Термохімія.

Теплові ефекти хімічних процесів вивчає термохімія. При розрахунках використовуються стандартні теплові ефекти , тобто визначені за стандартних умов (за температури 298,15 К і тиску 101,3 кПа). Рівняння реакцій, в яких зазначено тепловий ефект, а також агрегатний стан речовин, називають термохімічними. З такими рівняннями можна виконувати ті ж дії, що і з алгебраїчними (складати, віднімати, помножувати на коефіцієнт тощо).

Усі термохімічні розрахунки базуються на двох законах термохімії.

Перший закон термохімії – закон Лавуазьє і Лапласа (1760) формулюється так: Тепловий ефект утворення хімічної сполуки дорівнює тепловому ефекту розкладання цієї сполуки тільки із зворотним знаком.

Наприклад, при утворенні 1 моль води із водню і кисню виділяться 241,8 кДж/моль.

кДж/моль

Таку саму енергію треба затратити, щоб розкласти 1 моль пароподібної води на водень і кисень, тобто

кДж/моль

Теплота утворення – це тепловий ефект реакції утворення 1 моль даної сполуки з простих речовин, найстійкіших за даних умов.

, ,0 кДж/моль

Теплота утворення, віднесена до 1 моль речовини за температури 298 К і тиску 101 кПа (760 мм рт. ст.), називається стандартною теплотою утворення і позначається .

Значення стандартних теплот утворення багатьох хімічних сполук визначені й зведені в таблиці термодинамічних величин і наводяться в довідниках.

Теплота утворення (ентальпія утворення) простих речовин у стійкому стані за стандартних умов має нульове значення. Наприклад, ,.

Другий закон термохімії – закон Гесса (основний закон термохімії) (1840) формулюється так: Тепловий ефект хімічної реакції не залежить від характеру й послідовності її стадій, а визначається лише початковими і кінцевими продуктами реакції та їх фізичним станом (при V=const або P=const).

Наприклад, при згорянні 1 моль графіту з утворенням вуглекислого газу (СО₂) виділяється 393,0 кДж теплоти. Якщо процес провести через проміжну стадію з утворенням СО і подальшим його згорянням до СО₂, то в першому випадку (утворення СО) виділяється 110,5 кДж теплоти, а в другому (утворення СО₂ з СО) виділяється 282,5 кДж.

Із цього прикладу видно, що сума теплових ефектів проміжних реакцій (110,5+282,5=393,0 кДж/моль) дорівнює тепловому ефекту прямої реакції.

Примітка: Закон Гесса застосовують до процесів, що відбуваються при постійному об’ємі або при постійному тиску.

Наслідки із закону Гесса:

1.Тепловий ефект хімічної реакції ΔН^о_х.р. дорівнює сумі теплот утворення продуктів реакції мінус сума теплот утворення вихідних речовин. Тобто для реакції

аА+вВ=сС+dD (5.3)

(5.4)

Приклад. Визначити тепловий ефект реакції Al₂O₃+3SO₃=Al₂(SO₄)_3, якщо відомо, що = -1675 кДж/моль; = -395 кДж/моль; = -3434 кДж/моль.

Розв’язання. Згідно з рівнянням (5.4) маємо

=-3434+1675+3·395,2=-553,4кДж

2.Тепловий ефект хімічної реакції ΔН_х.р. дорівнює сумі теплот згорання вихідних речовин мінус сума теплот згорання продуктів реакції. Тобто для реакції(5.3)

(5.5)

Стандартною теплотою (ентальпією) згоряння називається тепловий ефект реакції окислення 1 моль даної сполуки в атмосфері кисню до утворення вищих оксидів елементів, які входять до її складу, за стандартних умов. Значення стандартної ентальпії згоряння також можна найти в термодинамічних таблицях.

Із закону Гесса витікає ще кілька наслідків:

- якщо здійснюються дві реакції, які приводять із різних початкових станів до однакових кінцевих станів, то різниця теплових ефектів дорівнює тепловому ефекту переходу з одного початкового стану в другий;

- якщо здійснюються дві реакції, які приводять із однакових початкових станів до різних кінцевих станів, то різниця між їхніми тепловими ефектами дорівнює тепловому ефекту переходу з одного кінцевого стану в другий.

Таким чином, застосовуючи закон Гесса, можна обчислити теплові ефекти окремих реакцій, особливо проміжних стадій, які експериментальним шляхом визначити неможливо.

У термохімії визначають й інші теплові ефекти: теплоту розчинення, теплоту нейтралізації, теплоту плавлення та ін.

Теплота розчинення.

Багато хімічних реакцій перебігає у розчинах, і їх тепловий ефект залежить не тільки від енергії хімічної взаємодії самих речовин, але і від теплоти їх розчинення в розчиннику.

Теплота розчинення твердої речовини в основному є сумою двох величин: теплоти руйнування кристалічної решітки (>0) та теплоти сольватації іонів молекулами розчинника (<0):

=+

Знак сумарного теплового ефекту залежатиме від того, який із цих доданків більший за абсолютною величиною.