Термохимия

Термохимия - это раздел физической химии, который занимается изучением тепловых эффектов химических реакций.

Тепловой эффект химической реакции - это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при прохождении химической реакции.

Термохимическое уравнение:

3Fe + 2O2 -> Fe3O4 ΔH = -1117,13 кДж/моль

Q = 1117,13 кДж/моль

Значения изменения энтальпии ΔH и теплоты химической реакции Q равны по модулю и отличаются по знаку. Q - это внешний тепловой эффект, а ΔH, энатльпия - это внутреннее теплосодержание системы. Если энергия при химической реакции выделяется, то внутреннее теплосодержание системы падает (становится отрицательным), а сама энергия переходит во внешнюю среду с положительной тепловой энергией.

По знаку теплового эффекта химические реакции разделяют на:

Экзотермические реакции - реакции, при которых энергия выделяется (Q>0 и ΔH<0)

Эндотермические реакции - реакции, при которых энергия поглощается (Q<0 и ΔH>0)

Основным законом термохимии считается закон Гесса, который открыл российский химик Герман Гесс в 1840 году:

Тепловой эффект химической реакции зависит от природы исходных веществ и продуктов реакции и не зависит от пути её протекания.

Есть два пути протекания химического процесса:

Первый путь: C + O2 -> CO2 + 409,2 кДж/моль

Второй путь, состоящий из двух реакций: С + 1/2 O2 -> CO + 124,3 кДж/моль

СO + 1/2 O2 -> CO2 + 284,9 кДж/моль

Но суммарный процесс этих двух реакций с общим тепловым эффектом будет равен пути первого процесса:

C + O2 -> CO2 + 409,2 кДж/моль

На практике и в решении задач часто применимы следствия из закона Гесса:

1. Тепловые эффекты прямой и обратной реакции равны по величине и обратны по знаку (закон Лавуазье-Лапласа)

Ca + 1/2 O2 -> CaO + 636,4 кДж/моль

CaO -> Ca + 1/2 O2 - 636,4 кДж/моль

2. Тепловой эффект химической реакции равен разнице между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ, взятых с учётом коэффициентов в химической реакции

Есть уравнение химической реакции между веществами A и B с получением C и D:

aA + bB -> cC + dD

Тепловой эффект реакции будет равняться: ΔH_{реакции} = (cΔH_c^o + dΔH_D^o) – (aΔH_A^o + bΔH_B^o)

ΔH = Σ(ΔH^o_{продуктов}) — Σ(ΔH^o_{исходных})

ΔH^o - теплота образования -это тепловой эффект реакции образования вещества из простых веществ. Табличная величина ΔH^o обозначается ΔH^o₂₉₈ - величина энтальпии при давлении 1 атмосфера и температуре 298 К или 25⁰С

Рассчитаем тепловой эффект химической реакции для уравнения:

Al2O3 + 3SO3 -> Al2(SO4)3

-1676 -395,8 -3443 ΔH^o₂₉₈ , кДж/моль

ΔH_{реакции} = ΔH_Al2(SO4)3^o – (ΔH_Al2O3^o + 3ΔH_SO3^o) = ΔH_Al2(SO4)3^o – ΔH_Al2O3^o - 3ΔH_SO3^o = -3443 +1676 + 3*393.8 = -579,5 кДж/моль

Энтальпия растворения

NaCl + aq -> NaCl_aq 5,02 кДж

Процесс растворения твёрдого вещества в жидкости включает в себя две стадии - это физическое дробление, затем перемешивание за счёт диффузии и химическое взаимодействие. Энегрия, которая будет выделяться или поглощаться при этом тоже будет состоять из двух стадий:

1-я стадия: Твёрдое вещество, растворяясь, переходит в жидкое - Q₁ - теплота плавления

2-я стадия: Растворённое вещество взаимодействует с растворителем - Q₂ - теплота гидратации (в воде) или теплота сольватации.

Сама энтальпия растворения будет являться суммой этих теплот: ΔH = Q₁ + Q₂

Энтальпия сгорания

Это количество теплоты реакции окисления данного соединения кислородом.

ΔH_{сгорания} = Σ(ΔH^o_{исходных}) — Σ(ΔH^o_{продуктов})

С2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O

ΔH_{сгорания} = ΔH_{сгорания}(C2H5OH) - (2ΔH_СO2 + 3ΔH_H2O) = -1366,91 - (2*(-393,51) + 3*(285,84)) = -8,21 кДж/моль