Энергетика химических процессов

(ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ)

При решении задач этого раздела используйте табл. 4 приложения.

Наука о взаимных превращениях различных видов энергии называется термодинамикой. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направление самопроизвольного течения различных процессов в данных условиях. При химических реакциях происходят глубокие качественные изменения в системе, рвутся связи в исходных веществах и возникают новые связи в конечных продуктах. Эти изменения сопровождаются поглощением или выделением энергии. В большинстве случаев этой энергией является теплота. Раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией. Реакции, которые сопровождаются выделением теплоты, называются экзотермическими, а те, которые сопровождаются поглощением теплоты, - эндотермическими. Теплоты реакций являются, таким образом, мерой изменения свойств системы, и знание их может иметь большое значение при определении условий протекания тех или иных реакций.

При любом процессе соблюдается закон сохранения энергии как проявление более общего закона природы – закона сохранения материи. Теплота Q, поглощенная системой, идет на изменение ее внутренней энергии ΔU и на совершение работы А:

Q = ΔU + А.

Внутренняя энергия системы U – это общий ее запас, включающий энергию поступательного и вращательного движения молекул, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов, внутриядерную энергию и т.д. Внутренняя энергия – это полная энергия системы без потенциальной энергии, обусловленной положением системы в пространстве, и без кинетической энергии системы как целого. Абсолютное значение Uвеществ неизвестно, так как нельзя привести систему в состояние, лишенное энергии. Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, является функцией состояния, т.е. ее изменение однозначно определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода, по которому протекает процесс ΔU = U₂ - U₁, где ΔU- изменение внутренней энергии системы при переходе от начального состояния U₁ в конечное U₂. Если U₂> U₁, тоΔU > 0. Если U₂< U₁, тоΔU < 0.

Теплота и работа функциями состояния не являются, ибо они служат формами передачи энергии и связаны с процессом, а не с состоянием системы. При химических реакциях А – это работа против внешнего давления, т.е. в первом приближении А = рΔV, где ΔV- изменение объема системы (V₂ – V₁).Так как большинство химических реакций проводят при постоянном давлении, то для изобарно-изотермического процесса (P = const, T = const) теплота Q_рбудет равна Q_р= ΔU + рΔV;

Q_р= (U₂ - U₁) + р(V₂ – V₁); Q_р= (U₂ + pV₂) – (U₁ + pV₁).

Сумму U + pV обозначим через Н, тогда Q_р= Н₂ – Н₁ = ΔН.

Величину Н называют энтальпией. Таким образом, теплота при Р = const приобретает свойства функции состояния и не зависит от пути, по которому протекает процесс. Отсюда теплота реакции в изобарно-изотермическом процессе Q_рравна изменению энтальпии системы ΔН, если единственным видом работы является работа расширения, Q_р = ΔН.

Энтальпия Н, как и внутренняя энергия U, является функцией состояния: ее изменение ΔН определяется только начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода. Нетрудно видеть, что теплота реакции в изохорно-изотермическом процессе Q_v(V = const, T = const), при котором ΔV = 0, равна изменению внутренней энергии системы, Q_v = ΔU.

Теплоты химических процессов, протекающих при P,Т = const и V, Т = const, называются тепловыми эффектами.

При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшаетсяΔН < 0 (H₂ < H₁), а при эндотермических – увеличивается ΔН > 0 (H₂ > H₁). В дальнейшем тепловой эффект всюду выражается через ΔН.

В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: «Тепловой эффект реакции зависит только от природы и физических состояний исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода».

В термохимических расчетах используют следствие из закона Гесса: «Тепловой эффект реакции ΔН_х.р.равен сумме теплот образования ΔН_обрпродуктов реакции за вычетом суммы теплот образования исходных веществ ΔН_исх, с учетом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции».

∆H = ∑n_i∆H_прод – ∑n_j∆H_исх.

Пример 1. При взаимодействии кристаллического хлорида фосфора (V) с парами воды образуются жидкая хлорокись фосфора РОСl₃ и хлористый водород. Реакция сопровождается выделением 111,4 кДж теплоты. Напишите термохимическое уравнение этой реакции.