Расчет теплот химических реакций по справочным данным

⇐ ПредыдущаяСтр 28 из 115Следующая ⇒

I следствие из закона Гесса. Тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ.

Теплота образования соединения – это тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых веществ, взятых в устойчивом состоянии при заданных условиях (Р, Т).

Обозначается DН_обр или DН_f.

Например, теплота образования СаСО₃ равна тепловому эффекту реакции образования 1 моль кристаллического СаСО₃ из металлического Са, графита и газообразного О₂.

Са(т) + С(граф) + ³/₂О₂(г) = СаСО₃(кр) – DН_f

Теплота образования простых веществ, находящихся в устойчивом состоянии (H₂, N₂, O₂ и др.), принимается равной 0.

Обычно теплоты образования относят к стандартным условиям 25⁰С(298 К), Р = 1, 013 ^. 10⁵Па (1 атм) и называют стандартными теплотами образования и обозначают .

Составим схему, используя реакции образования исходных веществ и продуктов из простых веществ на примере реакции:

С₂Н₄ + Н₂ = С₂Н₆

Рис. 6.3. Схема образования этана

Согласно закону Гесса

= + DН_c⁰

Откуда DН_c⁰ = –

Или в общем виде

DН_c⁰ =

а) Если известен тепловой эффект образования химического соединения в одном агрегатном состоянии, можно на основе закона Гесса вычислить тепловой эффект его образования в другом агрегатном состоянии.

DН_f (г) = DН_f (т) + DН возг = DН_f (ж) + DН исп

DН_f (ж) = DН_f (т) + DН пл,

DН возг = DН пл + DН исп,

где DН пл, DН исп и DН возг – теплоты соответствующих фазовых переходов 1 моль химического соединения.

б) При расчете тепловых эффектов химических реакций, протекающих в водных растворах, следует учитывать диссоциацию химических соединений.

Т.е. для химических соединений, которые диссоциируют в растворе, в расчетах надо брать стандартные теплоты образования соответствующих ионов.

Стандартная теплота образования иона – тепловой эффект образования гидратированного иона из простых веществ.

Например, теплота образования иона SO₄^2– равна тепловому эффекту следующей реакции

S_T + 2O₂ + aq + 2 ® SO₄^2– ^. aq,

Теплота образования иона гидроксония в растворе условно равна 0.

¹/₂Н₂ + aq ® H⁺ ^. aq + = 0

В термохимических уравнениях принято вместо Н₃О⁺ писать Н⁺ ^. aq.

в) Для химических соединений, которые образуются в результате протекания химической реакции в растворе и не диссоциируют на ионы, теплота образования в растворе, согласно закону Гесса, равна

DН_f (р-р) = DН_f + DН(р-рения)

сумме теплоты образования его и теплоты растворения.

Теплота растворения DН(р-рения) – это тепловой эффект процесса растворения одного вещества в другом. При этом Т_нач = Т_кон.

Различают дифференциальную и интегральную теплоты растворения.

Дифференциальная теплота растворения – это теплота растворения 1 моль вещества в достаточно большом количестве раствора определенной концентрации.

При этом добавление 1 моль вещества к раствору почти не изменяет его концентрации.

Другими словами, дифференциальную теплоту растворения можно представить как тепловой эффект процесса растворения ¥ малого (достаточно малого) количества вещества в конечном количестве раствора определенной концентрации.

Интегральная теплота растворения DН – это тепловой эффект растворения 1 моль вещества в таком количестве растворителя, чтобы полученный раствор имел определенную концентрацию.

Дифференциальная теплота разбавления есть тепловой эффект процесса добавления к раствору ¥ малого количества растворителя

причем

Теплота растворения зависит от концентрации химического соединения в растворе.

Теплота растворения твердого соединения с ионной кристаллической решеткой определяется суммой двух величин:

а) теплоты разрушения кристаллической решетки;

б) теплоты сольватации ионов молекулами растворителя.

При разрушении кристаллической решетки теплота поглощается, а сольватация сопровождается выделением теплоты, поэтому знак теплоты растворения может оказаться как положительным (+), так и отрицательным (–) в зависимости от соотношения абсолютных величин (а) и (б).

Например,

а) при растворении 1 моль CuCl₂ ^. 2H₂O в 8 моль воды поглощается 3, 35 кДж тепла;

б) при растворении того же количества кристаллогидрата в 12 моль воды DН(р-рения) = 0;

в) при растворении в очень большом количестве воды выделяется 17, 67 кДж теплоты.

II следствие из закона Гесса. Тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ и суммой теплот сгорания продуктов реакции.

Теплота сгорания – количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 моль вещества в кислороде до высших окислов при данных условиях (Р, Т).

Сгорание называется полным, когда углерод – С, Водород – Н, азот – N, сера – S, галогены – Cl, Br, входящие в соединение, превращаются соответственно в СО₂, Н₂О_(ж), N₂, SO₂, HBr (галогеноводородную кислоту).

Теплота сгорания обозначается DН_сг.

Необходимо отметить, что теплоты сгорания графита (С), водорода (Н₂), серы (S) и некоторых др. простых веществ совпадают с теплотами образования СО₂, Н₂О(ж), SO₂.

Получим формулу для расчета теплового эффекта реакции по теплотам сгорания реагентов.

Составим цикл:

Рис.6.4. Цикл образования метана

Заметим, что при полном сгорании исходных веществ и продуктов реакции, получается одно и то же количество продуктов сгорания.

По закону Гесса:

DН сг. исх = DН_c + DН сг. прод

Откуда

Стандартная теплота сгорания обозначается .

Расчет тепловых эффектов реакций по средним энергиям связи

Средняя энергия связи – доля энергии, затраченной на полную диссоциацию молекулы на атомы, приходящаяся на данную связь.

Например, DН_обр(СН₄) из атомов равна 1, 66 ^. 10³ кДж/моль, тогда средняя энергия связи С–Н

415, 71 кДж/моль

При использовании средних энергий связи в расчетах следует помнить:

1. Теплота образования соединений из атомов складывается из энергий отдельных связей:

–DН_f(CH₄) = 4E_C–H

–DН_f(C₂H₆) = E_C–C + 6E_C–H

Атомные теплоты образования всегда отрицательные величины, т.к. возникновение связей всегда сопровождается выделением энергии.

2. Средняя энергия отдельной связи одинакова в определенном классе соединений.

Составим схему на примере реакции: С₂Н₄ + Н₂ = С₂Н₆

Рис. 6.5. Цикл образования этана

По закону Гесса

где n – число связей данного вида.

Тогда

Из последнего выражения следует, что тепловой эффект реакции равен разности сумм средних энергий связей исходных веществ и суммы средних энергий связей продуктов реакции.

Этот метод расчета целесообразно применять только для алифати-ческих углеводородов, т.к. в ароматических и гетероциклических соедине-ниях энергии связи сильно зависят от строения молекулы и полученные значения DН_c сильно отличаются от истинных.

Закон Гесса справедлив не только для чисто химических реакций, но и для сложных биохимических процессов. Так, теплота, получаемая при окислении углеводов и жиров в живом организме, где эти процессы протекают в несколько стадий, и теплота, выделяемая при сжигании этих веществ в кислороде, оказались равными. Для белков это не так, поскольку конечным продуктом окисления белка в организме является карбамид, а в кислороде окисление полное.

⇐ Предыдущая 23 24 25 26 272829 30 31 32 Следующая ⇒