Тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

Это означает, что общий тепловой эффект ряда последовательных реакций будет таким же, как и у любого другого ряда реакций, если в начале и в конце этих рядов одни и те же исходные и конечные вещества.

Рассмотрим пример, поясняющий закон Гесса. Сульфат натрия Na₂SO₄ можно получить двумя путями из едкого натра NaOH. Один путь включает только одну стадию, а во второй - две стадии, с промежуточным получением кислой соли NaHSO₄:

Первый путь (одностадийный): 2 NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2 H₂O + 131 кДж;

Второй путь (двухстадийный):

а) NaOH + H₂SO₄ = NaНSO₄ + H₂O + 62 кДж

б) NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + H₂O + 69 кДж

Согласно закону Гесса, тепловой эффект получения сульфата натрия из NaOH не зависит от способа получения. Действительно, складывая тепловые эффекты двух последовательных реакций в способе (2) мы получаем тот же тепловой эффект, что и для способа (1): 65 кДж + 69 кДж = 131 кДж. Кстати, почленное сложение двух последних уравнений дает первое уравнение реакции.

Именно эти два основных закона термохимии придают термохимическим уравнениям некоторое сходство с математическими, когда в уравнениях реакций можно переносить члены из одной части в другую, почленно складывать, вычитать и сокращать формулы химических соединений. При этом необходимо учитывать коэффициенты в уравнениях реакций и не забывать о том, что складываемые, вычитаемые или сокращаемые моли вещества должны находиться в одинаковом агрегатном состоянии.

Термохимия является частью более обширной науки ТЕРМОДИНАМИКИ. Тепловой эффект реакции в термодинамике принято называть ЭНТАЛЬПИЕЙ (ΔН) образования воды в том случае, если реакция происходит при неизменном давлении (например, в открытом сосуде). Если реакция проводится в замкнутом сосуде и давление в ходе реакции меняется, то тепловой эффект (Q) и энтальпия (ΔН) - не совсем одно и то же.

ЭНТАЛЬПИЯ - это тепловой эффект реакции, измеренный (или вычисленный) для случая, когда реакция происходит в открытом сосуде (т.е. при неизменном давлении). Обозначается как ΔH.

Стандартную теплоту образования веществ называют стандартной энтальпией образования ΔН. Чтобы подчеркнуть справедливость этой величины только для стандартных условий, в таблицах её обозначают следующим образом:

ΔН^о₂₉₈

Маленький "нолик" рядом с ΔН по традиции символизирует некое стандартное состояние, а цифра 298 напоминает, что значения приведены для веществ при 25 ^оС (или 298 К). Стандартная энтальпия не обязательно должна быть энтальпией образования вещества из элементов. Можно получить значение стандартной энтальпии ΔН^о₂₉₈ для любой химической реакции. Но в нашем случае с получением воды из водорода и кислорода мы получили именно стандартную энтальпию образования воды. Записывается это так:

H₂ + 0,5 O₂ = H₂O (ΔН^о₂₉₈ = -286 кДж/моль)

Откуда взялся знак "минус" перед значением теплового эффекта? Принято потерянную (выделяемую) любой системой энергию представлять со знаком "минус". Рассмотрим, например, уже знакомую нам систему из молекул метана и кислорода. В результате экзотермической реакции между ними происходит выделение теплоты:

СH₄(г) + 2 O₂(г) = СO₂(г) + 2 H₂О(ж) + 890 кДж

Можно записать эту реакцию и другим уравнением, где выделившаяся ("потерянная") теплота имеет знак "минус":

СH₄(г) + 2 O₂(г) – 890 кДж = СO₂(г) + 2 H₂О(ж)

По традиции энтальпию этой и других экзотермических реакций в термодинамике принято записывать со знаком "минус":

ΔН^о₂₉₈ = –890 кДж/моль (энергия выделяется).

Наоборот, если в результате эндотермической реакции система поглотила энергию, то энтальпия такой эндотермической реакции записывается со знаком "плюс". Например, для уже знакомой нам реакции получения CO и водорода из угля и воды (при нагревании):

C(тв) + H₂О(г) + 131,3 кДж = CO(г) + H₂(г)

(ΔН^о₂₉₈ = +131,3 кДж/моль)

Давайте попробуем решить одну и ту же задачу сначала в термодинамической шкале (где выделяемая реакцией теплота имеет знак "минус"), а потом в термохимической шкале (которой мы пользовались в предыдущем параграфе и где выделяемая реакцией энергия имеет знак "плюс").

ЗАДАЧИ

1. Определите величину теплового эффекта реакции:

2 S + 3 O₂ = 2 SO₃

если известны тепловые эффекты реакций

а) S + O₂ = SO₂ + 297 кДж/моль

б) SO₂ + 0,5 O₂ = SO₃ + 396 кДж/моль

2. На основании двух термохимических уравнений определите, что устойчивее - алмаз или графит?

С (графит) + O₂ = СO₂ + 393,8 кДж

С (алмаз) + O₂ = СO₂ + 395,7 кДж

3. Даны три уравнения химических реакций:

а) Ca (тв) + 2 H₂O (ж) = Ca(OH)₂ (водн) + H₂ (г) + 456,4 кДж

б) CaO (тв) + H₂O (ж) = Ca(OH)₂ (водн) + 81,6 кДж

в) H₂ (г) + 1/2 O₂ (г) = H₂O (ж) + 286 кДж

Определите тепловой эффект реакции: Ca (тв) + 1/2 O₂ (г) = CaO (тв) + Q кДж.

4.Какие из нижеприведенных реакций являются эндотермическими?

а) 1/2 N₂ + O₂ = NO₂; ΔН^о₂₉₈ = 33,5 кДж/моль.

б) 1/2 N₂ + 3/2 H₂ = NH₃; ΔН^о₂₉₈ = -46 кДж/моль.

в) 1/2 N₂ + 1/2 O₂ = NO; ΔН^о₂₉₈ = 90 кДж/моль.

г) H₂ + 1/2 O₂ = H₂O; ΔН^о₂₉₈ = -286 кДж/моль.

5. Сколько энергии надо затратить для разложения 9 г воды на водород и кислород в стандартных условиях?

6. Даны стандартные энтальпии следующих реакций:

H₂ = H + H (ΔН^о₂₉₈ = 436 кДж/моль)

Cl₂ = Cl + Cl (ΔН^о₂₉₈ = 243 кДж/моль)

Стандартная энтальпия образования HCl составляет -92 кДж/моль. Рассчитайте энергию связи в молекуле HCl.

7. Исходя из термохимических уравнений реакций

KClO₃ = KCl + 3/2 O₂ (ΔН^о₂₉₈ = -49,4 кДж/моль);

KСlO₄ = KCl + 2 O₂ (ΔН^о₂₉₈ = 33 кДж/моль),

рассчитайте ΔН^о₂₉₈ для реакции: 4 KClO₃ = 3 KClO₄ + KCl.

Ответы к задачам

1. 1386 кДж (реакция экзотермическая). Для решения задачи можно почленно сложить уравнения (а) и (б) (при этом сократится SO₂) и умножить получившееся уравнение на два.

2. Графит более устойчив, т.к. при его сгорании выделяется меньше энергии.

3. Ca (тв) + 1/2 O₂ (г) = CaO (тв) + 660,8 кДж. Для решения можно переписать уравнение (в) в таком виде: H₂O = 1/2 O₂ + H₂ – 286 кДж. После этого следует вычесть оба уравнения (б) и (в) из уравнения (а)

4. Эндотермическими реакциями (протекающими с поглощением энергии из внешней среды) являются реакции (а) и (в), для которых значения ΔН^о₂₉₈ положительны.

5. Для решения можно воспользоваться уравнением (г) из задачи 1.5. Ответ: 143 кДж.

6. 431,5 кДж/моль (такую энергию надо затратить, чтобы "разорвать" 1 моль молекул HCl на составляющие атомы по уравнению: HCl = H + Cl.

7. ΔН^о₂₉₈ = –297 кДж.

Дата добавления: 2015-07-14