Что называют тепловым эффектом процесса

Тепловой эффект химической реакции

Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции — отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.

Чтобы тепловой эффект являлся величиной, зависящей только от характера протекающей химической реакции, необходимо соблюдение следующих условий:

Содержание

Стандартная энтальпия образования (стандартная теплота образования)

Под стандартной теплотой образования понимают тепловой эффект реакции образования одного моля вещества из простых веществ, его составляющих, находящихся в устойчивых стандартных состояниях.

Например, стандартная энтальпия образования 1 моль метана из углерода и водорода равна тепловому эффекту реакции:

Энтальпия образования простых веществ принимается равной нулю, причем нулевое значение энтальпии образования относится к агрегатному состоянию, устойчивому при T = 298 K. Например, для йода в кристаллическом состоянии ΔH_I2(тв) 0 = 0 кДж/моль, а для жидкого йода ΔH_I2(ж) 0 = 22 кДж/моль. Энтальпии образования простых веществ при стандартных условиях являются их основными энергетическими характеристиками.

Тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции (следствие закона Гесса):

Термохимические эффекты можно включать в химические реакции. Химические уравнения в которых указано количество выделившейся или поглощенной теплоты, называются термохимическими уравнениями. Реакции, сопровождающиеcя выделением тепла в окружающую среду имеют отрицательный тепловой эффект и называются экзотермическими. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла имеют положительный тепловой эффект и называются эндотермическими. Тепловой эффект обычно относится к одному молю прореагировавшего исходного вещества, стехиометрический коэффициент которого максимален.

Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции

Чтобы рассчитать температурную зависимость энтальпии реакции, необходимо знать мольные теплоемкости веществ, участвующих в реакции. Изменение энтальпии реакции при увеличении температуры от Т₁ до Т₂ рассчитывают по закону Кирхгофа (предполагается, что в данном интервале температур мольные теплоемкости не зависят от температуры и нет фазовых превращений):

Если в данном интервале температур происходят фазовые превращения, то при расчёте необходимо учесть теплоты соответствующих превращений, а также изменение температурной зависимости теплоемкости веществ, претерпевших такие превращения:

где ΔC_p(T₁,T_f) — изменение теплоемкости в интервале температур от Т₁ до температуры фазового перехода; ΔC_p(T_f,T₂) — изменение теплоемкости в интервале температур от температуры фазового перехода до конечной температуры, и T_f — температура фазового перехода.

Стандартная энтальпия сгорания

Стандартная энтальпия растворения

Под энтальпией гидратации — ΔH_гидр, понимается теплота, которая выделяется при переходе 1 моля ионов из вакуума в раствор.

Стандартная энтальпия нейтрализации

Стандартная энтальпия нейтрализации — ΔH_нейтр о энтальпия реакции взаимодействия сильных кислот и оснований с образованием 1 моля воды при стандартных условиях:

HCl + NaOH = NaCl + H₂O H + + OH − = H₂O, ΔH_нейтр° = −55,9 кДж/моль

Стандартная энтальпия нейтрализации для концентрированных растворов сильных электролитов зависит от концентрации ионов, вследствие изменения значения ΔH_{гидратации}° ионов при разбавлении.

Источник

§ 19. Тепловые эффекты химических реакций

Оглавление

Протекание химических реакций всегда сопровождается выделением или поглощением энергии.

Тепловой эффект реакции — это количество теплоты Q, выделяющейся или поглощающейся в ходе превращения, если количества реагентов (моль) соответствуют стехиометрическим коэффициентам уравнения реакции.

От чего зависит величина теплового эффекта химической реакции?

В качестве примера определим значение теплового эффекта реакции образования оксида азота(II) из простых веществ:

Общий тепловой эффект реакции Q равен сумме тепловых эффектов Q₁ и Q₂:

Отрицательное значение теплового эффекта показывает, что данная реакция является эндотермической и протекает в соответствии с термохимическим уравнением:

Термохимическими называют уравнения, в которых указаны значения тепловых эффектов.

Для осуществления эндотермических реакций необходимо постоянно передавать системе энергию в виде теплоты, электромагнитного излучения (свет, ультрафиолетовое излучение), электричества и др. Так, эндотермические реакции либо протекают при высоких температурах (например, разложение карбонатов, нитратов и гидроксидов щёлочноземельных металлов), либо требуют подведения электрической энергии (электролиз, образование NO в грозовом разряде) или энергии света (образование озона в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения). Эндотермическим процессом является фотосинтез, в котором энергия солнечного света поглощается и запасается в виде химической энергии продуктов — кислорода и глюкозы:

Экзотермические реакции либо не требуют нагревания, либо для начала реакции нужно небольшое нагревание: например, водород со фтором реагирует мгновенно, а для взаимодействия водорода с кислородом смесь газов необходимо нагреть.

Величина теплового эффекта реакции определяется экспериментально в специальном приборе — калориметре, уже знакомом вам по урокам физики в 8-м классе. Результаты измерений приводят к определённым условиям. Обычно это давление 100 кПа и температура 25 °С ( 298,15 K ), что необходимо для сравнения и обобщения экспериментальных данных.

Рассмотрим примеры термохимических расчётов.

Пример 1. Рассчитайте количество теплоты, выделяющейся в результате полного сгорания в кислороде метана объёмом 6,72 м 3 ( н. у. ) в соответствии с термохимическим уравнением:

Источник

Тепловой эффект

Что такое тепловой эффект химической реакции

В процессе химических реакций может выделяться или поглощаться тепло.

Экзотермическими реакциями называют процессы, в результате которых выделяется теплота, обозначаемая параметром «+».

Эндотермическими реакциями являются нормальные процессы, сопровождающиеся поглощением теплоты. В этом случае теплота Q обозначается со знаком «-».

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Тепловым эффектом химической реакции называют изменение внутренней энергии системы, что является результатом химической реакции и трансформации исходных веществ или реагентов в продукты реакции в количествах, которые соответствуют формуле химической реакции.

Химические реакции сопровождаются некоторыми численными закономерностями. С их помощью можно определить знак, которому соответствует тепловой эффект. К данным закономерностям относят:

Обозначить количество теплоты можно буквой Q. Величина измеряется в кДж (килоджоули) или Дж (джоули). Теплота, которая выделяется во время реакции, пропорциональна количеству вещества, с помощью которого запущена реакция.

Температурная зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции

Понятие стандартной теплоты образования используют для обозначения теплового эффекта реакции, при которой образуются один моль вещества из простых веществ, его составляющие, характеризующиеся устойчивыми стандартными состояниями. К примеру, стандартной энтальпией образования 1 моля метана из углерода и водорода является тепловой эффект реакции:

Обозначением стандартной энтальпии образования является \(\Delta H^<0>_\)

В данном случае индексом f выражают formation или образование. Верхний индекс О служит для указания соответствия величины стандартному состоянию вещества, то есть один моль индивидуального химического соединения, имеющего чистый вид, при стандартизированных условиях в таком агрегатном состоянии, которое отличается устойчивостью в этих условиях.

Энтальпия образования простых веществ имеет нулевое значение. При этом данное условие соответствует агрегатному состоянию, сохраняющему стабильность при температуре 298.15 К.

К примеру, йод в кристаллическом виде обладает стандартной энтальпией образования \(\Delta H^<0>(I_<2>)=0\) кДж/моль. В жидком состоянии показатель йода изменится таким образом:

Энтальпии образования простых веществ в стандартных условиях представляют собой их основные энергетические характеристики.

Тепловой эффект какой-либо реакции рассчитывают, как параметр, равный разнице суммы теплоты образования всех продуктов и суммы теплоты образования всех реагентов в этой реакции, согласно закону Гесса.

Формула выглядит следующим образом:

Термохимические эффекты включают в химические реакции.

Термохимическими уравнениями являются химическими уравнениями с указанием количества теплоты, которая выделилась или была поглощена.

Если реакция сопровождается выделением теплоты во внешнюю среду, и тепловой эффект характеризуется отрицательным значением, то такая реакция относится к экзотермическому типу. При наблюдении положительного теплового эффекта и поглощения тепла реакции называют эндотермическими. Тепловой эффект, как правило, относится к одному молю прореагировавшего исходного вещества с максимальным стехиометрическим коэффициентом.

При известных мольных теплоемкостях веществ, которые участвуют в реакции, можно определить, какова температурная зависимость энтальпии реакции. Если температура от Т₁ до Т₂ увеличивается, то изменение энтальпии реакции необходимо рассчитывать, согласно закону Кирхгофа. При этом данный интервал температур не предполагает зависимость от температуры, а фазовые превращения отсутствуют. Уравнение имеет следующий вид:

При наблюдении фазовых превращений в данном температурном интервале, расчет выполняют с учетом теплоты соответствующих превращений и изменения температурной зависимости теплоемкости веществ, подвергшимся таким превращениям:

где \(\Delta C_

(T_<1>,T_<\varphi >)\) является изменением теплоемкости в температурном интервале от Т₁ до фазового перехода, \(\Delta C_

(T_<\varphi >,T_<2>)\) представляет изменение теплоемкости в температурном интервале от фазового перехода до конечных показателей, \(T_<\varphi >\) является температурой фазового перехода.

Закон Кирхгофа для теплового эффекта, уравнение

Закон Кирхгофа: температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции определен изменением теплоемкостью системы в процессе реакции.

С помощью уравнения Кирхгофа, которое вытекает из вышеизложенной закономерности, выполняют расчет теплового эффекта при разных температурных показателях. В дифференциальной форме закон записан таким образом:

В форме интеграла закон Кирхгофа обладает следующим видом:

где \(C_

\) и \(C_\) являются изобарной и изохорной теплоемкостью; \(\Delta _C_\) представляет собой разницу изохорных теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ; \(\Delta _C_

\) — разность изобарных теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ; соответствующими тепловыми эффектами являются \(\Delta _H\) и \(\Delta _U.\)

Если разность Т₂-Т₁ не отличается большими значениями, то \(\Delta _C_

=const\) и \(\Delta _C_=const\)

В этом случае интегральная форма уравнения будет записана в таком виде:

Если разница между температурами достаточно большая, то требуется учитывать такие температурные зависимости теплоемкостей:

Термохимическое уравнение, как делать расчеты

При решении задач по термохимии использую термохимические уравнения. В данных формулах записывают реакции с количеством тепла, которое выделилось в процессе реакции на число моль вещества в соответствии с коэффициентами в уравнении.

В качестве примера можно рассмотреть термохимическое уравнение, соответствующее процессу сгорания водорода:

Данная формула демонстрирует высвобождение 484 кДж тепла в процессе сгорания 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Следует отметить образование 2 моль воды, что сопровождается выделение 484 кДж тепла.

Теплотой образования вещества называют количество теплоты, которое выделяется при формировании 1 моль данного вещества из простых веществ.

Наглядным примером является процесс сгорания алюминия, представить который можно таким образом:

\(2Al+\frac<3><2>O_ <2>\rightarrow Al_<2>O_<3>+1675\) кДж

Теплота, которая выделяется при образовании оксида алюминия, составляет 1675 кДж/моль. Записать термохимическую формулу, исключая дробные коэффициенты, можно в таком виде:

\(4Al+3O_ <2>\rightarrow 2Al2O_ <3>+ 3350\) кДж

Теплота, которая характерна для образования оксида алюминия, составит 1675 кДж/моль. Это объясняется с помощью теплового эффекта образования 2 моль оксида алюминия, который учтен в термохимическом уравнении.

Теплотой сгорания вещества называют количество тепла, которое выделяется в процессе горения 1 моль данного вещества.

Примером такого явления служит горение метана:

\(CH_ <4>+ 2O_ <2>\rightarrow CO_ <2>+ 2H_<2>O + 802\) кДж

В этом случае теплота сгорания метана составит 802 кДж/моль.

Примеры решения задач

Задача 1

По итогу реакции, термическая формула которой записана таким образом:

образовано 98 л (н.у.) оксида азота (II). Требуется определить количество теплоты, затраченное на эту реакцию в кДж. Искомое значение можно записать с точностью до целых.

Решение

Согласно термическому уравнению, для образования 2 моль оксида азота (II) необходимо затратить 180 кДж тепла. 2 моль оксида азота при н.у. в объеме составляют 44.8 л. Для поиска решения целесообразно воспользоваться простой пропорцией:

х = 180 * 98 / 44.8 = 393.75 кДж.

Если округлить значение до целых, то Q = 394 кДж.

Ответ: количество теплоты, которое потратили на реакцию, составляет 394 кДж.

Задача 2

По итогам реакции, термохимическая формула которой имеет вид:

было высвобождено 1452 кДж тепла. Требуется найти массу выделившейся в процессе реакции воды в граммах. Запись числа рекомендуется округлить до целых.

Решение

Согласно термохимическому уравнению, в процессе образования 2 моль воды будет образовано 484 кДж тепла. Масса 2 моль воды составляет 36 грамм. Простая пропорция:

х = 1452 * 36 / 484 = 108 г.

Ответ: в процессе реакции будет выделено 108 грамм воды.

Задача 3

Во время реакции, которая характеризуется следующим термохимическим уравнением:

было затрачено 80 грамм серы. Требуется рассчитать количество теплоты, выделяющееся во время реакции в кДж. Конечный результат допускается округлить до целых.

Решение

Исходя из термохимического уравнения, в процессе сгорания 1 моль серы будет выделено 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы составляет 32 грамма. Для расчетов можно записать простую пропорцию:

х = 80 * 296 / 32 = 740 кДж

Ответ: во время химической реакции будет образовано 740 кДж теплоты.

Источник