Тепловым эффектом химической реакции или какого-либо процесса называется количество теплоты, которое выделяется или поглощается системой при необратимом протекании реакции при постоянстве давления или объема и отсутствии полезной работы, кроме работы расширения (сжатия), в изотермических условиях. Согласно первому закону термодинамики, тепловой эффект химической реакции равен изменению энтальпии или внутренней энергии системы.
Qр,Т. = ΔΗ, QV,T = ΔU
Тепловой эффект, отнесенный к 1 г (1 молю) веществ, называется удельной (мольной) теплотой реакции.
Тепловой эффект реакции зависит от агрегатного состояния и кристаллической модификации реагирующих веществ.
Химические реакции обычно протекают при постоянном давлении (открытая колба) или при постоянном давлении (в автоклаве), то есть являются соответственно изобарными (V=const) или изохорными (Р=const) процессами.
Процессы, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими а процессы, при которых теплота поглощается, называются эндотермическими.
В термохимических расчетах используют термохимические уравнения. В них указывают тепловой эффект реакции, фазовое состояние и полиморфную модификацию реагирующих и образующихся веществ. (г-газовое; ж-жидкое; к-кристаллическое, т-твердое; р-растворенное и др.). Например:
S(ромб.) + О2(г)=SО2 (г), ΔΗ°298 = -296,9 кДж
Термохимические расчеты проводят, используя энтальпии (теплоты) образования веществ. Под энтальпией образования понимают тепловой эффект реакции образования 1 моль вещества из простых. Обычно используют стандартные энтальпии образования (ΔΗ°обр. 298 или ΔΗ°f, 298). Стандартные энтальпии образования простых веществ равны нулю.
Если величина ΔΗ°обр. 298 отрицательная, то соединение более устойчиво, чем элементы, из которых оно состоит.
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса: тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от ее промежуточных состояний.
Закон Гесса справедлив для изохорных и изобарных процессов.
С(графит)+½О2 (г)=СО(г); ΔΗ2 = -110,5 кДж
СО(г)+½О2 (г)=СО2 (г); ΔΗ3 = -283,0 кДж
С(графит)+О2 (г)=СО2 (г); ΔΗ1 =ΔΗ2+ΔΗ3 = -393,5 кДж
В термохимических расчетах используют следствия из закона Гесса.
Следствия закона Гесса:
· Сумма тепловых эффектов каждой стадии процесса равна. Тепловому эффекту всего процесса.
· Тепловой эффект разложения химического соединения равен тепловому эффекту его образования, но противоположен по знаку.
Qразл. = -Qобр.
СН4 = С + 2Н2 + Х
С + 2Н2 = СН4 – 77,185 кДж. т.е. Х = 77,185 кДж
·. Тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ.
Закон Гесса позволяет рассчитывать теплоты образования нестабильных соединений и тепловые эффекты реакций, которые нельзя осуществить экспериментально.
Согласно закону Гесса тепловой эффект реакции представляет собой разность между суммой энтальпий образования продуктов реакции и суммой энтальпий образования исходных веществ. Для реакции
а А + b В +…= d D + е Е + …
тепловой эффект ΔΗ° определяется равенством
ΔΗ° = (d ΔΗ°f,D + е ΔΗ°f,E+…) - (а ΔΗ°f,A + b ΔΗ°f,B+…)
На практике при проведении термохимических измерений наиболее часто определяют следующие тепловые эффекты: теплоту образования, теплоту разложения, теплоту сгорания, теплоту растворения и теплоту нейтрализации.
Теплотой образования вещества называется тепловой эффект реакции образования 1 моля сложного вещества из простых, наиболее устойчивых при температуре 25˚С (2980К) и р = 101,3 кПа. Например:
½Н2(г) + ½СI2(г) = НСI(г) - 95,05 кДж
Теплотой разложения вещества называется количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при разложении 1 моля сложного вещества на более простые соединения, например:
СаСО3 = СаО + СО2 + 179,08 кДж
Теплотой сгорания называется тепловой эффект реакции окисления 1 моля данного соединения кислородом с образованием высших оксидов соответствующих элементов, например:
С2Н2 + 2,5О2 = 2СО2 + Н2О - 1299,6 кДж
Теплотой растворения называется количество теплоты, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моля вещества в таком объеме растворителя, чтобы при дальнейшем разбавлении раствора не наблюдалось изменения теплового эффекта.
При растворении соли в воде протекают одновременно два процесса:
1) разрушение кристаллической решетки вещества, что требует затрат энергии. При этом тепло поглощается (Q1);
2) гидратация ионов – процесс, сопровождающийся выделением энергии (Q2).
Тепловой эффект растворения соли будет равен сумме тепловых эффектов этих процессов:
Qраств.= Q1+ Q2
Поэтому вещества, обладающие прочной кристаллической решеткой и слабо гидратирующиеся в растворе, растворяются с поглощением тепла. Вещества с невысокой прочностью кристаллической решеткой, образующие в растворе сильно гидратированные ионы растворяются с выделением тепла.
Теплота растворения вещества увеличивается с разбавлением, но лишь до 100- 300 моль растворителя на 1 моль растворяемого вещества. Дальнейшее разбавление раствора практически не изменяет величину теплоты растворения.
Второй закон термодинамики устанавливает возможность, направление и предел протекания самопроизвольных процессов. Чаще всего встречаются несколько формулировок второго закона:
Теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому.
Невозможен вечный двигатель второго рода, т. е. невозможна такая периодически действующая машина, которая позволяла бы получать работу только за счет охлаждения источника теплоты.
Эти формулировки связаны друг с другом и вытекают одна из другой. Обе они указывают на невозможность самопроизвольного протекания определенных процессов. Для оценки возможности протекания процесса в том или ином направлении введена величина – энтропия. Энтропия – это мера беспорядка.
Если энтропия возрастает, то процесс возможен:
ΔS=0, процесс обратимый
ΔS≠0, процесс необратимый
ΔS>0, процесс возможен
Величины стандартных энтропий даны в справочных таблицах.