Тепловой эффект химической реакции. В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином, так как продукты питания позволяют нашему организму использовать энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на поддержание постоянной и довольно высокой температуры тела. Одним из самых известных ученых, работающих в области термохимии, является Бертло.
Бертло- профессор химии Высшей фармацевтической школы в Париже 1859г. Министр просвещения и иностранных дел. Начиная с 1865 Бертло активно занимался термохимией, провел обширные калориметрические исследования, приведшие, в частности, к изобретению калориметрической бомбы 1881 ему принадлежат понятия экзотермической и эндотермической реакций.
Бертло получены обширные данные о тепловых эффектах огромного числа реакций, о теплоте разложения и образования многих веществ.
Бертло исследовал действие взрывчатых веществ температуру взрыва, скорости сгорания и распространения взрывной волны и др. Энергия химических соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы разрушить связь между двумя атомами, требуется затратить энергию.
Когда химическая связь образуется, энергия выделяется. Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических связей и образовании других. Когда в результате химической реакции при образовании новых связей выделяется энергии больше, чем потребовалось для разрушения старых связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде тепла. Примером могут служить реакции горения. Например, природный газ метан CH4 сгорает в кислороде воздуха с выделением большого количества теплоты рис. 1а. Такие реакции являются экзотермическими.
Реакции, протекающие с выделением теплоты, проявляют положительный тепловой эффект Q 0, DH 0 и называются экзотермическими. В других случаях на разрушение связей в исходных веществах требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и называются эндотермическими. Реакции, которые идут с поглощением теплоты из окружающей среды Q 0, DH 0, т.е. с отрицательным тепловым эффектом, являются эндотермическими.
Примером является образование оксида углерода II CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании рис. 1б. Рис. 1а Рис. 1б Рис. 1а, б. Изображение химических реакций при помощи моделей молекул а экзотермическая реакция, б эндотермическая реакция. Модели наглядно показывают, как при неизменном числе атомов между ними разрушаются старые и возникают новые химические связи.
Таким образом, любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты реже - в виде световой или механической энергии. Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях кДж для одного моля реагента или реже для моля продукта реакции. Такая величина называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект - количество теплоты, выделившееся или поглощенное химической системой при протекании в ней химической реакции.
Тепловой эффект обозначается символами Q или DH Q -DH. Его величина соответствует разности между энергиями исходного и конечного состояний реакции DH Hкон Hисх. Eкон Eисх. Значки г, ж обозначают газообразное и жидкое состояние веществ. Встречаются также обозначения тв или к - твердое, кристаллическое вещество, водн - растворенное в воде вещество и т.д. Обозначение агрегатного состояния вещества имеет важное значение. Например, в реакции сгорания водорода первоначально образуется вода в виде пара газообразное состояние, при конденсации которого может выделиться еще некоторое количество энергии.
Следовательно, для образования воды в виде жидкости измеренный тепловой эффект реакции будет несколько больше, чем для образования только пара, поскольку при конденсации пара выделится еще порция теплоты. Используется также частный случай теплового эффекта реакции - теплота сгорания. Из самого названия видно, что теплота сгорания служит для характеристики вещества, применяемого в качестве топлива.
Теплоту сгорания относят к 1 молю вещества, являющегося топливом восстановителем в реакции окисления, например C2H22,5 O22 CO2H2O1300 кДжацетилен теплота сгорания ацетиленаЗапасенную в молекулах энергию Е можно отложить на энергетической шкале. В этом случае тепловой эффект реакции D Е можно показать графически рис. 2. Рис. 2. Графическое изображение теплового эффекта Q D Е а экзотермической реакции горения водорода б эндотермической реакции разложения воды под действием электрического тока. Координату реакции горизонтальную ось графика можно рассматривать, например, как степень превращения веществ 100 - полное превращение исходных веществ. 1.1. Уравнения химических реакций Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и продуктами записан и тепловой эффект реакции, называются термохимическими уравнениями.
Особенность термохимических уравнений заключается в том, что при работе с ними можно переносить формулы веществ и величины тепловых эффектов из одной части уравнения в другую.
С обычными уравнениями химических реакций так поступать, как правило, нельзя. Допускается также почленное сложение и вычитание термохимических уравнений. Это бывает нужно для определения тепловых эффектов реакций, которые трудно или невозможно измерить в опыте. Приведем пример. В лаборатории чрезвычайно трудно осуществить в чистом виде реакцию получения метана СH4 путем прямого соединения углерода с водородом С 2 H2 СH4 Но можно многое узнать об этой реакции с помощью вычислений.
Например, выяснить, будет эта реакция экзо- или эндотермической, и даже количественно рассчитать величину теплового эффекта. Известны тепловые эффекты реакций горения метана, углерода и водорода эти реакции идут легко а СH4г 2 O2г СO2г 2 H2Ож 890 кДж б Ств O2г СO2г 394 кДж в 2 H2г O2г 2 H2Ож 572 кДж Вычтем два последних уравнения б и в из уравнения а. Левые части уравнений будем вычитать из левой, правые - из правой.
При этом сократятся все молекулы O2, СO2 и H2О. Получим СH4г - Ств - 2 H2г 890 - 394 - 572 кДж -76 кДж Это уравнение выглядит несколько непривычно. Умножим обе части уравнения на -1 и перенесем CH4 в правую часть с обратным знаком. Получим нужное нам уравнение образования метана из угля и водорода Ств 2 H2г CH4г 76 кДжмоль Итак, наши расчеты показали, что тепловой эффект образования метана из углерода и водорода составляет 76 кДж на моль метана, причем этот процесс должен быть экзотермическим энергия в этой реакции будет выделяться.
Важно обращать внимание на то, что почленно складывать, вычитать и сокращать в термохимических уравнениях можно только вещества, находящиеся в одинаковых агрегатных состояниях, иначе мы ошибемся в определении теплового эффекта на величину теплоты перехода из одного агрегатного состояния в другое. 1.2.