Термохімія та елементи хімічної термодинаміки

Лабораторна робота №

Мета роботи: отримати навички розрахунків теплових ефектів реакцій, основних термодинамічних функцій, передбачати напрямок і можливість хімічних перетворень

1. Вивчити тему за методичними вказівками «Енергетика та напрямок хімічних процесів»» С.Ю. Кельїна, Е.Г. Камінська. – Миколаїв: УДМТУ, 2001.

2. Розглянути такі теоретичні питання.

– Поняття термодинамічної системи. Види термодинамічних систем та їх характеристики;

– Термодинамічні функції;

– Перший закон термодинаміки. Внутрішня енергія. Ентальпія;

– Термохімічні ендо- та екзопроцеси;

– Стандартний стан;

– Закон Гесса та його наслідки. Розрахунки за законом Гесса;

– Поняття ентропії:

– Другий закон термодинаміки;

– Енергія Гіббса;

– Енергія Гельмгольца;

– Можливість і напрямок хімічних перетворень.

 

Cкорочені теоретичні відомості:

Основою термохімічних розрахунків є закон Г. Гесса (1840):

Тепловий ефект реакцій, які відбуваються при сталому тиску або при сталому об’ємі, а також при сталій температурі, не залежить від числа проміжних стадій, а визначається лише початковим і кінцевим станами системи.

Як наслідок із закону Гесса тепловий ефект прямої реакції дорівнює за величиною і протилежний за знаком тепловому ефекту зворотної реакції:

D Н _прям= -D Н _звор; D Н _утв = -D Н _розк.

Розглянемо методи розрахунку теплових ефектів хімічних реакцій. Введемо основні поняття і визначення.

Рівняння реакцій, в яких вказуються агрегатний стан чи кристалічна модифікація хімічних сполук, а також числове значення теплових ефектів, називаються термохімічними. У екзотермічних реакціях (теплота виділяється) D Н <0, у ендотермічних реакціях (теплота поглинається) D Н >0. Теплові ефекти реакцій (D Н _реак) виражаються у кДж або кКал. Наприклад:

PCl₅ (кр.) + H₂O (p.) ®POCl₃ (кр.) + HCl(г.); D H _реак = - 111,4кДж;

C₂H₆(г.) ®2C(гр.) + 3H₂(г.); D H _реак = 84,67 кДж.

Перша реакція екзотермічна, друга – ендотермічна.

Стандартний стан – це стан чистої речовини при тиску 1,01325^.10⁵ Па. Якщо не визначено спеціально, температура стандартного стану 298 К (25 °С). Часто стандартний стан при температурі 298 К називають стандартними умовами. Значення D Н за цих умов називаються стандартними і позначаються D Н ⁰ (D Н ⁰₂₉₈).

Стандартною теплотою (ентальпією) утворення речовини - DН⁰_утв (речов.) називається тепловий ефект реакції утворення 1 моля цієї речовини з простих речовин за стандартних умов. (таблиця1)

Теплота утворення простої речовини (найбільш стійкої гомосполуки елемента у характерному агрегатному стані при Р = 1атм, Т = 298 К) дорівнює 0. Наприклад, з сполук Оксигену О(г.), О₂(г.), О₃(г.) простою речовиною є О₂, тому D Н ⁰_утв (О₂) = 0.

Стандартною теплотою (ентальпією) згоряння речовини -DН°_згор(речов.) називається тепловий ефект реакції повного окиснення (тобто окиснення до вищих оксидів) 1 моля цієї речовини. (таблиця2)

Теплоти утворення і теплоти згоряння виражаються у кДж/моль, або кКал/моль.

Теплові ефекти реакцій можна розрахувати, використовуючи наступні висновки.

1. Тепловий ефектреакції дорівнює різниці між сумою теплот утворення продуктів реакції і сумою теплот утворення вихідних речовин:

D Н ⁰_реак = S (D Н ⁰_утв)_прод-S (D Н ⁰_утв)_{вих. реч}.

Приклад 1. Скільки теплоти виділяється при спалюванні 20 л етену, який взято за н.у., якщо теплоти утворення СО₂(г.), Н₂О(р.) і С₂Н₄(г.) дорівнюють відповідно-393,5; -286,2 та 52,3 кДж/моль?

Розв’язання:

Задача вирішується на основі закона Гесса.

С₂Н₄(г.) + 2О₂(г.) ®СО₂(г.) + 2Н₂О(р.)

1. D Н ⁰_реак–?

D Н ⁰_реак=SD Н ⁰_утв(прод) -SD Н ⁰_утв(вих. реч) =2D Н ⁰(СО₂) + 2D Н ⁰(Н₂О) -

– D Н ⁰(С₂Н₄) – 2D Н ⁰(О₂).

О₂ – проста речовина, тому D Н ⁰(О₂) = 0.

ТодіD Н ⁰_реак= 2D Н ⁰(СО₂) + 3D Н ⁰(Н₂О) -D Н ⁰(С₂Н₄) = 2(-393,5) + 2(-285,8) – 52,3 = - 1410,9 (кДж).

1. D Н ⁰при спалюванні 20 л етену –?

За н.у. один моль будь якого газу займає об’єм 22,4 л.

Складемо пропорцію: 22,4 л етену виділяють при згорянні 1410,9 кДж тепла

20 л виділяють – Х л тепла

Х = – (20·1410,9) /22,4 = –1260 Дж.

Відповідь: при згорянні 20 л етену виділяється 1260 кДж тепла.

2. Тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумою теплот згоряння вихідних речовин і сумою теплот згоряння продуктів реакції:

D H ^о_реак= S(D H ^о_згор.)_{вих..реч}-S(D H ^о_згор.)_прод.

Приклад 2. Використовуючи стандартні теплоти згоряння речовин, визначити тепловий ефект реакції С₂Н₆(г.) + Н₂(г.)= 2CН_4;(г.); D Н ⁰_згор(С₂Н₆) = -1560кДж/моль, D Н ⁰_згор(Н₂) = -242 кДж/моль, D Н ⁰_згор(CН₄) = -890 кДж/моль.

Розв’язання:

D H ⁰_реак = SD H ⁰_згор(вих. реч) -SD H ⁰_згор(прод) =

D H ⁰_згор(С₂Н₆) + D H ⁰_згор(Н₂) - 2D H ⁰_згор(CН₄) = (-1560) + (-242) – 2(–890) = = –22 кДж.

Відповідь: тепловий ефект реакції дорівнює –22 кДж.

3. Будь-яка хімічна реакція полягає в тому, що розриваються одні зв’язки і утворюються інші. Енергія зв’язку – це енергія, яка виділяється при утворенні зв’язку або поглинається при його розриві. Тепловий ефект реакції може бути розрахований як алгебраїчна сума енергій зв’язків, причому значення енергії зв’язків, які розриваються, беруть зі знаком "+", а значення знов утворених зв’язків – зі знаком "-".