Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Первый закон термодинамики .
Внутренняя энергия системы (U) в результате какого-либо процесса (в том числе и химического) может изменяться на величину ∆ U. Передача энергии системе или от нее может происходить в форме теплоты Q и (или) работы А. Эти величины связаны между собой следующим уравнением: Q = ∆ U + А, где Q — теплота, поглощенная системой; ∆ U — изменение внутренней энергии системы; А — работа, совершаемая системой. Это математическое выражение носит название первого закона термодинамики: Поглощенная системой теплота расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение ею работы против внешних сил. По сути, первый закон термодинамики является не чем иным, как одной из формулировок закона сохранения энергии, в соответствии с которым энергия, потерянная системой, равна энергии, приобретенной внешней средой, или энергия, приобретенная системой, равна энергии, потерянной внешней средой. Энергия не может быть создана или уничтожена, а может лишь переходить из одной формы в другую (Р. Майер, 1842; Д. Джоуль, 1842; Г. Гельмгольц, 1847). Если работа связана только с изменением объема системы при постоянном давлении, подстановка уравнения приводит к соотношению ∆ U = Q – p ∆ V. В изохорных процессах (реакции, проходящие без изменения объема системы ∆ V = 0) теплота, подведенная к системе, расходуется только на увеличение ее внутренней энергии: ∆ U = QV, где QV — теплота, поглощаемая при постоянном объеме. Чаще всего химические реакции проводят в открытых сосудах, например: в пробирках, химических стаканах, химических реакторах, сообщающихся с окружающей средой. В этом случае давление в системе остается постоянным и совпадает с атмосферным — это так называемые изобарные процессы (реакции, проходящие при постоянном давлении): Qp = ∆U – А где Qр — теплота процесса при неизменном давлении Подставив, получим, Qp = ∆U + p∆V. Изменение энтальпии в процессе при постоянном давлении равно ∆Н = ∆U + p∆V. Сравнивая эти уравнения, получим ∆Н = Qp Таким образом, теплота, подведенная к системе в условиях изобарного процесса, расходуется только на увеличение ее энтальпии.
Термохимия. Раздел химии, занимающийся изучением тепловых эффектов, наблюдаемых при протекании химических реакций, называется термохимией.
Тепловой эффект — количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при протекании физико-химического процесса, если: а) процесс протекает при р = const или V = const; б) в системе совершается только работа расширения; в) температура исходных веществ и продуктов реакции одинакова. Экзотермическим называют процесс, сопровождающийся выделением теплоты, эндотермическим — процесс, сопровождающийся поглощением теплоты. Если процесс протекает при постоянном давлении, то тепловой эффект представляет собой изменение энтальпии системы: ∆Н = ∆Н прод - ∆Н реаг. Если ∆Н < 0 — это экзотермический процесс, ∆Н > 0 — эндотермический процесс (рис. 4.3). Если процесс не сопровождается изменением объема, тепловой эффект процесса равен изменению внутренней энергии системы ∆ U. Если ∆ U < 0 - экзотермический процесс, ∆ U > 0 — эндотермический процесс. Рис. 2.3. Экзотермическая ( а ) и эндотермическая (б) реакции Термохимические уравнения реакции — уравнения реакции, в которых помимо формул исходных веществ и продуктов (с соответствующими стехиометрическими коэффициентами) указаны их агрегатные состояния и отвечающий этой реакции тепловой эффект (изменение энтальпии), на пример: 0,5N2(г.) + 1,5Н2(г.) = NH3(г.) + 46,2 кДж (термохимическая форма записи) или 0,5N2(г.) + 1,5Н2(г.) = NH3(г.); ∆Н = -46,2 кДж/моль. (термодинамическая форма записи) Рассмотрим стандартные изменения энтальпии. Изменения энтальпии в ходе химической реакции зависят от температуры, давления и физического состояния веществ, участвующих в процессе. Величина ∆Н зависит также от количества этих веществ. Поэтому изменение энтальпии может быть характеристической величиной лишь в случае, если ее измерение проводится при определенных условиях, называемых стандартными. Стандартные условия: · все вещества являются химически чистыми и соответствуют приводимой химической формуле; · твердые и жидкие вещества находятся в устойчивых для данных условий агрегатных состояниях и аллотропных модификациях; · количества веществ равны 1 моль или вещества в растворе содержатся в количествах 1моль на 1000 г растворителя;
· давление постоянно и равно 101,3 кПа, или 1 атм (ИЮПАК рекомендует использовать точное значение 100 кПа); · температура постоянна и может иметь любое значение, но обычно выбирается равной 25°С (298 К). На практике, особенно применительно к разбавленным водным растворам, каковыми являются физиологические жидкости, используют молярные концентрации. В этом случае стандартное состояние соответствует концентрациям растворенных веществ 1 моль/л. Стандартная энтальпия образования (∆ f H 0 298) — это тепловой эффект реакции образования 1 моль какого-либо вещества из простых веществ в стандартных условиях при 298К. Стандартная энтальпия образования простого вещества в наиболее устойчивой аллотропной модификации равна нулю. Стандартная энтальпия образования аммиака соответствует тепловому эффекту реакции 1,5Н2(г) + 0,5N2(г) = NH3(г) + 45,94 кДж при постоянном давлении (298 К) ∆ f H 0 298 = -45,94 кДж/моль. Энтальпии образования твердых соединений, как правило, имеют большие (по абсолютной величине) отрицательные значения, по сравнению с энтальпиями образования газов. Стандартная энтальпия сгорания (∆с H 0 298) — это тепловой эффект реакции сгорания в избытке кислорода 1 моль вещества в его стандартном состоянии при температуре 298 К и давлении 101,3 кПа (1 атм). Стандартная энтальпия сгорания этилового спирта соответствует тепловому эффекту реакции С2Н5ОН(ж) + 3,5О2(г) = 2СО2(г) + 3Н2О(ж) + 1638 кДж при постоянном давлении (298 К) ∆с H 0 298 = -1638 кДж/моль. Стандартные энтальпии образования и стандартные энтальпии сгорания различных веществ сведены в соответствующие таблицы, которые имеются в справочной литературе. Стандартная энтальпия реакции (∆ r H 0 298) это изменение энтальпии при 298К в стандартных условиях в расчете на количества веществ, соответствующие стехиометрическим коэффициентам. Калориметрия — совокупность экспериментальных методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физико-химические и биологические процессы. Калориметр — изолированный сосуд для измерения количества теплоты, высвобождаемой или поглощаемой в результате химической реакции или фазового превращения (рис. 2.4). Рис. 2.4. Схема калориметра Суть эксперимента состоит в измерении изменения температуры реакционной смеси в результате химического или иного превращения. В некоторых случаях изменение температуры определяется в охлаждающей реакционный сосуд жидкости, например воде. Калориметр представляет собой прочный закрывающийся сосуд, окруженный теплоизолирующей водяной рубашкой. Образец известной массы помещается внутри бомбы в атмосфере чистого кислорода под давлением 25 атм. Затем образец поджигают с помощью электрической искры. За счет выделяющейся при горении энергии происходит нагрев водяной рубашки. Поскольку сгорание вещества в калориметрической бомбе происходит при постоянном объеме, выделяющая тепловая энергия численно равна изменению внутренней энергии U. Выделяемая в ходе эксперимента энергия может быть рассчитана и следующему уравнению: Q = (С сосуд + m ∙ C содерж) ∆ T где Q — энергия, передаваемая в форме тепла сосуду и его содержимом; С сосуд — теплоемкость сосуда; т — масса содержимого сосуда (вода или реакционная смесь); С содерж — удельная теплоемкость содержимого; ∆ T — измеренное изменение температуры содержимого сосуда.
Энтальпии реакций, которые невозможно провести в лабораторных условиях, могут быть вычислены по известным энтальпиям других реакций. Основной закон термохимии — закон Гесса (закон постоянства сумм теплот реакции): тепловой эффект реакции не зависит от пути проведения процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы. Таким образом, если какую-либо реакцию теоретически представить в виде определенного числа последовательных стадий, то изменение энтальпии реакции будет равно сумме изменений энтальпий на каждой стадии (рис. 2.5) ∆ НА = ∆ НВ = ∆ HBl + ∆НВ 2. Рис. 2.5. Стадии реакции
Несмотря на то, что закон Гесса был установлен опытным путем, он непосредственно вытекает из свойств функций состояния системы: внутренняя энергия U и энтальпия H являются функциями состояния системы, следовательно, их изменение ∆ U и ∆Н не зависит от пути процесса, а равно разности ∆ U = U 2 – U 1; ∆Н = H 2 – H 1 между значениями U 2 и Н2 в конечном состоянии и значениями U 1 и Н1 в начальном состоянии системы. Следствия из закона Гесса. 1. Тепловой эффект химической реакции (∆ r H 0) равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции (∑∆ f H 0 прод) и суммой теплот образования исходных веществ (∑∆ f H 0 реаг) с учетом их стехиометрических коэффициентов. Для теплового эффекта реакции, проводимой при постоянном давлении ∆ r H 0 = ∑ ν j ∆ f H 0 прод - ∑ ν i ∆ f H 0 реаг. Пример 2.1. Рассчитаем тепловой эффект реакции образования мочевины (одного из важнейших продуктов жизнедеятельности организма) из аммиака и диоксида углерода: 2NH3(r) + СО2(г) = CO(NH3)2(k) + Н2О(ж) ∑∆ fH 0 -45,94 -393,51 -333,1 -241,83 ∆ r H 0 = (-333,1 – 241,83) - (-45,94∙2 – 393,51) = -88,54 кДж. 2. Тепловой эффект химической реакции (∆ r H 0) равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ (∑∆ C H 0 реаг) и суммой теплот сгорания продуктов реакции (∑∆ C H 0 прод) с учетом их стехиометрических коэффициентов: ∆ r H 0 = ∑ ν j ∆ C H 0 реаг - ∑ ν i ∆ C H 0 прод. Пример 2.2. Рассчитаем тепловой эффект реакции молочнокислого брожения глюкозы, зная, что стандартные теплоты сгорания глюкозы и молочной кислоты равны -2810 и -1344 кДж/моль соответственно: С6Н12O6 → 2СН3СН(ОН)СООН
∑∆ CH 0 -2811 -1344 ∆ r H 0 = -2811 - (-1344∙2) = -123 кДж. 3. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье — Лапласа).
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2022-01-22; просмотров: 40; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.137.171.121 (0.028 с.) |