Теплоты реакций

Раздел химической термодинамики, занимающийся изучением теплот реакций, называется термохимией.

В химических процессах изменение состояния системы может характеризоваться не двумя, как в технической термодинамике, а тремя и более параметрами (например, давлением, удельным объемом, температурой, концентрацией). При этом в процессе изменения состояния могут оставаться постоянными два параметра.

Как правило, рассматривают два вида реакций:

а) изохорно-изотермическую, то есть при (V, T) = const;

б) изобарно-изотермическую, то есть при (p, T) = const.

Изохорно-изотермические реакции протекают между твердыми и жидкими веществами, между газами в постоянном объеме (в нерасширяющемся сосуде или для очень быстро протекающих реакций, типа взрыва, когда за время реакции вещества не успевают расшириться). Изобарно-изотермические реакции протекают достаточно медленно в условиях постоянного давления.

Для изохорно-изотермической реакции:

тогда

Q _{V max} = D U,

где Q _{V max} – теплота изохорно-изотермической реакции.

Для изобарно-изотермической реакции:

тогда

–D U = – Q _{p max} + p (V ₂ – V ₁),

где Q _{p max} – теплота изобарно-изотермической реакции.

Q _{p max} = D U + p (V ₂ – V ₁) = U ₂ – U ₁ + pV ₂ – pV ₁ =

= (U ₂ + pV ₂ ) – (U ₁ + pV ₁) = I ₂ – I ₁.

Таким образом,

Q _{p max} = D I.

Связь между тепловыми эффектами при изохорно-изотермической и изобарно-изотермической реакциями:

Q _{V max} = Q _{p max} – p (V ₂ – V ₁),

Если в реакции участвуют газообразные вещества, то из уравнения состояния идеального газа

где n – число молей в объеме V;

m R – универсальная газовая постоянная.

Отсюда

.

Тогда

Q _{V max} = Q _{p max} – D n m RT = Q _{p max} – 8,3143D nT [кДж/моль].

Пусть D n > 0, например, в реакции горения жидкого бензола:

C₆H₆^(ж) + 7,5O₂^(г) = 6CO₂^(г) + 3H₂O^(г) – 3259000 [кДж/моль]

Количество молей газообразных продуктов:

n ₁ = 7,5 моль, n ₂ = 9 моль, D n = 1,5 моль, следовательно:

Q _{V max} < Q _{p max},

то есть при изохорно-изотермической реакции тепла выделится больше, чем при изобарно-изотермической, так как в последнем случае, чтобы p = const, система совершит работу расширения.

Если D n < 0:

CO^(г) + 0,5O₂^(г) = CO₂^(г) – 28330 [кДж/моль]

n ₁ = 1,5 моль, n ₂ = 1 моль, Dn = – 0,5 моль, – таким образом, работа расширения

p (V ₂ – V ₁) < 0,

то есть

Q _{V max} > Q _{p max}.

В данном случае при изохорно-изотермической реакции тепла выделится меньше, чем при изобарно-изотермической, так как для поддержания p = const система воспринимает работу, совершаемую внешней средой.

Если число молей газообразных продуктов в реакции остается неизменным D n = 0, то

Q _{V max} = Q _{p max}.

В справочной литературе чаще встречаются значения Q_p. Для взрывчатых веществ есть таблицы значений Q_V. Это теплоты образования веществ из простых веществ. Хотя индекс «max» не указан, это именно максимальные тепловые эффекты.