4. Термохімічні рівняння. Тепловий ефект реакції.

Термохімічне рівняння - рівняння хімічної реакції, у якому зазначають агрегатні стани речовин і для якого наводять числове значення теплового ефекту.

Наприклад, термохімічне рівняння реакції горіння метану - головно: складової природного газу – таке

СН4г) +202(г) = С02(г) + 2Н20(р); ΔН = -890 кДж,

де (г) - газ, (р) - рідина. Тверду речовину позначають (т).

Тепловий ефект відповідає тій кількості метану, яка визначені рівнянням реакції, - 1 моль. А тепловий ефект неповного згоряння графіту зазначено для речовини кількістю 2 моль:

2С(графіт) + O2(г) = 2СО(г); ΔН = -221 кДж.

термохімічне рівняння окиснення нітроген(ІІ) оксиду:

N2(Г) + O2(г) = 2NO(Г); ΔН = 280 кДж.

1. Тепловий ефект хімічної реакції

У кожному речовині запасено певну кількість енергії. З цією властивістю речовин ми стикаємося вже за сніданком, обідом або вечерею, так як продукти харчування дозволяють нашому організму використовувати енергію самих різноманітних хімічних сполук, що містяться в їжі. В організмі ця енергія перетворюється на рух, роботу, йде на підтримання постійної (і досить високою!) Температури тіла.

Одним з найбільш відомих вчених, що працюють в області термохіміі, є Бертло. Бертло-професор хімії Вищої фармацевтичної школи в Парижі (1859 р.). Міністр освіти і закордонних справ.

Починаючи з 1865 Бертло активно займався термохіміей, провів великі калориметричні дослідження, що призвели, зокрема, до винаходу "калориметричних бомби" (1881); йому належать поняття "екзотермічної" і "ендотермічний" реакцій. Бертло отримані великі дані про теплові ефекти величезного числа реакцій, про теплоту розкладання і освіти багатьох речовин.

Бертло досліджував дію вибухових речовин: температуру вибуху, швидкості згоряння та розповсюдження вибухової хвилі та ін

Енергія хімічних сполук зосереджена головним чином в хімічних зв'язках. Щоб зруйнувати зв'язок між двома атомами, потрібно затратити енергію. Коли хімічний зв'язок утворюється, енергія виділяється.

Будь-яка хімічна реакція полягає у розриві одних хімічних зв'язків та освіті інших.

Коли в результаті хімічної реакції при утворенні нових зв'язків виділяється енергії більше, ніж було потрібно для руйнування "старих" зв'язків у вихідних речовинах, то надлишок енергії вивільняється у вигляді тепла. Прикладом можуть служити реакції горіння. Наприклад, природний газ (метан CH4) згорає в кисні повітря з виділенням великої кількості теплоти (рис. 1а). Такі реакції є екзотермічні.

* Реакції, що протікають з виділенням теплоти, виявляють позитивний тепловий ефект (Q> 0, DH

В інших випадках на руйнування зв'язків у вихідних речовинах потрібно енергії більше, ніж може виділитися при утворенні нових зв'язків. Такі реакції відбуваються тільки при підводі енергії ззовні і називаються ендотермічною.

* Реакції, які йдуть з поглинанням теплоти з навколишнього середовища (Q0), тобто з негативним тепловим ефектом, є ендотермічною.

Тепловий ефект - кількість теплоти, що виділилася або поглинання хімічної системою при перебігу в ній хімічної реакції.

Тепловий ефект позначається символами Q або DH (Q =-DH). Його величина відповідає різниці між енергіями початкового і кінцевого станів реакції:

DH = Hкон .- Hісх. = Eкон .- Eісх.

Значки (г), (ж) позначають газоподібний і рідкий стан речовин. Зустрічаються також позначення (тв) або (к) - тверде, кристалічна речовина, (водн) - розчинена у воді речовина і т.д.

Позначення агрегатного стану речовини має важливе значення. Наприклад, у реакції згоряння водню спочатку утворюється вода у вигляді пари (газоподібний стан), при конденсації якого може виділитися ще деяку кількість енергії. Отже, для утворення води у вигляді рідини виміряний тепловий ефект реакції буде трохи більше, ніж для освіти тільки пара, оскільки при конденсації пара виділиться ще порція теплоти.

Використовується також окремий випадок теплового ефекту реакції - теплота згоряння. З самої назви видно, що теплота згоряння служить для характеристики речовини, що застосовується як паливо. Теплоту згоряння відносять до 1 молю речовини, що є паливом (відновлювачем в реакції окиснення), наприклад:

C2H2 + 2,5 O2 = 2 CO2 + H2O + 1300 кДж

ацетилен теплота згоряння ацетилену

Основні закони термохіміі

* Розділ хімії, що займається вивченням перетворення енергії в хімічних реакціях, називається термохіміей.

Існує два найважливіших закону термохіміі. Перший з них, закон Лавуазьє-Лапласа, формулюється наступним чином:

* Тепловий ефект прямої реакції завжди дорівнює тепловому ефекту зворотної реакції з протилежним знаком.

Це означає, що при утворенні будь-якого з'єднання виділяється (поглинається) стільки ж енергії, скільки поглинається (виділяється) при його розпад на вихідні речовини. Наприклад:

2 H2 (г) + O2 (г) 2 H2О (ж) + 572 кДж (горіння водню в кисні)

2 H2О (ж) + 572 кДж = 2 H2 (г) + O2 (г) (розкладання води електричним струмом)

Закон Лавуазьє-Лапласа є наслідком закону збереження енергії.

Другий закон термохіміі був сформульований в 1840 р російським академіком Г. І. Гессом:

* Тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового і кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу.

Це означає, що загальний тепловий ефект ряду послідовних реакцій буде таким же, як і у будь-якого іншого ряду реакцій, якщо на початку і в кінці цих рядів одні й ті ж вихідні і кінцеві речовини. Ці два основних закони термохіміі надають термохімічних рівнянь деяку схожість з математичними, коли в рівняннях реакцій можна переносити члени з однієї частини в іншу, почленно складати, віднімати і скорочувати формули хімічних сполук. При цьому необхідно враховувати коефіцієнти в рівняннях реакцій і не забувати про те, що додає, віднімає або скорочується молі речовини повинні знаходитися в однаковому агрегатному стані.

2. Застосування теплового ефекту на практиці

Теплові ефекти хімічних реакцій потрібні для багатьох технічних розрахунків. Наприклад, розглянемо потужну російську ракету "Енергія", здатну виводити на орбіту космічні кораблі та інші корисні вантажі. Двигуни однією з її ступенів працюють на зріджених газах - водні та кисні.

Припустимо, нам відома праця (у кДж), яку доведеться затратити для доставки ракети з вантажем з поверхні Землі до орбіти, відома також робота з подолання опору повітря та інші витрати енергії під час польоту. Як розрахувати необхідний запас водню і кисню, які (в зрідженому стані) використовуються в цій ракеті в якості палива і окислювача?

Без допомоги теплового ефекту реакції утворення води з водню і кисню зробити це важко. Адже тепловий ефект - це і є та сама енергія, що має вивести ракету на орбіту. У камерах згорання ракети ця теплота перетворюється в кінетичну енергію молекул розжареного газу (пари), який виривається з сопел і створює реактивну тягу.

У хімічній промисловості теплові ефекти потрібні для розрахунку кількості теплоти для нагрівання реакторів, в яких йдуть ендотермічні реакції. В енергетиці за допомогою теплот згоряння палива розраховують вироблення теплової енергії.

Лікарі-дієтологи використовують теплові ефекти окислення харчових продуктів в організмі для складання правильних раціонів харчування не тільки для хворих, а й для здорових людей - спортсменів, працівників різних професій. За традицією для розрахунків тут використовують не джоулі, а інші енергетичні одиниці - калорії (1 кал = 4,1868 Дж). Енергетичне зміст їжі відносять до якої-небудь масі харчових продуктів: до 1 г, до 100 г або навіть до стандартній упаковці продукту. Наприклад, на етикетці баночки зі згущеним молоком можна прочитати такий напис: "калорійність 320 ккал/100 г".

Тепловий ефект розраховується при отриманні монометіланіліну, який належить до класу заміщених ароматичних амінів. Основна область застосування монометіланіліну - Антидетонаційна присадка для бензинів. Можливе використання монометіланіліну у виробництві барвників. Товарний монометіланіліну (N-метіланілін) виділяється з каталізата методом періодичної чи безперервної ректифікації. Тепловий ефект реакції? Н = -14 ± 5 кДж/моль.