3 (г) +aq = NH3 aq выделяется 8,35 ккал/моль (+8,35 )
2). HCl(г) +aq = HCl aq выделяется 17,32 ккал/моль (+17,32)
3). HCl aq + NH3 aq = NH 4Cl aq выделяется 12, 27 ккал/моль
Результат: выделяется 37,94 ккал/моль
Термохимические уравнения в связи с этимзаписываются так:
В термодинамической системе записывают уравнение реакции и рядом указывают величину разности между внутренними энергиями (или энтальпиями) продуктов реакции и исходных веществ:
Химические уравнения, в которых указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, называются термохимическими уравнениями.
Закон Гесса дает возможность вычислить тепловые эффекты реакции в тех случаях, когда их непосредственное измерение неосуществимо по каким-либо причинам.
из этих уравнений следует, что
т.е. разность тепловых эффектов при постоянном давлении и постоянном объеме равна работе расширения.
Так как pV = nRT, то pΔV = ΔnRT,
Дальнейшая подстановка дает уравнение, выражающее соотношение между изобарным и изохорным тепловыми эффектами:
если Δn =0, то ΔН = ΔU
Если в реакции участвуют твердые и жидкие вещества, то при вычислении Δn они во внимание не принимаются. При протекании химических реакций изменение числа молей равно разности стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.
2.Применение закона Гесса для расчета тепловых эффектов химических реакций. Стандартные теплоты образования и сгорания.
Для удобства сопоставления тепловых эффектов вводится понятие о тепловом эффекте реакции при стандартных условиях.
Тепловым эффектом при стандартных условиях (ΔН) называют такой тепловой эффект, который сопровождает реакцию при стандартном давлении (р 0 = 1,013 10 5 Па) и при стандартной температуре ( 298 К)
Тепловой эффект при стандартных условиях рассчитывают по стандартным теплотам образования и сгорания.
Стандартной теплотой образования называют тепловой эффект реакции образования 1 моля данного вещества из простых веществ (или элементов) при давлении 1,013 10 5 Па и при условии, что все участники реакции находятся в устойчивых агрегатных состояниях.
Стандартные теплоты образования обозначаются так: ΔН 0 f298
(formation), определены для примерно 4 тыс. веществ и сведены в таблицы.
Для твердых и жидких веществ стандартным состоянием принимается их устойчивая форма при внешнем давлении 1 атм или 1,013 10 5 Па. Для газов в качестве стандартного принимается состояние идеального газа при том же давлении 1,013 10 5 Па.
Стандартные теплоты образования простых веществ (элементов)
Стандартной теплотой сгорания называют теплоту, выделяющуюся при сгорании в атмосфере кислорода 1 моля вещества при стандартном давлении 1,013 10 5 Па до простейших оксидов. При этом все участники реакции должны быть в устойчивых агрегатных состояниях. Стандартные теплоты образования обозначаются так: ΔН 0 с298 (combustion).
Стандартные теплоты высших окислов, естественно, приняты равными 0.
При этом применяют следствия из закона Гесса:
1. тепловой эффект реакции при стандартных условиях равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты:
2. тепловой эффект реакции при стандартных условиях равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции, умноженных на соответствующие стехиометрические коэффициенты:
Определите теплоту образования HI (г) по реакции:
Решение. Тепловой эффект здесь равен тепловому эффекту образования HI, так как ΔΗ (Н2 ) и ΔΗ (I2 ) равны 0. По таблицам находим теплоту образования HI, она равна 26,04 кДж/моль.
Рассчитайте тепловой эффект реакции
по стандартным теплотам образования.
Решение Из таблиц находят ΔΗ 0 f для участников реакции:
Согласно следствию закона Гесса имеем:
по теплотам сгорания:
Закон Гесса имеет исключительно практическое значение. С его помощью можно узнать тепловой эффект любой реакции, не производя для этого непосредственных измерений. Это особенно ценно в тех случаях, когда проведение реакций неосуществимо или искажается побочными эффектами.
Но пользуясь законом Гесса можно скомбинировать термохимические уравнения, из которых можно посчитать этот эффект. Например так:
Аналогичная комбинация энтальпий дает энтальпию образования глюкозы:
Здесь теплота образования рассчитана по теплотам сгорания.
Определить теплоту (энтальпию) фазового перехода:
ΔΗ 0 возг =108,3 –0 = 108,3 кДж/моль
Определить энергию диссоциации двухатомной молекулы на атомы (энергия химической связи):
Определить энергию превращения атома в ион (энергию ионизации):
ΔΗ 0 иониз. =1536,2 – 217,98 = 1318, 22кДж/моль
С помощью термохимических расчетов можно определить энергию химических связей, энергию кристаллической решетки, энергию межмолекулярного взаимодействия, энтальпию растворения (гидратации), эффекты фазовых превращений.
2. Зависимость теплового эффекта от температуры. Уравнение Кирхгофа.
3. Значение первого начала термодинамики..
Теплоемкостью называется отношение количества сообщенного системе тепла к наблюдаемому при этом повышению температуры ( при отсутствии химической реакции, перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое и при А » = 0.
Теплоемкость обычно рассчитывают на 1 г массы, тогда ее называют удельной (Дж/г*К), или на 1 моль (Дж/моль*К), тогда ее называют молярной.
Различают среднюю и истинную теплоемкости.
Среднейтеплоемкостью называют теплоемкость в интервале температур, т. е. отношение тепла, сообщенного телу к приращению его температуры на величину ΔТ
Истиннойтеплоемкостью тела называют отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры.
Между средней и истинной теплоемкостью легко установить связь:
и 
подставив значения Q в выражение для средней теплоемкости, имеем:
Истинная теплоемкость зависит от природы вещества, температуры и условий, при которых происходит переход тепла к системе.
Так, если система заключена в постоянный объем, т. е. для изохорного процесса имеем:
Если же система расширяется или сжимается, а давление остается постоянным, т.е. для изобарного процесса имеем:
Но õQV = dU а õQP =dH поэтому
(если одна или несколько переменных поддерживаются постоянными, в то время как другие изменяются, то производные называются частными по отношению к изменяющейся переменной).
или 
Разность R представляет собой работу изобарного расширения 1 моля идеального газа при повышении температуры на единицу.
У жидкостей и твердых тел вследствие малого изменения объема при нагревании СP = СV
2. Зависимость теплового эффекта от температуры. Уравнение Кирхгофа.
Используя закон Гесса, можно вычислить тепловой эффект реакции при той температуре (обычно это 298К), при которой измерены стандартные теплоты образования или сгорания всех участников реакции.
Но чаще бывает необходимо знать тепловой эффект реакции при различных температурах.
Обозначим через Н энтальпию участника реакции, отнесенную к 1 молю. Общее изменение энтальпии ΔΗ(Т) реакции выразится равнением:
Если реакция протекает при постоянном давлении, то изменение энтальпии будет равно тепловому эффекту реакции. И если мы продифференцируем это уравнение по температуре, то получим:
Так как 
или 
Уравнения для изобарного и изохорного процесса
и 
называют уравнениями Кирхгофа ( в дифференциальной форме). Они позволяют качественнооценить зависимость теплового эффекта от температуры.
Влияние температуры на тепловой эффект обусловливается знаком величины ΔСp (или ΔСV )
При ΔСp > 0 величина 
, то есть с увеличением температуры тепловой эффект возрастает,
Источник
Химия. 11 класс
§ 19. Тепловые эффекты химических реакций
Протекание химических реакций всегда сопровождается выделением или поглощением энергии.
Тепловой эффект реакции — это количество теплоты Q, выделяющейся или поглощающейся в ходе превращения, если количества реагентов (моль) соответствуют стехиометрическим коэффициентам уравнения реакции.
От чего зависит величина теплового эффекта химической реакции?
В качестве примера определим значение теплового эффекта реакции образования оксида азота(II) из простых веществ:
| Уравнение реакции | N2 | + | O2 | = | 2NO |
| Стехиометрическое количество | 1 моль | 1 моль | 2 моль | ||
| Энергия связи | 945 кДж/моль ∙ 1 моль | 494 кДж/моль ∙ 1 моль | 632 кДж/моль ∙ 2 моль | ||
| Изменение энергии | Затрачено на разрыв связей 1443 кДж | Выделилось при образовании связей 1264 кДж | |||
Общий тепловой эффект реакции Q равен сумме тепловых эффектов Q1 и Q2:
Отрицательное значение теплового эффекта показывает, что данная реакция является эндотермической и протекает в соответствии с термохимическим уравнением:
Термохимическими называют уравнения, в которых указаны значения тепловых эффектов.
Для осуществления эндотермических реакций необходимо постоянно передавать системе энергию в виде теплоты, электромагнитного излучения (свет, ультрафиолетовое излучение), электричества и др. Так, эндотермические реакции либо протекают при высоких температурах (например, разложение карбонатов, нитратов и гидроксидов щёлочноземельных металлов), либо требуют подведения электрической энергии (электролиз, образование NO в грозовом разряде) или энергии света (образование озона в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения). Эндотермическим процессом является фотосинтез, в котором энергия солнечного света поглощается и запасается в виде химической энергии продуктов — кислорода и глюкозы:
Экзотермические реакции либо не требуют нагревания, либо для начала реакции нужно небольшое нагревание: например, водород со фтором реагирует мгновенно, а для взаимодействия водорода с кислородом смесь газов необходимо нагреть.
Величина теплового эффекта реакции определяется экспериментально в специальном приборе — калориметре, уже знакомом вам по урокам физики в 8-м классе. Результаты измерений приводят к определённым условиям. Обычно это давление 100 кПа и температура 25 °С ( 298,15 K ), что необходимо для сравнения и обобщения экспериментальных данных.
Рассмотрим примеры термохимических расчётов.
Пример 1. Рассчитайте количество теплоты, выделяющейся в результате полного сгорания в кислороде метана объёмом 6,72 м 3 ( н. у. ) в соответствии с термохимическим уравнением:
Источник
