EFEKT TERMICZNY, ciepło uwalniane lub absorbowane termodynamicznie. systemu, gdy przepływa przez niego substancja chemiczna. dzielnice. Wyznacza się go pod warunkiem, że układ nie wykona żadnej pracy (z wyjątkiem ewentualnych prac rozszerzających), a t-ry i produkty są równe. Ponieważ ciepło nie jest funkcją stanu, tj. podczas przejścia między stanami zależy od ścieżki przejścia, wówczas w ogólnym przypadku efekt termiczny nie może służyć jako cecha konkretnej dzielnicy. W dwóch przypadkach nieskończenie mała ilość ciepła (ciepła elementarnego) d Q pokrywa się z całkowitą różnicą funkcji stanu: przy stałej objętości d Q = = dU (U jest energią wewnętrzną układu) i przy stałej d Q = dH (H - entalpia układu).
W praktyce istotne są dwa rodzaje efektów cieplnych: izotermo-izobaryczne (przy stałych temperaturach T i p) i izotermo-izochoryczne (przy stałej T i objętości V). Istnieją różnicowe i integralne efekty termiczne. Różnicowy efekt termiczny określa się za pomocą wyrażeń:
gdzie ty, h, -odpowiednio. częściowy ekstrakt molowy energia i ; v i -stechiometryczny współczynnik (v i > 0 dla produktów, v i<0 для ); x
= (n i - n i 0)/v i ,-хим.
переменная, определяющая состав системы в любой момент протекания р-ции (n i
и n i0 - числа i-го компонента
в данный момент времени и в начале хим. превращения соотв.). Размерность дифференциального
efekt termiczny reakcja-kJ/. Jeśli u T,V , h T,p > 0, wywoływane jest r-tion. endotermiczny, z przeciwnym znakiem efektu - egzotermiczny. Obydwa typy efektów są ze sobą powiązane:
Podano zależność temperaturową efektu cieplnego, której zastosowanie, ściśle mówiąc, wymaga znajomości cząstkowych moli wszystkich substancji znajdujących się w roztworze, ale w większości przypadków wielkości te są nieznane. Ponieważ dla rzek wpływających realne rozwiązania i innych termodynamicznie nieidealnych środowiskach, efekty termiczne, podobnie jak inne, w znacznym stopniu zależą od składu układu i eksperymentu. warunkach opracowano podejście ułatwiające porównanie różnych dzielnic i taksonomię efektów termicznych. Służy temu koncepcja standardowego efektu cieplnego (oznaczona). Standardowo mamy na myśli efekt termiczny realizowany (często hipotetycznie) w warunkach, w których wszystkie podmioty uczestniczące w okręgu znajdują się w zadanych warunkach. Mechanizm różnicowy i integralne standardowe efekty termiczne są zawsze liczbowo takie same. Standardowy efekt termiczny można łatwo obliczyć, korzystając z tabel standardowych ciepła tworzenia lub ciepła spalania (patrz poniżej). W przypadku ośrodków nieidealnych występuje duża rozbieżność pomiędzy faktycznie zmierzonymi a standardowymi efektami cieplnymi, o czym należy pamiętać wykorzystując efekty cieplne w obliczeniach termodynamicznych. Na przykład dla alkalicznego diacetymidu [(CH 3 CO) 2 NH (sol) + H 2 O (l) = CH 3 SOKH 2 (sol) + CH 3 COOH (l) +] w 0,8 n. Roztwór NaOH w wodzie (58% wag.) w temperaturze 298 K zmierzony efekt termiczny DH 1 = - 52,3 kJ/. Dla tego samego okręgu w warunkach standardowych uzyskano = - 18,11 kJ/. To znaczy tak wiele. różnicę wyjaśniają efekty termiczne towarzyszące substancji w określonym roztworze (ciepło). Dla ciała stałego, ciekłego kwasu octowego i ciepła są odpowiednio równe: D H 2 = 13,60; D. H. 3 = - 48,62; re H 4 = - 0,83 kJ/, więc = re H 1 - re H 2 - re H 3 + re H 4. Z przykładowego widokujednak podczas badania skutków termicznych ważne jest zmierzenie skutków termicznych towarzyszącego im związku fizyczno-chemicznego. procesy.
Badanie efektów cieplnych jest bardzo ważnym zadaniem. Podstawowy poeksperymentujmy metoda - kalorymetria. Nowoczesny Urządzenie umożliwia badanie efektów cieplnych w fazie gazowej, ciekłej, stałej, na granicy faz oraz w fazach złożonych. systemy. Zakres typowych wartości mierzonych efektów cieplnych wynosi od setek J/ do setek kJ/. W tabeli podano dane kalorymetryczne. pomiary skutków cieplnych poszczególnych dzielnic. Pomiar efektów termicznych, rozcieńczeń i ciepła pozwala na przejście od faktycznie zmierzonych efektów termicznych do standardowych.
Ważną rolę odgrywają efekty termiczne dwóch rodzajów - ciepło tworzenia związku. z proste oraz ciepło spalania substancji w czystej postaci z utworzeniem wyższych pierwiastków, z których składa się substancja. Te efekty termiczne sprowadzono do warunków standardowych i zestawiono w tabeli. Za ich pomocą łatwo jest obliczyć dowolny efekt termiczny; jest równa algebraicznej. suma ciepła powstawania lub ciepła spalania wszystkich substancji biorących udział w procesie:
Zastosowanie wartości tabelarycznych 
pozwalaobliczyć efekty termiczne w liczbie mnogiej. tysiąc rubli, choć same te wartości znane są tylko z kilku. tysiąc połączeń. Ta metoda obliczeń jest jednak nieodpowiednia dla dzielnic o małych efektach cieplnych, gdyż obliczona mała wartość uzyskana w postaci metody algebraicznej ilość kilka duże wartości, charakteryzujące się błędem, krawędzie w abs. może przekroczyć efekt termiczny. Obliczanie efektów cieplnych za pomocą wielkości 
w oparciu o fakt, że istnieje funkcja stanu. Dzięki temu możliwe jest komponowanie układów termochemicznych. równania w celu określenia efektu termicznego wymaganego rozwiązania (patrz). Prawie zawsze obliczane są standardowe efekty termiczne. Oprócz metody omówionej powyżej, obliczenia efektów cieplnych przeprowadza się przy użyciu zależności temperaturowej -eq.
Tak jak jedną z cech fizycznych człowieka jest siła fizyczna, tak najważniejszą cechą każdego wiązania chemicznego jest siła wiązania, tj. jej energia.
Przypomnijmy, że energia wiązania chemicznego to energia, która uwalnia się podczas tworzenia wiązania chemicznego lub energia, którą należy wydać, aby to wiązanie zniszczyć.
Ogólnie rzecz biorąc, reakcja chemiczna polega na przekształceniu jednej substancji w drugą. Dlatego w trakcie Reakcja chemiczna niektóre wiązania ulegają zerwaniu, a inne powstają, tj. konwersja energii.
Podstawowe prawo fizyki głosi, że energia nie pojawia się z niczego i nie znika bez śladu, a jedynie przechodzi z jednej formy w drugą. Zasada ta ze względu na swoją uniwersalność ma oczywiście zastosowanie do reakcji chemicznych.
Efekt termiczny reakcji chemicznej nazywa się ilością ciepła
uwolniony (lub zaabsorbowany) podczas reakcji i odnosi się do 1 mola przereagowanej (lub utworzonej) substancji.
Efekt cieplny jest oznaczony literą Q i zwykle mierzony w kJ/mol lub kcal/mol.
Jeśli zachodzi reakcja z wydzieleniem ciepła (Q > 0), nazywa się ją egzotermiczną, a jeśli z absorpcją ciepła (Q< 0) – эндотермической.
Jeśli schematycznie przedstawimy profil energetyczny reakcji, to w przypadku reakcji endotermicznych produkty mają wyższą energię niż reagenty, a w przypadku reakcji egzotermicznych, odwrotnie, produkty reakcji mają niższą energię (bardziej stabilne) niż reagenty.
Oczywiste jest, że im więcej substancji reaguje, tym większa jest ilość uwolnionej (lub pochłoniętej) energii, tj. efekt termiczny jest wprost proporcjonalny do ilości substancji. Zatem przypisanie efektu termicznego 1 molowi substancji wynika z chęci porównania efektów termicznych różnych reakcji.
Wykład 6. Termochemia. Efekt termiczny reakcji chemicznej Przykład 1. Podczas redukcji 8,0 g tlenku miedzi(II) wodorem powstała metaliczna miedź i para wodna oraz wydzieliło się 7,9 kJ ciepła. Oblicz efekt cieplny reakcji redukcji tlenku miedzi(II).
Rozwiązanie . Równanie reakcji: CuO (ciało stałe) + H2 (g) = Cu (solv) + H2O (g) + Q (*)
Zróbmy proporcję: przy redukcji 0,1 mola uwalnia się 7,9 kJ, przy redukcji 1 mola uwalnia się x kJ
Gdzie x = + 79 kJ/mol. Równanie (*) ma postać
CuO (stały) + H2 (np.) = Cu (stały) + H2 O (np.) +79 kJ
Równanie termochemiczne jest równaniem reakcji chemicznej, które wskazuje stan skupienia składników mieszaniny reakcyjnej (odczynników i produktów) oraz efekt termiczny reakcji.
Zatem do stopienia lodu lub odparowania wody potrzebna jest pewna ilość ciepła, natomiast przy zamarzaniu wody w stanie ciekłym lub skraplaniu się pary wodnej uwalniana jest taka sama ilość ciepła. Dlatego po wyjściu z wody jest nam zimno (parowanie wody z powierzchni ciała wymaga energii), a pocenie się ma charakter biologiczny mechanizm obronny z przegrzania organizmu. Wręcz przeciwnie, zamrażarka zamraża wodę i ogrzewa otaczające pomieszczenie, uwalniając do niego nadmiar ciepła.
Przykład ten pokazuje termiczne skutki zmian stanu skupienia wody. Ciepło topnienia (w 0o C) λ = 3,34×105 J/kg (fizyka) lub Qpl. = - 6,02 kJ/mol (chemia), ciepło parowania (parowania) (w 100o C) q = 2,26×106 J/kg (fizyka) lub Qex. = - 40,68 kJ/mol (chemia).
topienie
odparowanie |
|||||
przyk. 298.
Wykład 6. Termochemia. Efekt termiczny reakcji chemicznej Oczywiście procesy sublimacji są możliwe w przypadku ciała stałego
przechodzi w fazę gazową z pominięciem stanu ciekłego i odwrotnymi procesami osadzania (krystalizacji) z fazy gazowej, dla nich również można obliczyć lub zmierzyć efekt cieplny.
Oczywiste jest, że każda substancja ma wiązania chemiczne, dlatego każda substancja ma pewną ilość energii. Jednak nie wszystkie substancje można przekształcić w siebie w wyniku jednej reakcji chemicznej. Dlatego zgodziliśmy się na wprowadzenie stanu standardowego.
Standardowy stan skupienia– jest to stan skupienia substancji w temperaturze 298 K i ciśnieniu 1 atmosfery w najbardziej stabilnej w tych warunkach modyfikacji alotropowej.
Warunki standardowe– jest to temperatura 298 K i ciśnienie 1 atmosfery. Warunki standardowe (stan standardowy) są oznaczone indeksem 0.
Standardowe ciepło tworzenia związku jest efektem termicznym reakcji chemicznej powstawania danego związku z prostych substancji w stanie normalnym. Ciepło tworzenia związku jest oznaczone symbolem Q 0 W przypadku wielu związków standardowe ciepło tworzenia podano w podręcznikach dotyczących wielkości fizykochemicznych.
Standardowe ciepło tworzenia prostych substancji wynosi 0. Na przykład próbka Q0, 298 (O2, gaz) = 0, próbka Q0, 298 (C, ciało stałe, grafit) = 0.
Na przykład . Zapisz równanie termochemiczne powstawania siarczanu miedzi(II). Z podręcznika Q0 próbka 298 (CuSO4) = 770 kJ/mol.
Cu (stały) + S (stały) + 2O2 (g) = CuSO4 (stały) + 770 kJ.
Uwaga: równanie termochemiczne można zapisać dla dowolnej substancji, ale trzeba to zrozumieć prawdziwe życie reakcja przebiega zupełnie inaczej: z wymienionych odczynników po podgrzaniu powstają tlenki miedzi(II) i siarki(IV), ale nie powstaje siarczan miedzi(II). Ważny wniosek: równanie termochemiczne jest modelem umożliwiającym obliczenia, dobrze zgadza się z innymi danymi termochemicznymi, ale nie wytrzymuje testów praktycznych (tzn. nie jest w stanie poprawnie przewidzieć możliwości lub niemożliwości reakcji).
(Bj) - ∑ a i × Q arr 0 ,298 ja
Wykład 6. Termochemia. Efekt termiczny reakcji chemicznej
Wyjaśnienie . Żeby Was nie wprowadzić w błąd od razu dodam termodynamikę chemiczną potrafi przewidzieć możliwość/niemożliwość reakcji wymaga to jednak poważniejszych „narzędzi”, które wykraczają poza zakres szkolnego kursu chemii. Równanie termochemiczne w porównaniu z tymi technikami jest pierwszym krokiem na tle piramidy Cheopsa - nie można się bez niego obejść, ale nie można wznieść się wysoko.
Przykład 2. Oblicz efekt cieplny kondensacji wody o masie 5,8 g. Roztwór. Proces kondensacji opisuje równanie termochemiczne H2 O (g.) = H2 O (l.) + Q – kondensacja jest zwykle procesem egzotermicznym Ciepło kondensacji wody w temperaturze 25o C wynosi 37 kJ/mol (podręcznik) .
Dlatego Q = 37 × 0,32 = 11,84 kJ.
W XIX wieku rosyjski chemik Hess, badając termiczne skutki reakcji, ustalił eksperymentalnie prawo zachowania energii w odniesieniu do reakcji chemicznych - prawo Hessa.
Efekt termiczny reakcji chemicznej nie jest zależny od ścieżki procesu i jest określany jedynie różnicą pomiędzy stanem końcowym i początkowym.
Z punktu widzenia chemii i matematyki prawo to oznacza, że możemy wybrać dowolną „trajektorię obliczeniową” obliczenia procesu, ponieważ wynik nie jest od niej zależny. Z tego powodu bardzo ważne prawo Hessa ma niezwykle ważne znaczenie konsekwencja prawa Hessa.
Efekt termiczny reakcji chemicznej równa sumie ciepła tworzenia produktów reakcji minus suma ciepła tworzenia reagentów (z uwzględnieniem współczynników stechiometrycznych).
Z punktu widzenia zdrowy rozsądek Konsekwencja ta odpowiada procesowi, w którym wszystkie reagenty najpierw przekształcają się w proste substancje, które następnie ponownie łączą się, tworząc produkty reakcji.
W formie równania konsekwencja prawa Hessa wygląda następująco: Równanie reakcji: a 1 A 1 + a 2 A 2 + … + a n A n = b 1 B 1 + b 2 B 2 + … b
W tym przypadku a i oraz b j są współczynnikami stechiometrycznymi, A i są odczynnikami, B j są produktami reakcji.
Wtedy konsekwencja prawa Hessa ma postać Q = ∑ b j × Q arr 0 ,298
k Bk + Q
(Ai)
Wykład 6. Termochemia. Efekt termiczny reakcji chemicznej Od standardowych ciepła powstawania wielu substancji
a) są podsumowane w specjalnych tabelach lub b) można je wyznaczyć eksperymentalnie, wówczas możliwe staje się bardzo dokładne przewidzenie (obliczenie) efektu cieplnego duża ilość reakcje z dość dużą dokładnością.
Przykład 3. (Następstwo prawa Hessa). Oblicz efekt cieplny reformingu parowego metanu zachodzącego w fazie gazowej w warunkach normalnych:
CH4 (g) + H2O (g) = CO (g) + 3 H2 (g)
Określić, czy tę reakcję egzotermiczny czy endotermiczny?
Rozwiązanie: Wniosek z prawa Hessa
Q = 3 Q0 | G) +Q 0 | (CO, g) −Q 0 | G ) −Q 0 | O, g) - w formie ogólnej. |
|||||
przyk. 298 | przyk. 298 | przyk. 298 | przyk. 298 | ||||||
Q wersja0 | 298 (H2,g) = 0 | Prosta substancja w stanie standardowym |
|||||||
Z podręcznika znajdujemy ciepło tworzenia pozostałych składników mieszaniny.
O, g) = 241,8 | (CO, g) = 110,5 | Г) = 74,6 | |||||||||
przyk. 298 | przyk. 298 | przyk. 298 | |||||||||
Podstawienie wartości do równania
Q = 0 + 110,5 – 74,6 – 241,8 = -205,9 kJ/mol, reakcja jest wysoce endotermiczna.
Odpowiedź: Q = -205,9 kJ/mol, endotermiczny
Przykład 4. (Zastosowanie prawa Hessa). Znane ciepła reakcji
C (ciało stałe) + ½ O (g) = CO (g) + 110,5 kJ
C (ciało stałe) + O2 (g) = CO2 (g) + 393,5 kJ Znajdź efekt cieplny reakcji 2CO (g) + O2 (g) = 2CO2 (g) Rozwiązanie Pomnóż pierwsze i drugie równanie przez 2
2C (sol.) + O2 (g.) = 2CO (g.) + 221 kJ 2C (solw.) + 2O2 (g.) = 2CO2 (g.) + 787 kJ
Odejmij pierwszą wartość od drugiego równania
O2 (g) = 2CO2 (g) + 787 kJ – 2CO (g) – 221 kJ,
2CO (g) + O2 (g) = 2CO2 (g) + 566 kJ Odpowiedź: 566 kJ/mol.
Uwaga: Studiując termochemię, bierzemy pod uwagę reakcję chemiczną zachodzącą z zewnątrz (na zewnątrz). Wręcz przeciwnie, termodynamika chemiczna – nauka o zachowaniu układów chemicznych – rozpatruje układ od wewnątrz i operuje koncepcją „entalpii” H jako energii cieplnej układu. Entalpia, tak
Wykład 6. Termochemia. Efekt cieplny reakcji chemicznej ma to samo znaczenie co ilość ciepła, ale ma przeciwny znak: jeśli z układu zostanie uwolniona energia, środowisko odbiera go i nagrzewa się, ale system traci energię.
Literatura:
1. podręcznik, V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko i in., Chemia 9. klasa, akapit 19,
2. Podręcznik edukacyjno-metodyczny„Podstawy chemia ogólna" Część 1.
Opracowane przez S.G. Baram, I.N. Mironow. - Zabierz ze sobą! na następne seminarium
3. AV Manuiłow. Podstawy chemii. http://hemi.nsu.ru/index.htm
§9.1 Efekt termiczny reakcji chemicznej. Podstawowe prawa termochemii.
§9.2** Termochemia (ciąg dalszy). Ciepło tworzenia substancji z pierwiastków.
Standardowa entalpia tworzenia.
Uwaga!
Przechodzimy do rozwiązywania problemów obliczeniowych, dlatego kalkulator jest teraz pożądany na seminariach z chemii.
Każdej reakcji chemicznej towarzyszy uwolnienie lub absorpcja energii w postaci ciepła.
Rozróżniają na podstawie uwalniania lub pochłaniania ciepła egzotermiczny I endotermiczny reakcje.
Egzotermiczny reakcje to reakcje, podczas których wydziela się ciepło (+Q).
Reakcje endotermiczne to reakcje, podczas których pochłaniane jest ciepło (-Q).
Efekt termiczny reakcji (Q) to ilość ciepła uwalnianego lub pochłanianego podczas interakcji określonej ilości odczynników początkowych.
Równanie termochemiczne to równanie określające efekt termiczny reakcji chemicznej. Na przykład równania termochemiczne są następujące:
Należy również zauważyć, że równania termochemiczne muszą koniecznie zawierać informacje o stanach skupienia odczynników i produktów, ponieważ od tego zależy wartość efektu termicznego.
Obliczenia efektu cieplnego reakcji
Przykład typowego problemu ze znalezieniem efektu termicznego reakcji:
Gdy 45 g glukozy reaguje z nadmiarem tlenu zgodnie z równaniem
C 6 H 12 O 6 (ciało stałe) + 6O 2 (g) = 6CO 2 (g) + 6H 2 O (g) + Q
Wydzieliło się 700 kJ ciepła. Określ efekt termiczny reakcji. (Wpisz liczbę z dokładnością do najbliższej liczby całkowitej.)
Rozwiązanie:
Obliczmy ilość glukozy:
n(C 6 H 12 O 6) = m(C 6 H 12 O 6) / M(C 6 H 12 O 6) = 45 g / 180 g/mol = 0,25 mol
Te. Kiedy 0,25 mola glukozy wchodzi w interakcję z tlenem, wydziela się 700 kJ ciepła. Z równania termochemicznego przedstawionego w warunku wynika, że oddziaływanie 1 mola glukozy z tlenem wytwarza ilość ciepła równą Q (efekt termiczny reakcji). Wtedy prawidłowa jest proporcja:
0,25 mola glukozy - 700 kJ
1 mol glukozy – Q
Z tej proporcji wynika odpowiednie równanie:
0,25 / 1 = 700 / Q
Rozwiązując które, stwierdzamy, że:
Zatem efekt termiczny reakcji wynosi 2800 kJ.
Obliczenia z wykorzystaniem równań termochemicznych
Znacznie częściej w Zadania z egzaminu jednolitego stanu w termochemii wartość efektu cieplnego jest już znana, ponieważ warunek daje pełne równanie termochemiczne.
W takim przypadku konieczne jest obliczenie ilości ciepła wydzielonego/pochłoniętego przy znanej ilości odczynnika lub produktu, lub odwrotnie, znana wartość ciepło, wymagane jest określenie masy, objętości lub ilości substancji dowolnego uczestnika reakcji.
Przykład 1
Zgodnie z równaniem reakcji termochemicznej
3Fe 3 O 4 (tv.) + 8Al (tv.) = 9Fe (tv.) + 4Al 2 O 3 (tv.) + 3330 kJ
Powstało 68 g tlenku glinu. Ile ciepła zostało uwolnione? (Wpisz liczbę z dokładnością do najbliższej liczby całkowitej.)
Rozwiązanie
Obliczmy ilość substancji tlenku glinu:
n(Al 2 O 3) = m(Al 2 O 3) / M(Al 2 O 3) = 68 g / 102 g/mol = 0,667 mol
Zgodnie z termochemicznym równaniem reakcji, gdy powstają 4 mole tlenku glinu, uwalnia się 3330 kJ. W naszym przypadku powstaje 0,6667 mola tlenku glinu. Oznaczając ilość wydzielonego w tym przypadku ciepła przez x kJ, tworzymy proporcję:
4 mole Al 2 O 3 - 3330 kJ
0,667 mol Al 2 O 3 - x kJ
Proporcja ta odpowiada równaniu:
4 / 0,6667 = 3330 / x
Rozwiązując to, stwierdzamy, że x = 555 kJ
Te. gdy zgodnie z równaniem termochemicznym w danym stanie utworzy się 68 g tlenku glinu, wydziela się 555 kJ ciepła.
Przykład 2
W wyniku reakcji, której równanie termochemiczne
4FeS 2 (tv.) + 11O 2 (g) = 8SO 2 (g) + 2Fe 2 O 3 (tv.) + 3310 kJ
Wydzieliło się 1655 kJ ciepła. Określ objętość (l) uwolnionego dwutlenku siarki (liczba). (Wpisz liczbę z dokładnością do najbliższej liczby całkowitej.)
Rozwiązanie
Zgodnie z termochemicznym równaniem reakcji, gdy powstaje 8 moli SO 2, wydziela się 3310 kJ ciepła. W naszym przypadku wydzieliło się 1655 kJ ciepła. Niech ilość SO2 utworzonego w tym przypadku będzie wynosić x mol. Wtedy sprawiedliwa jest następująca proporcja:
8 moli SO2 - 3310 kJ
x mol SO2 - 1655 kJ
Z czego wynika równanie:
8 / x = 3310 / 1655
Rozwiązując które, stwierdzamy, że:
Zatem ilość substancji SO2 utworzonej w tym przypadku wynosi 4 mole. Dlatego jego objętość jest równa:
V(SO 2) = V m ∙ n(SO 2) = 22,4 l/mol ∙ 4 mol = 89,6 l ≈ 90 l(w zaokrągleniu do liczb całkowitych, ponieważ jest to wymagane w warunku).
Można znaleźć bardziej przeanalizowane problemy dotyczące termicznego efektu reakcji chemicznej.
Efekt termiczny reakcji ilość ciepła wydzielanego lub pochłanianego przez układ w wyniku reakcji chemicznej. Może to być H (P,T = const) lub U (V,T = const).
Jeżeli w wyniku reakcji wydziela się ciepło, tj. entalpia układu maleje ( N 0 ), wówczas nazywa się reakcję egzotermiczny.
Reakcje, którym towarzyszy absorpcja ciepła, tj. wraz ze wzrostem entalpii układu ( N 0), nazywają się e nietermiczny.
Podobnie jak inne funkcje stanu, entalpia zależy od ilości substancji, dlatego jest skalowana ( N) zwykle odnosi się do 1 mola substancji i wyraża się w kJ/mol.
Zazwyczaj funkcje systemu są określane przez standardowe warunki, który oprócz standardowych parametrów stanu obejmuje temperaturę standardową T = 298,15 K (25C). Temperatura jest często wskazywana jako indeks dolny ().
5.3. Równania termochemiczne
Równania reakcji termochemicznych równania określające efekt cieplny, warunki reakcji i stany skupienia substancji. Zwykle entalpię reakcji określa się jako efekt termiczny. Na przykład,
C (grafit) + O 2 (gaz) = CO 2 (gaz), H 0 298 = -396 kJ.
Efekt cieplny można zapisać w równaniu reakcji:
C (grafit) + O 2 (gaz) = CO 2 (gaz) + 396 kJ.
W termodynamice chemicznej częściej stosuje się pierwszą formę zapisu.
Cechy równań termochemicznych.
1. Efekt termiczny zależy od masy reagenta, po-
Dlatego zwykle oblicza się go na mol substancji. W związku z tym można zastosować równania termochemiczne ułamkowe szanse. Na przykład dla przypadku powstania jednego mola chlorowodoru równanie termochemiczne zapisuje się w następujący sposób:
½H 2 + ½Cl 2 = HCl, H 0,298 = 92 kJ
lub H 2 + Cl 2 = 2HCl, H 0 298 = –184 kJ.
2. Efekty termiczne zależą od stanu skupienia odczynników; w równaniach termochemicznych oznacza się to wskaźnikami: I płyn, G- gazowy, T ciężko lub Do - krystaliczny, R– rozpuszczony.
Na przykład: H 2 + ½ O 2 = H 2 O (l), H 0 298 = -285,8 kJ.
H 2 + ½ O 2 = H 2 O (g), H 0 298 = 241,8 kJ.
3. Na równaniach termochemicznych można wykonywać operacje algebraiczne (można je dodawać, odejmować, mnożyć przez dowolne współczynniki wraz z efektem termicznym).
Równania termochemiczne pełniej niż zwykłe odzwierciedlają zmiany zachodzące podczas reakcji - pokazują nie tylko skład jakościowy i ilościowy odczynników i produktów, ale także ilościowe przemiany energii towarzyszące tej reakcji.
5.4. Prawo Hessa i jego konsekwencje
Obliczenia termochemiczne opierają się na prawie odkrytym przez rosyjskiego naukowca G. I. Hessa (1841). Jego istota jest następująca: efekt termiczny reakcji chemicznej zależy tylko od stanu początkowego i końcowego układu, ale nie zależy od szybkości i ścieżki procesu, czyli od liczby etapów pośrednich. Oznacza to w szczególności, że reakcje termochemiczne można dodawać wraz z ich efektami termicznymi. Na przykład powstawanie CO2 z węgla i tlenu można przedstawić za pomocą następującego schematu:
C+O 2 H 1 WSPÓŁ 2 1. C (wykres) + O 2 (g) = CO 2 (g), H 0 1 = -396 kJ.
2. C (wykres) + 1/2O 2 (g) = CO (g), H 0 2 = X kJ.
Н 2 Н 3
3. CO (g) + 1/2O 2 (g) = CO 2 (g), H 0 3 = 285,5 kJ.
CO +½ O 2
Wszystkie trzy z tych procesów są szeroko stosowane w praktyce. Jak wiadomo, skutki termiczne powstawania CO 2 (H 1) i spalania CO (H 3) określa się eksperymentalnie. Efektu cieplnego powstawania CO (H 2) nie można zmierzyć eksperymentalnie, ponieważ podczas spalania węgla w warunkach braku tlenu powstaje mieszanina CO i CO 2. Można jednak obliczyć entalpię reakcji tworzenia CO z prostych substancji.
Z prawa Hessa wynika, że H 0 1 = H 0 2 + H 0 3. Stąd,
H 0 2 = H 0 1 H 0 3 = 396 (285,5) = 110,5 (kJ) - jest to wartość prawdziwa
Zatem, korzystając z prawa Hessa, można znaleźć ciepło reakcji, którego nie można wyznaczyć eksperymentalnie.
W obliczeniach termochemicznych powszechnie stosuje się dwie konsekwencje prawa Hessa. Według pierwszego, efekt termiczny reakcji jest równy sumie entalpii tworzenia produktów reakcji minus suma entalpii tworzenia substancji wyjściowych (odczynników).
N 0 godz. = N szturchać · H 0 ƒ szturchać - N ref · N 0 ƒ odczynniki ,
gdzie n jest ilością substancji; Н 0 ƒ standardowa entalpia (ciepło) tworzenia substancji.
Efekt termiczny reakcji tworzenia 1 mola substancji złożonej z substancji prostych, określony w warunkach standardowych, nazywany jest standardową entalpią tworzenia tej substancji (obraz H 0 lub H 0 ƒ kJ/mol).
Ponieważ nie można określić entalpii absolutnej substancji, do pomiarów i obliczeń konieczne jest określenie pochodzenia, to znaczy układu i warunków, dla których przyjmuje się wartość : H = 0. W termodynamice stany prostych substancji w ich najbardziej stabilnych formach przy normalne warunki- w stanie standardowym.
Na przykład: H 0 ƒ (O 2) = 0, ale H 0 ƒ (O 3) = 142,3 kJ/mol. Dla wielu substancji wyznaczono standardowe entalpie tworzenia i wymieniono je w podręcznikach (tabela 5.1).
Generalnie dla reakcji aA + bB = cC + dD entalpię, zgodnie z wnioskiem pierwszym, wyznacza równanie:
H 0 298 godz. = (cН 0 ƒ, C + dН 0 ƒ, E) (аH 0 ƒ, A + вH 0 ƒ, B).
Druga konsekwencja prawa Hessa dotyczy substancji organicznych. Efekt cieplny reakcji z udziałem substancji organicznych jest równy sumie ciepła spalania reagentów minus ciepła spalania produktów.
W tym przypadku ciepło spalania określa się przy założeniu całkowitego
spalanie: węgiel utlenia się do CO 2, wodór do H 2 O, azot do N 2.
Nazywa się efekt termiczny reakcji utleniania pierwiastków tworzących substancję z tlenem do tworzenia wyższych tlenków ciepło spalania tej substancji(H 0 st.). W tym przypadku oczywiste jest, że ciepło spalania O 2, CO 2, H 2 O, N 2 przyjmuje się jako równe zeru.
Tabela 5.1
Stałe termodynamiczne niektórych substancji
|
Substancja |
Н 0 f, 298, kJ/mol |
S 0 298 , J/molK |
G 0 f, 298, kJ/mol |
Substancja |
Н 0 f , 298, kJ/mol |
J/molK |
G 0 f, 298, |
|
C(grafit) | |||||||
Na przykład ciepło spalania etanolu
C 2 H 5 OH (l) + 3O 2 = 2CO 2 + 3H 2 O (g)
H 0 godz. = Н 0 сг (C 2 H 5 OH) = 2Н 0 ƒ, (CO 2)+3Н 0 ƒ, (H 2 O) Н 0 ƒ, (C 2 H 5 OH).
Н 0 сг (C 2 H 5 OH) = 2(393,5) + 3(241,8) – (277,7) = 1234,7 kJ/mol.
Wartości kaloryczne podane są także w podręcznikach.
Przykład 1. Określ efekt termiczny reakcji odwodnienia etanolu, jeśli
H 0 sg (C 2 H 4) =1422,8 H 0 sg (H 2 O) = 0; Н 0 сг (C 2 H 5 OH) = -1234,7 (kJ/mol).
Rozwiązanie. Zapiszmy reakcję: C 2 H 5 OH (l) = C 2 H 4 + H 2 O.
Zgodnie z drugim wnioskiem, efekt cieplny reakcji określamy na podstawie ciepła spalania, które podano w podręczniku:
H 0 298 x.p = H 0 sg (C 2 H 5 OH) H 0 sg (C 2 H 4) H 0 sg (H 2 O) =
1234,7 + 1422,8 = 188,1 kJ/mol.
W technologii charakteryzowania właściwości termicznych poszczególne gatunki paliwa zwykle z nich korzystają Wartość opałowa.
Wartość opałowa paliwem nazywamy efektem cieplnym, który odpowiada spaleniu jednostki masy (1 kg) dla paliw stałych i ciekłych lub jednostki objętości (1 m3) dla paliw gazowych (tabela 5.2).
Tabela 5.2
Wartość kaloryczna i skład niektórych
zwykłych paliw
|
Wartość opałowa, |
||||
|
tlen | ||||
|
Antracyt* | ||||
|
Starożytny węgiel | ||||
|
Natura gaz | ||||
|
Surowy olej | ||||
*Antracyt to węgiel kamienny o maksymalnej zawartości węgla (94-96%).
Wodór jest najskuteczniejszym chemicznym nośnikiem energii dla energetyki, transportu i technologii przyszłości, ponieważ ma bardzo wysoką wartość opałową (tabela 4.2), jest stosunkowo łatwy w transporcie, a podczas jego spalania powstaje wyłącznie woda, tj. Jest to paliwo „czyste” i nie zanieczyszczające powietrza. Jednak jego powszechne wykorzystanie jako źródła energii utrudnia zbyt niska zawartość wodoru w przyrodzie w stanie wolnym. Bardzo Wodór powstaje w wyniku rozkładu wody lub węglowodorów. Taki rozkład wymaga jednak dużo energii, a w praktyce ze względu na straty cieplne na wytworzenie wodoru trzeba wydać więcej energii, niż można wówczas uzyskać. W przyszłości, jeśli uda się wytworzyć duże i tanie źródła energii (np. w wyniku rozwoju technologii wytwarzania energii jądrowej czy słonecznej), jej część będzie wykorzystywana do produkcji wodoru. Wielu naukowców jest przekonanych, że energią przyszłości jest energia wodorowa.
Korzystając z prawa Hessa i jego konsekwencji, można wyznaczyć wiele wielkości, także tych, które nie są wyznaczone eksperymentalnie, jeśli reakcję odpowiadającą nieznanej wielkości można uzyskać dodając inne reakcje o znanych charakterystykach.
Przykład 2. Na podstawie wartości opałowej CH 4 (H 0 сг =890 kJ/mol) i Н 2 (Н 0 сг =286 kJ/mol) oblicz wartość opałową gazu zawierającego 60% wodoru i 40% metan CH4.
Rozwiązanie. Napiszmy równania termochemiczne reakcji spalania:
1) H 2 +½O 2 = H 2 O (l);H 0 f (H 2 O) = -286 kJ/mol;
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O (l);H 0 2
H 0 2 = H 0 ƒ, (CO 2) + 2H 0 ƒ, (H 2 0)H 0 ƒ, (CH 4) =3932. 286 + 75 =890 kJ/mol.
1 m 3 gazu zawiera 600 litrów H 2 i 400 litrów CH 4, czyli H 2 i CH 4. Wartość opałowa gazu będzie wynosić:
kJ/m3.
Przykład 3. Korzystając z danych z tabeli 5.1, oblicz efekt cieplny reakcji spalania etylenu: C 2 H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2H 2 O (g).
Rozwiązanie. Z tabeli 5.1 zapisujemy wartości entalpii tworzenia substancji biorących udział w reakcji (w kJ/mol):
H 0 ƒ, co 2 =393,5;H 0 ƒ, s 2 n 4 = 52,3;H 0 ƒ, n 2 o =241,8.
(Przypomnijmy, że entalpia tworzenia prostych substancji wynosi zero.)
Zgodnie z wnioskiem z prawa Hessa (4.4):
H 0 298 x.r =n cd · Н 0 ƒ , cd. n ref · N 0 ƒ , ref = 2N 0 ƒ , с 2 + 2Н 0 ƒ , р 2 оН 0 ƒ , с 2 Н 4 =
2. (393,5) + 2 . (241,8)52,3 =1322,9 kJ.
Przykład 4. Na podstawie efektu termicznego reakcji
3CaO (t) + P 2 O 5 (t) = Ca 3 (PO 4) 2 (t),H 0 =739 kJ,
określić entalpię tworzenia ortofosforanu wapnia.
Rozwiązanie. Zgodnie z wnioskiem z prawa Hessa:
H 0 298 х.р =Н 0 ƒ, Ca 3 (PO 4) 2 (3Н 0 ƒ, CaO + Н 0 ƒ, P 2 O 5).
Ze stołu 4.1: H 0 ƒ, (CaO) =635,5;H 0 ƒ, (P 2 O 5) =1492 (kJ/mol).
H 0 ƒ, Ca 3 (PO 4) 2 =739 + 3. (635,5)1492 =4137,5 kJ/mol.
Przykład 5. Napisz równanie termochemiczne reakcji spalania stałej siarki w N 2 O, jeśli wiadomo, że podczas spalania 16 g siarki wydziela się 66,9 kJ ciepła (zakłada się, że przy pomiarze ciepła temperatura produktów spada do temperatura reagentów równa 298 K).
Rozwiązanie. Aby napisać równanie termochemiczne, należy obliczyć efekt termiczny reakcji:
S (t) + 2N 2 O (g) = SO 2 (g) + 2N 2 (g) ;H 0 = X kJ.
Zgodnie z warunkami zadania wiadomo, że podczas spalania 16 g siarki uwalnia się 66,9 kJ, a w reakcji bierze udział 32 g siarki. Zróbmy proporcję:
16g 66,9 kJ
32g X kJ X = 133,8 kJ.
Zatem równanie termochemiczne zapisuje się w następujący sposób:
S (t) + 2N 2 O (g) = SO 2 (g) + 2N 2 (g) ,H 0 x..r. =133,8 kJ.
(Ponieważ wydziela się ciepło, reakcja jest egzotermiczna, H 0 0).
Przykład 6. Jaka ilość ciepła zostanie wydzielona, gdy 5,6 litra wodoru połączy się z chlorem (n.o.), jeśli entalpia tworzenia chlorowodoru będzie równa -91,8 kJ/mol (temperatura produktów i odczynników wynosi 25C).
Rozwiązanie.H 0 ƒ , (HCl) = -91,8 kJ/mol, oznacza to, że gdy z prostych substancji powstanie jeden mol HCl, wydziela się 91,8 kJ ciepła, co odpowiada równaniu termochemicznemu:
½Cl 2 +½ H 2 =HCl,H 0 ƒ =91,8 kJ.
Z równania wynika, że na otrzymanie 1 mola HCl zużywa się 0,5 mola H2, czyli 0,5·22,4 l = 11,2 l. Zróbmy proporcję:
11,2 l 91,8 kJ
5,6 l XX= 45,19 kJ.
Odpowiedź: wydzieli się 45,19 kJ ciepła.
Przykład 7. Wyznacz entalpię tworzenia tlenku żelaza(III) na podstawie trzech równań termochemicznych (nie korzystaj z podręcznika):
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2, H 0 1 = 26,5 kJ;
C (grafit) +½O 2 = CO,H 0 2 =110,4 kJ;
CO 2 = C (grafit) + O 2,H 0 3 = + 393,3 kJ.
Rozwiązanie: Zapiszmy równanie, którego efekt cieplny należy określić:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; H 0 4 = 2X kJ.
Aby otrzymać czwarte z pierwszych trzech równań, należy pomnożyć równanie 1) przez (2), a równania 2) i 3) przez (6) i dodać:
1) 4Fe + 6CO 2 = 2Fe 2 O 3 + 6CO, H 0 1 = 2·(+26,5) kJ;
2) 6CO = 6C (grafit) + 3O 2,H 0 2 = 6·(+110,4) kJ;
3) 6C (grafit) + 6O 2 = 6CO 2 ,H 0 3 = 6·(393,3) kJ;
H 0 4 = 2H 0 1 + 6H 0 2 + 6H 0 3 = +53 + 662,42359,8 =1644,4 kJ.
Stąd H 0 ƒ (Fe 2 O 3) = 822,2 kJ/mol.
Wstęp
Efekty termiczne reakcji chemicznych są niezbędne w wielu obliczeniach technicznych. Znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a także w opracowaniach wojskowych.
Celem tego praca na kursie to nauka o praktycznym zastosowaniu efektu cieplnego. Przyjrzymy się niektórym możliwościom jego wykorzystania i dowiemy się, jak ważne jest wykorzystanie efektów termicznych reakcji chemicznych w kontekście rozwoju nowoczesnych technologii.
Efekt termiczny reakcji chemicznej
Każda substancja magazynuje określoną ilość energii. Z tą właściwością substancji spotykamy się już przy śniadaniu, obiedzie czy kolacji, gdyż pożywienie pozwala naszemu organizmowi korzystać z energii różnorodnych źródeł. związki chemiczne zawarte w żywności. W organizmie energia ta zamieniana jest na ruch, pracę i wykorzystywana jest do utrzymania stałej (i dość wysokiej!) temperatury ciała.
Jednym z najbardziej znanych naukowców zajmujących się termochemią jest Berthelot. Berthelot – profesor chemii w Wyższej Szkole Farmaceutycznej w Paryżu (1859). Minister Edukacji i Spraw Zagranicznych.
Od 1865 roku Berthelot aktywnie zajmował się termochemią i prowadził szeroko zakrojone badania kalorymetryczne, które doprowadziły w szczególności do wynalezienia „bomby kalorymetrycznej” (1881); jest właścicielem koncepcji reakcji „egzotermicznych” i „endotermicznych”. Berthelot uzyskał obszerne dane na temat skutków termicznych ogromnej liczby reakcji, ciepła rozkładu i powstawania wielu substancji.
Berthelot badał wpływ materiałów wybuchowych: temperaturę wybuchu, prędkość spalania i propagację fali uderzeniowej itp.
Energia związków chemicznych koncentruje się głównie w wiązaniach chemicznych. Aby rozerwać wiązanie między dwoma atomami, potrzeba energii. Kiedy tworzy się wiązanie chemiczne, uwalniana jest energia.
Każda reakcja chemiczna polega na zerwaniu jednych wiązań chemicznych i utworzeniu innych.
Kiedy w wyniku reakcji chemicznej podczas tworzenia nowych wiązań uwalnia się więcej energii, niż było to potrzebne do zniszczenia „starych” wiązań w substancjach wyjściowych, nadmiar energii zostaje uwolniony w postaci ciepła. Przykładem są reakcje spalania. Na przykład gaz ziemny (metan CH 4) spala się w tlenie zawartym w powietrzu, wydzielając dużą ilość ciepła (ryc. 1a). Takie reakcje są egzotermiczne.
Reakcje zachodzące z wydzieleniem ciepła wykazują dodatni efekt termiczny (Q>0, DH<0) и называются экзотермическими.
W innych przypadkach zniszczenie wiązań w substancjach pierwotnych wymaga więcej energii, niż można uwolnić podczas tworzenia nowych wiązań. Reakcje takie zachodzą tylko wtedy, gdy energia jest dostarczana z zewnątrz i nazywane są endotermicznymi.
Reakcje zachodzące podczas pochłaniania ciepła z otoczenia (Q<0, DH>0), tj. z ujemnym efektem termicznym, są endotermiczne.
Przykładem jest powstawanie tlenku węgla (II) CO i wodoru H2 z węgla i wody, które zachodzi dopiero po podgrzaniu (rys. 1b).
Ryż. 1a,b. Przedstawienie reakcji chemicznych za pomocą modeli molekularnych: a) reakcja egzotermiczna, b) reakcja endotermiczna. Modele wyraźnie pokazują, jak przy stałej liczbie atomów pomiędzy nimi stare wiązania chemiczne ulegają zniszczeniu i powstają nowe.
Zatem każdej reakcji chemicznej towarzyszy uwolnienie lub absorpcja energii. Najczęściej energia jest uwalniana lub pochłaniana w postaci ciepła (rzadziej w postaci światła lub energii mechanicznej). To ciepło można zmierzyć. Wynik pomiaru wyraża się w kilodżulach (kJ) na jeden mol reagenta lub (rzadziej) na jeden mol produktu reakcji. Wielkość ta nazywana jest efektem termicznym reakcji.
Efekt cieplny to ilość ciepła wydzielanego lub pochłanianego przez układ chemiczny, gdy zachodzi w nim reakcja chemiczna.
Efekt cieplny jest oznaczony symbolami Q lub DH (Q = -DH). Jego wartość odpowiada różnicy między energiami początkowego i końcowego stanu reakcji:
DH = Hfin.-Nish. = Efin.-Eut.
Ikony (d), (g) wskazują stan gazowy i ciekły substancji. Istnieją również oznaczenia (tv) lub (k) - substancja stała, krystaliczna, (aq) - substancja rozpuszczona w wodzie itp.
Ważne jest oznaczenie stanu skupienia substancji. Na przykład w reakcji spalania wodoru woda początkowo tworzy się w postaci pary (w stanie gazowym), po skropleniu której może zostać uwolniona większa ilość energii. W związku z tym w przypadku tworzenia się wody w postaci cieczy zmierzony efekt cieplny reakcji będzie nieco większy niż w przypadku tworzenia samej pary, ponieważ gdy para się skrapla, zostanie uwolniona kolejna porcja ciepła.
Wykorzystuje się także szczególny przypadek termicznego efektu reakcji – ciepło spalania. Z samej nazwy jasno wynika, że ciepło spalania służy do scharakteryzowania substancji stosowanej jako paliwo. Ciepło spalania odnosi się do 1 mola substancji będącej paliwem (reduktorem w reakcji utleniania), np.:
|
acetylen |
ciepło spalania acetylenu |
Energię (E) zmagazynowaną w cząsteczkach można wykreślić na skali energetycznej. W tym przypadku efekt termiczny reakcji ( E) można przedstawić graficznie (ryc. 2).
Ryż. 2. Graficzne przedstawienie efektu cieplnego (Q = E): a) egzotermiczna reakcja spalania wodoru; b) endotermiczna reakcja rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego. Współrzędną reakcji (oś pozioma wykresu) można uznać na przykład za stopień konwersji substancji (100% to całkowita konwersja substancji wyjściowych).
Równania reakcji chemicznych
Równania reakcji chemicznych, w których zapisywany jest efekt termiczny reakcji wraz z odczynnikami i produktami, nazywane są równaniami termochemicznymi.
Osobliwością równań termochemicznych jest to, że podczas pracy z nimi można przenosić wzory substancji i wielkość efektów termicznych z jednej części równania do drugiej. Z reguły nie można tego zrobić za pomocą zwykłych równań reakcji chemicznych.
Dozwolone jest również dodawanie i odejmowanie terminów w równaniach termochemicznych. Może to być konieczne do określenia skutków termicznych reakcji, które są trudne lub niemożliwe do zmierzenia eksperymentalnie.
Podajmy przykład. W laboratorium jest to niezwykle trudne do przeprowadzenia czysta forma„reakcja wytwarzania metanu CH4 poprzez bezpośrednie połączenie węgla z wodorem:
C + 2H 2 = CH 4
Ale możesz dowiedzieć się wiele o tej reakcji poprzez obliczenia. Dowiedz się na przykład, czy ta reakcja będzie egzo- czy endotermiczna, a nawet oblicz ilościowo wielkość efektu termicznego.
Znane są termiczne skutki reakcji spalania metanu, węgla i wodoru (reakcje te zachodzą łatwo):
a) CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (l) + 890 kJ
b) C(tv) + O 2 (g) = CO 2 (g) + 394 kJ
c) 2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (l) + 572 kJ
Odejmijmy dwa ostatnie równania (b) i (c) od równania (a). Odejmiemy lewą stronę równań od lewej i prawą stronę od prawej. W tym przypadku wszystkie cząsteczki O 2, CO 2 i H 2 O ulegną skurczeniu. Otrzymujemy:
CH 4 (g) - C (tv) - 2H 2 (g) = (890 - 394 - 572) kJ = -76 kJ
To równanie wygląda dość nietypowo. Pomnóżmy obie strony równania przez (-1) i przesuńmy CH 4 na prawą stronę z przeciwnym znakiem. Otrzymujemy równanie potrzebne do powstania metanu z węgla i wodoru:
C(tv) + 2H 2 (g) = CH 4 (g) + 76 kJ/mol
Zatem nasze obliczenia wykazały, że efekt termiczny powstawania metanu z węgla i wodoru wynosi 76 kJ (na mol metanu), a proces ten musi być egzotermiczny (w tej reakcji zostanie uwolniona energia).
Należy zwrócić uwagę na fakt, że w równaniach termochemicznych można dodawać, odejmować i redukować słowo po wyrazie tylko substancje znajdujące się w identycznych stanach skupienia, w przeciwnym razie popełnimy błąd przy określaniu wpływu termicznego na wartość ciepła przejścia z jednego stanu skupienia do drugiego.
Podstawowe prawa termochemii
Dział chemii zajmujący się badaniem przemian energii w reakcjach chemicznych nazywa się termochemią.
Istnieją dwa najważniejsze prawa termochemii. Pierwsze z nich, prawo Lavoisiera–Laplace’a, sformułowane jest w sposób następujący:
Efekt termiczny reakcji postępującej jest zawsze równy efektowi termicznemu reakcji odwrotnej o przeciwnym znaku.
Oznacza to, że podczas powstawania dowolnego związku uwalniana (pochłaniana) jest taka sama ilość energii, jaka jest absorbowana (uwalniana) podczas jego rozkładu na substancje pierwotne. Na przykład:
2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (l) + 572 kJ (spalanie wodoru w tlenie)
2 H 2 O (l) + 572 kJ = 2H 2 (g) + O 2 (g) (rozkład wody pod wpływem prądu elektrycznego)
Prawo Lavoisiera – Laplace’a jest konsekwencją prawa zachowania energii.
Drugą zasadę termochemii sformułował w 1840 roku rosyjski akademik G. I. Hess:
Efekt termiczny reakcji zależy tylko od stanu początkowego i końcowego substancji i nie zależy od etapów pośrednich procesu.
Oznacza to, że całkowity efekt termiczny serii kolejnych reakcji będzie taki sam, jak w przypadku każdej innej serii reakcji, jeśli substancje początkowe i końcowe będą takie same na początku i na końcu tej serii. Te dwie podstawowe prawa termochemii nadają równaniom termochemicznym pewne podobieństwo do równań matematycznych, gdy w równaniach reakcji można przenosić wyrazy z jednej części na drugą, dodawać, odejmować i redukować wzory związków chemicznych termin po wyrazie. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę współczynniki w równaniach reakcji i nie zapominać, że substancje dodawane, odejmowane lub redukowane molami muszą znajdować się w tym samym stanie agregacji.
Zastosowanie efektu cieplnego w praktyce
Efekty termiczne reakcji chemicznych są potrzebne w wielu obliczeniach technicznych. Weźmy na przykład potężną rosyjską rakietę Energia, zdolną do wyniesienia na orbitę statku kosmicznego i innych ładunków. Silniki jednego z jego etapów działają na skroplonych gazach - wodorze i tlenie.
Załóżmy, że znamy pracę (w kJ), jaką trzeba będzie włożyć, aby dostarczyć rakietę z ładunkiem z powierzchni Ziemi na orbitę, znamy także pracę niezbędną do pokonania oporu powietrza i innych kosztów energii podczas lotu. Jak obliczyć wymagany zapas wodoru i tlenu, które (w stanie skroplonym) wykorzystywane są w tej rakiecie jako paliwo i utleniacz?
Bez efektu termicznego reakcji tworzenia się wody z wodoru i tlenu jest to trudne. W końcu efekt termiczny to właśnie energia, która powinna wynieść rakietę na orbitę. W komorach spalania rakiety ciepło to zamieniane jest na energię kinetyczną cząsteczek gorącego gazu (pary), która wydostaje się z dysz i wytwarza ciąg strumieniowy.
W przemyśle chemicznym efekty termiczne potrzebne są do obliczenia ilości ciepła potrzebnej do ogrzania reaktorów, w których zachodzą reakcje endotermiczne. W energetyce produkcja energii cieplnej obliczana jest na podstawie ciepła spalania paliwa.
Dietetycy wykorzystują termiczne skutki utleniania produkty żywieniowe w organizmie, aby stworzyć odpowiednią dietę nie tylko dla pacjentów, ale także dla ludzi zdrowych – sportowców, pracowników różnych zawodów. Tradycyjnie w obliczeniach nie używa się tutaj dżuli, ale inne jednostki energii - kalorie (1 cal = 4,1868 J). Wartość energetyczna żywności odnosi się do dowolnej masy produktu spożywczego: 1 g, 100 g lub nawet standardowego opakowania produktu. Przykładowo na etykiecie słoika skondensowanego mleka można przeczytać następujący napis: „zawartość kalorii 320 kcal/100 g”.
Efekt termiczny oblicza się przy wytwarzaniu monometyloaniliny, która należy do klasy podstawionych amin aromatycznych. Głównym obszarem zastosowania monometyloaniliny jest dodatek przeciwstukowy do benzyny. Monometyloanilinę można wykorzystać do produkcji barwników. Handlową monometyloanilinę (N-metyloanilinę) wyodrębnia się z katalizatu w drodze okresowej lub ciągłej rektyfikacji. Efekt cieplny reakcji ∆Н= -14±5 kJ/mol.
Powłoki żaroodporne
Rozwój technologii wysokotemperaturowej wymusza tworzenie materiałów szczególnie żaroodpornych. Problem ten można rozwiązać za pomocą metali ogniotrwałych i żaroodpornych. Powłoki międzymetaliczne cieszą się coraz większym zainteresowaniem, ponieważ mają wiele cennych właściwości: odporność na utlenianie, agresywne topienie, odporność na ciepło itp. Interesująca jest także znaczna egzotermia tworzenia się tych związków z ich pierwiastków składowych. Istnieją dwa możliwe sposoby wykorzystania egzotermiczności reakcji do tworzenia związków międzymetalicznych. Pierwsza to produkcja proszków kompozytowych, dwuwarstwowych. Po podgrzaniu składniki proszku oddziałują ze sobą, a ciepło reakcji egzotermicznej kompensuje wychłodzenie cząstek, docierając do zabezpieczanej powierzchni w stanie całkowicie stopionym i tworząc niskoporowatą powłokę mocno przylegającą do podłoża. Inną opcją byłoby zastosowanie mechanicznej mieszaniny proszków. Gdy cząstki zostaną dostatecznie ogrzane, oddziałują już w warstwie powłoki. Jeżeli wielkość efektu termicznego jest znaczna, może to prowadzić do samostopienia się warstwy powłoki, utworzenia pośredniej warstwy dyfuzyjnej, która zwiększa siłę przyczepności i uzyskania gęstej, niskoporowatej struktury powłoki. Wybierając kompozycję, która tworzy powłokę międzymetaliczną o doskonałym działaniu termicznym i ma wiele cennych właściwości - odporność na korozję, wystarczającą odporność na ciepło i odporność na zużycie, uwagę zwracają glinki niklu, w szczególności NiAl i Ni 3 Al. Powstawaniu NiAl towarzyszy maksymalny efekt termiczny.
Termochemiczna metoda obróbki diamentów
Metoda „termochemiczna” swoją nazwę wzięła od tego, że zachodzi w podwyższonych temperaturach i opiera się na wykorzystaniu chemicznych właściwości diamentu. Metoda przebiega w następujący sposób: diament kontaktuje się z metalem zdolnym do rozpuszczenia węgla i aby proces rozpuszczania lub przetwarzania przebiegał w sposób ciągły, przeprowadza się go w atmosferze gazowej oddziałującej z węglem rozpuszczonym w metalu, ale nie reaguje bezpośrednio z diamentem. Podczas procesu wielkość efektu cieplnego przyjmuje dużą wartość.
Aby określić optymalne warunki termochemicznej obróbki diamentu i określić możliwości metody, konieczne było zbadanie mechanizmów niektórych procesów chemicznych, które, jak wynika z analizy literatury, nie zostały w ogóle zbadane. Bardziej szczegółowe badania termochemicznej obróbki diamentu utrudniała przede wszystkim niedostateczna znajomość właściwości samego diamentu. Bali się, że zniszczą go upałem. Badania nad stabilnością termiczną diamentu prowadzono dopiero w ostatnich dziesięcioleciach. Ustalono, że diamenty niezawierające wtrąceń można podgrzać do temperatury 1850 „C” w neutralnej atmosferze lub w próżni bez szkody dla nich, a tylko wyżej.
Diament jest najlepszym materiałem na ostrza ze względu na jego wyjątkową twardość, elastyczność i niskie tarcie o tkankę biologiczną. Praca nożami diamentowymi ułatwia operacje i skraca czas gojenia nacięć 2-3 razy. Według mikrochirurgów MNTK zajmujących się mikrochirurgią oka, noże ostrzone metodą termochemiczną nie tylko nie są gorsze, ale także mają lepszą jakość od najlepszych zagranicznych próbek. Wykonano już tysiące operacji nożami ostrzonymi termochemicznie. Noże diamentowe o różnych konfiguracjach i rozmiarach mogą znaleźć zastosowanie w innych dziedzinach medycyny i biologii. Zatem mikrotomy służą do przygotowywania preparatów w mikroskopii elektronowej. Wysoka rozdzielczość mikroskopu elektronowego stawia szczególne wymagania w zakresie grubości i jakości przekroju próbek. Mikrotomy diamentowe, ostrzone metodą termochemiczną, pozwalają na wykonanie przekrojów o wymaganej jakości.
Surowce technogenne do produkcji cementu
Dalsza intensyfikacja produkcji cementu wiąże się z powszechnym wprowadzaniem technologii oszczędzających energię i zasoby, wykorzystujących odpady z różnych gałęzi przemysłu.
Podczas przetwarzania rud skarnowo-magnetytowych uwalniane są odpady poflotacyjne z suchej separacji magnetycznej (DMS), które są kruszonym materiałem kamiennym o wielkości ziaren do 25 mm. Odpady SMS mają dość stabilny skład chemiczny,% wag.:
SiO2 40…45,
Al 2 O 3 10…12,
Fe 2O 3 15…17,
CaO 12…13,
MgO 5…6,
Udowodniono możliwość wykorzystania odpadów SMS do produkcji klinkieru portlandzkiego. Otrzymane cementy charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi.
Efekt termiczny powstawania klinkieru (TEC) definiuje się jako sumę algebraiczną ciepła procesów endotermicznych (dekarbonizacja wapienia, odwodnienie minerałów ilastych, tworzenie fazy ciekłej) i reakcji egzotermicznych (utlenianie pirytu wprowadzonego przez odpady CMS, powstawanie faz klinkierowych).
Główne zalety wykorzystania odpadów wzbogacania rud skarnowo-magnetytowych w produkcji cementu to:
Rozbudowa bazy surowcowej ze względu na źródła sztuczne;
Oszczędność surowców naturalnych przy zachowaniu jakości cementu;
Obniżenie kosztów paliwa i energii przy wypalaniu klinkieru;
Możliwość produkcji niskoenergetycznego, aktywnego klinkieru niskozasadowego;
Rozwiązanie problemów środowiskowych poprzez racjonalną utylizację odpadów i ograniczenie emisji gazów do atmosfery podczas wypalania klinkieru.
Bioczujniki
Biosensory to czujniki oparte na unieruchomionych enzymach. Pozwalają szybko i skutecznie analizować złożone, wieloskładnikowe mieszaniny substancji. Obecnie znajdują coraz szersze zastosowanie w wielu gałęziach nauki, przemyśle, rolnictwie czy służbie zdrowia. Podstawą do stworzenia automatycznych systemów analizy enzymatycznej były najnowsze osiągnięcia w dziedzinie enzymologii i inżynierii enzymologicznej. Unikalne cechy enzymów – specyficzność działania i wysoka aktywność katalityczna – przyczyniają się do prostoty i dużej czułości tej metody analitycznej, a duża liczba znanych i dotychczas badanych enzymów pozwala na ciągłe poszerzanie listy analizowanych substancji.
Enzymatyczne czujniki mikrokalorymetryczne - wykorzystują efekt termiczny reakcji enzymatycznej. Składa się z dwóch kolumn (pomiarowej i kontrolnej), wypełnionych nośnikiem z immobilizowanym enzymem i wyposażonych w termistory. Kiedy analizowana próbka przechodzi przez kolumnę pomiarową, zachodzi reakcja chemiczna, której towarzyszy zarejestrowany efekt termiczny. Ten typ czujnika jest interesujący ze względu na swoją wszechstronność.
Wniosek
Zatem po przeanalizowaniu praktycznego zastosowania efektu termicznego reakcji chemicznych możemy stwierdzić: efekt termiczny jest ściśle związany z naszym codziennym życiem, jest stale badany i znajduje nowe zastosowania w praktyce.
Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii efekt ciepły znalazł zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Przemysł chemiczny, wojskowy, budowlany, spożywczy, wydobywczy i wiele innych wykorzystuje w swoich opracowaniach efekt termiczny. Znajduje zastosowanie w silnikach spalinowych, agregatach chłodniczych i różnych urządzeniach spalinowych, a także w produkcji narzędzi chirurgicznych, powłok żaroodpornych, nowych rodzajów materiałów budowlanych i tak dalej.
We współczesnych warunkach stale rozwijającej się nauki obserwujemy pojawianie się coraz większej liczby nowych osiągnięć i odkryć w dziedzinie produkcji. Pociąga to za sobą coraz to nowe obszary zastosowań efektu cieplnego reakcji chemicznych.
Czernych E. A.
Bibliografia
Musabekov Yu.S., Marcelin Berthelot, M., 1965; Centenaire de Marcelin Berthelot, 1827-1927, s., 1929.
Patent 852586 Federacja Rosyjska. MKI V 28 D 5/00. Metoda obróbki wymiarowej diamentu / A.P.Grigoriev, S.H.Lifshits, P.P.Shamaev (Federacja Rosyjska). - 2 s.
