Тепловым эффектом химической реакции называется

Лабораторная работа №2
Теория
Тепловым эффектом химической реакции называется количество выделенной или
поглощенной при протекании данной химической реакции теплоты. Тепловой эффект
реакции зависит от агрегатного состояния исходных и конечных продуктов, измеряется
обычно в джоулях и относится к молю реагирующего вещества при температуре 25° С
(298oК).
Процессы,
сопровождающиеся
выделением
теплоты,
называются
экзотермическими, например:
1
H 2  O2  H 2 O  285,8 кДж
2
(1)
а процессы, при которых теплота поглощается, называются эндотермическими,
например:
H 2O  C  H 2  CO  129,7 кДж
(2)
В термодинамике положительные значения принимаются для тепла, поглощенного
системой, а отрицательные значения для выделяемого (Qv = -  U; Qp= -  Н).
Одним из основных законов термохимии является закон Г.И. Гесса (1840г.): тепловой
эффект ряда последовательных реакций равен тепловому эффекту любого другого ряда
реакций при условии, что исходные и конечные продукты в обоих случаях одни и те же и
находятся в одинаковых агрегатных состояниях и одинаковых условиях (Т, Р, и т.д.).
Закон можно сформулировать и несколько иным образом: тепловой эффект химической
реакции зависит только от начального и конечного состояния реагирующих веществ и
не зависит от пути, по которому реакция протекает. Закон Гесса строго выполняется
только для процессов, протекающих при постоянном объеме или при постоянном
давлении. Например, углерод можно перевести в двуокись углерода двумя путями,
которые показаны на нижеприведенной схеме:
CO
Q2
Q1
CO2
C
Q3
и соответствуют следующим химическим реакциям:
1
C  O2  CO  124,3кДж
2
1
CO  O2  CO2  284,9кДж
2
С  О2  СО2  409,2кДж
H1
(3)
H 2
(4)
H 3
(5)
где ΔН1 – тепловой эффект реакции (3); ΔН2 – тепловой эффект реакции (4); ΔН3 –
тепловой эффект реакции (5).
Согласно закону Гесса суммарный тепловой эффект процессов (3) и (4) равен тепловому
эффекту процесса (5):
ΔН1 + ΔН2 = ΔН3
Следствия из закона Гесса
1. Тепловой эффект разложения какого-нибудь химического соединения равен и
противоположен по знаку тепловому эффекту его образования.
Например:
1
O2  CaO  636,4кДж
2
1
СаО  Са  О2  636,4кДж
2
Ca 
(7)
(8)
2. Если совершаются две реакции, приводящие из различных начальных состояний к
одинаковым конечным, то разница между тепловыми эффектами представляет
тепловой эффект перехода из одного начального состояния в другое.
Например, реакции сгорания угля (9), графита (10) и алмаза (11) в кислороде
сопровождаются следующими тепловыми эффектами:
C у  О2  СО2  409,2кДж
(9)
H 3
С г  О2  СО2  393,5кДж
(10)
H 4
С а  О2  СО2  395,4кДж
(11)
H 5
Согласно второму следствию из закона Гесса тепловой эффект перехода от угля к
графиту равен: ΔНх = ΔН3 - ΔН4 = -15,7 кДж; при переходе от графита к алмазу
поглощается: ΔНх' = ΔН4-ΔН5 = +1,9 кДж; разность ΔН5-ΔН4 = ΔНх''= -1,9 кДж
представляет тепловой эффект перехода от алмаза к графиту.
Cг
ΔНх
Cу
Cа
ΔН4
ΔН3
ΔНх = ΔН3-ΔН4
CО2
ΔНх'
Cг
Cг
ΔН5
ΔН4
CО2
ΔНх’ = ΔН4-ΔН5
ΔНх''
Cа
ΔН4
ΔН5
CО2
ΔНх’’ = ΔН5-ΔН4
3. Если совершаются две реакции, приводящие из одинаковых начальных состояний к
различным конечным, то разность между их тепловыми эффектами ,взятая по
абсолютной величине, представляет тепловой эффект перехода от одного конечного
состояния в другое.
Например, на основании третьего следствия из закона Гесса можно вычислить тепловой
эффект реакции перехода от СО к СО2, который равен:
ΔН2 = /(ΔН1-ΔН3)/ = ΔН3-ΔН1
ΔН2 = /(-124,3+409,2)/ = 284,9 кДж
(12)
(13)
Тепловые эффекты реакций зависят от температуры. Зависимость теплового эффектом от
температуры определяется законом Кирхгофа. Для вывода этого закона рассмотрим
реакцию А1→А2. Если реакция протекает при постоянном давлении, то ее тепловой
эффект равен ΔН=ΔН2 -ΔН1. Дифференцируя по температуре равенство ΔН=ΔН2 -ΔН1,
получаем:
 H 2   H 1 
 ( H ) 
(14)


 

 T 

T

T




p
p
p
Так как
 H 
(15)

  Cp
 T  p
где Ср – теплоемкость при постоянном давлении, то из (14) и (15) получим:
 H 
(16)

  Cp1  Cp2  Cp
 T  p
где Ср2 и Ср1 - изобарная теплоемкость системы соответственно в конечном и начальном
состояниях; ΔСр – изменение изобарной теплоемкости системы при переходе ее из
состояния 1 в состояние 2. Например, для реакции
aA+bB=dD+rR

 
C p  rC p ( R)  dC p ( D)  aC p ( A)  bC p ( B)

Исходя из уравнения (16), закон Кирхгоффа можно сформулировать следующим
образом: изменение теплового эффекта процесса при изменении температуры на один
градус равно разности теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ.
Тепловые эффекты можно определять в условиях постоянного объема (Qv) или
постоянного давления (Qp). Разность между Qv и Qp равна работе (А) расширения при
постоянном давлении. Если в результате протекания реакции объем системы
увеличивается на ΔV, то:
Qv - Qp = А = рΔV
или
Qp = Qv – рΔV
На практике при проведении термохимических измерений наиболее часто определяют
следующие тепловые эффекты: теплоту образования, теплоту разложения, теплоту
сгорания, теплоту растворения и теплоту нейтрализации.
Теплотой образования вещества называется тепловой эффект реакции образования 1
моля сложного вещества из простых, наиболее устойчивых при температуре 25°С (298 К)
и р = 101,3 кПа. Например:
1/2 Н2(газ)+1/2 СI2(газ) = НСI(газ) - 95,05 кДж
Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции и агрегатное
состояние веществ, называются термохимическими.
Зная теплоты образования продуктов реакции и исходных веществ, можно на основании
закона Гесса определить тепловой эффект реакции. Последний равен разности между
суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных
веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Например, для
вычисления теплового эффекта реакции
С6Н12О6 = 2СО2 +2С2Н5ОН, ΔНр
необходимо знать теплоты образования С6Н12О6 , СО2 и С2Н5ОН
ΔНр = [2ΔНобр (С2Н5ОН ) + 2ΔНобр (СО2)] - ΔНобр (С6Н12О6)
где ΔНобр – теплота образования соответствующего химического вещества. Теплота
образования простого вещества равна нулю.
Теплотой разложения вещества называется количество теплоты, выделяемое или
поглощаемое при разложении 1 моля сложного вещества на более простые соединения,
например:
СаСО3 = СаО + СО2 + 179,08 кДж .
Теплотой сгорания называется тепловой эффект реакции окисления 1 моля данного
соединения кислородом с образованием высших оксидов соответствующих элементов,
например:
С2Н2 + 2,5О2 = 2СО2 + Н2О - 1299,6 кДж
Если известны теплоты сгорания веществ, участвующих в химической реакции, то на
основании закона Гесса можно рассчитать тепловой эффект этой реакции. Он будет равен
разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции с учетом
стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Например, тепловой эффект
реакции
2СО + 4Н2 = Н2О + С2Н5ОН ΔНр
будет равен:
ΔНр =[2ΔНсгор (СО) + 4ΔНсгор (Н2)] – ΔНсгор (С2Н5ОН)
где ΔНсгор – теплота сгорания соответствующего химического вещества. Теплота сгорания
высшего оксида элемента равна нулю.
Теплотой растворения называется количество теплоты, которое выделяется или
поглощается при растворении 1 моля вещества в таком объеме растворителя, чтобы при
дальнейшем разбавлении раствора не наблюдалось добавочного теплового эффекта.
Обычно этот объем составляет не менее 300 молей. При растворении вещества теплота
затрачивается на разрушение кристаллической решетки (ΔНреш) и выделяется при
химическом взаимодействии с растворителем (теплота сольватации ΔНсольв). Процесс
растворения является экзотермическим при ΔНсольв>/ΔНреш / и – эндотермическим, если
ΔНсольв < /ΔНреш /.
Теплотой нейтрализации называется количество теплоты, выделяющееся при
взаимодействии эквивалента кислоты с эквивалентом щелочи. Теплота нейтрализации –
величина постоянная для растворов сильных электролитов.
Н3О+ + ОН- = 2Н2О - 57,3 кДж
При взаимодействии слабых кислот со слабыми основаниями на тепловой эффект реакции
нейтрализации накладывается теплота диссоциации слабых электролитов. Поэтому
теплота нейтрализации для растворов слабых электролитов постоянной величиной не
является.
Контрольные вопросы
1. Тепловой эффект химической реакции.
2. Закон Гесса и следствия из закона Гесса.
3. Закон Кирхгоффа.
4. Тепловые эффекты химической реакции в условиях постоянного давления или
постоянного объема.
5. Теплоты образования, сгорания, разложения, растворения и нейтрализации. Связь
теплот образования и сгорания веществ, участвующих в реакции, с тепловым эффектом
этой реакции.