hőhatás A reakció az a hőmennyiség, amelyet a rendszer a reakció során felszabadít vagy elnyel.
ahol , - a reakciótermékek és a kiindulási anyagok sztöchiometrikus együtthatói; , - reakciótermékek és kiindulási anyagok képződésének standard entalpiái. A képződés hője. Itt az index azt jelenti képződés(képződés), és nulla, hogy az érték az anyag standard halmazállapotára vonatkozik.
Képződési hő az anyagokat referenciakönyvekből határozzák meg, vagy az anyag szerkezete alapján számítják ki.
Égéshő egységnyi anyagmennyiség teljes elégetése során felszabaduló hőmennyiségnek nevezzük, feltéve, hogy a kiindulási és végtermékek szabványos körülmények között vannak.
Megkülönböztetni:
· mól-- egy mólra (kJ/mol),
· tömeg- egy kilogrammra (kJ/kg),
· térfogat-− egy köbméter anyagra (kJ/m³) az égéshő.
Az égési folyamat során képződött víz aggregáltsági állapotától függően vannak magasabb és alacsonyabb fűtőértékek.
Magasabb fűtőérték az egységnyi éghető anyag teljes elégetésekor felszabaduló hőmennyiséget, beleértve a vízgőz kondenzációs hőjét is.
alacsonyabb fűtőérték az a hőmennyiség, amely egységnyi éghető anyag teljes elégetésekor felszabadul, feltéve, hogy az égéstermékekben lévő víz gáz halmazállapotú.
A moláris égéshő kiszámítása a törvénynek megfelelően történik Hess. A moláris égéshő tömeghővé alakításához használhatja a következő képletet:
ahol az éghető anyag moláris tömege, .
A gáz halmazállapotú anyagok esetében, amikor standard égéshőből térfogathővé alakítják át, a következő képletet használják:
ahol a gáz moláris térfogata, amely normál körülmények között .
Az összetett éghető anyagokra vagy keverékekre kellően pontos eredményeket ad a Mengyelejev-képlet a magasabb fűtőértékre:
ahol , ; , , , , - az éghető anyag szén-, hidrogén-, kén-, oxigén- és nitrogéntartalma tömegben. százalék.
Alacsonyabb fűtőértékhez
ahol , ; - nedvességtartalom az éghető anyagban tömegben. százalék.
Az éghető keverékek égéshőjének kiszámítása a képlet szerint történik
ahol az éghető keverék legalacsonyabb fűtőértéke, ; - az i-edik tüzelőanyag térfogathányada a keverékben; a keverékben lévő i-edik tüzelőanyag legalacsonyabb fűtőértéke, .
A gáz-levegő keverékek égéshőjének kiszámítása a képlet segítségével történik
ahol egy éghető anyag legalacsonyabb fűtőértéke, ; - éghető anyag koncentrációja a gáz-levegő keverékben, térfogatrész; a gáz-levegő keverék égéshője, .
Hőkapacitás A testet fizikai mennyiségnek nevezzük, amely meghatározza a test által kapott végtelenül kicsi hőmennyiség és a megfelelő hőmérséklet-emelkedés arányát.
A testbe juttatott vagy onnan eltávolított hőmennyiség mindig arányos az anyag mennyiségével.
fajlagos hőkapacitás az anyag egységnyi mennyiségére eső hőkapacitás. Egy anyag mennyisége kilogrammban, köbméterben és mólban mérhető. Ezért különbséget kell tenni tömeg, térfogat és moláris hőkapacitás között.
Jelöli:
· - moláris hőkapacitás, . Ez az a hőmennyiség, amelyet 1 mól anyagon kell szuszpendálni, hogy a hőmérséklete 1 Kelvinnel emelkedjen;
· - tömeges hőkapacitás, . Ez az a hőmennyiség, amelyet fel kell szuszpendálni 1 kilogramm anyagon, amelynek hőmérséklete 1 Kelvinnel megemelkedett;
· - térfogati hőkapacitás, . Ez az a hőmennyiség, amelyet 1 köbméter anyagon kell felfüggeszteni, hogy a hőmérséklete 1 Kelvinnel emelkedjen.
A moláris és tömeges hőkapacitások közötti összefüggést a képlet fejezi ki
ahol az anyag moláris tömege. A térfogati hőkapacitást molárisan fejezzük ki az alábbiak szerint
ahol a gáz moláris térfogata normál körülmények között.
A test hőkapacitása a hőszolgáltatás folyamatától függ.
Egy test hőkapacitása állandó nyomáson az izobár folyamat során szolgáltatott fajlagos (1 mol anyagra jutó) hőmennyiségnek a testhőmérséklet változásához viszonyított arányának nevezzük.
Egy test hőkapacitása állandó térfogat mellett az izochor folyamat során szolgáltatott fajlagos (1 mól anyagra jutó) hőmennyiségnek a testhőmérséklet változásához viszonyított arányának nevezzük.
Az ideális gázok hőkapacitása az
ahol a molekula szabadságfokainak száma. Az ideális gázok izobár és izokhorikus hőkapacitása közötti kapcsolatot a Mayer-egyenlet határozza meg
hol van az univerzális gázállandó.
A szilárd fázisban lévő anyagok hőkapacitása a Dulong-Petit törvény szerint a normálishoz közeli körülmények között
Tekintettel arra, hogy a hőkapacitás függ a hőmérséklettől, a hőfogyasztás azonos hőmérséklet-növekedés esetén változik (3.1. ábra).
Valódi hőkapacitás hőkapacitásnak nevezzük, amelyet egy bizonyos termodinamikai folyamat során a következő képlettel fejezünk ki
ahol - azt a folyamatot jelöli, amelyben a hőkapacitást mérik. A paraméter értékeket vehet fel stb.
Rizs. 3.1. A hőkapacitás függése a hőmérséklettől
Átlagos hőkapacitás az adott folyamat során a testnek átadott hőmennyiség és a hőmérséklet változás aránya, feltéve, hogy a hőmérsékletkülönbség véges érték. A valós hőkapacitásnak a hőmérséklettől való ismert függése mellett az átlagos hőkapacitás a tól ig terjedő hőmérsékleti tartományban az átlagérték tétel segítségével meghatározható.
ahol az átlagos hőkapacitás, a valós hőkapacitás.
Az anyagok hőkapacitásának kísérleti vizsgálatai során az átlagos hőkapacitást gyakran a felső határ függvényében találják meg, az alsó határ fix értékével, amelyet egyenlőnek tekintenek
A gázok átlagos hőkapacitásainak a felső határ hőmérsékletétől való függését a 3.1. táblázat tartalmazza.
A gázelegy hőkapacitása a keverék összetételétől és az összetevők hőkapacitásától függ. Jelöljük: - a komponens mólarányát a keverékben; - térfogathányad; - tömeghányad. Itt - a -edik komponens mennyisége mólokban, m 3, kg, ill. Egy gázelegy hőkapacitása a képletekkel határozható meg
ahol , , a keverék edik komponensének átlagos moláris, tömeg- és térfogati hőkapacitása.
3.1. táblázat.
| Gáz név | Képletek az egyes gázok átlagos moláris hőkapacitásának meghatározására állandó térfogat mellett, J/(mol deg), 0 С hőmérsékletre | |
| 0-tól 1500-ig | 1501-től 2800-ig | |
| Levegő | ||
| Oxigén | ||
| Nitrogén | ||
| Hidrogén | ||
| szén-monoxid | ||
| Szén-dioxid | ||
| vízpára |
Hőgépeknél és motoroknál minden ciklus elején friss keverék egy adagját vezetik be az égéstérbe, amit ún. friss töltés. Általában azonban az előző ciklus kipufogógázai az égéstérben maradnak.
Maradék gáz aránya aránynak nevezzük
ahol a maradék gázok móljainak száma, a friss töltés móljainak száma. Az égéstérben lévő maradék gázok friss töltetű keverékét ún munkakeverék. A munkakeverék hőkapacitását a képlet számítja ki
ahol , a friss töltet és a maradék gázok átlagos hőkapacitása a munkakeverék hőmérsékletén; - maradék gázok együtthatója.
Az égési zónában felszabaduló hőt az égéstermékek felmelegítésére és a hőveszteségre fordítják (ez utóbbiak közé tartozik az éghető anyag előmelegítése és az égési zónából a környezetbe történő sugárzás). Azt a maximális hőmérsékletet, amelyre az égéstermékek felmelegednek, nevezzük égési hőmérséklet.
Attól függően, hogy milyen körülmények között megy végbe az égési folyamat, vannak kalorimetrikus, adiabatikus, elméleti, és érvényeségési hőmérséklet.
Alatt kalorimetrikus égési hőmérséklet megérteni azt a hőmérsékletet, amelyre az égéstermékeket felmelegítik a következő feltételek mellett:
a reakció során felszabaduló összes hő az égéstermékek melegítésére megy el;
a sztöchiometrikus éghető keverék teljes elégése ();
Az égéstermékek képződése során disszociációjuk nem következik be;
Az éghető keverék kezdeti hőmérséklete 273 K és nyomása 101,3 kPa.
Adiabatikus égési hőmérséklet nem sztöchiometrikus éghető keverékre ().
Elméleti égési hőmérséklet abban különbözik a kalorimetriástól, hogy a számítások figyelembe veszik az égéstermékek disszociációjából adódó hőveszteségeket.
Tényleges égési hőmérséklet az a hőmérséklet, amelyre az égéstermékeket valós körülmények között felmelegítik.
Nézzük csak a kalorimetrikus és adiabatikus égési hőmérséklet számítását kis korrekcióval. Feltételezzük, hogy a kezdeti keverék kezdeti hőmérséklete eltér a -tól. A munkakeverék és az égéstermék keverék mólszámát jelöljük. Ekkor az állandó nyomású égés hőmérlegét így írhatjuk fel
ahol , a kezdeti keverék és az égéstermékek átlagos hőkapacitásai; 1 mól munkakeverék elégetésekor felszabaduló hő, ; és a munkakeverék és az égéstermékek hőmérséklete, ill. A munkakeverék egy móljára vonatkoztatva a (3.20) képlet a következőképpen ábrázolható
ahol a keverék összetételének molekuláris változási együtthatója. A kalorimetrikus és adiabatikus égési hőmérsékleteket a hőmérleg egyenletéből találjuk meg.
A robbanási nyomás a Claiperon-Mengyelejev egyenlet segítségével határozható meg, mivel a térfogat nem változik a folyamat során.
3. sz. gyakorlati munka
"Az anyagok égéshőjének kiszámítása"
Cél: Ismerje meg az égési folyamatok energiamérlegének alapfogalmait. Tanulja meg, hogyan kell kiszámítani az égéshőt különböző típusú éghető anyagokra (egyedi anyagok és keverékek; összetett anyagok, amelyeket elemi összetétellel képvisel).
Számítási képletek és algoritmusok
1. A fűtőérték kiszámításához egyedi anyagok(3.1) képletet használjuk. Először egy égési reakcióegyenletet készítenek, amelynek segítségével sztöchiometrikus együtthatókat és szorzatokat határoznak meg. Ezután a táblázat szerint (lásd 3.1. táblázat) megtaláljuk a kiindulási anyagok és reakciótermékek képződésének standard entalpiáit. A talált paramétereket behelyettesítjük a (3.1) képletbe, és kiszámítjuk az éghető anyag égéshőjét.
2. Fűtőérték összetett anyagok D. I. Mengyelejev (3.4) és (3.5) képletei szerint találhatók. A számítás elvégzéséhez csak az elemek tömeghányadát kell tudni százalékban. Az égéshő kiszámítása kJ/kg-ban történik.
3. Számításhoz éghető keverékek(3.1) - (3.6) képleteket használunk. Először is, az egyes éghető gázok alacsonyabb fűtőértéke a (3.2) képlet szerint egyedi anyagként vagy a (3.4), (3.5) képlet szerint összetett anyagként található. A (3.2), (3.3) képleteket az égés térfogati hőjének átadására használjuk. A számítás az éghető keverék nettó fűtőértékének kiszámításával fejeződik be a (3.6) képlet szerint.
4. 1 m 3 fűtőértékének meghatározása gáz-levegő keverék számítsa ki az éghető gázok térfogathányadát levegő jelenlétében, amelynek mennyisége attól függ. Ezután a (3.7) képlet segítségével kiszámítjuk a gáz-levegő keverék égéshőjét.
Példa 3.1. Határozza meg az acetilén nettó fűtőértékét!
Megoldás.Írjuk fel az acetilén égésének egyenletét.
Az egyenletnek megfelelően a sztöchiometrikus együtthatók , , , . A 3.1. függelék segítségével megtaláljuk a reakcióanyagok képződésének standard entalpiáit: , , , . A (3.1) képlet segítségével kiszámítjuk az acetilén nettó fűtőértékét
Az 1 m 3 acetilén elégetésekor felszabaduló hőmennyiség kiszámításához el kell osztani a kapott értéket a standard körülmények között mért moláris térfogattal (3.3):
Válasz: ;
Megoldás. A (3.4) és (3.5) Mengyelejev-képletekkel azt találjuk
Válasz: .
Példa 3.3. Határozza meg a - 40%, - 20%, - 15%, - 5%, - 10%, - 10% összetételű gázelegy égéshőjét.
Megoldás. Ezen gázok közül a , , , éghető. Minden üzemanyaghoz felírjuk az oxigénnel való reakció egyenletét:
Az anyagok képződésének standard entalpiáit táblázatos adatok felhasználásával a 3.2. táblázatban találjuk.
; ; ; ; ; ; ; .
A (3.1) képlet szerint az (1) - (4) égési egyenletekkel összhangban megtaláljuk az égéshőt, :
Éghető gázok keverékére a (3.6) képletet használjuk, figyelembe véve, hogy a moláris és térfogatarányok azonosak. A számítások eredményeként a gázkeverék alacsonyabb fűtőértékét kapjuk
1 m 3 ilyen gázkeverék elégetése során hő szabadul fel egyenlő
Válasz: ; .
Megoldás. Felírjuk a propán égési egyenletet
A reakcióegyenletnek megfelelően 1 m 3 propán m 3 levegőt jelent egy sztöchiometrikus keverékhez. Figyelembe véve, hogy 1 m 3 propánra ténylegesen m 3 levegő fogy. Így 1 m 3 -ben propán-levegő keverékben a propán térfogathányada
A propán alacsonyabb fűtőértékét a (3.1) képlet segítségével találjuk meg. A propán képződés standard entalpiája a 3.2. táblázatból határozható meg.
A propán égéshője az
A propán-levegő keverék alacsonyabb fűtőértéke a (3.7) képlettel határozható meg.
1536,21
3.3. táblázat. A 3.1 számú ellenőrzési feladat paraméterei
| választási lehetőség | Állapot | választási lehetőség | Állapot | választási lehetőség | Állapot |
| 1. | CH3OH | 11. | C 4 H 8 | 21. | C 8 H 18 |
| 2. | C2H5OH | 12. | C 4 H 10 | 22. | C 10 H 8 |
| 3. | NH3 | 13. | C 3 H 8 | 23. | C 12 H 10 |
| 4. | SO 3 | 14. | C 7 H 8 | 24. | CH4O |
| 5. | HNO3 | 15. | C7H16 | 25. | C2H4O2 |
| 6. | C 3 H 4 | 16. | C5H12 | 26. | C2H6O |
| 7. | H 2 S | 17. | C6H12 | 27. | C3H6O |
| 8. | C 5 H 5 N | 18. | C6H14 | 28. | C4H10O |
| 9. | C 2 H 5 O | 19. | C 8 H 6 | 29. | CH 6 N 2 |
| 10. | C 3 H 6 | 20. | C 8 H 10 | 30. | C6H7N |
3.4. táblázat. A 3.2 számú ellenőrzési feladat paraméterei ( W - nedvesség)
A termokémia a kémiai reakciók termikus hatásait vizsgálja. Sok esetben ezek a reakciók állandó térfogaton vagy állandó nyomáson mennek végbe. A termodinamika első főtételéből következik, hogy ilyen körülmények között a hő az állapot függvénye. Állandó térfogat mellett a hő egyenlő a belső energia változásával:
és állandó nyomáson - az entalpia változása:
Ezek az egyenlőségek, ha kémiai reakciókra alkalmazzák, a lényege Hess törvénye:
Az állandó nyomáson vagy állandó térfogaton lezajló kémiai reakció termikus hatása nem függ a reakció útjától, csak a reaktánsok és reakciótermékek állapota határozza meg.
Más szóval, egy kémiai reakció termikus hatása megegyezik az állapotfüggvény változásával.
A termokémiában a termodinamika más alkalmazásaitól eltérően a hő akkor tekinthető pozitívnak, ha a környezetbe kerül, pl. ha H < 0 или U
< 0. Под тепловым эффектом химической реакции
понимают значение H(amit egyszerűen "reakcióentalpiának" neveznek) ill U reakciók.
Ha a reakció oldatban vagy szilárd fázisban megy végbe, ahol a térfogatváltozás elhanyagolható, akkor
H = U + (pV) U. (3.3)
Ha ideális gázok vesznek részt a reakcióban, akkor állandó hőmérsékleten
H = U + (pV) = U+n. RT, (3.4)
ahol n a reakcióban lévő gázok mólszámának változása.
A különböző reakciók entalpiáinak összehasonlításának megkönnyítése érdekében a „standard állapot” fogalmát használjuk. A standard állapot a tiszta anyag állapota 1 bar (= 10 5 Pa) nyomáson és adott hőmérsékleten. Gázoknál ez egy hipotetikus állapot 1 bar nyomáson, amely egy végtelenül ritka gáz tulajdonságaival rendelkezik. Normál állapotú anyagok közötti reakció entalpiája hőmérsékleten T, jelöli ( r jelentése "reakció"). A termokémiai egyenletekben nem csak az anyagok képlete van feltüntetve, hanem azok aggregált állapota vagy kristálymódosulása is.
A Hess-törvényből fontos következmények következnek, amelyek lehetővé teszik a kémiai reakciók entalpiájának kiszámítását.
Következmény 1.
egyenlő a reakciótermékek és a reagensek képződésének standard entalpiái közötti különbséggel (figyelembe véve a sztöchiometrikus együtthatókat):
Egy anyag képződésének standard entalpiája (hő). (f jelentése "képződés") adott hőmérsékleten az anyag egy móljának képződési reakciójának entalpiája az elemektől a legstabilabb standard állapotban. E meghatározás szerint a legstabilabb egyszerű anyagok standard állapotú képződési entalpiája bármely hőmérsékleten 0. Az anyagok képződésének standard entalpiái 298 K hőmérsékleten a referenciakönyvekben találhatók.
A "képződésentalpia" fogalmát nemcsak a közönséges anyagokra, hanem az oldatban lévő ionokra is használják. Ebben az esetben a H + iont vesszük referenciapontnak, amelyre a vizes oldatban a képződés standard entalpiáját nullának tételezzük fel: 
2. következmény. Kémiai reakció standard entalpiája
egyenlő a reaktánsok és a reakciótermékek égési entalpiája közötti különbséggel (figyelembe véve a sztöchiometrikus együtthatókat):
(c"égést" jelent). Az anyag standard égési entalpiáját (hőjét) egy mól anyag teljes oxidációjának reakciójának entalpiájának nevezzük. Ezt a következményt általában a szerves reakciók termikus hatásainak kiszámításához használják.
3. következmény. A kémiai reakció entalpiája megegyezik a megszakadt és kialakult kémiai kötések energiáinak különbségével.
Kötési energiával A-B nevezze meg azt az energiát, amely a kötés megszakításához és a kapott részecskék végtelen távolságra hígításához szükséges:
AB (r) A (r) + B (r) .
A kötés energiája mindig pozitív.
A kézikönyvekben található legtöbb termokémiai adat 298 K hőmérsékleten van megadva. Más hőmérsékletek hőhatásainak kiszámításához használja a Kirchhoff egyenlet:
(különbözeti forma) (3.7)
(integrált forma) (3.8)
ahol Cp a reakciótermékek és a kiindulási anyagok izobár hőkapacitása közötti különbség. Ha a különbség T 2 - T 1 kicsi, akkor el tudod fogadni Cp= konst. Nagy hőmérséklet-különbség esetén a hőmérséklet-függést kell használni Cp(T) típus:
ahol együtthatók a, b, c stb. az egyes anyagok esetében a referenciakönyvből származnak, és a jel a termékek és a reagensek közötti különbséget jelöli (az együtthatókat figyelembe véve).
PÉLDÁK
Példa 3-1. A folyékony és gáznemű víz képződésének standard entalpiája 298 K-en -285,8 és -241,8 kJ/mol. Számítsd ki a víz párolgási entalpiáját ezen a hőmérsékleten!
Megoldás. A képződés entalpiája a következő reakcióknak felel meg:
H 2 (g) + SO 2 (g) \u003d H 2 O (g), H 1 0 = -285.8;
H 2 (g) + SO 2 (g) \u003d H 2 O (g), H 2 0 = -241.8.
A második reakciót két lépésben lehet végrehajtani: először égetjük el a hidrogént, hogy az első reakció szerint folyékony vizet kapjunk, majd párologtassuk el a vizet:
H 2 O (g) \u003d H 2 O (g), H 0 spanyol = ?
Ezután Hess törvénye szerint
H 1 0 + H 0 spanyol = H 2 0 ,
ahol H 0 spanyol \u003d -241,8 - (-285,8) \u003d 44,0 kJ / mol.
Válasz. 44,0 kJ/mol.
Példa 3-2. Számítsa ki a reakció entalpiáját!
6C (g) + 6H (g) \u003d C6H6 (g)
a) a képződés entalpiái szerint; b) kötési energiákkal, feltételezve, hogy a C 6 H 6 molekulában a kettős kötések rögzítettek.
Megoldás. a) A képződés entalpiái (kJ/mol-ban) a kézikönyvben találhatók (pl. P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. kiadás, pp. C9-C15): f H 0 (C6H6 (g)) = 82,93, f H 0 (C (g)) = 716,68, f H 0 (H (g)) = 217,97. A reakció entalpiája:
rH 0 = 82,93 - 6 716,68 - 6 217,97 \u003d -5525 kJ / mol.
b) Ebben a reakcióban a kémiai kötések nem szakadnak fel, hanem csak kialakulnak. A rögzített kettős kötés közelítésében egy C 6 H 6 molekula 6 C-H kötést, 3 C-C kötést és 3 C=C kötést tartalmaz. Kötési energiák (kJ/mol-ban) (P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. kiadás, C7. o.): E(C-H) = 412, E(C-C) = 348, E(C=C) = 612. A reakció entalpiája:
rH 0 \u003d - (6 412 + 3 348 + 3 612) \u003d -5352 kJ / mol.
A pontos -5525 kJ/mol eredménytől való eltérés abból adódik, hogy a benzolmolekulában nincs C-C egyszeres kötés és C=C kettős kötés, viszont 6 C C aromás kötés található.
Válasz. a) -5525 kJ/mol; b) -5352 kJ/mol.
Példa 3-3. A referenciaadatok felhasználásával számítsa ki a reakció entalpiáját!
3Cu (tv) + 8HNO 3 (aq) = 3Cu(NO 3) 2 (aq) + 2NO (g) + 4H 2 O (l)
Megoldás. Az ionos reakció egyenletének rövidítése a következő:
3Cu (tv) + 8H + (vizes) + 2NO 3 - (vizes) \u003d 3Cu2+ (aq) + 2NO (g) + 4H 2O (l).
Hess törvénye szerint a reakció entalpiája:
rH 0 = 4f H 0 (H 2 O (l)) + 2 f H 0 (NO(g)) + 3 f H 0 (Cu 2+ (aq)) - 2 f H 0 (NO 3 - (vizes))
(a réz és a H+-ion képződési entalpiája értelemszerűen 0). A képződés entalpiáit behelyettesítve (P.W. Atkins, Physical Chemistry, 5. kiadás, C9-C15. oldal) a következőket találjuk:
rH 0 = 4 (-285,8) + 2 90,25 + 3 64,77 - 2 (-205,0) = -358,4 kJ
(három mól réz alapján).
Válasz. -358,4 kJ.
Példa 3-4. Számítsa ki a metán égési entalpiáját 1000 K-en, ha a 298 K-on adott képződésentalpiák adottak: f H 0 (CH 4) \u003d -17,9 kcal/mol, f H 0 (CO 2) \u003d -94,1 kcal / mol, f H 0 (H20 (g)) = -57,8 kcal/mol. A gázok hőkapacitása (cal/(mol. K)) a 298-1000 K tartományban:
Cp(CH4)=3,422 + 0,0178. T, Cp(O2) = 6,095 + 0,0033. T,
Cp (CO 2) = 6,396 + 0,0102. T, Cp(H20 (g)) = 7,188 + 0,0024. T.
Megoldás. A metán égési reakciójának entalpiája
CH 4 (g) + 2O 2 (g) \u003d CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
298 K-nál ez:
94,1 + 2 (-57,8) - (-17,9) = -191,8 kcal/mol.
Határozzuk meg a hőkapacitások különbségét a hőmérséklet függvényében:
Cp = Cp(CO2) + 2 Cp(H 2 O (g)) - Cp(CH 4) - 2 Cp(O2) =
= 5.16 - 0.0094T(kal/(mol. K)).
Kiszámítjuk a reakcióentalpiát 1000 K-en a Kirchhoff-egyenlet segítségével:
= + 
= -191800 + 5.16
(1000-298) - 0,0094 (1000 2-298 2) / 2 = -192 500 kal/mol.
Válasz. -192,5 kcal/mol.
FELADATOK
3-1. Mennyi hő szükséges 500 g Al átadásához (olvadáspont: 658 o C, H 0 pl \u003d 92,4 cal / g), szobahőmérsékleten, olvadt állapotba véve, ha Cp(Al TV) \u003d 0,183 + 1,096 10 -4 T cal/(g K)?
3-2. A CaCO 3 (tv) \u003d CaO (tv) + CO 2 (g) reakció standard entalpiája nyitott edényben, 1000 K hőmérsékleten 169 kJ / mol. Mekkora a hője ennek a reakciónak, amely ugyanazon a hőmérsékleten, de zárt edényben megy végbe?
3-3. Számítsa ki a folyékony benzol képződésének standard belső energiáját 298 K-en, ha képződésének standard entalpiája 49,0 kJ/mol.
3-4. Számítsa ki az N 2 O 5 képződési entalpiáját (g) at T= 298 K a következő adatok alapján:
2NO (g) + O 2 (g) \u003d 2NO 2 (g), H 1 0 \u003d -114,2 kJ / mol,
4NO 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2N 2 O 5 (g), H 2 0 \u003d -110,2 kJ / mol,
N 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2NO (g), H 3 0 = 182,6 kJ/mol.
3-5. A -glükóz, -fruktóz és szacharóz égési entalpiája 25 °C-on -2802,
-2810 és -5644 kJ/mol. Számítsa ki a szacharóz hidrolízishőjét!
3-6. Határozzuk meg a diborán B 2 H 6 képződési entalpiáját (g) at T= 298 K a következő adatokból:
B 2 H 6 (g) + 3O 2 (g) \u003d B 2 O 3 (tv) + 3H 2 O (g), H 1 0 \u003d -2035,6 kJ / mol,
2B (tv) + 3/2 O 2 (g) \u003d B 2 O 3 (tv), H 2 0 \u003d -1273,5 kJ / mol,
H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) \u003d H 2 O (g), H 3 0 \u003d -241,8 kJ / mol.
3-7. Számítsa ki a cink-szulfát képződési hőjét egyszerű anyagokból T= 298 K az alábbi adatok alapján.
Standard feltételek
A reakciók termikus hatásai attól függnek, hogy milyen körülmények között zajlanak le. Ezért a reakciók termikus hatásainak, az anyagok képződési entalpiáinak kapott értékei összehasonlítása érdekében megállapodtunk abban, hogy meghatározzuk vagy bizonyos, azonos, ún. standard feltételek. Standard körülményeknek tekintjük 1 mol tiszta anyag állapotát 101 325 Pa (1 atm vagy 760 Hgmm) nyomáson és 25 °C vagy 298 K hőmérsékleten. Az oldatban lévő anyagok esetében a koncentráció egy mol literben (C \u003d 1 mol / l). Sőt, feltételezzük, hogy az oldat ennél a koncentrációnál pontosan ugyanúgy viselkedik, mint végtelen hígításnál, azaz. ideális. Ugyanez a feltevés vonatkozik azokra az anyagokra, amelyek gáz halmazállapotúak (a gáz, úgymond, ideális mind 1 atmoszféra nyomáson, mind sokkal alacsonyabb nyomáson).
Ezért a reakciórendszer entalpiájának változása az egyik állapotból a másikba való átmenet során standard körülmények között szintén standard jellegű lesz. Ezért egy mól összetett anyag egyszerű anyagokból standard körülmények között történő képződésének entalpiáját is nevezik standard entalpia (melegség ) oktatás.
A képződésentalpiában bekövetkező standard változásokat DYa jelöli (^ p. A továbbiakban egyszerűen szabványos anyagképződési entalpiáknak vagy reakcióentalpiáknak nevezzük őket (a szó kihagyásával). változás). Például a folyékony halmazállapotú víz képződésének standard entalpiáját a következőképpen jelöljük:
Ez a bejegyzés azt jelenti, hogy normál körülmények között egyszerű anyagokból egy mól folyékony halmazállapotú víz keletkezése 285,85 kJ veszteséggel jár a reagáló rendszer által. A reakció termokémiai egyenlete így néz ki:
A legtöbb ismert anyag standard képződési entalpiáit empirikusan határozták meg, vagy számították ki, és az anyagok termodinamikai tulajdonságait bemutató referenciatáblázatokban foglalták össze.
Az egyszerű anyagok (például H 2 (g), O 2 (g), Cu (cr) és egyéb anyagok) képződési entalpiájának standard értékeit azokra az aggregált állapotokra, amelyekben ezek az anyagok stabilak, egyenlőnek vesszük. nullára, azaz.
Egy vegyület képződésének standard entalpiája a termodinamikai stabilitásának, szilárdságának mértéke, és egy osztályra, azonos típusú anyagok csoportjára vonatkozóan periodikus jellegű.
Néha vannak kivételek a szabványos állapot megválasztása alól, például amikor a gőzös víz standard képződési hőjéről beszélünk, arra gondolunk, hogy vízgőz képződik, amelynek nyomása 101,3 kPa, hőmérséklete 25 ° C . De 25°C-on a vízgőznek sokkal kisebb az egyensúlyi nyomása. Ez azt jelenti, hogy a Dc 2 o(n) gőzállapotú víz képződéshője tisztán feltételes állapot.
Termokémiai törvények
Hess törvénye
A kémiai reakció hőjének függetlensége a folyamat útjától R = const és T = század első felében jött létre a const. Orosz tudós G. I. Hess. Hess megfogalmazta a törvényt, amely ma az ő nevét viseli: a kémiai reakció termikus hatása nem a bekövetkezésének útjától, hanem csak a kiindulási anyagok és reakciótermékek természetétől és fizikai állapotától függ.
Ez a törvény azokra a kölcsönhatásokra érvényes, amelyek izobár-izoterm (vagy izochor-izoterm) körülmények között lépnek fel, annak ellenére, hogy az egyetlen munkatípus a külső nyomáserők elleni munka.
Képzeljük el, hogy van egy reakciórendszer, amelyben anyagok DE és NÁL NÉL termékekké válnak D és E, a termokémiai egyenlet szerint:
Ennek a reakciónak az entalpiájának változása АH^ eacci. reakciótermékek D és E közvetlenül és közvetlenül a kiindulási anyagokból nyerhetők DE és NÁL NÉL ábrán látható sematikusan. 2.2, de az 1-2 útvonal mentén, minden közbenső szakaszt megkerülve. A hőhatás ennél az átalakítási módszernél (2.2. ábra, 6) egyenlő lesz:
Szerezze be ugyanazokat a termékeket D és E lehetséges, ha a folyamatot bármilyen köztes anyag képződésével hajtjuk végre, például az 1-3 4-5-2 vagy 1-6-7-2 útvonal mentén (2.2. ábra, a) Sőt, az oktatás minden szakaszában
A köztes anyagokat hőhatásuk vagy entalpiaváltozásuk jellemzi: D H 1, DN 2, DN 3, DN 4, DN 5, DN 6 és DN 7 a folyamatút egyes szakaszaira (2.2. ábra, b).
Rizs. 2.2. :
a - a folyamat végrehajtásának lehetséges módjai; b - a közbenső szakaszok entalpiáinak megváltoztatásának sémái a reakcióúttól függően
Ha figyelembe vesszük a folyamat közbenső szakaszokon átívelő energiaváltozások végeredményét, akkor kiderül, hogy ez egyenlő a közbenső szakaszok entalpiája változásának algebrai összegével:
Vagyis a reakció termikus hatása nem függ a folyamat végrehajtásának módjától, hanem csak a kiindulási anyagok kiindulási állapotától és a reakciótermékek végső állapotától (2.2. ábra, b).
Egy adott reakciónál, például a vas oxigénnel történő oxidációján, ellenőrizzük a Hess-törvény megvalósíthatóságát. Ennek a folyamatnak a termokémiai egyenlete:
Végezzük el ezt a folyamatot lépésről lépésre. Először a vasat vas-oxiddá (I) oxidáljuk a következő egyenlet szerint:
színpadra állítom :
2263,7 kJ hőhatással, majd a vas(I)-oxidot a második lépésben vas(III)-oxiddá oxidáljuk az egyenlet szerint:
II színpad-.
amelyben 293,9 kJ szabadul fel. A reakciók első és második szakaszának egyenleteit összeadva kapjuk:
Ezeknek a szakaszoknak a teljes hőhatása szintén 821,3 kJ, mintha az eljárást közbenső szakaszok nélkül hajtanák végre. Vagyis Hess törvénye teljesül.
A termokémiai egyenletek összeadhatók és kivonhatók, mint a közönséges algebrai egyenletek.
Tekintsük a Hess-törvény illusztrációját egy másik példával.
Ismert:
Keresse meg a DH° értéket a következő reakciókhoz:
A kiindulási adatok alapján célszerű diagramot készíteni a CO 2 képződésének lehetséges útjairól (2.3. ábra).
Rizs. 2.3.
Hess törvénye szerint
Ugyanez az eredmény érhető el, mivel a (3) reakcióegyenletet úgy kaphatjuk meg, hogy a (2) egyenletet kivonjuk az (1) egyenletből. Hasonló művelet a hőhatásokkal
Ahhoz, hogy megkapjuk a (4) egyenletet, ki kell vonnunk a (2) egyenletet az (1) egyenletből, szorozva 2-vel.
Gyakorlati szempontból fontosak a Hess-törvény következményei. Tekintsünk kettőt közülük.
A Hess-törvény első következménye
Ez a következmény a vegyületek képződési hőjéhez kapcsolódik. Képződéshő (entalpia). a vegyületeket hőmennyiségnek nevezzük,
1 mól e vegyület képződése során szabadul fel vagy szívódik fel egyszerű anyagokból, amelyek adott körülmények között a legstabilabb állapotban vannak. (Az egyszerű anyagok azonos típusú atomokból állnak, pl. N 2, H 2, 0 2, C, S, Fe stb.) Ebben az esetben a reakció hipotetikusnak bizonyulhat, pl. nem igazán folyik. Például a kalcium-karbonát képződési hője megegyezik a fémes kalciumból, a grafit formájú szénből és a gázhalmazállapotú oxigénből 1 mol kristályos kalcium-karbonát képződésének reakcióhőjével:
A stabil egyszerű anyagok (N 2 , H 2 , 0 2 , Fe stb.) képződésének hője (entalpiája) nullával egyenlő.
Jelöljük az anyag képződéshőjét DY oG)p-nek
A Hess-törvény első következményének megfelelően bármely reakció hőhatása kiszámítható a képződés tenlotjaiból (entalpiáiból): a reakció hőhatása megegyezik a reakciótermékek és a kiindulási anyagok képződési hőjének (entalpiájának) különbségével, figyelembe véve a sztöchiometrikus együtthatókat.
(2.11)
Feliratkozási ikonok itt j és і reakciótermékekre és kiindulási anyagokra utalnak; v - sztöchiometrikus együtthatók.
ábrán látható séma. A 2.4 ennek a következménynek a bizonyítását szemlélteti. A (2.11) egyenlet a vektorösszeadás szabályából következik.
Rizs. 2.4.
A 2.4. szakaszban leírtak szerint a képződéshőket általában standard feltételeknek nevezik, és ún vegyületképződés standard hője (entalpiája). és jelölje AHob r. A leggyakoribb vegyületek Anob értékeit termodinamikai referenciatáblázatokban adjuk meg. Segítségükkel kiszámítják az AN 0 kémiai reakciók standard hőhatásait:
A Hess-törvény második következménye
Megjegyezzük, hogy az összes fenti példában az egyes anyagok képződésének standard entalpiáját (hőjét) alkalmaztuk. Néhány vegyület esetében azonban nem lehet közvetlenül kísérletileg meghatározni, ha csak egyszerű anyagokból indulunk ki. Ilyen esetekben G. I. Hess törvénye alapján számítják ki a képződés standard entalpiáit (hőit) az ismertek szerint. égési entalpiák (hők). ezeket az anyagokat, mivel a legtöbb ilyen esetben egyszerű és összetett anyagok teljes égésének reakciója is végrehajtható.
Ugyanakkor alatta fűtőértéke megért 1 mol összetett anyag (vagy egyszerű anyag 1 mol atomja) elégetésének hőhatása, amíg stabil oxidok nem keletkeznek.
Szabványos fűtőértékek 25°C-ra (298 K) és nyomásra vonatkoztatva
- 101,3 kPa. Az oxigén és az égéstermékek égéshője állandó állapotukban normál körülmények között (25°C,
- 101,3 kPa), azaz gáz halmazállapotú oxigén, nitrogén, szén-dioxid, kén-dioxid, folyékony víz és egyéb nem éghető anyagok energiatartalmát feltételesen nullának tekinti.
Az anyagok égéshőinek ismerete gyakorlati jelentősége abban rejlik, hogy ezek értékeiből ugyanúgy ki lehet számítani a kémiai reakciók hőhatásait, mint az anyagok képződési entalpiáinak (hőinek) felhasználásánál. Hiszen a reakció termikus hatása nem a megvalósítás módjától, a közbenső szakaszoktól függ, hanem csak a kiindulási anyagok és reakciótermékek kezdeti és végső állapota határozza meg a Hess-törvény szerint. Az égéshő különösen gyakorlati jelentőséggel bír a szerves vegyületek részvételével zajló reakciók hőhatásainak meghatározásában. Például a metán képződésének hője egyszerű anyagokból
közvetlenül nem mérhető. A szerves anyag képződéshőjének meghatározásához elégetik, és az összetett szerves anyagok égéshője és az egyszerű anyagok égéshője alapján meghatározzák a keletkezési hőjét. A metán képződéshője és a reakciótermékek égéshője közötti összefüggés a diagramon látható (2.5. ábra).
A Hess-törvény szerint az első és a második út hőhatásainak egyenlőnek kell lenniük
Egy egyszerű anyag, például grafit és hidrogén égéshője stabil oxiddá, pl. szén-dioxid vagy víz képződése előtt azonos a szén-dioxid vagy víz képződési hőjével:
Rizs. 2.5.
Ezt figyelembe véve a következőket kapjuk:
A megfelelő képződéshők számértékeit behelyettesítve az egyenletbe, a következőt kapjuk:
Egyes termodinamikai kézikönyvek táblázatokat tartalmaznak az izobár égéshőkről - sok szerves anyag A//J roppantságáról, amelyeket számításokhoz lehet használni. Ha azonban nem éghető anyagok vesznek részt a reakcióban, akkor a termikus hatás csak a képződéshőkön keresztül határozható meg. Például:
normál körülmények között a hőhatás:
azok. ez a reakció exoterm Q= +168,07 kJ/mol.
A Hess-törvény és annak következményei minden termokémiai számítás alapjául szolgálnak, miközben szükséges, hogy minden égés- vagy képződéshő ugyanazokra a feltételekre vonatkozzon - izobár vagy izokorikus. A termodinamikai táblázatok megadják az értékeket AN képződés vagy égés normál körülmények között (/? = 101,3 kPa és T = 298 K), azaz. izobár-izoterm folyamathoz.
Qp-ről menni Qn
egyenletet kell használnia: 
Az élelmiszer-anyagok kémiai átalakulása a szervezetben, mint minden testen kívüli kémiai reakció, betartja a termokémia törvényeit. Következésképpen a Hess-törvény okot ad arra, hogy az élelmiszer-anyagok égéshőjét használják fel a szervezetben való oxidációjuk energiájának ábrázolására. Bár a szervezetbe juttatott tápanyagok összetett úton mennek keresztül végső átalakulásukig, és nagyszámú reakcióban vesznek részt, ezeknek a reakcióknak az összenergia-hatása a Hess-törvény szerint megegyezik a tápanyagok közvetlen égésének hőhatásával. bevitt anyagok.
Például egy mól glükóz elégetésekor (szén-dioxiddá és vízzé) egy kalorimetrikus bombában 2816 kJ szabadul fel, ami azt jelenti, hogy teljes oxidációval és egy mól glükóz testében 2816 kJ-nak megfelelő energiamennyiség. kiszabadul. A glükóz oxidációjának útja kalorimetrikus bombában és szervezetben eltérő, de az energiahatás mindkét esetben azonos, hiszen a reakcióban résztvevő anyagok kezdeti és végállapota megegyezik.
Termokémiai számítások
A reakciók termikus hatásainak, a vegyületek képződéshőinek meghatározásához kapcsolódó termokémiai számítások bizonyos mértékig lehetővé teszik a folyamat valószínű irányának előrejelzését, a kötés szilárdságának közelítő jellemzését. Minden számítás a termokémia két törvényén, valamint annak alapfogalmain és definícióin alapul.
Nézzünk néhány konkrét példát a termokémiai számításokra.
2.1. példa. Határozzuk meg a kristályos Al2(SO4)3 kristályos Al 2 0 3-ból és gázhalmazállapotú S0 3-ból 298 K-on képződő reakciójának standard termikus hatását А// 0:
A reakcióban részt vevő anyagok standard képződési entalpiái 298 K hőmérsékleten a következők:
Ekkor a (2.12) egyenlettel azt találjuk
Megoldás. Felírjuk a metán égésének termokémiai egyenletét
Az anyagok termodinamikai tulajdonságainak kézikönyvéből kiírjuk a kiindulási anyagok és reakciótermékek képződési entalpiáinak (képződéshőinek) standard értékeit:
Mivel a metán égése során folyékony halmazállapotban szén-dioxid (1 mol) és víz (2 mol) képződik, ezért ezeknek az anyagoknak egyszerű anyagokból történő képződésének termokémiai egyenleteit fogjuk összeállítani:
És mivel az égés során a metán CH 4 (g) lebomlik, folyékony halmazállapotú vízzé és szén-dioxiddá alakul, felírjuk a metán egyszerű anyagokra történő bomlásának termokémiai egyenletét:
Ezt az utolsó három egyenletet összeadva megkapjuk a metán égésének reakciójának termokémiai egyenletét:
Így ennek a reakciónak a termikus hatása standard körülmények között egyenlő Q-val °„ \u003d 890,94 kJ / mol vagy a reakció entalpiájának változása DH ° ktsnn \u003d - 890,94 kJ / mol.
Ha alaposan megnézi, hogyan kaptuk meg ezt a számértéket, kiderül, hogy a kiindulási anyagok képződéshőinek összegét kivontuk a reakciótermékek képződéshőinek összegéből. azt következmény Hess törvényéből, amely a következőképpen írható fel:
Vagy a reakció entalpiájában bekövetkezett változás fogalmával kapcsolatban:
Problémánkra alkalmazva a reakció termikus hatása kiszámítható anélkül, hogy összeállítanánk az anyagok képződésének és bomlásának egyenleteit:
Vagy numerikus adatokat helyettesítve a következőket kapjuk:
Hasonló számítás végezhető nem a képződéshők, hanem az entalpiák felhasználásával:
2.3. példa. Számítsa ki a reakció termikus hatását:
Az égési entalpiák a következők:
acetilénre (g) DHa = -1298,3 kJ/mol; benzolra (l) AN" = -3264,2 kJ/mol.
A (2.13) egyenlettel azt találjuk
Az égéshő ismeretében könnyen meghatározható a képződéshő, és fordítva. Ha például a metil-alkohol égéshője -729 kJ/mol, akkor a CO 2 és a H 2 0 képződéshő értékeit felhasználva a következő termokémiai egyenletek állíthatók fel:
)
Az egyenlet szorzása (ban ben) 2-vel, összeadva a (b) egyenlettel és kivonva az (a) egyenletet, transzformációk után megkapjuk a metil-alkohol képződésének reakcióját
A reakciók termikus hatásaival hasonló átalakításokat végrehajtva megkapjuk a metil-alkohol képződésének termikus hatását AN
A Hess-törvény összetett biokémiai folyamatokra is érvényes. Így egy élő szervezetben a szénhidrátok és zsírok oxidációja során nyert hőmennyiség, ahol ezek a folyamatok több lépcsőben mennek végbe, és ezen anyagok oxigénben történő égése során felszabaduló hőmennyiség egyenlőnek bizonyult. A fehérjék esetében ez nem így van, mivel a szervezetben a fehérjeoxidáció végterméke a karbamid, míg az oxigénben a fehérje oxidációja teljes.
Beszéljünk arról, hogy mi képezi a képződés hőjét, és határozzuk meg azokat a feltételeket is, amelyeket szabványnak nevezünk. A kérdés megértése érdekében meg fogjuk találni az egyszerű és összetett anyagok közötti különbségeket. A „képződéshő” fogalmának megszilárdításához vegyünk figyelembe konkrét kémiai egyenleteket.
Az anyagok képződésének standard entalpiája
A szén és a hidrogén kölcsönhatása során 76 kJ energia szabadul fel. Ebben az esetben ez a szám a termikus hatás, de az egyszerű anyagokból metánmolekula képződési hője is. "Miért?" - kérdezed. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a kezdeti komponensek szén és hidrogén voltak. 76 kJ/mol lesz az az energia, amelyet a vegyészek "képződéshőnek" neveznek.
Adattáblák
A termokémiában számos táblázat található, amelyekben különböző egyszerű anyagok képződési hője látható. Például egy olyan anyag képződési hőjének mutatója, amelynek képlete gáz halmazállapotú CO 2, 393,5 kJ / mol.
Gyakorlati érték
Miért van szükség ezekre az értékekre? A képződéshő egy olyan érték, amelyet bármely kémiai folyamat hőhatásának kiszámításakor használnak. Az ilyen számítások elvégzéséhez a termokémia törvényének alkalmazására lesz szükség.
Termokémia
Ez az alaptörvény, amely megmagyarázza a kémiai reakciók során megfigyelt energiafolyamatokat. A kölcsönhatás során minőségi átalakulások figyelhetők meg a reagáló rendszerben. Egyes anyagok eltűnnek, helyette új komponensek jelennek meg. Egy ilyen folyamat a belső energiarendszer változásával jár együtt, ami munka vagy hő formájában nyilvánul meg. Az expanzióval kapcsolatos munkának van egy minimális mutatója a kémiai átalakulásokra. Az egyik komponens másik anyaggá való átalakulása során felszabaduló hő nagy lehet.
Ha figyelembe vesszük a különféle átalakulásokat, akkor szinte mindegyiknél van egy bizonyos mennyiségű hő elnyelése vagy felszabadulása. Az előforduló jelenségek magyarázatára egy speciális szakaszt hoztak létre - termokémia.
Hess törvénye
Ennek köszönhetően lehetővé vált a hőhatás kiszámítása a kémiai reakció körülményeitől függően. A számítások a termokémia alaptörvényén, a Hess-törvényen alapulnak. Íme a megfogalmazása: a kémiai átalakulás termikus hatása az anyag természetéhez, kezdeti és végső állapotához kapcsolódik, nem kapcsolódik a kölcsönhatás végrehajtásának módjához.
Mi következik ebből a megfogalmazásból? Egy adott termék előállítása esetén nincs szükség egyetlen interakciós lehetőség alkalmazására, a reakciót többféleképpen lehet végrehajtani. Mindenesetre, függetlenül attól, hogy hogyan szerzi be a kívánt anyagot, a folyamat hőhatása azonos értékű lesz. Meghatározásához össze kell foglalni az összes köztes átalakulás termikus hatását. A Hess-törvénynek köszönhetően lehetővé vált a hőhatások számszerű mutatóinak számítása, amit kaloriméterben lehetetlen elvégezni. Például a szén-monoxid képződési hőjét mennyiségileg a Hess-törvény szerint számítják ki, de ezt nem fogja tudni meghatározni közönséges kísérletekkel. Ezért olyan fontosak a speciális termokémiai táblázatok, amelyekben számértékeket adnak meg a különböző anyagokhoz, szabványos körülmények között meghatározva.
Fontos szempontok a számításokban
Tekintettel arra, hogy a képződéshő a reakció termikus hatása, a vizsgált anyag különösen fontos. Például a mérések során a grafitot szokás a gyémánt helyett a szén standard állapotának tekinteni. Figyelembe kell venni a nyomást és a hőmérsékletet is, vagyis azokat a körülményeket, amelyek között a reagáló komponensek kezdetben helyezkedtek el. Ezek a fizikai mennyiségek jelentős hatással lehetnek a kölcsönhatásra, növelhetik vagy csökkenthetik az energiaértéket. Az alapvető számítások elvégzéséhez a termokémiában szokás speciális nyomás- és hőmérsékletmutatókat használni.
Standard feltételek
Mivel egy anyag képződéshője az energiahatás mértékének meghatározása standard körülmények között, ezeket külön kiemeljük. A számítások hőmérséklete 298 K (25 Celsius fok), nyomás - 1 atmoszféra. Ezen kívül egy fontos szempont, amire érdemes odafigyelni, az a tény, hogy bármely egyszerű anyag képződési hője nulla. Ez logikus, mert nem önmagukat alakítják ki, vagyis nincs energiaráfordítás az előfordulásukhoz.
A termokémia elemei
A modern kémia ezen szakasza különösen fontos, mert itt végeznek fontos számításokat, és olyan konkrét eredményeket kapnak, amelyeket a hőenergia-technikában használnak. A termokémiában számos olyan fogalom és kifejezés létezik, amelyeket fontos alkalmazni a kívánt eredmények elérése érdekében. Az entalpia (ΔH) azt jelzi, hogy a kémiai kölcsönhatás zárt rendszerben ment végbe, más reagensek nem befolyásolták a reakciót, a nyomás állandó volt. Ez a finomítás lehetővé teszi, hogy beszéljünk az elvégzett számítások pontosságáról.
Attól függően, hogy melyik reakciót vesszük figyelembe, a keletkező hőhatás nagysága és előjele jelentősen eltérhet. Tehát minden olyan átalakulásnál, amelyben egy összetett anyag több egyszerűbb komponensre bomlik, hőelnyelést feltételezünk. A sok kiindulási anyag egy, összetettebb termékké való kombinálásának reakciói jelentős mennyiségű energia felszabadulásával járnak.
Következtetés
Bármely termokémiai probléma megoldása során ugyanazt a műveleti algoritmust használjuk. Először a táblázat szerint minden kezdeti komponensre, valamint a reakciótermékekre vonatkozóan meghatározzák a képződéshő értékét, nem feledkezve meg az aggregáció állapotáról. Továbbá a Hess-törvénnyel felvértezve egy egyenletet alkotnak a kívánt érték meghatározására.
Különös figyelmet kell fordítani a sztereokémiai együtthatók figyelembevételére, amelyek egy adott egyenletben a kiindulási vagy végső anyagok előtt léteznek. Ha a reakcióban egyszerű anyagok vannak, akkor standard képződési hőjük nulla, vagyis az ilyen komponensek nem befolyásolják a számítások során kapott eredményt. Próbáljuk a kapott információkat egy konkrét reakcióra felhasználni. Ha példának vesszük a tiszta fém vas-oxidból (Fe 3+) való képződését grafittal való kölcsönhatás útján, akkor a referenciakönyvben megtalálhatók a standard képződési hő értékei. A vas-oxid (Fe 3+) esetében -822,1 kJ / mol, a grafitnál (egyszerű anyag) nulla. A reakció eredményeként (CO) képződik, amelyre ez a mutató 110,5 kJ / mol, a felszabaduló vas képződési hője pedig nullának felel meg. Egy adott kémiai kölcsönhatás standard képződéshőjének rekordját a következőképpen jellemezzük:
ΔH körülbelül 298 = 3 × (-110,5) - (-822,1) = -331,5 + 822,1 = 490,6 kJ.
A Hess-törvény szerint kapott numerikus eredményt elemezve logikus következtetést vonhatunk le, hogy ez a folyamat endoterm átalakulás, azaz energiaráfordítással jár a redukáló vas háromértékű oxidjából való reakciójához.
A különböző reakciók hőhatásainak összehasonlítása és a termokémiai számítások elvégzése érdekében bevezettük a szabványos körülmények közötti hőhatás fogalmát. Jelenleg a következő szabványos állapotok elfogadottak:
Egyedi kristályos és folyékony anyagoknál - a valós állapot (a legstabilabb módosulás) adott 1 bar hőmérsékleten és nyomáson.
Az egyes gázok esetében ez egy hipotetikus állapot, amely egy gáz végtelenül kis nyomásra történő izoterm expanziója során következik be, majd 1 bar feletti kompresszió következik be, de az ideális gáz izotermája szerint, 1. ábra. 3
1 - igazi gáz
2 - ideális gáz
A normál körülmények közötti hőhatást a szabványos képződés- és égéshőkből számítják ki. Szabványos képződéshő 1 mol adott anyag egyszerű anyagokból (vagy elemekből) 1,013 * 10 5 Pa nyomáson képződő reakciójának termikus hatásának nevezik, feltéve, hogy a reakció minden résztvevője stabil aggregációs állapotban van.
A szabványos képződéshők összehasonlításának megkönnyítése érdekében ezeket a 298 K alaphőmérsékletre utaljuk. A tiszta folyékony vagy kristályos (szilárd) anyag standard halmazállapota a legstabilabb fizikai állapota adott hőmérsékleten és normál állapotban. légköri nyomás. Egy gáz standard állapotaként egy hipotetikus állapotot veszünk fel, amelyben a p = 1,013 * 10 5 Pa gáz megfelel az ideális gázok törvényeinek, és entalpiája megegyezik egy valódi gáz entalpiájával. A stabil aggregált állapotú egyszerű anyagok (elemek) standard képződéshőit nullának vesszük. A képződéshők 1 mol anyagra vonatkoznak, jelezve annak aggregációs állapotát.
standard fűtőérték 1 mol anyag oxigénatmoszférájában, 1,013 * 10 5 Pa standard nyomáson égés során felszabaduló hőt nevezzük a legegyszerűbb oxidoknak. Ebben az esetben a reakció minden résztvevőjének stabil aggregációs állapotban kell lennie. A szabványos képződéshőkhöz hasonlóan a standard égéshőket is a 298 K alaphőmérsékletre vonatkoztatjuk. Ilyen körülmények között az égéstermékek a következők: CO 2 (g), H 2 O (l), SO 2 (g), N 2, stb. A legegyszerűbb oxidok stabil állapotú égésénél szokásos hőek nullának számítanak.
Hőkapacitás
Valódi hőkapacitás test (C) a test által kapott végtelenül kis mennyiségű δQ hő és a megfelelő hőmérséklet-növekmény aránya: C \u003d δQ / dT. Az eggyel egyenlő tömegű test hőkapacitását ún különleges. Kényelmesebb a használata a moláris hőkapacitás. moláris hőkapacitás M az a hőmennyiség, amelyet 1 mol anyag vesz fel, ha hőmérséklete eggyel nő.
Néha használt átlagos hőkapacitás. Az átlagos moláris hőkapacitást (C) a T 1 és T 2 közötti hőmérsékleti tartományban olyan hőkapacitásnak nevezzük, amely megegyezik az 1 mol anyag által nyert hőmennyiség (Q) és a hőmérséklet-növekmény arányával. (∆T). Ebben a hőmérséklet-tartományban С=Q/∆Т állandó.
A hőkapacitás moláris értékeit J/(mol K), a fajlagos értékeket J/(g K) mértékegységben fejezzük ki. A valódi hőkapacitás az anyag természetétől, a hőmérséklettől és a hőátadás feltételeitől függ. Ha a rendszert állandó térfogatba zárjuk, akkor a hőmérséklet egy egységnyi növeléséhez szükséges hőmennyiséget a következő egyenlőséggel fejezzük ki:
ahol C V az izochor hőkapacitás.
Ha a rendszer összehúzódik vagy kitágul, miközben a nyomás állandó marad, akkor
ahol C P az izobár hőkapacitás.
Az állandó térfogatú és állandó nyomású hőkapacitások a rendszer térfogatának megváltoztatásához szükséges munka mennyiségében különböznek. Mivel a folyamatban p \u003d const 1 mól ideális gáz izobár tágítását végzik el, akkor a rendszer hőmérsékletének egy egységgel történő növeléséhez több hőre van szükség, ezért С P > С V:
С P \u003d С V + R - Mayer-egyenlet,
ahol R az univerzális gázállandó. Folyadékok és szilárd anyagok esetén a hevítéskor bekövetkező kis térfogatváltozás miatt С P ≈С V .
Betöltés...