Загальна інформація

Рівняння, в яких визначено тепловий ефект реакції, називаються термохімічними.

Результати термохімічних вимірювань - теплові ефекти реакцій - прийнято відносити до одного моля речовини, що утворюється. Кількість теплоти, яка виділяється або поглинається під час утворення одного моля сполуки з простих речовин, називається теплотою утворення даної сполуки.

19

Наприклад, вираз “теплота утворення води дорівнює 285,8 кДж/моль” означає, що в процесі утворення 18 г рідкої води з 2 г водню і 16 г кисню виділяється 285,8 кДж.

Теплоти утворення найстійкіших за певних умов простих речовин дорівнюють нулю.

Наприклад, за звичайних умов найстійкішою формою кисню є молекулярній кисень О₂, теплота утворення якого дорівнює Нулю. Теплота ж утворення озону О₃ дорівнює 142 кДж/моль, оскільки в процесі утворення з молекулярного кисню одного моля озону поглинається 142 кДж.

Теплові ефекти можна включати в рівняння реакцій. Хімічні рівняння, у яких зазначено кількість теплоти, що виділяється або поглинається, називаються термохімічними рівняннями.

Величину теплового ефекту звичайно записують у правій частині рівняння із знаком плюс в разі ендотермічної реакції із знаком мінус в разі екзотермічної реакції.

Наприклад, термохімічне рівняння реакції утворення рідинної води має вигляд:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О ∆Н=-571,6 кДж або

Н₂ + ^1/₂ О₂ → Н₂О ∆Н=-285.8 кДж

Теплота утворення оксиду азоту (II) від'ємна і дорівнює +90,25 кДж/моль. Відповідне термохімічне рівняння має вигляд:

N₂ + О₂ → 2NO ∆Н=-180,5 кДж або

^1/₂ N₂+^1/₂O₂ → NO ∆Н=+90,25 кДж

Рівняння реакцій, у яких біля символів хімічних сполук указуються їхні агрегатні стани або кристалічна модифікація, а також чисельне значення теплових ефектів, називають термохімічними. У термохімічних рівняннях, якщо це спеціально не обговорено, указуються значення теплових ефектів, при постійному тиску Q_p рівні зміні ентальпії системи ∆Н.

Значення ∆Н записують звичайно в правій частині рівняння, відокремлюючи його комою чи крапкою з комою.

Закони термохімії       Перший закон термохіміі (Лавуазьє і Лаплас, 1780-1784): Тепловий ефект утворення данної сполуки в точності дорівнює, але зі зворотним знаком тепловому ефекту реакції його розкладу.    Із закону Лавуазьє-Лапласа слідує неможливість побудувати вічний двигун I роду, що використовує енергію хімічних реакцій.    Другий закон термохіміі (Г. І. Гесс, 1840):   Тепловий ефект хімічної реакції не залежить від характеру і послідовності окремих її стадій і визначається лише початковими і кінцевими продуктами реакції та їх фізичним станом (при p = const або при v = const).

20

1

Рисунок Ентальпія першої реакції дорівнює сумі ентальпій 1) та 2) реакції

   Г. І. Гесс першим взяв до уваги фізичний стан реагуючих речовин. Ствердження закону Гесса про те, що тепловий ефект процесу не залежить від його окремих стадій і їх послідовності, дає можливість розраховувати теплові ефекти реакцій для випадків, коли їх визначити експериментально або дуже важко, або взагалі неможливо.    Застосування закону Гесса надзвичайно розширило можливості термохіміі, дозволяючи робити точні розрахунки теплових ефектів утворення цілого ряду речовин, дані про які отримати було важко.    Закон Гесса в наш час застосовують головним чином для термохімічних розрахунків. Термохімія, що історично склалася раніше термодинаміки, в даний час зазнала деяких змін і стала розділом хімічної термодинаміки.

Все вищевказане дозволяє використовувати термохімічні рівняння як алгебраїчні, тобто застосовувати закони математики.

Таким чином, наслідок із Закону Гесса формулюється так :

Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює сумі теплот утворення продуктів реакції мінус сума теплот утворення вихідних речовин з урахуванням коефіцієнтів.

ΔH = ΣΔH_{утв.прод.} – ΣΔH_{утв.поч}

Молярною ентальпiєю утворення хiмiчної сполуки називається та кiлькiсть теплоти, що виділяється (або в деяких випадках поглинається) при утворенні 1 моль складної речовини з простих речовин, якi знаходяться при стандартних умовах. Наприклад:

H₂ + 1/2 O₂ = H₂O_рід ∆Н = - 285.83 кДж C + O₂ = CO₂ ∆Н = -393.51 кДж.

Ряд елементів утворює різні алотропічні видозміни, наприклад алотропічними видозмінами Карбону є алмаз, вуглець, графіт. В такому випадку ентальпiю утворення сполук вираховують виходячи з тієї модифiкацiї, яка найбільш стабільна при стандартних умовах. В даному випадку беруть вуглець.

Закон Гесса дає можливiсть розрахувати ентальпiї багатьох реакцій виходячи з ентальпiй утворення хiмiчних сполук. Ентальпii утворення сполук експериментально визначають при різних температурах. З метою співставлення величин, ентальпiї утворення

21

хiмiчних сполук приводять до стандартної температури (25 °С або 298.15 K), тиску 1.013x10⁵ Па i до стандартного стану.

Цi ентальпiї називають стандартними ентальпiями утворення i позначають ∆Н^o ₂₉₈. Стандартні ентальпiї утворення зведенi в таблиці). Для простих речовин ∆Н^o ₂₉₈ = 0.

Стандартним прийнято називати такий стан в якому всi реагенти i продукти містяться:

а) в чистому виді, якщо це тверді речовини або рідини;

б) при концентрацiї 1М, якщо вони розчинені в якому-небудь розчиннику.

Так, стандартним станом для реакції Zn + 2 HCl = H₂ + ZnCl₂ буде стан, коли в реакцію вступає чистий цинк з 1М розчином гідрогенхлоридної кислоти.

Задачі до теми:

Задача 1. Використовуючи табличні значення термодинамічних величин розрахувати ентальпію (тепловий ефект) реакції при стандартних умовах: Fe₂O₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂ . Складіть термохімічне рівняння.

Розв'язок.

Згідно наслідку з закону Гесса, тепловий ефект реакції дорівнює рiзницi сум ентальпiй утворення продуктів реакції та реагуючих речовин: ΔH = ΣΔH_{утв.прод.} – ΣΔH_{утв.поч}

Користуючись табличними даними, маємо:

ΔH (CO₂) = 393.51 кДж/моль

ΔH (Fe) = 0 кДж/моль

ΔH (CO) = 110.53 кДж/моль

ΔH (Fe₂O₃) = 822.16 кДж/моль маємо:

Δ H^o₂₉₈ = - 3 · 393.51 - (- 3 ·110.53- 822.16) = - 1180.53+1153.75 = - 26.78 кДж Термохімічне рівняння Fe₂O₃ + 3 CO = 2 Fe + 3 CO₂ + 26.78 кДж

З адача 2. Термохімічне рівняння горіння вугілля С+О₂ СО₂ ; ∆Н=-393 кДж/моль. Яка маса Карбону та який об’єм кисню вступили в реакцію, якщо виділилось 78,6 кДж теплоти?

Дано:

∆Н=-393 кДж/моль Термохімічне рівняння:

Q = 78,6 кДж

С+О₂ = СО₂ + 393 кДж/моль

_________________

m (С)= ? V (О₂) = ?

22

Складемо пропорцію:

1моль (С) утворює 393 кДЖ

X моль (С) ------------ 78,6 кДж X = 78,6/393

X = 0,2 моль

Знайдемо масу Карбону (С) :

m = М ·√

m (С) = 12 г/моль · 0,2 моль = 2,4 г

1 моль (О₂) утворює 393 кДЖ

X моль (О₂) ------------ 78,6 кДж X = 0,2 моль

Знайдемо об’єм кисню:

V = V_m·√

V(О₂) = 22,4 л/моль · 0,2 моль = 4,48 л

Відповідь: m (С) =2,4 г;

V(О₂) = 4,48 л

Задача 3. Під час окиснення міді масою 12,8г виділилось 27,6 кДж теплоти. Який об’єм кисню витратився? Яка маса утвореного купрум (ІІ) оксиду? Складіть термохімічне рівняння.

Дано:

m (Cu) = 12,8г

Q ₁= 27,6 кДж 2Cu + О₂ 2CuО + Q

_____________

Q = ?

V (О₂) = ?

m (CuО) = ?

Знайдемо кількість відомої речовини:

√ = m/ М √ (Cu) = 12,8 / 64

√ (Cu) = 0,2 моль

Складаємо пропорцію:

2 моль -------------- Q

0,2 моль ------------- 27,6 кДж Q = 276 кДж

Термохімічне рівняння:

2Cu + О₂ = 2CuО + 276 кДж

Знайдемо масу (СuО) :

m = М ·√ m (СuО) = (64+16) · 0,2 моль = 16 г

Знайдемо об’єм кисню:

V = V_m·√ V (О₂) = 22,4 · 0,2 моль = 4,48 л

Відповідь: m (СuО) =16г;

V(О₂) = 4,48 л

23

Застосуйте свої знання й уміння :

Користуючись даними таблиці додатку А :

1). тепловий ефект відповідної реакції ;

2). скільки теплоти буде виділятись або поглинатись, якщо в реакцію вступає 5 моль вихідної речовини;

3) яка маса вихідної речовини вступила в реакцію, якщо в результаті виділилось (поглинулось) 500 кДж теплоти.

СРС № 5

Тема ЕНЕРГІЯ АКТИВАЦІЇ. ЗАЛЕЖНІСТЬ ЕНЕРГІЇ АКТИВАЦІЇ ВІД ПРИРОДИ РЕАГУЮЧИХ РЕЧОВИН. КАТАЛІЗ. КАТАЛІЗАТОРИ. МЕХАНІЗМ КАТАЛІЗУ.

Початкові знання та вміння:

Студенти повинні знати:

- поняття швидкість хімічної реакції, енергія активації, активований комплекс, каталіз та каталізатори.

Студенти повинні вміти:

- розв'язувати задачі з основ хімічної кінетики.