Энергетика химических реакций.

К важнейшим величинам, характеризующим химические системы, относятся внутрення энергия U, энтальпия Н, энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал) G. Все эти величины представляют собой функции состояния, т.е. зависят только от состояния системы, а не от способа, которым это состояние достигнуто.

Протекание химической реакции сопровождается изменением внутренней энергии реагирующих систем. Если внутренняя энергия системы уменьшается (DU<0), то реакция протекает с выделением энергии (экзотермическая реакция).

Если же внутренняя энергия системы возрастает (DU>0), то процесс сопровождается поглощением энергии из внешней среды (эндотермическая реакция).

Если в результате протекания химической реакции система поглотила количество теплоты Q и совершила работу А, то изменение внутренней энергии определяется уравнением:

DU = Q - A

Согласно закону сохранения энергии, DU зависит от начального и конечного состояния системы, но не зависит от способа осуществления реакции.

Если реакция протекает при постоянном объеме (DV=0, изохорный процесс), то работа расширения системы (А= Р* DV) равна нулю. Если при этом не совершаются и другие виды работ (например, электрическая), то DU=Qn, где Q n-тепловой эффект реакции, (т.е. количество поглощенной системой теплоты), протекающей при постоянном объеме. В случае экзотермической реакции тепловой эффект меньше нуля, а для эндотермической реакции тепловой эффект больше нуля.

Для реакций, протекающих при постоянном давлении (изобарный процесс), можно записать уравнение: DН= DU + P* DV, т.е. изменение энтальпии равно сумме изменения внутренней энергии и совершенной работы расширения. Если при этом никакие другие виды работ не совершаются, то DН = Qр. Для экзотермической реакции тепловой эффект меньше нуля, а для эндотермической реакции - больше нуля.

Стандартным состоянием вещества при данной температуре называется его состояние при давлении, равном атмосферному давлению (101,325 кПа = 760 мм рт.ст.). Условия, при которых все участвующие в реакции вещества находятся в стандартном состоянии, называются стандартными условиями протекания реакции. Отнесенные к стандартным условиям изменения соответствующих величин называются стандартными изменениями и их обозначения имеют верхний индекс 0.

Стандартная энтальпия реакции образования 1 моля данного вещества из простых веществ называется стандартной энтальпией образования этого вещества, имеющeй размерность кДж/ моль.

Химические реакции, в которых указаны изменения энтальпии (тепловые эффекты реакций), называются термохимическими уравнениями. Например, уравнение:

Рb О (к) + СО (г) = Рb (к) + СО₂ (г) + 64 кДж

Закон Гесса для термохимических расчетов: Тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний участвующих в реакции веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса.

ПРИМЕР 1. Исходя из теплоты образования газообразного диоксида углерода (DН^о= - 393,5 кДж/ моль) и термохимического уравнения:

С (графит)+2 N₂ O (г) = СО₂ (г)+2 N (г); DН = -557,5 кДж (1)

Вычислить теплоту образования N О (г).

Решение. Обозначив искомую величину через Х, запишем термохимическое уравнение образования N₂ О из простых веществ:

N (г) + 1/2 О (г) = N₂ O (г); DН₁ = Х кДж (2)

Запишем также термохимическое уравнение образования СО (г) из простых веществ:

С(графит) + О₂ (г) = СО₂ (г); DН = -393,5 кДж (3)

Из уравнений (2) и (3) можно получить уравнение (1). Для этого умножим уравнение (2) на два и вычтем найденное уравнение из уравнения (3). Имеем:

С(графит) + 2 N О (г) = СО (г) + 2N (г);

DН = (- 393,5 - 2Х) кДж. (4)

Сравнивая уравнения (1) и (4), находим:

-393,5 - 2Х = - 557,5, откуда Х= 82,0 кДж/ моль.

ПРИМЕР 2. Определить знаки DН, DS, DG для реакции:

АВ (к) + В (г) = АВ (к),

протекающей при температуре 298 К в прямом направлении. Как будет изменяться значение DG с ростом температуры?

Решение. Самопроизвольное протекание реакции указывает на то, что для нее DG < 0. В результате реакции общее число частиц в системе уменьшается, причем расходуется газ В , а образуется кристаллическое вещество АВ ; это означает, что система переходит в состояние с более высокой упорядоченностью, т.е. для рассматриваемой реакции DS < 0. Таким образом, в уравнении DG = DН - Т× DS величина DG отрицательна, а второй член правой части уравнения (Т × DS) положителен. Это возможно только в том случае, если DН < 0. С ростом температуры положительное значение члена Т × DS в уравнении возрастает, так что величина DG будет становиться менее отрицательной.

ЗАДАЧИ 27-30

27. При соединении 2,1 г железа с серой выделилось 3,77 кДж. Рассчитать теплоту образования сульфида железа..

28. При восстановлении 12,7 г оксида меди (11) углем (с образованием СО) поглощается 8,24 кДж. Определить D Н⁰₂₉₈ образования CuO.

29. Сожжены с образованием воды (газ) равные объемы водорода и ацетилена, взятых при одинаковых условиях. В каком случае выделится больше теплоты? Во сколько раз?

30. Объяснить, почему процессы растворения веществ в воде могут самопроизвольно протекать не только с экзотермическим, но и с эндотермическим эффектом?